未來(lái)太空望遠(yuǎn)鏡 誰(shuí)來(lái)接棒

針對(duì)不同波長(zhǎng)和目標(biāo)的四款擬議的望遠(yuǎn)鏡正在“爭(zhēng)寵”，幸運(yùn)者將于本世紀(jì)30年代升空。圖片來(lái)源：《科學(xué)》雜志網(wǎng)站

據(jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，今年可謂流年不利。其詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)的發(fā)射日期已被推遲到2021年3月，而且成本已超過(guò)88億美元;與之“同病相憐”的還有寬視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡(WFIRST)，該望遠(yuǎn)鏡旨在確定神秘暗能量的本質(zhì)，或?qū)⒊?億美元。

然而，這無(wú)法阻擋天文學(xué)家們追求星辰大海的夢(mèng)想。美國(guó)天體物理學(xué)領(lǐng)域的《十年調(diào)查》于上月啟動(dòng)，旨在為NASA、美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的未來(lái)任務(wù)確定優(yōu)先事項(xiàng)，其中關(guān)鍵任務(wù)之一是從四個(gè)擬議的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目中挑選一個(gè)，做JWST和WFIRST的“接班人”。

《科學(xué)》雜志的報(bào)道稱，目前已“浮出水面”的這“四朵金花”各有千秋，無(wú)論最后選中哪朵，關(guān)鍵是進(jìn)行成本控制，不要步JWST和WFIRST的后塵。

四大方案 浮出水面

這四大擬議的望遠(yuǎn)鏡包括：“大型紫外/光學(xué)/紅外測(cè)量?jī)x”(LUVOIR)，這款15米寬的巨型望遠(yuǎn)鏡的集光能力將是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的40倍，旨在追溯到宇宙的第一個(gè)星系，并厘清宇宙其他地方是否有生命存在這一亙古謎題。

“宜居系外行星天文臺(tái)”(HabEx)也致力于回答上面的問(wèn)題，但其鏡面比較小。HabEx將攜帶一個(gè)足球場(chǎng)大小的遮星板一起飛行。遮星板可阻擋恒星的眩光，揭示類地系外行星。HabEx將仔細(xì)檢查系外行星發(fā)出的微弱光線，以尋找生命的信號(hào)。

林克斯X射線天文臺(tái)(Lynx Xray Observatory)將收集宇宙第一批黑洞發(fā)出的X射線，了解它們?nèi)绾螏椭窍敌纬珊脱莼?/p>

“起源太空望遠(yuǎn)鏡”(Origins Space Telescope)上的設(shè)備可將望遠(yuǎn)鏡冷卻到絕對(duì)零度以上4℃，對(duì)幫助恒星和行星形成的冷氣體和塵埃發(fā)出的一種紅外輻射進(jìn)行研究。

無(wú)論哪個(gè)概念項(xiàng)目最終中選，研究人員都希望其比“前輩”更幸運(yùn)一點(diǎn)。2001年的《十年調(diào)查》選擇JWST作為首要任務(wù)，如果順利，該望遠(yuǎn)鏡將在任務(wù)提出20年后的2021年一飛沖天。WFIRST則是2010年《十年調(diào)查》的首選，但它不會(huì)在2025年之前發(fā)射。

有了這些前車之鑒，NASA希望這次更穩(wěn)妥一點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)不僅早在2015年就確定了這四個(gè)旗艦概念，且已資助團(tuán)隊(duì)為每個(gè)概念提出粗略設(shè)計(jì)方案。在2019年6月，這些團(tuán)隊(duì)將分別向NASA提交一份報(bào)告，包括兩個(gè)版本：昂貴且龐大的高預(yù)算版和預(yù)算最好不超過(guò)50億美元的“親民版”。

