巨型火箭将带来的天文学革命

X.-M. Deng　编译

　　在天文学的这场竞赛中，大小决定了胜负。为了获得几十亿光年远的天体的清晰影像，就需要一架大望远镜。

　　“不但要大，而且是越大越好，”在美国宇航局（NASA）戈达德航天中心从事天文学高新概念研究的天文学家哈利·特隆森（Harley Thronson）说，“NASA新型的‘战神’V型火箭将会彻底改变这场竞赛的规则。”

　　“战神”V型火箭将用于发射NASA下一代的载人月球着陆器，并且向月球基地运送货物。其宽大的整流罩内可以容纳8辆校车，并且可以将180,000千克的载荷送入近地轨道。“战神”V型火箭所能运送货物的质量是航天飞机的6倍，所能运送货物的体积则是航天飞机的3倍。

　　“想象一下，如果用‘战神‘V型火箭来发射望远镜的话，”特隆森说，“它一定能引发一场天文学的革命。”


[图片说明]：容纳8辆校车的“战神”V型火箭载货舱。版权：NASA。

　　NASA马歇尔航天中心的光学工程师菲尔·斯塔尔（Phil Stahl）举了个例子：“‘战神‘V型火箭可以将直径8米的单一镜面望远镜整个送上天，而且这样做的风险也相对较小。”作为比较，“哈勃”空间望远镜的主镜直径只有2.4米。而8米望远镜所能看到影像要比“哈勃”的锐利3倍。更重要的是，在相同的观测时间里，8米望远镜所能看到的最暗天体将比“哈勃”所能看到的还要暗上11倍，因为它用来收集光线的主镜面积就是“哈勃”的11倍。

　　不过“战神”V型火箭还可以更进一步。它还可以用来发射巨型的拼合镜面望远镜。也就是像詹姆斯·韦布空间望远镜一样，在发射时望远镜镜面是“收”起来的，待入轨之后再行打开。但是“战神”V型火箭所能发射的拼合镜面望远镜的大小可以达到詹姆斯·韦布空间望远镜的3倍。

　　美国空间望远镜研究所的马克·波斯特曼（Marc Postman）已经提出了一个直径16米的光学/紫外拼合镜面望远镜，被称为“高新技术大口径空间望远镜”（ATLAST）。“ATLAST的灵敏度将近是‘哈勃’空间望远镜的2,000倍，其所成像的锐利程度则是‘哈勃’或者‘詹姆斯·韦布’的7倍，”波斯特曼说，“它将帮助我们回答一个长久以来我们一直苦苦探求的问题——银河系中还存在其他生命吗？”

　　ATLAST的超高灵敏度将使得天文学家可以找到适合生命存在的太阳系外行星。“在ATLAST的帮助下，天文学家们可以获得60-70光年之内大量类地行星的光谱，”波斯特曼说，“我们可以在这些光谱中寻找氧和水的信号。ATLAST还可以帮助我们精确确定近距星系中的恒星形成率，为星系中恒星的形成过程提供一个更为准确的描述。”


[图片说明]：即使是“战神”V型火箭所能发射的最小空间望远镜也能让“哈勃”相形见绌。版权：NASA。

　　这架空间望远镜还能用来探测星系和黑洞之间的联系。科学家们知道，几乎所有的现代星系中心都存在一个超大质量黑洞。“这意味着在超大质量黑洞的形成和星系的形成之间必定存在着某种基本的关系，”波斯特曼解释说,“但是我们对这个关系的本质并不清楚。是黑洞先形成然后作为星系形成的‘种子’，还是星系先形成然后‘哺育’了其中的超大质量黑洞？一个大型的紫外/光学望远镜可以帮助我们回答这个问题。如果观测发现古老星系的中央不存在超大质量黑洞的话，那么也就意味着星系可以在缺乏中央黑洞的情况下照样形成。”

　　美国德克萨斯大学的丹·莱斯特（Dan Lester）则设想着另一架直径16米的望远镜，不过这架望远镜是用来探测远红外波段的。“远红外望远镜和斯塔尔以及波斯特曼的光学望远镜十分不同，但又能互相补充，”莱斯特说，“在光谱中的远红外波段，我们通常看不到星光，但是却可以看到包裹在恒星周围的尘埃和气体所发出的光。在恒星形成的极早期，原恒星会被尘埃层所包裹，因此可见光无法透射出来。但是远红外望远镜却能使我们不受浓密尘埃云的干扰直接看到其内部正在形成的恒星。”

　　在远红外波段进行天文观测非常具有挑战性。因为远红外的波长是可见光的几百倍，因此很难呈现出一个清晰的像。“所以要想在红外波段获得好的影像就必需一架大型的望远镜，”莱斯特提醒说。

　　和斯塔尔以及波斯特曼的望远镜很相似，莱斯特的单口径远红外望远镜（SAFIR）在使用“战神”V型火箭发射的同时，也有两个选择：8米的单镜面望远镜或者是16米的拼合镜面望远镜。莱斯特意识到，用“战神”V型火箭发射一个8米的单镜面望远镜可以省去许多的麻烦事。“但是另一方面，如果我们对复杂性以及开合镜面并不介意的话，那么我们可以用‘战神’V型火箭来发射一个真正的庞然大物，”拉斯特说。


[图片说明]：计划中使用“战神”V型火箭发射的SAFIR。

　　除了上面提到的望远镜以外，“战神”V型火箭还可以用来发射一架8米的X射线空间望远镜。NASA非常成功的“钱德拉”X射线天文台的口径只有1米，因此你可以想象一架8米的“钱德拉”可以为我们带来什么样的壮观画面。钱德拉X射线中心的罗杰·布里森登（Roger Brissenden）对未来8米级的X射线望远镜“Gen-X”充满了期望。“Gen-X将成为了强大的X射线天文台，为我们开启天体物理的新前沿，”他说，“这架望远镜会观测大爆炸几亿年之后形成的第一代的黑洞、恒星和星系，并且帮助我们确定它们是如何随着时间演化的。现在对宇宙早期的研究更多的还是停留在理论上，但是有了Gen-X的超高灵敏度（超过‘钱德拉’的1,000倍），这些早期天体就能被揭示出来。”

　　确实，“战神”V型火箭将打破目前对科学载荷的发射质量和体积限制，为我们开拓更为宽广的宇宙视野。“有了这种巨型火箭天文学将迎来翻天覆地的变化，”职业梦想家特隆森说，“我都有点等不及了。”

（本文已刊载于《世界科学》2009年第7期）
出自：Science@NASA
发布日期：2009-01-14

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