NASA准备花110亿美元,寻找人类下一个“家”

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在漂浮于我们头顶的 8000 多个人造飞行物之中,哈勃望远镜大概是最传奇也是知名度最高的一个。

哈勃望远镜的构想最早可以追溯到 1946 年,天文学家莱曼・斯皮策提出太空建设天文台可以观测到更多被大气层吸收的红外线和紫外线,并且观测的极限更高。

建设经历了近半个世纪的设计与制造,哈勃望远镜终于在 1990 年 4 月 24 日由发现号航天飞机送入距离地面 600 公里的轨道,一直工作至今。

▲《创世之柱》,由哈勃望远镜拍摄合成最著名的照片之一

31 年间,目前基于哈勃观测的信息已经累计产出了 17000 多篇论文,从暗能量到外星球再到黑洞,哈勃望远镜帮助天文学家解开了宇宙一个又一个的秘密,充当着人类双眼的角色。

服役至今,哈勃望远镜已经历过 5 次人工维护,大大小小的软件故障更是不计其数。

在今年 6 月,哈勃望远镜就因为系统故障而暂停工作,切换至备份系统;10 月 26 日,哈勃望远镜因为内部通信问题,进入了安全模式。

这台原计划工作至 2013 年的「太空之眼」还能坚持多久?天文学家们目前还不能给出确切的答案,但可以肯定的是,年迈的哈勃已经差不多要休息了。

为了看到更广阔的宇宙,科学家认为需要尽快给哈勃找到一个「继任者」。

下一个「地球」在哪?

宇宙还有别的生命存在吗?下一个适宜地球人居住的星球在哪里?这些小时候在《十万个为什么》上读到的问题,科学界至今仍未找到答案。

好消息是,这些问题很有可能是 NASA 未来 10 年天文学工作的重点。

美国国家科学、工程和医学研究院在上周发布了名为《2020 年天文学和天体物理学十年调查》(Astro2020)的调查报告,其中提到未来 10 年美国天文学优先考虑的三大研究主题分别为:寻找可能宜居的系外行星、了解黑洞和中子星的奥秘和研究星系的形成和演化。

依靠现有的观测装备,想要实现这些目标并非易事,例如在寻找潜在的宜居系外行星时,由于邻近的恒星通常比行星明亮上百亿倍,黯淡的行星很容易被其光线遮蔽,影响观测。

所以,想要完成如此宏大的研究目标,天文学家的首要任务就是「升级装备」,这也是 Astro2020 的重点规划之一――建造一个超越哈勃望远镜的新型巨型望远镜。

计划提到,NASA 将要资助并建造一个体积比哈勃望远镜大得多,并且同时配备了紫外线、可见光和红外线探测仪的新型望远镜,估计耗资 110 亿美元,理想情况下在本世纪 40 年代初投入使用。

新型望远镜将会配备日冕仪等装备,这样在观测系外行星时可以有效地减少附近恒星的光线干扰,以进行更进一步的观测工作。

凯克天文台的首席科学家 John O’Meara 在接受 Axios 采访时简要地介绍了这个宏大的行星探索计划。

在接下来的 10 年里,科学家需要搜索 100 颗甚至更多的类似于太阳的恒星,根据环绕的行星轨道筛选潜在的宜居行星。

接着,天文学家对可能性最高的 25 颗行星进行光谱分析,研究其大气成分以及是否有生命迹象。

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新型的望远镜在这时将会发挥出重要的作用,通过系外行星反射的光线,科学家可以计算出其大气层的化学成分。如果大气中有着氧气、甲烷和水等成分,那么这颗行星就很可能可以孕育生命。

「当我们看到宇宙中除了人类以外的第一个生命迹象,看到遥远世界的生命痕迹,人类在宇宙中的位置就会发生根本性的改变」John O’Meara 在采访中强调。

另一方面他还补充道,如果人类观察了 25 颗、50 颗甚至 100 颗系外行星却没有任何发现,这也会在根本上改变对宇宙的看法。

由于这个观测任务需要包括紫外线、可见光、红外线等多种光谱的协同分析,建造一个新的大型望远镜就显得非常有必要。然而,从过去的种种经验来看,这个新太空探索计划大概率不会一帆风顺。

修建第二个「哈勃」并非易事

▲ 康普顿伽玛射线望远镜

在 1990-2003 年之间,NASA 成功研制并发射了 4 颗大型空间望远镜,分别是哈勃空间望远镜、康普顿伽玛射线望远镜(于 2000 年坠毁)、钱德拉 X 射线望远镜和斯皮策空间望远镜,这又被称为大型轨道天文台计划。

▲ 钱德拉 X 射线望远镜

大型轨道天文台计划将天文学研究推进了一个时代,因为红外线、X 射线和伽马射线很难穿透地球的大气层,因此只能通过位于太空的空间望远镜进行观察,每台望远镜都为各自的领域做出了重要的贡献。

1996 年,NASA 和欧洲航天局(ESA)以及加拿大航天局(CSA)开始合作开发下一代空间望远镜,并以 NASA 第二任局长詹姆斯・韦伯的名字命名,预算为 5 亿美元,计划在 2007 年投入使用。

然而,詹姆斯・韦伯空间望远镜(JWST)的建造难度之大远远超出了 NASA 的预料,由于项目存在很多工程延误和成本超支,JWST 在 2005 年进行了重大的重新设计,发射时间一拖再拖,直到 2021 年 JWST 终于有可能发射。

原定于 2021 年 10 月 31 日发射的 JWST 因为阿丽亚娜 5 号运载火箭的问题,将发射日期推迟到了 2021 年 12 月 18 日,如无意外,1 个月后这个历时 24 年的重大项目将会迎来历史性的突破。

JWST 常被外界视为是哈勃望远镜的继任者,但两者的工作其实并不完全相同。JWST 的主要任务是观测大爆炸理论的残余红外线,也就是观测宇宙初期的状态,因此它的形态和工作环境都和哈勃望远镜有很大的不同。

首先是高度,相比于哈勃望远镜 600 公里的轨道高度,JWST 要远得多,距离地球最近时(近拱点)也要 374000 公里,最远时(远拱点)可达 150000 万公里。

这是因为 JWST 的镜片必须保持在低于 50K(220 °C)的环境下工作,为了维持低温,JWST 设计了 5 层能够抵挡约 300 °C 的遮光罩,以遮挡太阳和地球反射的光线。

从外观来看,JWST 几乎就由这巨大的镜片和遮光罩组成,其主镜的直径达到 8 米,镜面面积是哈勃望远镜的 5 倍以上,而遮阳罩的面积则相当于一个网球场。

要让如此庞大的结构在太空中准确和安全地释放、展开,是一个巨大的难题。NASA 的工程师 Mike Menzel 在新闻发布会提到,JWST 的太阳盾展开将会是最为复杂的一次部署任务,有超过 300 种失败的可能。

据统计,JWST 预估最耗费高达 96.6 亿美金,远超计划的预算。不少天文学家担心,由于 JWST 长期拖延并且严重超预算,新的望远镜建设可能很难得到再资金支持。

但从另一个角度来看,问题百出的 JWST 也留下了不少宝贵的开发经验。

在 Astro2020 报告中就总结了不少了 JWST 的开发教训,提出了 4 个更为细致的任务概念,新望远镜的开发计划要比当初的 JWST 更为完善。

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