未來的空間望遠鏡Top-4（下）_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陳豔玲

校譯：牧夫天文校對組

編排：陶邦惠

原文鏈接：

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/2020-decadal-survey-future-astronomy/

上週五，我們的未來的空間望遠鏡top-4（上）介紹了4個未來望遠鏡方案中的前兩個：HabEx和LUVOIR。今天我們將介紹另外兩個候選方案。

Lynx：下一代X射線望遠鏡

上週五介紹的兩個方案都在可見光和近可見光波段進行觀測，而Lynx則選擇轉戰X射線波段。X射線產生自宇宙中温度最高，能量最大的過程，通過它天文學家可以觀測吞噬氣體的黑洞、爆炸的恆星、以及星系之間堆積的熱氣體。不過，地球的大氣層完全阻擋了它們——在航天時代到來之前，我們甚至不知道宇宙X射線的存在。

Lynx，中文的意思是山貓。在很多文化中人們相信它們有着洞悉事物本質的能力。這個方案希望以此命名來表現X射線望遠鏡觀測技術的一次飛躍。

Lynx概念圖，背景是錢德拉X射線望遠鏡拍攝的M51

Credit: NASA / MSFC

Lynx將要捕捉的光子具有極高的能量，因此很難被聚焦。畢竟，X射線總是傾向於穿透物質而不是在其表面反射。為了使X射線聚焦，它們必須首先在高度拋光的鏡子表面以掠入射角反射（就像打水漂一樣）。NASA的錢德拉X射線望遠鏡有四面這樣的鏡子，它們像俄羅斯套娃一樣互相嵌套，以捕捉亞角秒分辨率的X射線圖像。 而歐洲空間局的XMM-Newton X射線衞星，在其三個望遠鏡的每一箇中都帶有58層這樣的嵌套鏡。

Lynx輕鬆超越了這些前輩們。團隊成員Grant Tremblay（哈佛-史密松天體物理中心）説：“它將攜帶有史以來最卓越的X射線反射鏡——一塊由37000多面高度拋光硅片組成的美麗‘吊燈’。”這些硅片將被堆疊成611個模塊，然後組合成圓柱體。

Lynx鏡片組裝的結構原理

Credit: Zhang et al. / Journal of Astronomical Telescopes,Instruments, and Systems 2019

鏡子組裝是任務的基石。通過收集更大量的光子，**Lynx的靈敏度將達到錢德拉X射線望遠鏡的100倍，**這將使它將有能力看到宇宙早期的第一個黑洞。天文學家長期以來一直在思考，在大爆炸之後的僅僅十億年內，星系中心的黑洞是如何演化至數百萬個太陽質量的。Lynx將把目光投到5億年前，看到這些超大質量黑洞的早期形態，幫助天文學家確定這些黑洞是如何形成與發展的。

這張圖顯示了詹姆斯•韋伯空間望遠鏡（左，可見光/紅外波段），Lynx（中，X射線波段）和歐洲空間局即將研發的雅典娜X射線衞星（右）對同一塊2×2角分深空區域的觀測結果模擬。在兩個X射線圖像中可以看到具有中央黑洞的星系（紫色）和普通星系（綠色）。Lynx的超高分辨率將使得天文學家能夠研究詹姆斯•韋伯空間望遠鏡即將觀測的宇宙早期的超大質量黑洞。Credit: Lynx / NASA

Lynx的巡天速度將比錢德拉X射線望遠鏡快800倍；它的視場寬度可達22角分，並且在絕大部分區域達到亞角秒分辨率。宇宙中存在着大量近乎不可見的熾熱氣體，它們有的圍繞着星系，有的彌散於星系團中，有的構造出宇宙網絡，而Lynx憑藉其巡天速度，以及它的靈敏度和光譜分辨率，能夠描繪出這些氣體的分佈圖。Lynx團隊主席Alexey

Vikhlinin（哈佛-史密松天體物理中心）解釋説：“這種熱氣體佔據了宇宙大部分的常規物質（即非暗物質），並構成了其結構的基礎。理解這種結構一直是宇宙學模擬的課題，但Lynx將獲得它的真實圖像。”

Tremblay説：“我相信把宇宙網成像出來的圖片將會是能震驚世界的。它將會和著名的《地出/地球升起》（1968年12月24日，阿波羅8號飛到月球軌道，宇航員威廉·安德斯拍下了這張著名的照片《地出》(Earthrise)）或事件視界望遠鏡獲得的第一張黑洞照片一樣，小小的一個JPG檔就能改變一切。”

基於宇宙學模擬，此圖像顯示了Lynx在對宇宙網進行成像時可以看到的內容。（圖中比例尺長度為3千萬光年）| Credit: Lynx / NASA

在所有任務中，Lynx對新技術的需求最低，但帶來的科學進展卻不打折扣。項目的最大創新點在於其主鏡；其餘的航天器配備基本上與1999年發射的錢德拉X射線望遠鏡相同。

Tremblay説：“Lynx沒有麻煩的展開式遮陽板，也沒有8萬千米外的另一台專用遮陽飛行器。這是經過測試，經過驗證的設計。簡而言之，我們取出了錢德拉X射線望遠鏡的眼睛，並用你能想象到的最強大的眼睛取而代之。”

