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哈勃太空望遠(yuǎn)鏡垂垂老矣，說不定哪天就光榮退役。作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡已進(jìn)入最終測試階段；寬視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（WFIRST）的研制工作也在向前推進(jìn)。更令人興奮的是，另外4架超級強(qiáng)悍的新望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)也處在進(jìn)行時(shí)。它們是下一份天體物理學(xué)《十年調(diào)研》報(bào)告的一部分，將幫助我們解答宇宙的根本性疑問。

韋伯望遠(yuǎn)鏡由于一系列技術(shù)故障以及測試評估，發(fā)射日期推遲到2020年5月。WFIRST是一架被美國國家偵察局“拋棄”的哈勃級望遠(yuǎn)鏡。白宮想取消這一項(xiàng)目，但國會(huì)救了它，后轉(zhuǎn)交美國宇航局。即使發(fā)射日期不像韋伯一樣推遲很久，WFIRST也要等到本世紀(jì)20年代才能正式服役。

在盤點(diǎn)未來的4架大牛級望遠(yuǎn)鏡之前，我們先了解一下《十年調(diào)研》報(bào)告。這份報(bào)告由美國國家科學(xué)院為國會(huì)和宇航局撰寫，基本上就是科學(xué)家和宇航局的一份愿望清單，梳理他們在各領(lǐng)域遭遇的最大問題。國會(huì)可依此劃撥預(yù)算，宇航局也可根據(jù)這份報(bào)告進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，盡可能多地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。

這架望遠(yuǎn)鏡所能覆蓋的空域是哈勃的100倍，它的日冕觀測儀可對系外行星直接成像，研究它們的大氣層

這種調(diào)查每十年進(jìn)行一次，地球科學(xué)、行星學(xué)和天體物理學(xué)委員會(huì)共同參與。他們拋出和討論各種想法和概念，最終通過投票就一系列建議達(dá)成共識，確定未來十年的科研優(yōu)先事項(xiàng)。

我們處在2013-2022年十年調(diào)研階段，幾年以后，下一次十年調(diào)查將如期到來，定義2023-2032年的任務(wù)。我們距最終文件的敲定還有幾年時(shí)間，但針對下一代太空望遠(yuǎn)鏡的一系列嚴(yán)肅提議已進(jìn)入謀劃階段，每一架都將成為太空探索的利器。

HabEx！外星生命

HabEx望遠(yuǎn)鏡可直接對環(huán)繞其它恒星的行星成像。從熱木星到超級地球，所有類型的行星都是它的觀測目標(biāo)，但重點(diǎn)是對類地系外行星成像，觀測它們的大氣層。換句話說，HabEx試圖探測系外行星的生命信號。為了做到這一點(diǎn)，HabEx需要阻擋恒星的光線，如此才能揭示附近暗淡行星的存在。

HabEx可以采取兩種方式。第一種方式是借助日冕儀來阻擋恒星光線。來自恒星周圍暗淡天體的光線穿過望遠(yuǎn)鏡，可以借助望遠(yuǎn)鏡的傳感器進(jìn)行成像。這架望遠(yuǎn)鏡裝有一個(gè)獨(dú)特的變形反射鏡，可以進(jìn)行調(diào)整直至暗淡行星進(jìn)入視線。歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡陣列便采用日冕儀，觀測時(shí)隱藏中央恒星，揭示周圍的暗淡塵盤。

這是2014年5月甚大望遠(yuǎn)鏡安裝SPHERE（分光偏振高對比度系外行星研究儀）后獲取的首批圖像之一。圖像中的塵環(huán)擁有很高清晰度，彰顯了SPHER削弱高亮恒星光線的能力。這種能力對未來搜尋和研究系外行星至關(guān)重要

另一種阻擋光線的方式是采用遮星傘。遮星傘是一個(gè)完全獨(dú)立的裝置，外形好似紙風(fēng)車，部署在距望遠(yuǎn)鏡幾萬公里的區(qū)域。如果位置得當(dāng)，遮星傘能夠遮擋中央恒星的光線同時(shí)漏過行星光線。遮星傘的關(guān)鍵是花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，形成柔和邊緣，讓來自暗淡行星的光波不會(huì)大幅彎曲。這會(huì)形成一個(gè)暗黑陰影，賦予望遠(yuǎn)鏡揭示行星存在的絕佳機(jī)會(huì)。

