|
|||||
 |
|||||
|
新“眼”，新宇宙
|
|||||
|
Jeff Kanipe 文 Lynette Cook 图 Shea 编译 |
|||||
|
未来40年将见证望远镜所呈现在我们面前的全新宇宙。 现在在博物馆的商店或者古董店都可以买到天球仪和星盘了，但是400年前和这两样东西一同用于天文观测的望远镜却依然处于天文学的核心，还没有走下“神坛”。在光学精度、工作波段以及大小上，望远镜已远非400年前的样子。在望远镜诞生之后的200年里，除了观测者的素描以外没有留下任何其他的资料。在随后的100年里照相底片取代了白纸和铅笔，但在刚刚过去的几十年里整个领域则经历了一场数字革命。现在望远镜已经遍布了海洋、沙漠、山顶乃至宇宙空间的各个地方，但是它们的任务却始终没变——搜集、聚焦宇宙向我们传达的任何信息。 然而对于其辉煌的400年来说，天文望远镜的黄金时代才刚刚到来。目前正在研发中的望远镜会将现有技术推向前所未有的高度，并且对前一、两代人无法想象的问题寻求解答。 为了回答这些问题，不同的望远镜会协同合作。具有红外探测能力的詹姆斯·韦布空间望远镜和工作在射电波段上一平方千米天线阵将“并肩作战”来探测宇宙中第一代恒星和星系所发出的“第一屡光”。同时一平方千米天线阵还将会和大口径全天巡视望远镜以及欧洲特大望远镜一起用来探测宇宙的大尺度结构，以此来研究暗物质和暗能量在宇宙中所发挥的作用。这些地面上的庞然大物还会和太空中的韦布空间望远镜互相策应来详尽地探测和研究那些围绕其他恒星转动的行星。 但是千万不要以为这就是全部，这场四重奏展现的仅仅是起始乐章。阿塔卡玛毫米波大天线阵（ALMA）在不久的将来就会在它特定的波段上引发一场天文革命。覆盖电磁波谱其他波段甚至是力主于引力波和中微子的望远镜计划也都在跃跃欲试，而建造它们本身就是一项艰巨的挑战。然而不管是什么样的望远镜，人们的初衷却都是相同的，那就是去探索和发现宇宙中人类前所未见的事物，去经历伽利略第一次看到月亮上的环形山和太阳表面黑子时的那一份怦然心动。 詹姆斯·韦布空间望远镜 
甚至在哈勃空间望远镜发射前一年的1989年，美国空间望远镜研究所的天文学家就开始筹划下一代空间望远镜了。按照计划它将在2013年发射。尽管JWST的设计和成本在过去的20年里一变再变，但是它的主要目标却始终如一——研究宇宙历史中尚未向人类充分展现的一面。为此，JWST将采用一系列的尖端技术，例如由铍制成的超轻型光学系统、超灵敏红外探测器以及一个能让中红外探测器长期维持在7开的制冷机。 不过真正令人惊艳的新技术还是这架望远镜的主镜。JWST的设计者所希望的反射镜太大，目前现有的任何火箭都没有办法把它发射上天。因此他们“化整为零”，先将镜面收起来待发射入轨之后再将直径6.5米的镜面打开。而JWST的轨道距离地球达150万千米，这使得它具有比哈勃空间望远镜更大的可视天区，并且也能使得它自身可以保持更低的温度。不过与哈勃空间望远镜不同的是，一旦JWST出了任何问题，如此遥远的距离使得想去维修的宇航员也只能望洋兴叹。所以JWST必须一开始就在每个细节上都表现完美才行。 诺贝尔奖得主、JWST资深项目科学家约翰·马瑟（John Mather）说，目前JWST的设计寿命是至少5年，当然它也许能工作得更长时间。到时候它会携带10年的燃料，而制冷机的存在也使得它不会像先前的空间红外望远镜那样工作寿命受到制冷剂供应的制约。“如果我们够聪明，而且运气也足够好的话，我们希望能进一步地节约燃料使它工作更长的时间，”马瑟说，“但是我们并不能保证这一点。”不过JWST的团队能保证的是JWST所能给我们带来的新发现。“我们目前还不知道黑洞和星系哪个先形成，我们也不知道在几乎每个大质量星系中央的黑洞周围究竟发生了些什么。如果早期宇宙能给我们带来惊喜的话，我猜想应该就在这些地方。” 美国空间望远镜研究所所长马特·芒廷（Matt Mountain）说，然而JWST并不会只专注于遥远的宇宙，它还会仔细地观察我们邻近的宇宙，例如形成中的其他行星系统、并合中的恒星以及被尘埃星云包裹住的星团。 但是真正让JWST与众不同的还是它探测早期宇宙的能力。“JWST的灵敏度如此之高，”芒廷说，“以致于你能获得哈勃望远镜将将能看到的最遥远天体的光谱。” 深空动态画面  大口径全天巡视望远镜
