未来的空间望远镜Top-4（下）_风闻

原创：牧夫天文

翻译：陈艳玲

校译：牧夫天文校对组

编排：陶邦惠

原文链接：

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/2020-decadal-survey-future-astronomy/

上周五，我们的未来的空间望远镜top-4（上）介绍了4个未来望远镜方案中的前两个：HabEx和LUVOIR。今天我们将介绍另外两个候选方案。

Lynx：下一代X射线望远镜

上周五介绍的两个方案都在可见光和近可见光波段进行观测，而Lynx则选择转战X射线波段。X射线产生自宇宙中温度最高，能量最大的过程，通过它天文学家可以观测吞噬气体的黑洞、爆炸的恒星、以及星系之间堆积的热气体。不过，地球的大气层完全阻挡了它们——在航天时代到来之前，我们甚至不知道宇宙X射线的存在。

Lynx，中文的意思是山猫。在很多文化中人们相信它们有着洞悉事物本质的能力。这个方案希望以此命名来表现X射线望远镜观测技术的一次飞跃。

Lynx概念图，背景是钱德拉X射线望远镜拍摄的M51

Credit: NASA / MSFC

Lynx将要捕捉的光子具有极高的能量，因此很难被聚焦。毕竟，X射线总是倾向于穿透物质而不是在其表面反射。为了使X射线聚焦，它们必须首先在高度抛光的镜子表面以掠入射角反射（就像打水漂一样）。NASA的钱德拉X射线望远镜有四面这样的镜子，它们像俄罗斯套娃一样互相嵌套，以捕捉亚角秒分辨率的X射线图像。 而欧洲空间局的XMM-Newton X射线卫星，在其三个望远镜的每一个中都带有58层这样的嵌套镜。

Lynx轻松超越了这些前辈们。团队成员Grant Tremblay（哈佛-史密松天体物理中心）说：“它将携带有史以来最卓越的X射线反射镜——一块由37000多面高度抛光硅片组成的美丽‘吊灯’。”这些硅片将被堆叠成611个模块，然后组合成圆柱体。

Lynx镜片组装的结构原理

Credit: Zhang et al. / Journal of Astronomical Telescopes,Instruments, and Systems 2019

镜子组装是任务的基石。通过收集更大量的光子，**Lynx的灵敏度将达到钱德拉X射线望远镜的100倍，**这将使它将有能力看到宇宙早期的第一个黑洞。天文学家长期以来一直在思考，在大爆炸之后的仅仅十亿年内，星系中心的黑洞是如何演化至数百万个太阳质量的。Lynx将把目光投到5亿年前，看到这些超大质量黑洞的早期形态，帮助天文学家确定这些黑洞是如何形成与发展的。

这张图显示了詹姆斯•韦伯空间望远镜（左，可见光/红外波段），Lynx（中，X射线波段）和欧洲空间局即将研发的雅典娜X射线卫星（右）对同一块2×2角分深空区域的观测结果模拟。在两个X射线图像中可以看到具有中央黑洞的星系（紫色）和普通星系（绿色）。Lynx的超高分辨率将使得天文学家能够研究詹姆斯•韦伯空间望远镜即将观测的宇宙早期的超大质量黑洞。Credit: Lynx / NASA

Lynx的巡天速度将比钱德拉X射线望远镜快800倍；它的视场宽度可达22角分，并且在绝大部分区域达到亚角秒分辨率。宇宙中存在着大量近乎不可见的炽热气体，它们有的围绕着星系，有的弥散于星系团中，有的构造出宇宙网络，而Lynx凭借其巡天速度，以及它的灵敏度和光谱分辨率，能够描绘出这些气体的分布图。Lynx团队主席Alexey

Vikhlinin（哈佛-史密松天体物理中心）解释说：“这种热气体占据了宇宙大部分的常规物质（即非暗物质），并构成了其结构的基础。理解这种结构一直是宇宙学模拟的课题，但Lynx将获得它的真实图像。”

Tremblay说：“我相信把宇宙网成像出来的图片将会是能震惊世界的。它将会和著名的《地出/地球升起》（1968年12月24日，阿波罗8号飞到月球轨道，宇航员威廉·安德斯拍下了这张著名的照片《地出》(Earthrise)）或事件视界望远镜获得的第一张黑洞照片一样，小小的一个JPG档就能改变一切。”

基于宇宙学模拟，此图像显示了Lynx在对宇宙网进行成像时可以看到的内容。（图中比例尺长度为3千万光年）| Credit: Lynx / NASA

在所有任务中，Lynx对新技术的需求最低，但带来的科学进展却不打折扣。项目的最大创新点在于其主镜；其余的航天器配备基本上与1999年发射的钱德拉X射线望远镜相同。

Tremblay说：“Lynx没有麻烦的展开式遮阳板，也没有8万千米外的另一台专用遮阳飞行器。这是经过测试，经过验证的设计。简而言之，我们取出了钱德拉X射线望远镜的眼睛，并用你能想象到的最强大的眼睛取而代之。”

