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新一代空间望远镜：发现宇宙中的生命
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Korey Haynes 文 Shea 编译 |
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使用高清空间望远镜，天文学家寄希望能发现宇宙中的生命。 2022年，当詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）张开其巨眼望向宇宙之时，构想、设计并建造它的天文学家和工程师们会欢呼庆祝。 但就在它把第一波科学数据发回地球的时候，另一个科学家团队则正在致力于构思它的继任者。事实上，这已经开始了。 设计、研究和建造科学上最大且最有价值的研究工具——例如，大型强子对撞机，或者哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦布空间望远镜——往往需要花费几十年的时间、数百次的专家评估和团队会议以及数十亿的美元，而这些项目的进度通常极为缓慢。因此，虽然在21世纪30年代中期之前不会发射升空，但毫不奇怪天文学家们已经开始筹划下下一个大型的空间天文台了，目前它被称为高清空间望远镜（HDST）。  自“哈勃”离开发射平台的瞬间，不同的团队就已经在讨论这架未来的望远镜可能会是样子。虽然在细节上存在差异，但就基本要求和目标达成了一致。受到科学目标和工程的制约，可选择的道路其实有限，只能在这之间寻求最佳的折中方案。 因此，在可及的技术和当今最紧迫的天文学问题之间取得平衡之后，其基本要素自然而然地就显现了出来。虽然JWST会特别专注于光谱中的红外波段，但HDST将会是真正的“哈勃”继任者，具备红外、可见光和紫外观测能力。 JWST6.5米的口径已经让2.4米的“哈勃”相形见绌，但HDST的口径将达到12米，可以与目前地球上最大的光学望远镜相抗衡。尽管到HDST升空的时候地面上将会有了30米口径的望远镜，但和JWST一样，它不仅会飞入太空，还会飞到远在月球的轨道之外的L2拉格朗日点。这样可以远离地球的大气层以及阳光，使得它具有不间断地清晰视野。从这个制高点，它将会窥视宇宙中最遥远的地方，探寻天文学中的圣杯——另一个有生命存在的地球。  搜寻生命 1995年，当天文学家在类太阳恒星周围发现了第一颗行星之时，太阳系外行星一跃从科幻变成了科学最前沿。在接下去的10年里，地面和空间的搜索又陆续发现了十几颗、然后是几十颗的行星。2009年，开普勒空间望远镜开启了太阳系外行星的发现洪流，现在已知的太阳系外行星已经有上千颗。 然而，对于这些行星中的绝大多数，天文学家仅知道最粗旷的特性。通常会知道某一颗行星的质量和半径——但只有在偶然的情况下才能两者皆知，以及它到其宿主恒星的距离。根据这些信息来确定这颗行星的成分有非常大的不确定性。即便是现在，科学家们也只是在屈指可数的一些太阳系外行星的大气中直接探测到了几种特定的分子，而这些还都是最明亮、温度最高且不可能拥有生命的巨行星。 更远景地，许多天文学家梦想着发现另一个地球以及生活在它之上的生命。毫不奇怪，一些旨在太阳系外行星研究的领军任务会沿着这些路线来前行。因为，整个人类都对于我们自己在银河系中和宇宙中的“地位”感兴趣，对这个问题的回答就在于去寻找地球之外的生命和文明，而第一步则是寻找到可能有生命存在的行星。 这是非同寻常的任务。天文学家已经知道了几颗可能有生命存在的行星。这些行星都有着合适的大小和岩质的表层，它们也都位于宜居带内，在其表面可以有液态水存在。然而，天文学家并不能确定这些水是否真的存在。即使有水存在，是不是又有生命存在？ 对这个问题的回答意味着必须要超越行星的大小，深窥其大气层之下的世界，寻找有关生命的迹象：水、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧。只有探测到这些物质才能让天文学家确信那里真的存在生命，而不是单纯的可能性。  凌星是目前探测太阳系外行星大气层成分的最佳方法。当行星从其宿主恒星圆面前方经过时，天文学家可以测量因该行星的大气遮蔽或部分遮蔽导致的星光变化。当凌星的行星是一颗近距离的高温气态行星时，这一方法可以提供其大气层丰富的信息。