超越韋伯：科學(xué)家構(gòu)想未來史詩般超級空間望遠(yuǎn)鏡

　　據(jù)美國太空網(wǎng)報(bào)道，2018年，美國最新研制的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡就將發(fā)射升空，此時此刻，科學(xué)家們已經(jīng)開始著手展望更下一代的空間望遠(yuǎn)鏡了。這是因?yàn)榧舛丝萍家约按笮驮O(shè)備將需要多年，乃至數(shù)十年時間去計(jì)劃、建造和發(fā)射，而科學(xué)家們不希望等到詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡快要退役時再做匆忙謀劃。

　　對于望遠(yuǎn)鏡來說，口徑越大，其集光能力當(dāng)然也就越強(qiáng)，從而讓科學(xué)家們能夠觀察到更加暗弱的天體。因此毫不意外的，盡管詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)擁有了6.5米的驚人口徑，很多科學(xué)家仍然希望在詹姆斯·韋伯之后的更新一代望遠(yuǎn)鏡上能夠采用巨大的口徑設(shè)計(jì)。

　　天體物理學(xué)家，美國宇航局前首席科學(xué)家約翰·格朗斯菲爾德（JohnGrunsfeld）表示：“當(dāng)我們尋找地球2.0時，它們的亮度將遠(yuǎn)低于哈勃超深場圖像中最暗弱星系的亮度?！弊鳛橐幻坝詈絾T，格朗斯菲爾德曾經(jīng)執(zhí)行過多次在軌道上維護(hù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)，事實(shí)上他也是世界上最后觸摸哈勃望遠(yuǎn)鏡的人類。

　　今年4月在美國亞利桑那州梅薩舉行的“天體生物學(xué)科學(xué)會議”（AbSciCon）上，格朗斯菲爾德呼吁未來建造一臺口徑在12米左右的空間望遠(yuǎn)鏡。這樣一臺史詩般的設(shè)備如果能夠如愿建成發(fā)射，那將極大幫助我們真正看清太陽系之外，圍繞其他恒星運(yùn)行的類地行星，還將幫助我們探尋宇宙最初的起源，并對遙遠(yuǎn)的恒星與行星目標(biāo)開展前所未有的深入研究。

　　格朗斯菲爾德表示：“我不希望到時候我們會說，要是有個更大的望遠(yuǎn)鏡就好了，那樣才能做出一些重要的發(fā)現(xiàn)。我們需要提前謀劃?！?

　　超級望遠(yuǎn)鏡

　　在目前各方的議論紛紛之中，作為詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡之后的更新一代未來望遠(yuǎn)鏡，其有力的競爭方案之一當(dāng)屬所謂“大型紫外/光學(xué)/紅外巡天望遠(yuǎn)鏡”（LUVOIR）。這是一個設(shè)想中的多波段大型空間望遠(yuǎn)鏡，其能夠?qū)ο低庑行?，行星形成與演化進(jìn)行觀察研究，并探查早期宇宙的秘密。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，其主鏡直徑將達(dá)到驚人的30——45英尺（約合9——14米之間），這一口徑設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了格朗斯菲爾德對于未來空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想。

　　在會議期間，LUVOIR望遠(yuǎn)鏡科學(xué)技術(shù)定義小組聯(lián)合召集人德布拉·費(fèi)雪（DebraFischer）表示：“這的確是非凡的眼界?！彼龑⒃O(shè)想中的這款超級望遠(yuǎn)鏡評價(jià)為“21世紀(jì)的空間天文臺”。

　　按照目前的設(shè)想，LUVOIR望遠(yuǎn)鏡將有能力觀察遙遠(yuǎn)星系內(nèi)部的恒星新生區(qū)域并繪制宇宙臨近空間中的暗物質(zhì)分布地圖。它還將能夠認(rèn)證極早期宇宙中的第一縷星光并直接拍攝土星和木星的冰凍小衛(wèi)星表面的噴泉或火山噴發(fā)等現(xiàn)象。從其運(yùn)行的地球軌道上，LUVOIR望遠(yuǎn)鏡將能夠獲取分辨率達(dá)到每像素約200米的冥王星以及其他柯伊伯帶天體圖像。

　　對于出席此次AbSciCon會議的科學(xué)家們來說，他們對于LUVOIR望遠(yuǎn)鏡最大的期待當(dāng)然是它對于系外行星觀測方面的能力。按照目前設(shè)計(jì)，這臺超級望遠(yuǎn)鏡將讓科學(xué)家們可以直接獲取并分析遙遠(yuǎn)的系外類地行星大氣成分光譜，從而搜尋生命的痕跡。目前最接近地球的候選目標(biāo)是Kepler-452b，這顆系外行星圍繞一顆與太陽相似的恒星運(yùn)行，但其質(zhì)量要比地球大60%左右。因此，天文學(xué)家們目前仍在努力尋找大小與地球更為接近的系外行星，并且希望能夠?qū)ζ浯髿獬煞诌M(jìn)行分析。