LSST每晚可以获得达万亿字节的观测数据，每个星期可以把其位于智利的可观测天区扫视一遍。这就需要这架主镜8.4米的望远镜具有10平方度的视场。这个大小相当于满月的49倍，大型双子望远镜视场的300倍。大型双子望远镜的口径和LSST差不多，不过被“调教”成了一架只专注于天空中一小点的望远镜。10年之后，LSST可以将其视场中的每个天体观测大约1,000次。大规模的计算将被用来对海量的数据进行相关、比较和编撰成表，然后在互联网上发布。从学生、天文爱好者到职业天文学家，都可以通过网络来参与到LSST的发现之旅中去。 对引力透镜的研究可以揭示出宇宙的结构，这其中包括暗物质的分布和暗能量对宇宙演化的作用。与此同时，LSST还将承担重要的“巡逻”任务，寻找对地球具有潜在威胁的近地小行星。天文学家已经知道了具有物种灭绝性的小行星的所在之处，而LSST将成为寻找那些个头稍小但数量众多的能摧毁一个城市的小行星的利器。但是，由于具有比以往高出1,000倍的探测暂现现象的灵敏度，因此LSST的视野不会仅仅局限在太阳系，它还会搜寻发生在宇宙深处诸如中子星碰撞之类的新灾变现象。 LSST的团队拥有超过100人的科学家和20多个主要位于美国的实验室、大学和研究所。尽管LSST目前仍然处于设计阶段，但它的主镜已经铸造成型。天文学家们希望望远镜能从2011年开始建造，2015年投入使用。在随后的10年巡天里，LSST将会观测宇宙中每一个已知、未知和有待发现的天体。这是第一次人类能观测、编撰成表的天体数目超过地球上的人口数量。
超天巨镜  欧洲特大望远镜
目前E-ELT正处于欧洲南方天文台（ESO）为期3.5年、耗资0.572亿欧元（0.725亿美元）的设计研究阶段之中。预计在2010年中期开始动工兴建。E-ELT并不是唯一的巨型望远镜计划。由包括北美的大学在内的、公-私合作下的三十米望远镜也正在设计建造之中，还有就是美国和澳大利亚几个大学以及研究机构合作的巨麦哲伦望远镜。但E-ELT是其中最大的，9.50亿欧元的预算也是最高的。 事实上，目前的E-ELT是原先商议中的超巨型100米望远镜的“缩小”版，其42米的直径相对更为务实。即便如此，只要可以修正镜面形状和改正大气湍流的主动光学和自适应光学系统能发挥作用的话，E-ELT的设计者预期E-ELT所能达到的空间分辨率将会是哈勃空间望远镜的18倍。现今最大的光学望远镜是位于夏威夷莫纳克亚的两架10米凯克望远镜，而E-ELT的集光面积就是它们两个加一起的9倍。 在考虑做大的时候，E-ELT的设计者拥有他们的美国同行所不具有的优势，那就是稳定的年度预算。ESO的管理层希望建造E-ELT的预算不会超支，因此他们也不必向成员国或者其他机构寻求财政支持与合作。不过E-ELT也仍然存在一定的变数：望远镜的光学设计还没有最后敲定，望远镜的位置也没有最后确定。加纳利群岛、摩洛哥、阿根廷以及智利的两处地点都在考虑之中。 对于E-ELT首席科学家罗伯托·吉尔莫奇（Roberto Gilmozzi）来说这些都是“背景噪音”，他更专注于E-ELT潜在的发现。“E-ELT的重要目标之一就是通过间接——测量由于行星造成的恒星视向速度变化——和直接成像的办法来寻找围绕其他恒星公转的行星，”他说，“我们还将获得行星大气的光谱，这将为寻找地外生命的提供更多的有用信息。”同时，E-ELT还将以前所未有的精度研究围绕年轻恒星的原行星系统。 “E-ELT的灵敏度之于现在望远镜就像伽利略的望远镜之于人的肉眼，”吉尔莫奇说，“而且它还将在各个尺度上影响天文学。”现在看上去模模糊糊的星系在E-ELT的眼中将分解成恒星，并且在最大的尺度上E-ELT将进行一个其他任何望远镜都做不到的“物理实验”。通过比较在数年间测量到的极遥远天体的超高精度速度资料，E-ELT将第一次直接测量到宇宙膨胀的速度。
无处不看  一平方千米天线阵
其结果是SKA的工作频率可以从70兆赫到10千兆赫，并且拥有巨大的视场——在1千兆赫以下的频率可以达到200平方度，1千兆赫以上为1平方度。SKA的最终设计将会是兼顾高频和低频的相控阵天线。相控阵的优点是观测者可以同时观测天空中的不同区域。这一设计将使得SKA具有比任何现有成像射电望远镜高出10,000倍的巡天速度。其研究内容也将涵盖从星系演化、类星体喷流到脉冲星和超新星遗迹在内的几乎整个天文学领域。 SKA是真正国际合作的产物，其中包括了来自欧洲、阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、中国、印度、南非和美国在内的19个研究机构。SKA的成员希望它能在2020年建成，并且运转50年。考虑到所有在所难免的进度推迟以及日后的升级换代，甚至到22世纪SKA也将能独领风骚很长的一段时间。 按照美国SKA联盟主席詹姆斯·科德斯（James Cordes）的说法，SKA将会革新我们对第一代星系的以及宇宙中重元素（比氦重的元素）形成的认识。先前的研究显示，大爆炸之后5亿年星系还仅仅是一团来自更早期恒星的一氧化碳气体，而SKA就将会探测这些星系的“种子”。就像是任何一个钟情于大望远镜的人一样，科德斯对于SKA的喜爱之情溢于言表。他说，SKA就是一台发现的机器，没有人确切知道它还会发现什么新奇的东西，也许是新型的太阳系外行星或者恒星爆发，甚至是令人惊叹的黑洞辐射乃至地外文明。
（本文已刊载于《天文爱好者》杂志2009年第2期） |
|||||
|
出自：Nature
发布日期：2009-01-01 扩展阅读
|
|||||
2001-2009 火流星工作组制作
本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电：