但对于一颗地球大小、大气层较薄且距离较远的行星，它所导致的星光变化太过微小，即便是未来的巨型望远镜也无法测量。 JWST将对超级地球进行大量的凌星观测，这些太阳系外行星的半径是地球的1.5～2倍。不过，这些行星还是和地球存在着一定的差异。所以，除非天文学家幸运地找到了一颗极其靠近一颗低温红矮星的地球大小行星，否则无论是JWST还是其他的太阳系外行星探测任务都没有能力去探测一颗位于宜居带内的类地球行星。 即便是围绕红矮星的凌星类地球行星，JWST对其进行全面的分光测量所需的时间将会和哈勃深场的相当。虽然搜寻外星生命绝对值得去花上这100多个小时的望远镜时间，但天文学家也不得不面临很大的“赔本”风险，结果很有可能是它只不过是一颗贫瘠和干旱的类火行星。这不是进行大规模研究的可行方案。天文学家需要不同于JWST的工具，于是HDST应运而生。 除了使用凌星手段，天文学家还将直接来搜寻类地球行星，这将是工程上的一项壮举。虽然这在可及的范围之内，但也是HDST所面临的最艰巨的挑战。 强有力的科学需要有可重复性。搜寻类地球行星的天文学家需要研究大量的潜在目标。那么，为了寻找地外生命，到底需要深入仔细研究多少颗太阳系外类地行星的大气呢？是1颗？10颗？100颗？还是1 000颗？ 回答也许是“几十颗”。这并不是一个抽象的思想实验，相反是权衡之后的结果。HDST必须要强大到这样的程度才能解答天文学家所提出的问题。达不到这些性能上的要求，科学问题就无法得以解答，宝贵的资源就会被浪费。对性能要求过高，则可能导致工程上无法实现。HDST的任务并不仅仅是回答一个问题，而是一个使命：寻找另一个地球。  恒星考古学 除了太阳系外行星之外，HDST也将是惠及整个天体学。对于研究星系形成和演化以及宇宙大尺度结构的天文学家来说，他们也期待着HDST对这些更大尺度的观测能力。 星系中用来形成恒星的气体是从哪儿来的？天文学家只知道个大概。为了制造出恒星，星系必须从星系际介质中捕获气体。剧烈的活动，例如恒星爆发式形成以及黑洞的演化，会把气体吹出星系。天文学家已提出了许多模型来描述这个循环过程，但没有一个能在所期望的细节程度上被验证。 目前，通过研究来自遥远类星体所发出的光被吸收的情况，“哈勃”正在研究其路经的星系周围气体的位置和运动。然而，对于每一个居间星系来说，“哈勃”通常只能看到一个位于背景中的类星体，而能观测的目标数量也很少。但假如你有一架10米级的望远镜，就能在每个星系的周围看到10～20个距离可以远在3 260万光年之外的类星体。它将使得天文学家能勘测出围绕这些星系的气体的空间分布，整个改变眼下的局面。 天文学家也对恒星考古学十分感兴趣，它研究的是星系中恒星形成的历史——在多久之前，形成了多少各种大小的的恒星？“哈勃”现在也正在尝试进行这些测量，但其角分辨率只够用来研究银河系和本星系群中距离我们最近的星系。HDST可以观测远在3 260万光年之外的恒星形成。如果能够了解供给恒星形成的气流，那么它将向我们呈现出宇宙历史更为全面的图像。 即将问世的下一代30米级地面望远镜也将加入这项研究中，但其最佳的角分辨率在近红外波段，在这个波段上年老和年轻星族的差异远不如HDST在紫外波段所看到的明显。 这一差异凸显了未来新一代望远镜之间的互补性。HDST将在紫外波段达到其最高分辨率，而30米望远镜则红外波段表现最佳。凭借巨大的天线阵列，阿塔卡马大型毫米波阵也能加入它们的行列，达到相当的分辨率。综合起来，从射电到紫外，它们将会以迄今最高的分辨率来探测近距宇宙。这将是革命性的。  建造 幸运的是，天文学家就HDST的科学目标达成了共识，这使得他们决定建造一架10米级望远镜（具体大小尚未确定）并将其安置在L2点。尽管在地面上已经破土动工开始建造口径3倍于此的望远镜，但有一个很简单的问题束缚着任何一架空间望远镜——如何把它送入太空？在可以预见的未来，计划中最大的运载火箭是美国宇航局（NASA）的空间发射系统，就算是这么庞大的火箭——近120米高、有效载荷150吨——其直径也只有8米。这意味着HDST必须和JWST一样采用可折叠、拼接镜面设计，由多达54块的六边形镜面来拼合而成。它将会被折叠安放在有史以来所建造的最大的火箭腹中，然后发射升空，在抵达深空之后再伸展开。 发射入太空只是它需要满足的工程要求之一。为了寻找那些难以捉摸的太阳系外宜居行星，除了凌星观测之外，天文学家还必须要具备对其直接成像的能力。