爭(zhēng)奇斗艷 競(jìng)爭(zhēng)激烈

《十年調(diào)查》的結(jié)果將于2020年提交?？茖W(xué)家希望最終能達(dá)成一致意見(jiàn)，以齊心協(xié)力游說(shuō)國(guó)會(huì)撥付資金。但四大旗艦項(xiàng)目本身之間的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。

LUVOIR的支持者認(rèn)為，其是一個(gè)通用天文臺(tái)，像哈勃一樣“多才多藝”。而且，望遠(yuǎn)鏡尺寸巨大，這意味著它能以最清晰的視野瞥見(jiàn)最遙遠(yuǎn)、最模糊的物體。太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的杰森·卡里拉說(shuō)：“它超越了天體物理學(xué)。”但批評(píng)人士認(rèn)為，LUVOIR巨大的鏡面將導(dǎo)致其成本高昂，很可能步6.5米寬鏡面的JWST后塵。

更親民HabEx的支持者認(rèn)為，該望遠(yuǎn)鏡可以幫助人們更好地探索系外行星，但遮星板這一技術(shù)仍未通過(guò)驗(yàn)證。雖然HabEx可以詳細(xì)研究附近的幾顆行星，但其鏡面僅4米寬，這意味著更遠(yuǎn)的世界對(duì)它來(lái)說(shuō)遙不可及。HabEx和LUVOIR團(tuán)隊(duì)成員克里斯·斯塔克表示，不需要同時(shí)推出這兩款產(chǎn)品，畢竟“地球附近的恒星有限”。

“起源太空望遠(yuǎn)鏡”希望研究塵埃和分子如何聚合在一起，形成第一個(gè)星系和黑洞，以及年輕恒星周圍的圓盤(pán)如何聚集成系外行星。但JWST和位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列可捕獲一些相同波長(zhǎng)的光，這會(huì)擠壓“起源太空望遠(yuǎn)鏡”的發(fā)現(xiàn)空間。

至于Lynx則是X射線天文臺(tái)，將研究旋入黑洞或從銀河系中心噴射而出的熱氣體，它將讓那些“坐冷板凳”多年的X射線天文學(xué)家激動(dòng)不已。

身價(jià)待估 控制成本

無(wú)論哪個(gè)任務(wù)最終贏得《十年調(diào)查》的青睞，資助者都會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)：我們?cè)趺粗浪粫?huì)是另一個(gè)JWST?美國(guó)國(guó)家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院(NASEM)研究主任戴維恩·戴組織了此次《十年調(diào)查》。他表示，調(diào)查將采用一種復(fù)雜的方法來(lái)估算成本，希望“避免價(jià)格過(guò)高帶來(lái)的沖擊”。

戴說(shuō)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一般會(huì)通過(guò)計(jì)算人工、材料和測(cè)試來(lái)估算成本，“這很好，但它將不可預(yù)見(jiàn)的情況排除在外”。因此，在過(guò)去十年中，NASEM一直向位于加州的埃爾塞貢多航空航天公司支付費(fèi)用，借助其“成本和技術(shù)評(píng)估”(CATE)模型來(lái)分析《十年調(diào)查》可能會(huì)考慮的提案。

CATE模型利用可追溯到幾十年前的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含NASA的150多項(xiàng)任務(wù)和700個(gè)儀器的成本和性能細(xì)節(jié)。當(dāng)提出新任務(wù)時(shí)，CATE可告知人們過(guò)去類似任務(wù)的成本幾何。而且，該模型的最大優(yōu)勢(shì)在于其預(yù)測(cè)能力。

盡管JWST現(xiàn)在是天文學(xué)家們腦海中的“香餑餑”，但他們也迫切希望“四朵金花”中的獲勝者能實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想。勝出者將在本世紀(jì)30年代發(fā)射到“拉格朗日2”(L2)點(diǎn)——太陽(yáng)和地球之間的重力平衡點(diǎn)，以幫助科學(xué)家們解開(kāi)有關(guān)宇宙的謎團(tuán)。

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