镜子本身是最昂贵的部件，但迄今为止已经建造了数百个部件。“我们现在有存根和发票来证明它的成本；它并不昂贵。”Vikhlinin说，“我们将会满足Paul Hertz（NASA天体物理中心主任）的要求，花费不超过50亿美元，且质量上一点也不妥协。”

起源空间望远镜（Origins）：

我们是如何到达这里的？

最后的空间望远镜方案简称为“起源（Origins）”，它将把目光投向于一片鲜为人关注的区域。在远红外线波段，我们可以研究恒星之间的尘埃和气体、行星的形成，以及仍然笼罩在碰撞碎片中的刚刚合并的星系。但是，像X射线一样，收集这些红外光子需要到地球大气层之外。

“‘红外线’一词包括近红外线，中红外线，和远红外线，其中每一段光谱范围都与可见光或紫外线波段一样宽。”——“起源”团队成员Cara

Battersby（康涅狄格大学）说到。“虽然与詹姆斯•韦伯空间望远镜存在一些重叠，但是‘起源’望远镜还将在一段几乎没有被探索过的远红外波段探索宇宙，因此充满了可能性。”

为了美国Astro2020 10年规划而发布的5.9米口径“起源”望远镜概念图。Credit: Origins Space Telescope / NASA

NASA的斯皮策空间望远镜和欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜是最后两个探测长波段光谱的探测器。赫歇尔望远镜于2009年至2013年间在远红外波段进行了观测，而斯皮策望远镜虽然仍在运作，但它处于一种“温暖”模式，限制了其观测能力（欢迎阅读《斯皮策太空望远镜——我能感受到宇宙的温暖（上）》https://mp.weixin.qq.com/s/oVR7CchbIBjHqLzxg4V09A了解更多）。“起源”的灵敏度将比这些望远镜高一千倍。“起源空间望远镜提供的观测进步类似于从肉眼到人类的第一台望远镜”，Battersby说。

就像Lynx（秉承了钱德拉X射线望远镜的大致结构），“起源”是斯皮策的继承者，并沿用了其久经考验的架构。相比于Lynx提供了一种新的改进后的主镜，“起源”提供的技术进步在于它的探测器。任务团队仍在开发两种类型的远红外技术——过渡边缘红外传感器和动态电感探测器。最终将选择其中一种技术用于望远镜。一种新的中红外探测器也在开发中。

提升探测器的能力需要保持望远镜的超低温度——仅比绝对零度高4.5度。 “当望远镜温度超过4.5 K时，望远镜本身的远红外辐射将高于背景，使得观测宇宙变得更加困难”，“起源”团队主席Margaret Meixner（空间望远镜科学研究所）说，“就像在地球的白天：由于阳光的散射，我们无法轻易看到星星。”

在远红外波段巡天的目的正如这个项目的名称所示：研究恒星和星系的诞生，行星的起源，以及创造生命本身所必需的成分。

 “我最感兴趣的是尘埃在宇宙中的生命周期，”Meixner解释说。“尘埃如何在濒死的恒星中形成，混入星际介质，并协助形成下一代恒星？”

由于宇宙膨胀的性质，长波段使得“起源”能够比现在乃至将来的望远镜更进一步地探索宇宙的过去，回到第一颗恒星诞生的时代——再电离时代。

起源能探测超过99％的宇宙时间，从宇宙的“黑暗时代”到星系迅速生长的时代，到现在。| Credit: Origins Space Telescope / NASA

与HabEx和LUVOIR一样，“起源”也将在系外行星探索中发挥至关重要的作用。利用中红外光谱技术，该任务将能够探测到岩态系外行星上的生物印记。“‘起源’工作的波长包含可能适合居住的行星上辐射的波长，”团队成员Tiffany Kataria（NASA JPL）表示。“温度测量以及生物印记分子的测量将有助于我们确定行星是否确实适合居住。”

**“起源”最让人期待的，是“未知”。**Battersby说到：“历史上每次人类在用更敏锐的仪器探索新波段时，都能产生很多让人兴奋的新发现。科学中未知的领域是最令我着迷的。”

未来仍未可知

这些任务概念算不上是在互相竞争。 毕竟，十年规****划（译者注：指Astro2020，由美国国家科学院发起的第7次十年发展规划，旨在为美国下个十年的天文发展提出方针）没有义务选择其中一个。在经历了詹姆斯•韦伯空间望远镜任务多次搁浅之后，科学界是否还会给这么有野心的计划亮绿灯，谁也说不准。

“这是我最害怕的事情，” O’Meara说，“如果我们认为无法从错误中吸取教训，无法建造一台在天文探索中扮演领头羊角色的望远镜，我们就相当于放弃了进取心，这样显然不利于天文学的发展。”

明年的Astro2020****十年发展规划或许我们就能知道结果，届时全美各地的天文学家会一同决定美国下个十年的天文发展方向，确定什么会被当作第一优先。

『天文时刻』 牧夫出品

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M13内恒星的颜色与星等图

Tolga Gumusayak, Robert Vanderbei