星空之眼

  • 何幸
  • 日期:2018-12-28
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       对于美国宇航局的天文学家来说,今年不是个好年份。今年6月,审查委员会发现,该机构珍贵的詹姆斯•韦伯太空望远镜已经逾期且预算过高。另一个麻烦是特朗普政府已经在考虑叫停他们正在建造的广域红外测量望远镜,因为这并不会带来直接利益。

       然而,天文学家们始终会仰望天空,并抱有更大的梦想。美国宇航局正计划建造四架有史以来最大的太空望远镜,每台望远镜都会使用不同的波长。天文学家们现在正在选择一台最有价值的作为天体物理学未来十年计划的一部分,它可能会在本世纪30年代的某个时刻发射。下面你将看到这四位候选者。

 

通往黑洞黎明的X射线之旅——Lynx X射线天文台

 

       X光对于医生来说是非常有用的,但对天文学家来说,探测它们是一种痛苦。因为地球的大气层阻挡了它们,所以天文学家只有进入太空,才能看到太空中高温气体发出的X射线。但即使在太空中,高能光子也是难以捉摸的,它们能够直接穿过传统的反射镜,而不是发生反射。尽管已经有了美国宇航局的钱德拉X射线天文台和欧洲的牛顿X射线多镜望远镜等的开创性的工作,人们还是只发现了几千个X射线源。于是天文学家们计划搭建Lynx X射线天文台。

        Lynx的目标是寻找更多的X射线源。借助数百个只有一毫米厚的硅反射镜,它将获得前所未有的灵敏度。其目标之一是探索早期宇宙中的超大质量黑洞。它们是一个谜,因为这些黑洞不可能仅仅通过吞食恒星大小的黑洞就变得这么大,而且增长得这么快。如果Lynx看到气体被这些吸入的过程,就可能给出解答该谜题的线索。Lynx还会捕捉星风、超新星,以及阻断星系中恒星形成的高能喷流。它有望解开星系演化的秘密。

Lynx X射线折射

Lynx光子计数

 

寻找地球般的世界之光——宜居外行星天文台(HabEx) 

 

       尽管如今人们间接地发现了数千颗系外行星,但只有少数几颗大型行星从恒星的眩光中羞涩地出现。现在的望远镜无法捕捉像我们这样的岩石世界的微弱光,更不用说利用它来寻找氧气、甲烷和其他生物特征的迹象了。而宜居外行星望远镜(HabEx)将寻找光年之外生命的迹象。

       HabEx的4米主镜将与一个星罩协同工作,这是一个72米宽的花形外罩,它可以在离望远镜12.4万公里外漂浮并阻挡恒星的光线,这样HabEx就能看到它周围的行星,其亮度只有恒星的百亿分之一。这些可能是用望远镜研究过的亮度最微弱的物体。HabEx还将有一个日冕仪,它可以阻挡星光,但效果不如星罩,而且涉及波长范围更窄。                       

       利用日冕仪,HabEx将对附近的大约50个行星系统进行调查,找出最有希望的类地行星。然后,星罩将消耗燃料机动到位,以观察大约10个系外行星系统。此前人们从未使用过星罩,但研究人员表示,与其主要竞争对手——LUVOIR相比,HabEx仍然是一个更便宜、更安全的选择。

HabEx星罩与望远镜协同工作

HabEx星罩部署(花瓣状)

HabEx消除眩光

 

冷冷地盯着微弱的气体和灰尘的光芒——起源太空望远镜(Origins)

 

       由于地球大气层的阻挡,人类对远红外波段的研究甚少,Origins的发射有望填补这一空缺。它主要关注“冷宇宙”:星际气体云,原行星盘及其他远红外波段的物体。这意味着这台望远镜本身必须冷到不会被自身发射的红外线干扰。借助太阳能驱动的机械制冷装置,整台望远镜的温度可以被控制在4K以下,这使得与上一代的设备相比,Origins更加的灵敏,寿命也更长。不止于此,其上搭载的5台仪器甚至会被降温到1K以内的更低温度。

       除了追踪形成恒星和行星的气体云,Origins还可以通过追踪水的谱线来寻找可能的适宜生命存在的世界。

       为了获得更低的工作温度,Origins使用了如下的多层结构。

Origins维持低温

Origins超导元件探测

 

一只注视时间开端的巨大眼睛——大型紫外光学红外探测器(LUVOIR)

 

       LUVOIR与哈勃一样,是一台光学波段的望远镜。但是哈勃太空望远镜的主镜直径是2米,而LUVOIR的主镜直径达到了15米,这已经超过了当前建成的所有地面光学望远镜。LUVOIR可以查看类地行星上是否有生命存在的迹象和观察参与恒星形成的星际气体。

       为了将15米的主镜塞进8.4米的整流罩,LUVOIR采用了一种复杂的折叠方案。天文学家形象地将它比作“瑞士军刀”。

LUVOIR折叠升空

综述与对比

 

 

 

 

 

文字:蒋卓伦 、傅溟翔

图片:蒋卓伦 、傅溟翔

          编辑:李 增