超越韦伯：科学家构想未来超级空间望远镜

　　北京时间9月1日消息，据美国太空网报道，2018年，美国最新研制的詹姆斯·韦伯空间望远镜就将发射升空，此时此刻，科学家们已经开始着手展望更下一代的空间望远镜了。这是因为尖端科技以及大型设备将需要多年，乃至数十年时间去计划、建造和发射，而科学家们不希望等到詹姆斯·韦伯空间望远镜快要退役时再做匆忙谋划。
　　对于望远镜来说，口径越大，其集光能力当然也就越强，从而让科学家们能够观察到更加暗弱的天体。因此毫不意外的，尽管詹姆斯·韦伯空间望远镜已经拥有了6.5米的惊人口径，很多科学家仍然希望在詹姆斯·韦伯之后的更新一代望远镜上能够采用巨大的口径设计。
　　天体物理学家，美国宇航局前首席科学家约翰·格朗斯菲尔德（John Grunsfeld）表示：“当我们寻找地球2.0时，它们的亮度将远低于哈勃超深场图像中最暗弱星系的亮度。”作为一名前宇航员，格朗斯菲尔德曾经执行过多次在轨道上维护哈勃空间望远镜的任务，事实上他也是世界上最后触摸哈勃望远镜的人类。
　　今年4月在美国亚利桑那州梅萨举行的“天体生物学科学会议”（AbSciCon）上，格朗斯菲尔德呼吁未来建造一台口径在12米左右的空间望远镜。这样一台史诗般的设备如果能够如愿建成发射，那将极大帮助我们真正看清太阳系之外，围绕其他恒星运行的类地行星，还将帮助我们探寻宇宙最初的起源，并对遥远的恒星与行星目标开展前所未有的深入研究。
　　格朗斯菲尔德表示：“我不希望到时候我们会说，要是有个更大的望远镜就好了，那样才能做出一些重要的发现。我们需要提前谋划。”

