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未来太空望远镜,谁来接棒

2018-12-27 11:18来源:科技日报

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  据美国《科学》杂志官网近日报道,对美国国家航空航天局(NASA)的天文学家来说,今年可谓流年不利。其詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的发射日期已被推迟到2021年3月,而且成本已超过88亿美元;与之“同病相怜”的还有宽视场红外巡天望远镜(WFIRST),该望远镜旨在确定神秘暗能量的本质,或将超支4亿美元。

  然而,这无法阻挡天文学家们追求星辰大海的梦想。美国天体物理学领域的《十年调查》于上月启动,旨在为NASA、美国能源部和国家科学基金会的未来任务确定优先事项,其中关键任务之一是从四个拟议的望远镜项目中挑选一个,做JWST和WFIRST的“接班人”。

  《科学》杂志的报道称,目前已“浮出水面”的这“四朵金花”各有千秋,无论最后选中哪朵,关键是进行成本控制,不要步JWST和WFIRST的后尘。

  四大方案 浮出水面

  这四大拟议的望远镜包括:“大型紫外/光学/红外测量仪”(LUVOIR),这款15米宽的巨型望远镜的集光能力将是哈勃太空望远镜的40倍,旨在追溯到宇宙的第一个星系,并厘清宇宙其他地方是否有生命存在这一亘古谜题。

  “宜居系外行星天文台”(HabEx)也致力于回答上面的问题,但其镜面比较小。HabEx将携带一个足球场大小的遮星板一起飞行。遮星板可阻挡恒星的眩光,揭示类地系外行星。HabEx将仔细检查系外行星发出的微弱光线,以寻找生命的信号。

  林克斯X射线天文台(Lynx Xray Observatory)将收集宇宙第一批黑洞发出的X射线,了解它们如何帮助星系形成和演化。

  “起源太空望远镜”(Origins Space Telescope)上的设备可将望远镜冷却到绝对零度以上4℃,对帮助恒星和行星形成的冷气体和尘埃发出的一种红外辐射进行研究。

  无论哪个概念项目最终中选,研究人员都希望其比“前辈”更幸运一点。2001年的《十年调查》选择JWST作为首要任务,如果顺利,该望远镜将在任务提出20年后的2021年一飞冲天。WFIRST则是2010年《十年调查》的首选,但它不会在2025年之前发射。

  有了这些前车之鉴,NASA希望这次更稳妥一点。该机构不仅早在2015年就确定了这四个旗舰概念,且已资助团队为每个概念提出粗略设计方案。在2019年6月,这些团队将分别向NASA提交一份报告,包括两个版本:昂贵且庞大的高预算版和预算最好不超过50亿美元的“亲民版”。

  争奇斗艳 竞争激烈

  《十年调查》的结果将于2020年提交。科学家希望最终能达成一致意见,以齐心协力游说国会拨付资金。但四大旗舰项目本身之间的竞争也非常激烈。

  LUVOIR的支持者认为,其是一个通用天文台,像哈勃一样“多才多艺”。而且,望远镜尺寸巨大,这意味着它能以最清晰的视野瞥见最遥远、最模糊的物体。太空望远镜科学研究所的杰森·卡里拉说:“它超越了天体物理学。”但批评人士认为,LUVOIR巨大的镜面将导致其成本高昂,很可能步6.5米宽镜面的JWST后尘。

  更亲民HabEx的支持者认为,该望远镜可以帮助人们更好地探索系外行星,但遮星板这一技术仍未通过验证。虽然HabEx可以详细研究附近的几颗行星,但其镜面仅4米宽,这意味着更远的世界对它来说遥不可及。HabEx和LUVOIR团队成员克里斯·斯塔克表示,不需要同时推出这两款产品,毕竟“地球附近的恒星有限”。

  “起源太空望远镜”希望研究尘埃和分子如何聚合在一起,形成第一个星系和黑洞,以及年轻恒星周围的圆盘如何聚集成系外行星。但JWST和位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列可捕获一些相同波长的光,这会挤压“起源太空望远镜”的发现空间。

  至于Lynx则是X射线天文台,将研究旋入黑洞或从银河系中心喷射而出的热气体,它将让那些“坐冷板凳”多年的X射线天文学家激动不已。

  身价待估 控制成本

  无论哪个任务最终赢得《十年调查》的青睐,资助者都会有一个疑问:我们怎么知道它不会是另一个JWST?美国国家科学、工程和医学院(NASEM)研究主任戴维恩·戴组织了此次《十年调查》。他表示,调查将采用一种复杂的方法来估算成本,希望“避免价格过高带来的冲击”。

  戴说,项目团队一般会通过计算人工、材料和测试来估算成本,“这很好,但它将不可预见的情况排除在外”。因此,在过去十年中,NASEM一直向位于加州的埃尔塞贡多航空航天公司支付费用,借助其“成本和技术评估”(CATE)模型来分析《十年调查》可能会考虑的提案。

  CATE模型利用可追溯到几十年前的数据库,其中包含NASA的150多项任务和700个仪器的成本和性能细节。当提出新任务时,CATE可告知人们过去类似任务的成本几何。而且,该模型的最大优势在于其预测能力。

  尽管JWST现在是天文学家们脑海中的“香饽饽”,但他们也迫切希望“四朵金花”中的获胜者能实现梦想。胜出者将在本世纪30年代发射到“拉格朗日2”(L2)点——太阳和地球之间的重力平衡点,以帮助科学家们解开有关宇宙的谜团。(刘霞)

[责编:蔡琳]

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