[解密] NASA大胆谋划20年后哈勃和韦伯望远镜的“后继者”

  原标题:NASA大胆谋划20年后哈勃和韦伯望远镜的“后继者”


  NASA大胆谋划20年后的太空研究


  ——哈勃和韦伯望远镜的“后继者”开始热身



ATLAST望远镜(效果图)


  本报记者 房琳琳 综合外电


  一般来说,天体物理学的旗帜性任务从概念到落地,往往要孕育几十年才得以成熟。


  比如说,具有标志性意义的哈勃太空望远镜,可以说是历史上最伟大的望远镜,理所当然的受到了广泛赞誉和认可。这一设计理念在20世纪40年代提出,于70年代发展并最终在1990年实现。与此相似,詹姆斯·韦伯空间望远镜预计在2018年建成,这距离设想生发伊始也有23年。


  据物理学家组织网23日报道,NASA的科学家和工程师认为,考虑到周期长这一特点,现在,是时候布置未来的旗帜性任务了。美国航空航天局(NASA)的戈达德太空飞行中心位于马里兰州格林贝尔特,由科学家和工程师组成的一个团队,正在研究哈勃和韦伯望远镜的后继者所需要具备的科学与技术储备以及耗资情况。


  建立在哈勃和韦伯望远镜关键技术基础之上的这个“后继者”,被称为技术先进的大口径空间望远镜(ATLAST)。NASA已经在《未来30年天体物理学远景规划》中,明确了这种ATLAST型号任务。


  这项可行性研究最终为ATLAST设计预演、科学正当性和技术方案等提供指南,在国家科研委员会(NRC)发布2020年天体物理学代际调研时,根据上述研究,将建议其做为下一个十年的优先研究领域和优先任务发布。这些工作对天文学社会团体获得高额投入有积极作用,且代表了NASA对优先事项付诸实践的一种共识。


  它,肩负着与“前辈”不同的科学使命


  尽管科学任务不尽相同,但韦伯望远镜经常被看做哈勃望远镜的“后继者”。天文台配备了6.5米直径的分段主镜,能从轨道前哨观测到距离地球近150万公里以外的深空,得以对星系、恒星和行星的诞生和发展开展研究。它配备的包含四种装置的组合,能非常理想地用来研究远在宇宙中的物质,或者观察我们这颗充满灰尘、可见光被阻隔的地球家园。


  按照目前的设想,新的望远镜将携带2.4米的主镜,配备成像仪和光谱仪,用来研究暗能量,这种能量非常神秘,它弥漫在整个宇宙空间,能加速宇宙的膨胀;新望远镜还可以携带日冕仪,这能使新望远镜在其他的类太阳系中对巨型系外行星和碎片进行成像。


  “目前,为ATLAST望远镜计划配备的一个应用程序正在准备当中,这个程序的主要功能,是在太阳系附近星系中的类地星球上寻找生命迹象。”克来宾说。虽然其他观测站能对较大系外行星进行成像,但他们无法拥有ATLAST望远镜的这种鉴别能力,特别是它能鉴别出一种化学物质,提供在遥远的类地星球有生命存在的证据。


  ATLAST望远镜的最大主镜同时也使其他科学探索变得可行。除了在细节上研究星体和星系信息,ATLAST望远镜还能分析远在1000万光年以外的星系星体,以及大于100秒差距区域范围内的宇宙星际物质。


  它,面临“前辈”有过的和从未有过的挑战


  为了实现上述科学研究,作为一个长期存在的空间观测工具,ATLAST跟哈勃望远镜一样,会研究紫外线视域、可见的以及近红外线波段视域的天体。


  “ATLAST望远镜的属性之一,是它被设计为模块化和可维修的,这一特点追随了哈勃太空望远镜的模型。”戈达德的研究组领导之一朱莉·鲁克说。任务规划者将设计这样一个天文台,它可以提供仪器设备的升级服务,这是一种取决于可用预算和科学要求的潜在功能。鲁克说:“到目前为止,可维护性一直是哈勃太空望远镜区别于其他所有空间任务的最重要的任务架构范式之一。”


  要实现这些雄心勃勃的目标,天文台需要非常稳定的热能和机械能,与韦伯望远镜选择相同的轨道,在太阳—地球L2轨道上运行,并配备日冕仪或星光遮盖物,这个遮盖物可以掩盖母恒星的光,这些光可能将类地行星发出的微弱光彻底淹没。但也许更重要的是,它会携带更大的主镜,这个主镜甚至大于韦伯的主镜,也将是由NASA送上太空的最大的分段主镜。


  但是,目前这个团队正在研究直径10米的玻璃或碳纤维分段主镜的可行性,这种主镜能让这台新型望远镜获得更大的光收集面,但仍然适合放置在现有运载火箭的整流罩内。目前,该团队基本上选定了三角洲-Ⅳ重型运载火箭,因为它能提供最大的推送入轨能力。


  “它收集光的能力比哈勃望远镜好17倍。”卡尔·泰尔补充道,他是戈达德工程师领导之一,负责评估在最后任务中删除哪些非必要技术。最终产生的技术方案将呈报国家科研委员会,虽然NASA已确定了技术需求和风险,但还需要该机构为之理性把关。


  除了建设大型分段式主镜,如同韦伯望远镜一样,还需要将其折叠起来以方便着陆,然后在空间中重新布置,任务制定者会微调连接每段主镜的节点,并确保其稳固牢靠。对于为系外行星成像和光谱学分析的最大技术挑战,是建设一个非常稳固的天文观测站,泰尔说,ATLAST望远镜会要求波阵面误差为每10分钟10皮米,这将比韦伯望远镜的稳定性要求高出1000倍。


  它,站在“前辈”肩膀上瞄准技术前沿


  “就理念而言,ATLAST会继承韦伯望远镜的技术创新,比如可展开的大尺寸镜像阵列等。”ATLAST预研科学家、韦伯项目参与者马克·克来宾说,“我们将借助韦伯望远镜的很多成果,然后在接下来的几年中发展新的技术,比如主镜组装,波阵面敏感度控制,以及超稳定结构等,来达到稳定波阵面误差这一目标。”


  “当人们期待哈勃和韦伯能够运行很多年的时候,我们在展望未来望远镜和观测设备的具体要求时,有些需要回答的问题,真实地摆在了美国国家航空航天局未来30年愿景面前。”哈雷·特龙森说,作为戈达德太空飞行中心的资深科学家,他对天体物理学发展的理念非常先进。


  泰尔也强调,虽然NASA已经在近红外线探测器和镜面镀膜上投入重金,但是工程师们认为,应该将更多的研究资源偏向于发展紫外线探测器灵敏度和紫外镜面镀膜反射系数上来,这将大大扩展我们对可见光和近红外线视域的研究可能性。


  2010年天体物理学代际调查建议NASA将投资UV技术作为未来的大目标,实际上,NASA的宇宙起源办公室正在制定这些投资计划,克来宾说:“通过坚持不懈的努力,鉴于紫外线设备能够为观测紫外线视域和可见光视域的宇宙提供超高清晰度,ATLAST望远镜中与紫外线设备相关的研究效率可能大大高于天文台本身。”


  特龙森补充说:“ATLAST望远镜将会取得非常重要的科研目标,这些科研成果绝不可能与地基天文台或其他任何空间任务相提并论。”


  据了解,研究团队还包括世界知名的科学和技术专家,他们来自马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所,在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室,以及位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心。


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