NASA規劃新一代空間望遠鏡：口徑或超10米

新浪科技訊 北京時間7月24日消息，據物理學家組織網站報導，規劃一個天體物理學旗艦項目一般會需要數十年的時間。

比如著名的哈勃空間望遠鏡——被廣泛認為是迄今最成功，當然也是最廣為人知的望遠鏡項目，其最初提出是在上世紀40年代。而它的開發工作是在1970年代進行的，而直到1990年才終於發射升空。與之相似，詹姆斯·韋伯望遠鏡將會在2018年發射升空，距離其最初方案的提出已經過去了23年之久。而如果得到政府批准，目前正處於規劃階段的新一代“廣域紅外空間望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡設備”(WFIRST-AFTA)將會在2020年代中期發射。而有關這一項目最初方案的提出還是在2000年前后。

考慮到從規划到實際發射之間漫長的間隔期，現在就應該手規劃未來的旗艦項目了。對此，美國宇航局的科學家和工程師們有廣泛的共識。

下一代先進空間望遠鏡

近期，美國宇航局位於馬裏蘭州戈達德空間飛行中心的科學家與工程師們正在就研發哈勃以及詹姆斯·韋伯望遠鏡之后的新一代空間望遠鏡項目進行探討，包括其應當具備的科學與技術指標以及成本預算等。這一設想中的望遠鏡名為“先進技術大孔徑空間望遠鏡”(ATLAST)，該項目方案是在哈勃與韋伯望遠鏡的技術基礎之上進行開發的。

ATLAST 項目科學家，韋伯望遠鏡項目組成員馬克·克蘭平(Mark Clampin)表示：“理論上，ATLAST將會充分利用在詹姆斯·韋伯望遠鏡項目中發展起來的先進技術，如可在空間展開的大面積拼合式鏡面技術。”

參與項目研討的還有來自馬裏蘭州巴爾的摩空間望遠鏡研究所，加州噴氣推進實驗室，以及亞拉巴馬州亨茨維爾馬歇爾空間飛行中心的一些世界級的科學與工程領域的專家。

事實上美國宇航局在其近日公佈的一份名為《永恆探尋，大膽想象》的30年天體物理學展望報告中便設想了一種與ATLAST類似的項目。戈達德空間飛行中心天體物理概念高級科學家，ATLAST研究科學家哈利·特洛森(Harley Thronson)表示：“當然，人們希望哈勃和詹姆斯·韋伯望遠鏡能夠在軌道上工作很多很多年，但我們必須向前看，發展新一代的望遠鏡與相關技術設備，以便回答在這份30年規劃中所提出的問題。”

這一調研階段過后，還將接經過設計可行性研究，科學可行性研究以及技術方案研究階段。隨后這些報告將會被提交美國國家研究委員會(NRC)，以供后者編製其2020年版的《天體物理學十年展望》報告。在這份報告中該委員會將會提出未來十年內應當列入優先的研究領域，應當優先進行的觀測，以及應當優先發展的項目。這份報告的編製將會大量征詢天文學界的意見並代表了美國宇航局在優先方向上達成的某種共識。

不同的科學目標

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡常常被譽為是哈勃空間望遠鏡的繼承者，盡管兩者的科學目標並不盡相同。詹姆斯·韋伯望遠鏡將會裝備一台口徑21英尺(6.5米)的拼接式主鏡面。它將會被部署在距離地球約100萬英裏(150萬公里)的深空，在那裏觀測深邃的宇宙，探尋星系的誕生與演化，以及恆星與行星的形成過程。韋伯望遠鏡上裝備的4台科學載荷覆蓋了從可見光一直到中紅外波段的廣泛範圍，從而使其成為觀測宇宙中遙遠目標，或是觀測銀河系內部被氣體塵埃雲隱匿起來的目標時的強大工具。

而WFIRST-AFTA，根據目前的設計，將會搭載一台口徑8英尺(約合2.4米)的主鏡面，其科學載荷將包括一台成像儀以及一台無縫光譜儀，用於開展對暗能量的研究。暗能量是一種神秘的能量形式，其瀰漫於整個空間，並被認為造成了我們宇宙的加速膨脹。另外它還將攜帶一台日冕儀，這將使其得以拍攝到太陽系外氣態巨行星或是圍繞其他遙遠恆星塵埃盤的直接圖像。

克蘭平表示：“ATLAST的一項重要賣點就是它將可以探測到圍繞其他恆星運行的與地球類似的行星大氣中生命存在的痕跡。”盡管其他大型望遠鏡將可以拍攝系外行星中那些個頭較大的氣態巨行星，但ATLAST擁有無可比擬的在大氣中檢測化學成分的能力。

