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NASA大膽謀劃20年后的太空研究

——哈勃和韋伯望遠鏡的“后繼者”開始熱身

ATLAST望遠鏡（效果圖）

本報記者 房琳琳 綜合外電

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

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

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

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

這項可行性研究最終為ATLAST設(shè)計預演、科學正當性和技術(shù)方案等提供指南，在國家科研委員會（NRC）發(fā)布2020年天體物理學代際調(diào)研時，根據(jù)上述研究，將建議其做為下一個十年的優(yōu)先研究領(lǐng)域和優(yōu)先任務(wù)發(fā)布。這些工作對天文學社會團體獲得高額投入有積極作用，且代表了NASA對優(yōu)先事項付諸實踐的一種共識。

它，肩負著與“前輩”不同的科學使命

盡管科學任務(wù)不盡相同，但韋伯望遠鏡經(jīng)常被看做哈勃望遠鏡的“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，它彌漫在整個宇宙空間，能加速宇宙的膨脹；新望遠鏡還可以攜帶日冕儀，這能使新望遠鏡在其他的類太陽系中對巨型系外行星和碎片進行成像。

“目前，為ATLAST望遠鏡計劃配備的一個應(yīng)用程序正在準備當中，這個程序的主要功能，是在太陽系附近星系中的類地星球上尋找生命跡象。”克來賓說。雖然其他觀測站能對較大系外行星進行成像，但他們無法擁有ATLAST望遠鏡的這種鑒別能力，特別是它能鑒別出一種化學物質(zhì)，提供在遙遠的類地星球有生命存在的證據(jù)。

ATLAST望遠鏡的最大主鏡同時也使其他科學探索變得可行。除了在細節(jié)上研究星體和星系信息，ATLAST望遠鏡還能分析遠在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)

為了實現(xiàn)上述科學研究，作為一個長期存在的空間觀測工具，ATLAST跟哈勃望遠鏡一樣，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望遠鏡的屬性之一，是它被設(shè)計為模塊化和可維修的，這一特點追隨了哈勃太空望遠鏡的模型。”戈達德的研究組領(lǐng)導之一朱莉·魯克說。任務(wù)規(guī)劃者將設(shè)計這樣一個天文臺，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算和科學要求的潛在功能。魯克說：“到目前為止，可維護性一直是哈勃太空望遠鏡區(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。”

要實現(xiàn)這些雄心勃勃的目標，天文臺需要非常穩(wěn)定的熱能和機械能，與韋伯望遠鏡選擇相同的軌道，在太陽—地球L2軌道上運行，并配備日冕儀或星光遮蓋物，這個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，目前這個團隊正在研究直徑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鏡獲得更大的光收集面，但仍然適合放置在現(xiàn)有運載火箭的整流罩內(nèi)。目前，該團隊基本上選定了三角洲-Ⅳ重型運載火箭，因為它能提供最大的推送入軌能力。

“它收集光的能力比哈勃望遠鏡好17倍。”卡爾·泰爾補充道，他是戈達德工程師領(lǐng)導之一，負責評估在最后任務(wù)中刪除哪些非必要技術(shù)。最終產(chǎn)生的技術(shù)方案將呈報國家科研委員會，雖然NASA已確定了技術(shù)需求和風險，但還需要該機構(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，并確保其穩(wěn)固牢靠。對于為系外行星成像和光譜學分析的最大技術(shù)挑戰(zhàn)，是建設(shè)一個非常穩(wěn)固的天文觀測站，泰爾說，ATLAST望遠鏡會要求波陣面誤差為每10分鐘10皮米，這將比韋伯望遠鏡的穩(wěn)定性要求高出1000倍。

它，站在“前輩”肩膀上瞄準技術(shù)前沿

“就理念而言，ATLAST會繼承韋伯望遠鏡的技術(shù)創(chuàng)新，比如可展開的大尺寸鏡像陣列等?！盇TLAST預研科學家、韋伯項目參與者馬克·克來賓說，“我們將借助韋伯望遠鏡的很多成果，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，來達到穩(wěn)定波陣面誤差這一目標?！?/p>

“當人們期待哈勃和韋伯能夠運行很多年的時候，我們在展望未來望遠鏡和觀測設(shè)備的具體要求時，有些需要回答的問題，真實地擺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，作為戈達德太空飛行中心的資深科學家，他對天體物理學發(fā)展的理念非常先進。

泰爾也強調(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年天體物理學代際調(diào)查建議NASA將投資UV技術(shù)作為未來的大目標，實際上，NASA的宇宙起源辦公室正在制定這些投資計劃，克來賓說：“通過堅持不懈的努力，鑒于紫外線設(shè)備能夠為觀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。”

特龍森補充說：“ATLAST望遠鏡將會取得非常重要的科研目標，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?！?/p>

據(jù)了解，研究團隊還包括世界知名的科學和技術(shù)專家，他們來自馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所，在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室，以及位于阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心。