　　費(fèi)雪表示：“生物痕跡就是我們追尋的目標(biāo)?！被诳茖W(xué)家們目前對于巖石行星在恒星周圍分布情況的了解，費(fèi)雪認(rèn)為一臺像LUVOIR這樣的大型望遠(yuǎn)鏡，加上能夠遮蔽恒星光芒的人工日冕儀，將是開展這方面研究的有力工具。按照一般概率估算，一臺4米口徑空間望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能夠找到大約6個與地球相近的系外行星世界，而如果這臺望遠(yuǎn)鏡的口徑增加到8米，那么它將有望找到25個與地球接近的系外行星世界，而如果是一臺口徑達(dá)到16米的空間望遠(yuǎn)鏡，那么我們將有可能找到多達(dá)100個與地球接近的系外行星世界。

　　這些數(shù)字非常重要，因?yàn)椴⒎敲恳粋€環(huán)境條件與地球相近的星球都能夠發(fā)展出生命。因此我們的望遠(yuǎn)鏡能夠觀察到的這類星球數(shù)量越多，從中找到一個真正擁有宜居條件星球的概率也就越大。

　　費(fèi)雪表示：“如果宜居行星出現(xiàn)的概率是10%上下，那么屆時我們手里將有30個候選目標(biāo)，我們可以從中選出可能性最高的那個星球?！?

　　另一方面，時間也是重要的考量因素。根據(jù)格朗斯菲爾德的說法，使用一臺口徑16米的空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行一小時的系外行星搜尋工作，其獲取的結(jié)果將相當(dāng)于一臺口徑4米的空間望遠(yuǎn)鏡搜尋10小時的結(jié)果。這就意味著在相同的壽命周期內(nèi)，更大口徑望遠(yuǎn)鏡的效率優(yōu)勢將更加凸顯。

　　格朗斯菲爾德表示：“我們將能夠覆蓋到更多候選目標(biāo)，并從中選出真正的地球2.0。”

　　得益于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，格朗斯菲爾德與費(fèi)雪兩人都強(qiáng)調(diào)了一點(diǎn)，那就是未來空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)很有可能將隨著時間推移而出現(xiàn)重大的變化，甚至是目前還無法想象的變化。關(guān)于這一點(diǎn)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就是一個很好的例子。當(dāng)這臺人類第一個空間望遠(yuǎn)鏡在1990年被發(fā)射升空時，科學(xué)家們還尚未發(fā)現(xiàn)任何一顆系外行星的存在。但是在今天這個時代，空間望遠(yuǎn)鏡必然需要具備探查系外行星大氣層成分的能力，而這是當(dāng)初的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)者們不可能預(yù)見到的需求。未來，LUVOIR望遠(yuǎn)鏡也將很有可能重復(fù)這樣的故事。費(fèi)雪說：“它或許將被要求去解答一些我們現(xiàn)在甚至都從未聽說過的問題。”

　　在軌可維護(hù)性

　　在服役的漫長的27年間，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡身居地球軌道，卻幫助人類洞察深邃的宇宙。在一開始出現(xiàn)儀器故障之后，宇航員們能夠乘坐航天飛機(jī)前往太空并對哈勃望遠(yuǎn)鏡開展維修和技術(shù)升級工作，從而不但使其長期保持良好工作狀態(tài)，甚至還能通過更新設(shè)備，不斷提升觀測能力。

　　格朗斯菲爾德表示：“我認(rèn)為空間望遠(yuǎn)鏡的可維護(hù)性是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。那樣可以讓你得以不斷為望遠(yuǎn)鏡更新設(shè)備，從而使其持續(xù)升級。”

　　在2010年，美國國會通過一項(xiàng)法案，要求美國未來的旗艦級天文觀測項(xiàng)目都應(yīng)該具有可維護(hù)性。但是即將在明年發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將不具有這樣的可維護(hù)性，因?yàn)樗奶岢鰰r間遠(yuǎn)在2010年之前。詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將被安放在距離地球150萬公里遠(yuǎn)的第二拉格朗日點(diǎn)上，在這樣遙遠(yuǎn)的距離上，任何在軌維護(hù)工作都是不可能進(jìn)行的。

　　而至于LUVOIR，目前還沒有完全的定論。它最終能否得到批準(zhǔn)而真正成形還需要看它與另外一個極具實(shí)力的項(xiàng)目——“宜居系外行星成像任務(wù)”（HabEx）之間競爭的結(jié)果。HabEx項(xiàng)目的注意力主要集中在對類太陽恒星周圍的系外類地行星進(jìn)行直接成像并對其大氣層性質(zhì)進(jìn)行觀測。

　　HabEx望遠(yuǎn)鏡將采用直接成像技術(shù)，使其能夠直接拍攝遙遠(yuǎn)行星世界的面貌。但它的用途也并非完全局限于系外行星研究，它還將能夠開展銀河系內(nèi)外的多種天體目標(biāo)。