這個(gè)巨型裝置用于阻擋恒星光線，幫助望遠(yuǎn)鏡拍攝行星

與絕大多數(shù)任務(wù)不同，遮星傘可與任何太空望遠(yuǎn)鏡組隊(duì)。無論是哈勃、韋伯還是其它望遠(yuǎn)鏡，都能成為這把“太空遮陽傘”的受益者。因?yàn)橐c觀測對象排成一線，借助中天法或者徑向速度法只能看到小部分行星，這讓天文學(xué)家抱怨不迭。相比之下，HabEx能夠?qū)θ魏畏较虻男行沁M(jìn)行觀測。除了觀測行星，HabEx望遠(yuǎn)鏡還可以執(zhí)行其它一系列天體物理學(xué)任務(wù)，例如觀測早期宇宙，研究超新星爆炸前后最大恒星的化學(xué)特征。

“山貓”X射線望遠(yuǎn)鏡

“山貓”（Lynx）是美國宇航局的下一代X射線望遠(yuǎn)鏡?！癓ynx”并非首字母縮寫。在很多文化中，山貓都被視為一種擁有超能力的動(dòng)物，能夠看到事物的本質(zhì)。X射線處在電磁光譜的高端，被地球大氣層攔截，因此需要借助太空望遠(yuǎn)鏡才能捕捉到它們的蹤跡。宇航局有錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡，歐航局的“雅典娜”X射線望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)于2028年發(fā)射。

“山貓”將與韋伯望遠(yuǎn)鏡合作，共同窺探可觀測宇宙的邊緣，揭示第一代超大質(zhì)量黑洞的形成及合并。此外，這架望遠(yuǎn)鏡還能洞察來自早期宇宙炙熱氣體的輻射?！吧截垺边€會(huì)對錢德拉、XMM牛頓等X射線望遠(yuǎn)鏡的觀測對象進(jìn)行研究，包括脈沖星、星系對撞、塌縮星、超新星和黑洞。

即便是普通恒星，也能產(chǎn)生暴露其特征的X耀斑。絕大多數(shù)宇宙物質(zhì)棲身于溫度可達(dá)到100萬開氏度的氣體云。如果你希望揭示宇宙的真實(shí)面目，便要進(jìn)行X射線觀測。這種觀測不同于哈勃進(jìn)行的可見光觀測。你需要的并非一個(gè)反彈X射線的反射鏡，而是能夠略微改變光子方向的掠入射鏡，將它們導(dǎo)入探測器。“山貓”堪稱一架怪獸級X射線望遠(yuǎn)鏡。它的外鏡口徑達(dá)到3米，視野、靈敏度和收集光子的速度分別達(dá)到錢德拉的16倍，50-100倍和800倍。

“起源”太空望遠(yuǎn)鏡

與韋伯和斯皮策望遠(yuǎn)鏡一樣，“起源”號也是一架紅外望遠(yuǎn)鏡，在設(shè)計(jì)上用于觀測宇宙內(nèi)溫度最低的天體和物質(zhì)。不過，它的個(gè)頭更大，性能也更強(qiáng)悍。韋伯的主鏡口徑6.5米，“起源”號將達(dá)到9.1米。宇航局能夠?qū)⑺蛊げ叩臏囟冉抵?開氏度（高于絕對零度5度），略高于宇宙的背景溫度。他們計(jì)劃將“起源”號的溫度降至4開氏度。聽起來只是一步之遙，但卻是一個(gè)巨大的工程學(xué)挑戰(zhàn)。

斯皮策借助液態(tài)氦進(jìn)行冷卻，“起源”號則將借助反射鏡、散熱器以及環(huán)繞儀器設(shè)備的低溫冷卻劑，分階段剝離“起源”號的熱量。利用“起源”號這架巨型超低溫紅外望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家能夠?qū)r(shí)鐘撥回到第一批恒星誕生的時(shí)代，也就是天文學(xué)家所說的“黑暗時(shí)代”。它將獲取行星系統(tǒng)和塵盤的信息，直接觀測系外行星大氣層，搜尋生命信號和證據(jù)。

HabEx、“山貓”和“起源”都是令人興奮的望遠(yuǎn)鏡，能夠加深宇宙認(rèn)知。但與大型紫外/光學(xué)/紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（LUVOIR）相比還要稍遜一籌。LUVOIR堪稱史上最雄心勃勃的太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。

LUVOIR望遠(yuǎn)鏡

韋伯是一架性能強(qiáng)大的紅外望遠(yuǎn)鏡，在設(shè)計(jì)上用于觀測宇宙內(nèi)的低溫天體，例如宇宙誕生之初的紅移星系或者新形成的行星系統(tǒng)?！捌鹪础碧柨梢岳斫鉃轫f伯的升級版。LUVOIR能夠進(jìn)行紅外、可見光和紫外觀測，將成為真正意義上的哈勃“接班人”。