鏡子本身是最昂貴的部件，但迄今為止已經建造了數百個部件。“我們現在有存根和發票來證明它的成本；它並不昂貴。”Vikhlinin説，“我們將會滿足Paul Hertz（NASA天體物理中心主任）的要求，花費不超過50億美元，且質量上一點也不妥協。”

起源空間望遠鏡（Origins）：

我們是如何到達這裏的？

最後的空間望遠鏡方案簡稱為“起源（Origins）”，它將把目光投向於一片鮮為人關注的區域。在遠紅外線波段，我們可以研究恆星之間的塵埃和氣體、行星的形成，以及仍然籠罩在碰撞碎片中的剛剛合併的星系。但是，像X射線一樣，收集這些紅外光子需要到地球大氣層之外。

“‘紅外線’一詞包括近紅外線，中紅外線，和遠紅外線，其中每一段光譜範圍都與可見光或紫外線波段一樣寬。”——“起源”團隊成員Cara

Battersby（康涅狄格大學）説到。“雖然與詹姆斯•韋伯空間望遠鏡存在一些重疊，但是‘起源’望遠鏡還將在一段幾乎沒有被探索過的遠紅外波段探索宇宙，因此充滿了可能性。”

為了美國Astro2020 10年規劃而發佈的5.9米口徑“起源”望遠鏡概念圖。Credit: Origins Space Telescope / NASA

NASA的斯皮策空間望遠鏡和歐洲空間局的赫歇爾空間望遠鏡是最後兩個探測長波段光譜的探測器。赫歇爾望遠鏡於2009年至2013年間在遠紅外波段進行了觀測，而斯皮策望遠鏡雖然仍在運作，但它處於一種“温暖”模式，限制了其觀測能力（歡迎閲讀《斯皮策太空望遠鏡——我能感受到宇宙的温暖（上）》https://mp.weixin.qq.com/s/oVR7CchbIBjHqLzxg4V09A瞭解更多）。“起源”的靈敏度將比這些望遠鏡高一千倍。“起源空間望遠鏡提供的觀測進步類似於從肉眼到人類的第一台望遠鏡”，Battersby説。

就像Lynx（秉承了錢德拉X射線望遠鏡的大致結構），“起源”是斯皮策的繼承者，並沿用了其久經考驗的架構。相比於Lynx提供了一種新的改進後的主鏡，“起源”提供的技術進步在於它的探測器。任務團隊仍在開發兩種類型的遠紅外技術——過渡邊緣紅外傳感器和動態電感探測器。最終將選擇其中一種技術用於望遠鏡。一種新的中紅外探測器也在開發中。

提升探測器的能力需要保持望遠鏡的超低温度——僅比絕對零度高4.5度。 “當望遠鏡温度超過4.5 K時，望遠鏡本身的遠紅外輻射將高於背景，使得觀測宇宙變得更加困難”，“起源”團隊主席Margaret Meixner（空間望遠鏡科學研究所）説，“就像在地球的白天：由於陽光的散射，我們無法輕易看到星星。”

在遠紅外波段巡天的目的正如這個項目的名稱所示：研究恆星和星系的誕生，行星的起源，以及創造生命本身所必需的成分。

 “我最感興趣的是塵埃在宇宙中的生命週期，”Meixner解釋説。“塵埃如何在瀕死的恆星中形成，混入星際介質，並協助形成下一代恆星？”

由於宇宙膨脹的性質，長波段使得“起源”能夠比現在乃至將來的望遠鏡更進一步地探索宇宙的過去，回到第一顆恆星誕生的時代——再電離時代。

起源能探測超過99％的宇宙時間，從宇宙的“黑暗時代”到星系迅速生長的時代，到現在。| Credit: Origins Space Telescope / NASA

與HabEx和LUVOIR一樣，“起源”也將在系外行星探索中發揮至關重要的作用。利用中紅外光譜技術，該任務將能夠探測到巖態系外行星上的生物印記。“‘起源’工作的波長包含可能適合居住的行星上輻射的波長，”團隊成員Tiffany Kataria（NASA JPL）表示。“温度測量以及生物印記分子的測量將有助於我們確定行星是否確實適合居住。”

**“起源”最讓人期待的，是“未知”。**Battersby説到：“歷史上每次人類在用更敏鋭的儀器探索新波段時，都能產生很多讓人興奮的新發現。科學中未知的領域是最令我着迷的。”

未來仍未可知

這些任務概念算不上是在互相競爭。 畢竟，十年規****劃（譯者注：指Astro2020，由美國國家科學院發起的第7次十年發展規劃，旨在為美國下個十年的天文發展提出方針）沒有義務選擇其中一個。在經歷了詹姆斯•韋伯空間望遠鏡任務多次擱淺之後，科學界是否還會給這麼有野心的計劃亮綠燈，誰也説不準。

“這是我最害怕的事情，” O’Meara説，“如果我們認為無法從錯誤中吸取教訓，無法建造一台在天文探索中扮演領頭羊角色的望遠鏡，我們就相當於放棄了進取心，這樣顯然不利於天文學的發展。”

明年的Astro2020****十年發展規劃或許我們就能知道結果，屆時全美各地的天文學家會一同決定美國下個十年的天文發展方向，確定什麼會被當作第一優先。

『天文時刻』 牧夫出品

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M13內恆星的顏色與星等圖

Tolga Gumusayak, Robert Vanderbei