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NASA大膽謀劃20年后的太空研究

——哈勃和韋伯望遠(yuǎn)鏡的“后繼者”開始熱身

ATLAST望遠(yuǎn)鏡（效果圖）

本報(bào)記者 房琳琳 綜合外電

一般來說，天體物理學(xué)的旗幟性任務(wù)從概念到落地，往往要孕育幾十年才得以成熟。

比如說，具有標(biāo)志性意義的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，可以說是歷史上最偉大的望遠(yuǎn)鏡，理所當(dāng)然的受到了廣泛贊譽(yù)和認(rèn)可。這一設(shè)計(jì)理念在20世紀(jì)40年代提出，于70年代發(fā)展并最終在1990年實(shí)現(xiàn)。與此相似，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)在2018年建成，這距離設(shè)想生發(fā)伊始也有23年。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)23日報(bào)道，NASA的科學(xué)家和工程師認(rèn)為，考慮到周期長這一特點(diǎn)，現(xiàn)在，是時(shí)候布置未來的旗幟性任務(wù)了。美國航空航天局（NASA）的戈達(dá)德太空飛行中心位于馬里蘭州格林貝爾特，由科學(xué)家和工程師組成的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，正在研究哈勃和韋伯望遠(yuǎn)鏡的后繼者所需要具備的科學(xué)與技術(shù)儲備以及耗資情況。

建立在哈勃和韋伯望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)之上的這個(gè)“后繼者”，被稱為技術(shù)先進(jìn)的大口徑空間望遠(yuǎn)鏡（ATLAST）。NASA已經(jīng)在《未來30年天體物理學(xué)遠(yuǎn)景規(guī)劃》中，明確了這種ATLAST型號任務(wù)。

這項(xiàng)可行性研究最終為ATLAST設(shè)計(jì)預(yù)演、科學(xué)正當(dāng)性和技術(shù)方案等提供指南，在國家科研委員會（NRC）發(fā)布2020年天體物理學(xué)代際調(diào)研時(shí)，根據(jù)上述研究，將建議其做為下一個(gè)十年的優(yōu)先研究領(lǐng)域和優(yōu)先任務(wù)發(fā)布。這些工作對天文學(xué)社會團(tuán)體獲得高額投入有積極作用，且代表了NASA對優(yōu)先事項(xiàng)付諸實(shí)踐的一種共識。

它，肩負(fù)著與“前輩”不同的科學(xué)使命

盡管科學(xué)任務(wù)不盡相同，但韋伯望遠(yuǎn)鏡經(jīng)常被看做哈勃望遠(yuǎn)鏡的“后繼者”。天文臺配備了6.5米直徑的分段主鏡，能從軌道前哨觀測到距離地球近150萬公里以外的深空，得以對星系、恒星和行星的誕生和發(fā)展開展研究。它配備的包含四種裝置的組合，能非常理想地用來研究遠(yuǎn)在宇宙中的物質(zhì)，或者觀察我們這顆充滿灰塵、可見光被阻隔的地球家園。

按照目前的設(shè)想，新的望遠(yuǎn)鏡將攜帶2.4米的主鏡，配備成像儀和光譜儀，用來研究暗能量，這種能量非常神秘，它彌漫在整個(gè)宇宙空間，能加速宇宙的膨脹；新望遠(yuǎn)鏡還可以攜帶日冕儀，這能使新望遠(yuǎn)鏡在其他的類太陽系中對巨型系外行星和碎片進(jìn)行成像。

“目前，為ATLAST望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃配備的一個(gè)應(yīng)用程序正在準(zhǔn)備當(dāng)中，這個(gè)程序的主要功能，是在太陽系附近星系中的類地星球上尋找生命跡象?！笨藖碣e說。雖然其他觀測站能對較大系外行星進(jìn)行成像，但他們無法擁有ATLAST望遠(yuǎn)鏡的這種鑒別能力，特別是它能鑒別出一種化學(xué)物質(zhì)，提供在遙遠(yuǎn)的類地星球有生命存在的證據(jù)。

ATLAST望遠(yuǎn)鏡的最大主鏡同時(shí)也使其他科學(xué)探索變得可行。除了在細(xì)節(jié)上研究星體和星系信息，ATLAST望遠(yuǎn)鏡還能分析遠(yuǎn)在1000萬光年以外的星系星體，以及大于100秒差距區(qū)域范圍內(nèi)的宇宙星際物質(zhì)。

它，面臨“前輩”有過的和從未有過的挑戰(zhàn)

為了實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)研究，作為一個(gè)長期存在的空間觀測工具，ATLAST跟哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣，會研究紫外線視域、可見的以及近紅外線波段視域的天體。

“ATLAST望遠(yuǎn)鏡的屬性之一，是它被設(shè)計(jì)為模塊化和可維修的，這一特點(diǎn)追隨了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的模型。”戈達(dá)德的研究組領(lǐng)導(dǎo)之一朱莉·魯克說。任務(wù)規(guī)劃者將設(shè)計(jì)這樣一個(gè)天文臺，它可以提供儀器設(shè)備的升級服務(wù)，這是一種取決于可用預(yù)算和科學(xué)要求的潛在功能。魯克說：“到目前為止，可維護(hù)性一直是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡區(qū)別于其他所有空間任務(wù)的最重要的任務(wù)架構(gòu)范式之一。”

