除了韦伯望远镜,未来4大巨型太空望远镜

1 个月 4 周前 #1 1220
随着最近发射的系外行星勘测卫星(TESS)于2018年4月18日(周三)发射,许多人的注意力都集中在下一代太空望远镜上,这些望远镜将在未来几年内进入太空。这不仅包括目前计划于2020年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜,还包括将于本世纪30年代部署的其他先进航天器。

美国宇航局詹姆斯·韦伯望远镜将提供更多关于先前探测到系外行星的信息,2020年以后更多下一代太空望远镜将在其发现的基础上建造,图片NASA

这是2020年天体物理学的十年之际研究主题,其中包括目前正在研究的四个旗舰任务概念。当这些任务进入太空时,它们将会探测像哈勃、开普勒、斯皮策和钱德拉这样任务,但它们的灵敏度和能力会更强。因此将揭示更多关于宇宙和宇宙所拥有的秘密。

正如所预期的那样,在2020年十年研究中所提出任务概念涵盖了广泛的科学目标——从观测遥远黑洞和早期宇宙,到研究附近恒星周围的外行星,以及研究太阳系的天体。这些想法经过科学界的彻底审查,有4个被选为值得追求。

正如NASA宇宙起源计划首席科学家苏珊·内夫在最近NASA新闻发布会上解释的那样:这是天体物理学的游戏时间,我们想要建立所有这些概念,但是我们没有预算同时做这四件事。这些十年研究的重点是给天体物理学界成员最好的信息,因为他们决定先做什么科学。

这四个选择的概念包括大型紫外线/光学/红外测量员(LUVOIR),一个在哈勃太空望远镜传统中发展起来的巨型空间天文台。作为NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)正在研究的两个概念之一,这个任务概念需要一个空间望远镜,它的直径约为15米(49英尺)。

相比之下,詹姆斯-韦伯望远镜(JWST)(目前最先进的太空望远镜)的主镜直径为6.5米(21英尺4英寸)。就像JWST一样,LUVOIR的镜子将由可调整的部分组成,一旦它被部署到太空。执行机构和电动机将积极调整和调整这些区段,以达到完美的焦点和捕捉来自微弱和遥远天体的光。

借助这些先进的工具,LUVOIR能够直接成像地球大小的行星,并评估它们的大气层。正如研究科学家阿基·罗伯特解释的那样:这项任务雄心勃勃,但要知道太阳系之外是否还有生命是值得的。所有的技术高杆都是由这个目标驱动……物理稳定性,加上主镜的主动控制和内部日冕仪(阻挡星光的装置)将会导致测量精度(这是关于控制)。

还有“起源太空望远镜”(OST),这是戈达德太空飞行中心正在追求的另一个概念。就像斯皮策太空望远镜和赫歇尔太空望远镜一样,这个远红外天文台的灵敏度是之前任何远红外望远镜的1万倍。它的目标包括观察宇宙的最远端,通过恒星和行星的形成追踪水的路径,并在太阳系外行星的大气层中寻找生命迹象。

其主镜直径约9米(30英尺),将是第一个主动冷却望远镜,保持其镜的温度约4 K(-269°C;-452°F)和0.05 K温度探测器。为了实现这一目标,OST团队将依赖于太阳盾的飞行层、4个冷冻冷却器和一个多阶段连续的绝热消磁冰箱(CADR)。

据Goddard的科学家和OST的研究科学家Dave Leisawitz说:OST特别依赖于在数百万像素中测量的超导体阵列。当人们问及开发起源空间望远镜的技术差距时,我告诉他们前三种挑战都是关于探测器的。

具体来说,OST将依赖于两种新型的探测器:过渡边缘传感器(TESs)或动力电感检测器(KIDs)。虽然仍相对较新,TES探测器正在迅速成熟,目前正被用于美国国家航空航天局(NASA)平流层红外天文观测台(SOFIA)的HAWC+仪器。

然后是由美国宇航局喷气推进实验室开发的可居住系外行星成象仪(HabEx)。像LUVOIR一样,这个望远镜也可以直接成像行星系统,用一个大的分割镜像来分析行星大气组成。此外还将研究宇宙历史上最早的时代,以及最大型恒星的生命周期,从而揭示出生命所必需的元素是如何形成。

和LUVOIR一样,HabEx将能够在紫外线、光学和近红外波段进行研究,并能够屏蔽掉母星的亮度,这样它就能看到环绕它的任何行星反射的光。正如美国航空航天局的专家尼尔·齐默尔曼(Neil Zimmerman)所解释的那样:

为了直接成像一个围绕附近恒星运行的行星,我们必须在动态范围内克服一个巨大障碍:恒星势不可挡的亮度,与地球上星光暗淡的反射相比,只有一个微小的角度将两者分开。这个问题没有现成的解决方案,因为它与观测天文学中的任何其他挑战都不同。

为了应对这一挑战,HabEx团队正在考虑两种方法,其中包括可以阻挡光线和内部日冕的外部瓣形恒星阴影,以防止星光到达探测器。另一种可能被研究的方法是将碳纳米管应用于日冕仪上,以改变仍然通过的衍射光的模式。

最后,但并非最不重要的是,x射线测量师被称为Lynx,由马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)开发。在这四个太空望远镜中,Lynx是唯一一个用x射线检查宇宙的概念。利用x射线微热量计成像光谱仪,这个太空望远镜将探测到宇宙中最早的星系中心超大质量黑洞(SMBHs)的x射线。

这项技术由x射线照片击中探测器的吸收器,并将其能量转化为热能,由温度计测量。这样Lynx将帮助天文学家解开最早超大质量黑洞(SMBHs)是如何形成的。正如在Goddard的Lynx研究成员Rob Petre描述的任务:

超大质量黑洞的存在比我们目前的理论预测的要早得多。我们不理解如此巨大的天体是如何在第一批恒星形成后不久形成。我们需要一个x射线望远镜来观察第一批超大质量黑洞,以提供关于它们如何形成的理论解释。

不管NASA最终选择了哪个任务,机构和个人中心已经开始投资先进的工具,在未来追求这些概念。4个小组在3月提交了他们的临时报告。预计到明年将完成国家研究委员会(NRC)的最终评审报告,该报告将在未来几年向NASA提供建议。

作为美国宇航局天体物理项目办公室的技术开发经理,泰Pham表示:我不是说这很容易,它不会。这些都是雄心勃勃的任务,具有重大的技术挑战,其中许多是重叠并适用于所有的,好消息是现在已经奠定了基础。

随着苔丝的部署和詹姆斯-韦伯望远镜(JWST)计划在2020年发射,未来几年的经验肯定会被纳入到这些任务中。目前尚不清楚,到本世纪30年代,以下哪一种概念将进入太空。然而在他们的先进仪器和从过去的任务中吸取的教训之间,我们可以期待他们对宇宙有一些深刻的发现。

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