但是，以地球为例，太阳的亮度是地球的100亿倍。从几十万亿千米之外看，地球完全湮没在太阳的强光之中。因此，必须要想办法消除掉这些星光。 为此可以使用两种办法来阻挡中央恒星的光芒。第一种是使用星冕仪，它安装在望远镜内，可以遮挡住恒星的光，但却可以让从该恒星邻域内发出的光通过。这个方法需要设计非常精密且非常稳定的望远镜，必须知晓光线在望远镜中的传播路径，还需要有部件来校准镜面的形状，由此来保证即便是最微小的像差也不会影响到影像的稳定性。这从本质上增加了望远镜整体设计的复杂性，但由此所获得图像的深度和清晰度可以让天文学家观测到数以千计的太阳系外行星和几十颗的类地行星。 此外，还有另一种方式。多年来，天文学家一直在设想使用“星障”（starshade）装置，它相当于是一种架设在望远镜外部的星冕仪，具有精妙而又复杂的花瓣结构，可以完全消除由一颗遥远的恒星所投射下的尖峰状衍射图案。对于HDST大小的望远镜，它所需星障的直径将超过100米，对每个花瓣形构造的精度则要达到1毫米。HDST及其星障间的距离接近200 000千米，这一飞行编队的精度必须维持在1米。这样高要求的编队飞行是很困难的，而且从一个目标切换到另一个目标可能要等上数天甚至数周的时间，因为星障可能要飞行数千千米才能抵达所需的新位置。 这同时也是一项未经验证的技术：星障任务还尚未试飞过。不过，相比于内置的星冕仪，这一技术对于更小且靠宿主恒星更近的行星有着更高的灵敏度，对望远镜自身的工程要求也易于达到。在HDST发射前10年，可能会有一架使用星障的空间望远镜发射升空。如果真是这样的话，这将是对该新技术的实地测试。 就目前来说，内置的星冕仪被视为首选。不过，HDST兴许可以两者兼得。最终的决定将在很大程度上依赖正在进行的研究，工程师们正在探讨到21世纪30年代中期发射时技术会发展到什么样的程度。这架望远镜本身和它所携带的仪器都来之不易。HDST将尽可能地利用目前已经被验证的技术来建造，例如JWST和勘测银河系中恒星的“盖亚”所用的技术。它还会使用一些仅经过地面测试的技术，例如类地行星搜寻者和空间干涉任务的技术。 工程师们也可以更为从容。与JWST不同，HDST可在室温下进行操作测试；而JWST是专长红外的低温望远镜，因此在测试和组装的每一个阶段都需要低温环境。这不是一个简单的简化，这些红外波段上的复杂性是导致JWST成本超支和进度滞后的主要原因。 独自在L2点运转，HDST应该不会有任何的维修服务任务，但科学家们也不能排除这一可能性。“哈勃”的许多维修任务让工程师们领会到了模块化部件的价值——可以方便地移除、更换、升级仪器和面板。或许比人类机械师更有可能的是机器人维修工，在这个领域NASA已经研究了10多年。相比载人任务，机器人维修任务的成本和风险都更低。因此，尽管工程师们在建造HDST时并不期望会有任何的维修任务，但也为各种可能性做好了准备。  前进道路 关于HDST，目前还没有任何的正式提案，也没有全面的成本分析或者是时间表。除非NASA决定终止空间望远镜项目，否则HDST总会向前推进。为下一个科学项目等待20年是很漫长的。然而，发现有太阳系外行星不但是宜居的而且是有居民的，进而回答我们在宇宙中是否孤独的根本问题，这兴许可以在我们大多数人的有生之年得以实现。面对人类千百年来的追问，HDST似乎呼之欲出。 HDST只是这个项目目前的名称。此前NASA的一项研究用的名称是“高新技术大口径空间望远镜”（ATLAST）。曾几何时，同样的基本概念还被称为“甚大空间望远镜”。同样地，JWST在很多年的时间里被称为“下一代空间望远镜”，甚至“哈勃”在长达数十年的筹划过程中都被称为“大型空间望远镜”。 最终，将于21世纪30年代问世的这架旗舰望远镜会有一个更人性化的名字，可能以一个科学家或公众人物命名。虽然开工建造的日期仍然未知，评估、成本和工程挑战依然艰巨，但天文学家们却义无反顾，因为它是一架能寻找另一个地球的望远镜。 每一个人都希望能进一步地理解我们的宇宙。2030年将会比你想象地来得更快。 |
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[Astronomy 2016年05月]
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