NASA大膽謀划未來20年的太空研究

2014年07月25日 09:35
來源：中國科技網

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，具有標誌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讚譽和認可。這一設計理念在20世紀40年代提出，於70年代發展並最終在1990年實現。與此相似，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡預計在2018年建成，這距離設想生髮伊始也有23年。

據物理學家組織網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，現在，是時候布置未來的旗幟性任務了。美國航空航天局（NASA）的戈達德太空飛行中心位於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後繼者所需要具備的科學與技術儲備以及耗資情況。

建立在哈勃和韋伯望遠鏡關鍵技術基礎之上的這個「後繼者」，被稱為技術先進的大口徑空間望遠鏡（ATLAST）。NASA已經在《未來30年天體物理學遠景規劃》中，明確了這種ATLAST型號任務。

這項可行性研究最終為ATLAST設計預演、科學正當性和技術方案等提供指南，在國家科研委員會（NRC）發布2020年天體物理學代際調研時，根據上述研究，將建議其做為下一個十年的優先研究領域和優先任務發布。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

儘管科學任務不盡相同，但韋伯望遠鏡經常被看做哈勃望遠鏡的「後繼者」。天文台配備了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、恆星和行星的誕生和發展開展研究。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，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，它瀰漫在整個宇宙空間，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，提供在遙遠的類地星球有生命存在的證據。

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，以及大於100秒差距區域範圍內的宇宙星際物質。

它，面臨「前輩」有過的和從未有過的挑戰

為了實現上述科學研究，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。」戈達德的研究組領導之一朱莉·魯克說。任務規劃者將設計這樣一個天文台，它可以提供儀器設備的升級服務，這是一種取決於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別於其他所有空間任務的最重要的任務架構範式之一。」

要實現這些雄心勃勃的目標，天文台需要非常穩定的熱能和機械能，與韋伯望遠鏡選擇相同的軌道，在太陽—地球L2軌道上運行，並配備日冕儀或星光遮蓋物，這個遮蓋物可以掩蓋母恆星的光，這些光可能將類地行星發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，這個主鏡甚至大於韋伯的主鏡，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，這種主鏡能讓這台新型望遠鏡獲得更大的光收集面，但仍然適合放置在現有運載火箭的整流罩內。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導之一，負責評估在最後任務中刪除哪些非必要技術。最終產生的技術方案將呈報國家科研委員會，雖然NASA已確定了技術需求和風險，但還需要該機構為之理性把關。

除了建設大型分段式主鏡，如同韋伯望遠鏡一樣，還需要將其摺疊起來以方便著陸，然後在空間中重新布置，任務制定者會微調連接每段主鏡的節點，並確保其穩固牢靠。對於為系外行星成像和光譜學分析的最大技術挑戰，是建設一個非常穩固的天文觀測站，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定性要求高出1000倍。

它，站在「前輩」肩膀上瞄準技術前沿

「就理念而言，ATLAST會繼承韋伯望遠鏡的技術創新，比如可展開的大尺寸鏡像陣列等。」ATLAST預研科學家、韋伯項目參與者馬克·克來賓說，「我們將藉助韋伯望遠鏡的很多成果，然後在接下來的幾年中發展新的技術，比如主鏡組裝，波陣面敏感度控制，以及超穩定結構等，來達到穩定波陣面誤差這一目標。」

「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年願景面前。」哈雷·特龍森說，作為戈達德太空飛行中心的資深科學家，他對天體物理學發展的理念非常先進。

泰爾也強調，雖然NASA已經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，應該將更多的研究資源偏向於發展紫外線探測器靈敏度和紫外鏡面鍍膜反射係數上來，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查建議NASA將投資UV技術作為未來的大目標，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，鑒於紫外線設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備相關的研究效率可能大大高於天文台本身。」

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台或其他任何空間任務相提並論。」

據了解，研究團隊還包括世界知名的科學和技術專家，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，以及位於阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心