ATLAST設備的超大鏡面當然也將為其他方面的科學應用提供條件。除了詳細研究恆星和星系的形成，ATLAST還將可以從距離超過1000萬光年外的星系中分辨出單顆的恆星，或是識別出整個宇宙中任何大小超過100個秒差距(1秒差距=3.26光年)的恆星新生區。

通用模組化設計，良好可維護性

為了完成這些科學任務，根據設計將成為與哈勃相類似的那種長壽命空間望遠鏡平台的ATLAST將在紫外，可見光以及近紅外波段對天體進行觀測。

戈達德空間飛行中心科學家朱利·克魯克(Julie Crooke)表示：“ATLAST的特點之一是其設計中體現了模組化和可維護性思想，這與哈勃空間望遠鏡是一致的。”設計者會將這台空間設備設計成可以進行后續升級的模組化組合體，從而可以根據預算和科學目標的不同進行升級調整。他：“可維護性是哈勃望遠鏡與迄今所有其他空間設備之間的最大區別之一。”

為了達成預定的科學目標，這台望遠鏡必須在熱力學以及機械方面達到極高穩定性，這也是為何按計劃它將被安置在位於太陽與地球之間的第二拉格朗日點(L2點)上的原因——這也是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的軌道位置。另外它還將配備日冕儀，用於遮擋明亮恆星的光線，這些光線會淹沒其周圍那些與地球大小相當的行星發出的暗弱光芒。但或許更加關鍵的點還在於，它的主鏡口徑之大將是前所未有的，甚至超過了詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的主鏡面大小——它也將因此成為美國宇航局送入太空的最大望遠鏡鏡面。

而現在，研究組還在研究是否可以採用一款直徑33英尺(10米)的玻璃或碳纖維拼接鏡面，並且仍然可以將其“塞進”現有的發射載具之中，如果可行，那將有望進一步增加這款望遠鏡的口徑，從而相應提升觀測能力。研究組現在將希望寄托在美國的德爾塔-IV 重型運載火箭身上，這款火箭擁有強大的運載能力。

卡爾·斯塔勒(Carl Stahle)是一名戈達德空間飛行中心的工程師，其領銜的一個技術小組正在評估要將ATLAST設備送入太空所需要的技術手段。他表示：“相比哈勃望遠鏡，這款望遠鏡鏡面的集光能力將提升17倍。”他們最終的評估結果將提交給國家研究委員會(NRC)，從而證明美國宇航局已經對該方案的所需技術及相應風險進行了充分評估與了解，並正逐步對方案進行完善。

與詹姆斯·韋伯望遠鏡一樣，ATLAST也將會採用拼接式鏡面，以摺疊形式放在火箭整流罩內發射升空，隨后在太空中再行展開。在此過程中任務規劃者們必須確保擁有足夠成熟的技術，從而讓所有的鏡面組件能夠精確拼接並保持穩定。要想拍攝系外行星及其光譜，技術上最大的挑戰之一便是你必須建立一座極其穩定的天文台。ATLAST可以確保10分鐘內波前誤差穩定在10皮米(1皮米=10000億分之一米)——這一水平將比詹姆斯·韋伯望遠鏡的技術提升1000倍。

技術繼承

克蘭平表示：“我們將繼承在開發詹姆斯·韋伯望遠鏡的過程中得到的經驗與技術，並在未來數年內繼續研發主鏡面組裝技術，波前感應與控制，以及超穩定結構等方面的技術，從而達到預期的設計指標。”

斯塔勒同時也表示，美國宇航局此前已經在近紅外探測器以及鏡面噴涂技術上投入巨資進行研發，但他認為技術人員同樣應當更加關注紫外波段探測器以及UV反射鏡靈敏度的改進，這也將反過來進一步改善可見光以及近紅外波段觀測的表現。

在2010年版的《天體物理學十年展望》報告中，專家們建議美國宇航局加大在紫外波段觀測技術領域的投入，以便為未來的大型空間觀測項目奠定基礎。而美國宇航局宇宙起源研究辦公室也的確正在按照這一建議在這一方面加大資源投入。克蘭平表示：“通過這些持續的努力，ATLAST在紫外波段的觀測能力將大大超越此前的其他項目，從而在紫外以及可見光波段宇宙觀測中獲得高表現。”

特洛森表示：“ATLAST將達成關鍵性的重要科學目標，這些科學目標將是無法使用地基望遠鏡或是任何其他規劃中的望遠鏡設備來完成的。而現在正是為未來進行規劃的時候。”(晨風)