未來太空望遠鏡 誰來接棒

針對不同波長和目標的四款擬議的望遠鏡正在“爭寵”，幸運者將于本世紀30年代升空。圖片來源：《科學》雜志網站

據美國《科學》雜志官網近日報道，對美國國家航空航天局(NASA)的天文學家來說，今年可謂流年不利。其詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的發射日期已被推遲到2021年3月，而且成本已超過88億美元;與之“同病相憐”的還有寬視場紅外巡天望遠鏡(WFIRST)，該望遠鏡旨在確定神秘暗能量的本質，或將超支4億美元。

然而，這無法阻擋天文學家們追求星辰大海的夢想。美國天體物理學領域的《十年調查》于上月啟動，旨在為NASA、美國能源部和國家科學基金會的未來任務確定優先事項，其中關鍵任務之一是從四個擬議的望遠鏡項目中挑選一個，做JWST和WFIRST的“接班人”。

《科學》雜志的報道稱，目前已“浮出水面”的這“四朵金花”各有千秋，無論最后選中哪朵，關鍵是進行成本控制，不要步JWST和WFIRST的后塵。

四大方案 浮出水面

這四大擬議的望遠鏡包括：“大型紫外/光學/紅外測量儀”(LUVOIR)，這款15米寬的巨型望遠鏡的集光能力將是哈勃太空望遠鏡的40倍，旨在追溯到宇宙的第一個星系，并厘清宇宙其他地方是否有生命存在這一亙古謎題。

“宜居系外行星天文臺”(HabEx)也致力于回答上面的問題，但其鏡面比較小。HabEx將攜帶一個足球場大小的遮星板一起飛行。遮星板可阻擋恒星的眩光，揭示類地系外行星。HabEx將仔細檢查系外行星發出的微弱光線，以尋找生命的信號。

林克斯X射線天文臺(Lynx Xray Observatory)將收集宇宙第一批黑洞發出的X射線，了解它們如何幫助星系形成和演化。

“起源太空望遠鏡”(Origins Space Telescope)上的設備可將望遠鏡冷卻到絕對零度以上4℃，對幫助恒星和行星形成的冷氣體和塵埃發出的一種紅外輻射進行研究。

無論哪個概念項目最終中選，研究人員都希望其比“前輩”更幸運一點。2001年的《十年調查》選擇JWST作為首要任務，如果順利，該望遠鏡將在任務提出20年后的2021年一飛沖天。WFIRST則是2010年《十年調查》的首選，但它不會在2025年之前發射。

有了這些前車之鑒，NASA希望這次更穩妥一點。該機構不僅早在2015年就確定了這四個旗艦概念，且已資助團隊為每個概念提出粗略設計方案。在2019年6月，這些團隊將分別向NASA提交一份報告，包括兩個版本：昂貴且龐大的高預算版和預算最好不超過50億美元的“親民版”。

爭奇斗艷 競爭激烈

《十年調查》的結果將于2020年提交。科學家希望最終能達成一致意見，以齊心協力游說國會撥付資金。但四大旗艦項目本身之間的競爭也非常激烈。

LUVOIR的支持者認為，其是一個通用天文臺，像哈勃一樣“多才多藝”。而且，望遠鏡尺寸巨大，這意味著它能以最清晰的視野瞥見最遙遠、最模糊的物體。太空望遠鏡科學研究所的杰森·卡里拉說：“它超越了天體物理學。”但批評人士認為，LUVOIR巨大的鏡面將導致其成本高昂，很可能步6.5米寬鏡面的JWST后塵。

更親民HabEx的支持者認為，該望遠鏡可以幫助人們更好地探索系外行星，但遮星板這一技術仍未通過驗證。雖然HabEx可以詳細研究附近的幾顆行星，但其鏡面僅4米寬，這意味著更遠的世界對它來說遙不可及。HabEx和LUVOIR團隊成員克里斯·斯塔克表示，不需要同時推出這兩款產品，畢竟“地球附近的恒星有限”。

“起源太空望遠鏡”希望研究塵埃和分子如何聚合在一起，形成第一個星系和黑洞，以及年輕恒星周圍的圓盤如何聚集成系外行星。但JWST和位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列可捕獲一些相同波長的光，這會擠壓“起源太空望遠鏡”的發現空間。

至于Lynx則是X射線天文臺，將研究旋入黑洞或從銀河系中心噴射而出的熱氣體，它將讓那些“坐冷板凳”多年的X射線天文學家激動不已。

身價待估 控制成本

無論哪個任務最終贏得《十年調查》的青睞，資助者都會有一個疑問：我們怎么知道它不會是另一個JWST?美國國家科學、工程和醫學院(NASEM)研究主任戴維恩·戴組織了此次《十年調查》。他表示，調查將采用一種復雜的方法來估算成本，希望“避免價格過高帶來的沖擊”。

戴說，項目團隊一般會通過計算人工、材料和測試來估算成本，“這很好，但它將不可預見的情況排除在外”。因此，在過去十年中，NASEM一直向位于加州的埃爾塞貢多航空航天公司支付費用，借助其“成本和技術評估”(CATE)模型來分析《十年調查》可能會考慮的提案。

CATE模型利用可追溯到幾十年前的數據庫，其中包含NASA的150多項任務和700個儀器的成本和性能細節。當提出新任務時，CATE可告知人們過去類似任務的成本幾何。而且，該模型的最大優勢在于其預測能力。

盡管JWST現在是天文學家們腦海中的“香餑餑”，但他們也迫切希望“四朵金花”中的獲勝者能實現夢想。勝出者將在本世紀30年代發射到“拉格朗日2”(L2)點——太陽和地球之間的重力平衡點，以幫助科學家們解開有關宇宙的謎團。

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