要實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)，天文臺需要非常穩(wěn)定的熱能和機(jī)械能，與韋伯望遠(yuǎn)鏡選擇相同的軌道，在太陽—地球L2軌道上運(yùn)行，并配備日冕儀或星光遮蓋物，這個(gè)遮蓋物可以掩蓋母恒星的光，這些光可能將類地行星發(fā)出的微弱光徹底淹沒。但也許更重要的是，它會攜帶更大的主鏡，這個(gè)主鏡甚至大于韋伯的主鏡，也將是由NASA送上太空的最大的分段主鏡。

但是，目前這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在研究直徑10米的玻璃或碳纖維分段主鏡的可行性，這種主鏡能讓這臺新型望遠(yuǎn)鏡獲得更大的光收集面，但仍然適合放置在現(xiàn)有運(yùn)載火箭的整流罩內(nèi)。目前，該團(tuán)隊(duì)基本上選定了三角洲-Ⅳ重型運(yùn)載火箭，因?yàn)樗芴峁┳畲蟮耐扑腿胲壞芰Α?/p>

“它收集光的能力比哈勃望遠(yuǎn)鏡好17倍?！笨枴ぬ栄a(bǔ)充道，他是戈達(dá)德工程師領(lǐng)導(dǎo)之一，負(fù)責(zé)評估在最后任務(wù)中刪除哪些非必要技術(shù)。最終產(chǎn)生的技術(shù)方案將呈報(bào)國家科研委員會，雖然NASA已確定了技術(shù)需求和風(fēng)險(xiǎn)，但還需要該機(jī)構(gòu)為之理性把關(guān)。

除了建設(shè)大型分段式主鏡，如同韋伯望遠(yuǎn)鏡一樣，還需要將其折疊起來以方便著陸，然后在空間中重新布置，任務(wù)制定者會微調(diào)連接每段主鏡的節(jié)點(diǎn)，并確保其穩(wěn)固牢靠。對于為系外行星成像和光譜學(xué)分析的最大技術(shù)挑戰(zhàn)，是建設(shè)一個(gè)非常穩(wěn)固的天文觀測站，泰爾說，ATLAST望遠(yuǎn)鏡會要求波陣面誤差為每10分鐘10皮米，這將比韋伯望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定性要求高出1000倍。

它，站在“前輩”肩膀上瞄準(zhǔn)技術(shù)前沿

“就理念而言，ATLAST會繼承韋伯望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)創(chuàng)新，比如可展開的大尺寸鏡像陣列等?！盇TLAST預(yù)研科學(xué)家、韋伯項(xiàng)目參與者馬克·克來賓說，“我們將借助韋伯望遠(yuǎn)鏡的很多成果，然后在接下來的幾年中發(fā)展新的技術(shù)，比如主鏡組裝，波陣面敏感度控制，以及超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，來達(dá)到穩(wěn)定波陣面誤差這一目標(biāo)。”

“當(dāng)人們期待哈勃和韋伯能夠運(yùn)行很多年的時(shí)候，我們在展望未來望遠(yuǎn)鏡和觀測設(shè)備的具體要求時(shí)，有些需要回答的問題，真實(shí)地?cái)[在了美國國家航空航天局未來30年愿景面前?！惫住ぬ佚埳f，作為戈達(dá)德太空飛行中心的資深科學(xué)家，他對天體物理學(xué)發(fā)展的理念非常先進(jìn)。

泰爾也強(qiáng)調(diào)，雖然NASA已經(jīng)在近紅外線探測器和鏡面鍍膜上投入重金，但是工程師們認(rèn)為，應(yīng)該將更多的研究資源偏向于發(fā)展紫外線探測器靈敏度和紫外鏡面鍍膜反射系數(shù)上來，這將大大擴(kuò)展我們對可見光和近紅外線視域的研究可能性。

2010年天體物理學(xué)代際調(diào)查建議NASA將投資UV技術(shù)作為未來的大目標(biāo)，實(shí)際上，NASA的宇宙起源辦公室正在制定這些投資計(jì)劃，克來賓說：“通過堅(jiān)持不懈的努力，鑒于紫外線設(shè)備能夠?yàn)橛^測紫外線視域和可見光視域的宇宙提供超高清晰度，ATLAST望遠(yuǎn)鏡中與紫外線設(shè)備相關(guān)的研究效率可能大大高于天文臺本身。”

特龍森補(bǔ)充說：“ATLAST望遠(yuǎn)鏡將會取得非常重要的科研目標(biāo)，這些科研成果絕不可能與地基天文臺或其他任何空間任務(wù)相提并論。”

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)還包括世界知名的科學(xué)和技術(shù)專家，他們來自馬里蘭州巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所，在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，以及位于阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心。