　　2011年，一名工程师正在美国宇航局马歇尔空间飞行中心对即将接受超低温测试的詹姆斯·韦伯空间望远镜巨大的镜面进行检查

　　超级望远镜
　　在目前各方的议论纷纷之中，作为詹姆斯·韦伯望远镜之后的更新一代未来望远镜，其有力的竞争方案之一当属所谓“大型紫外/光学/红外巡天望远镜”（LUVOIR）。这是一个设想中的多波段大型空间望远镜，其能够对系外行星，行星形成与演化进行观察研究，并探查早期宇宙的秘密。根据初步设计，其主镜直径将达到惊人的30~45英尺（约合9~14米之间），这一口径设计已经达到了格朗斯菲尔德对于未来空间望远镜的设想。
　　在会议期间，LUVOIR望远镜科学技术定义小组联合召集人德布拉·费雪（Debra Fischer）表示：“这的确是非凡的眼界。”她将设想中的这款超级望远镜评价为“21世纪的空间天文台”。
　　按照目前的设想，LUVOIR望远镜将有能力观察遥远星系内部的恒星新生区域并绘制宇宙临近空间中的暗物质分布地图。它还将能够认证极早期宇宙中的第一缕星光并直接拍摄土星和木星的冰冻小卫星表面的喷泉或火山喷发等现象。从其运行的地球轨道上，LUVOIR望远镜将能够获取分辨率达到每像素约200米的冥王星以及其他柯伊伯带天体图像。
　　对于出席此次AbSciCon会议的科学家们来说，他们对于LUVOIR望远镜最大的期待当然是它对于系外行星观测方面的能力。按照目前设计，这台超级望远镜将让科学家们可以直接获取并分析遥远的系外类地行星大气成分光谱，从而搜寻生命的痕迹。目前最接近地球的候选目标是Kepler-452b，这颗系外行星围绕一颗与太阳相似的恒星运行，但其质量要比地球大60%左右。因此，天文学家们目前仍在努力寻找大小与地球更为接近的系外行星，并且希望能够对其大气成分进行分析。
　　费雪表示：“生物痕迹就是我们追寻的目标。”基于科学家们目前对于岩石行星在恒星周围分布情况的了解，费雪认为一台像LUVOIR这样的大型望远镜，加上能够遮蔽恒星光芒的人工日冕仪，将是开展这方面研究的有力工具。按照一般概率估算，一台4米口径空间望远镜应该能够找到大约6个与地球相近的系外行星世界，而如果这台望远镜的口径增加到8米，那么它将有望找到25个与地球接近的系外行星世界，而如果是一台口径达到16米的空间望远镜，那么我们将有可能找到多达100个与地球接近的系外行星世界。
　　这些数字非常重要，因为并非每一个环境条件与地球相近的星球都能够发展出生命。因此我们的望远镜能够观察到的这类星球数量越多，从中找到一个真正拥有宜居条件星球的概率也就越大。
　　费雪表示：“如果宜居行星出现的概率是10%上下，那么届时我们手里将有30个候选目标，我们可以从中选出可能性最高的那个星球。”
　　另一方面，时间也是重要的考量因素。根据格朗斯菲尔德的说法，使用一台口径16米的空间望远镜进行一小时的系外行星搜寻工作，其获取的结果将相当于一台口径4米的空间望远镜搜寻10小时的结果。这就意味着在相同的寿命周期内，更大口径望远镜的效率优势将更加凸显。
　　格朗斯菲尔德表示：“我们将能够覆盖到更多候选目标，并从中选出真正的地球2.0。”
　　得益于科学技术的快速发展，格朗斯菲尔德与费雪两人都强调了一点，那就是未来空间望远镜的设计很有可能将随着时间推移而出现重大的变化，甚至是目前还无法想象的变化。关于这一点，哈勃空间望远镜就是一个很好的例子。当这台人类第一个空间望远镜在1990年被发射升空时，科学家们还尚未发现任何一颗系外行星的存在。但是在今天这个时代，空间望远镜必然需要具备探查系外行星大气层成分的能力，而这是当初的望远镜设计者们不可能预见到的需求。未来，LUVOIR望远镜也将很有可能重复这样的故事。费雪说：“它或许将被要求去解答一些我们现在甚至都从未听说过的问题。”

这是用直接成像法拍摄的南鱼座β，通过不同年份的成像，可以追踪这颗系外行星在轨道上的运动

　　在轨可维护性
　　在服役的漫长的27年间，哈勃空间望远镜身居地球轨道，却帮助人类洞察深邃的宇宙。在一开始出现仪器故障之后，宇航员们能够乘坐航天飞机前往太空并对哈勃望远镜开展维修和技术升级工作，从而不但使其长期保持良好工作状态，甚至还能通过更新设备，不断提升观测能力。
　　格朗斯菲尔德表示：“我认为空间望远镜的可维护性是非常关键的一点。那样可以让你得以不断为望远镜更新设备，从而使其持续升级。”
　　在2010年，美国国会通过一项法案，要求美国未来的旗舰级天文观测项目都应该具有可维护性。但是即将在明年发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜将不具有这样的可维护性，因为它的提出时间远在2010年之前。詹姆斯·韦伯望远镜将被安放在距离地球150万公里远的第二拉格朗日点上，在这样遥远的距离上，任何在轨维护工作都是不可能进行的。
　　而至于LUVOIR，目前还没有完全的定论。它最终能否得到批准而真正成形还需要看它与另外一个极具实力的项目——“宜居系外行星成像任务”（HabEx）之间竞争的结果。HabEx项目的注意力主要集中在对类太阳恒星周围的系外类地行星进行直接成像并对其大气层性质进行观测。
　　HabEx望远镜将采用直接成像技术，使其能够直接拍摄遥远行星世界的面貌。但它的用途也并非完全局限于系外行星研究，它还将能够开展银河系内外的多种天体目标。（晨风）