LUVOIR的設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)：一個(gè)為8米口徑，可使用獵鷹重型火箭等運(yùn)載火箭發(fā)射；另一個(gè)為15米口徑，可由SLS火箭送入太空。如果采用后一種設(shè)計(jì)，LUVOIR的口徑將是最大地面望遠(yuǎn)鏡的1.5倍。相比之下，哈勃望遠(yuǎn)鏡的口徑只有2.6米。

LUVOIR將擁有異常開闊的視野，安裝各種濾光器和儀器裝置，讓天文學(xué)家“想看什么就看什么”。此外，它還將安裝日冕儀和光譜儀，前者可遮擋恒星光線，以便對行星進(jìn)行直接觀測，后者用于鑒別系外行星大氣層中的化學(xué)物質(zhì)。

LUVOIR是一架通用型望遠(yuǎn)鏡，能夠讓天文學(xué)家在天體物理學(xué)和行星學(xué)等領(lǐng)域上演一系列發(fā)現(xiàn)。它將具備一系列能力，包括直接觀測系外行星，搜尋生命信號，對包括熱木星和超級地球在內(nèi)的所有類型系外行星進(jìn)行編目。在觀測系內(nèi)天體方面，它的性能也遠(yuǎn)超其它任何觀測設(shè)備。LUVOIR能夠窺探宇宙內(nèi)的任何一個(gè)角落，觀測哈勃無法探測到的微小結(jié)構(gòu)。它能夠捕捉第一代星系和恒星的身影，幫助測算宇宙內(nèi)暗物質(zhì)的濃度。天文學(xué)家仍未完全了解物質(zhì)不斷積聚并最終孕育恒星的過程。LUVOIR將觀測恒星形成區(qū)，洞察氣體和塵埃，定格恒星形成以及被行星環(huán)繞的最初瞬間。

韋伯的教訓(xùn)

LUVOIR等望遠(yuǎn)鏡的登場讓我們對未來的天文學(xué)研究充滿期待和興奮。不過，我們不能過于樂觀。6月初，美國宇航局宣布這4架望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)規(guī)劃人員需要將他們的預(yù)算控制在30億到50億美元之間。在此之前，規(guī)劃人員沒有獲得任何指導(dǎo)方針，只顧埋頭設(shè)計(jì)儀器裝置，完成他們追求的目標(biāo)。

在宇航局做出這一決定前，工程師規(guī)劃的HabEx、“山貓”和“起源”號任務(wù)隨隨便便就會(huì)超出50億美元，LUVOIR更是達(dá)到200億美元。即使國會(huì)慷慨解囊，為宇航局劃撥巨額預(yù)算，宇航局仍希望規(guī)劃人員采取保守做法。韋伯望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目一再超支，發(fā)射日期也是一拖再拖。鑒于此，我們也就不難理解宇航局要求控制預(yù)算的決定。韋伯最初的預(yù)算在10億到35億美元之間，原定在2007年至2011年間發(fā)射?，F(xiàn)在，該項(xiàng)目的預(yù)算已經(jīng)超出國會(huì)規(guī)定的88億美元，發(fā)射日期推遲至2020年。

最近的一次搖晃測試中，工程師發(fā)現(xiàn)墊圈和螺絲“逃離”望遠(yuǎn)鏡。這可是高度精密的太空望遠(yuǎn)鏡，并不像宜家的架子一樣，壞了之后隨便換個(gè)零件就成。每個(gè)零部件對韋伯都至關(guān)重要。一旦在太空中發(fā)生這種糗事，維修難度可想而知。WFIRST望遠(yuǎn)鏡躲過了被斃掉的命運(yùn)，但也難逃超支命運(yùn)。該項(xiàng)目的成本估計(jì)達(dá)到39億美元，原定預(yù)算為20億美元。

HabEx、“山貓”、“起源”號和LUVOIR都是超級強(qiáng)悍的太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，究竟是制造一架、兩架還是全部制造，讓我們以目以待。史上最重大的天文發(fā)現(xiàn)將由他們揭開。不過，我們不能過分樂觀。韋伯望遠(yuǎn)鏡的遭遇告訴我們，這些項(xiàng)目的實(shí)施很可能磕磕絆絆，遭遇殘酷的預(yù)算大戰(zhàn)、成本超支和發(fā)射日期推遲。在這里，我們也只能祝它們好運(yùn)。

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