科技改變生活 · 科技引領未來
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在漂浮于我們頭頂?shù)?000多個人造飛行物之中，哈勃望遠鏡大概是最傳奇也是知名度最高的一個。哈勃望遠鏡的構想最早可以追溯到1946年，天文學家萊曼·斯皮策提出太空建設天文臺可以觀測到更多被大氣層吸收的紅外線和紫外線，并且觀測的極限更高。建設經(jīng)
在漂浮于我們頭頂?shù)?8000 多個人造飛行物之中，哈勃望遠鏡大概是最傳奇也是知名度最高的一個。
哈勃望遠鏡的構想最早可以追溯到 1946 年，天文學家萊曼·斯皮策提出太空建設天文臺可以觀測到更多被大氣層吸收的紅外線和紫外線，并且觀測的極限更高。
建設經(jīng)歷了近半個世紀的設計與制造，哈勃望遠鏡終于在 1990 年 4 月 24 日由發(fā)現(xiàn)號航天飛機送入距離地面 600 公里的軌道，一直工作至今。
▲《創(chuàng)世之柱》，由哈勃望遠鏡拍攝合成最著名的照片之一
31 年間，目前基于哈勃觀測的信息已經(jīng)累計產出了 17000 多篇論文，從暗能量到外星球再到黑洞，哈勃望遠鏡幫助天文學家解開了宇宙一個又一個的秘密，充當著人類雙眼的角色。
服役至今，哈勃望遠鏡已經(jīng)歷過 5 次人工維護，大大小小的軟件故障更是不計其數(shù)。
在今年 6 月，哈勃望遠鏡就因為系統(tǒng)故障而暫停工作，切換至備份系統(tǒng)；10 月 26 日，哈勃望遠鏡因為內部通信問題，進入了安全模式。
這臺原計劃工作至 2013 年的「太空之眼」還能堅持多久？天文學家們目前還不能給出確切的答案，但可以肯定的是，年邁的哈勃已經(jīng)差不多要休息了。
為了看到更廣闊的宇宙，科學家認為需要盡快給哈勃找到一個「繼任者」。
下一個「地球」在哪？
宇宙還有別的生命存在嗎？下一個適宜地球人居住的星球在哪里？這些小時候在《十萬個為什么》上讀到的問題，科學界至今仍未找到答案。
好消息是，這些問題很有可能是 NASA 未來 10 年天文學工作的重點。
接著，天文學家對可能性最高的 25 顆行星進行光譜分析，研究其大氣成分以及是否有生命跡象。
依靠現(xiàn)有的觀測裝備，想要實現(xiàn)這些目標并非易事，例如在尋找潛在的宜居系外行星時，由于鄰近的恒星通常比行星明亮上百億倍，黯淡的行星很容易被其光線遮蔽，影響觀測。
所以，想要完成如此宏大的研究目標，天文學家的首要任務就是「升級裝備」，這也是 Astro2020 的重點規(guī)劃之一——建造一個超越哈勃望遠鏡的新型巨型望遠鏡。
計劃提到，NASA 將要資助并建造一個體積比哈勃望遠鏡大得多，并且同時配備了紫外線、可見光和紅外線探測儀的新型望遠鏡，估計耗資 110 億美元，理想情況下在本世紀 40 年代初投入使用。
新型望遠鏡將會配備日冕儀等裝備，這樣在觀測系外行星時可以有效地減少附近恒星的光線干擾，以進行更進一步的觀測工作。
凱克天文臺的首席科學家 John O’Meara 在接受 Axios 采訪時簡要地介紹了這個宏大的行星探索計劃。
在接下來的 10 年里，科學家需要搜索 100 顆甚至更多的類似于太陽的恒星，根據(jù)環(huán)繞的行星軌道篩選潛在的宜居行星。
接著，天文學家對可能性最高的 25 顆行星進行光譜分析，研究其大氣成分以及是否有生命跡象。
新型的望遠鏡在這時將會發(fā)揮出重要的作用，通過系外行星反射的光線，科學家可以計算出其大氣層的化學成分。如果大氣中有著氧氣、甲烷和水等成分，那么這顆行星就很可能可以孕育生命。
「當我們看到宇宙中除了人類以外的第一個生命跡象，看到遙遠世界的生命痕跡，人類在宇宙中的位置就會發(fā)生根本性的改變」John O’Meara 在采訪中強調。
另一方面他還補充道，如果人類觀察了 25 顆、50 顆甚至 100 顆系外行星卻沒有任何發(fā)現(xiàn)，這也會在根本上改變對宇宙的看法。
由于這個觀測任務需要包括紫外線、可見光、紅外線等多種光譜的協(xié)同分析，建造一個新的大型望遠鏡就顯得非常有必要。然而，從過去的種種經(jīng)驗來看，這個新太空探索計劃大概率不會一帆風順。
修建第二個「哈勃」并非易事
▲ 康普頓伽瑪射線望遠鏡
在 1990-2003 年之間，NASA 成功研制并發(fā)射了 4 顆大型空間望遠鏡，分別是哈勃空間望遠鏡、康普頓伽瑪射線望遠鏡（于 2000 年墜毀）、錢德拉 X 射線望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡，這又被稱為大型軌道天文臺計劃。
▲ 錢德拉 X 射線望遠鏡
大型軌道天文臺計劃將天文學研究推進了一個時代，因為紅外線、X 射線和伽馬射線很難穿透地球的大氣層，因此只能通過位于太空的空間望遠鏡進行觀察，每臺望遠鏡都為各自的領域做出了重要的貢獻。
1996 年，NASA 和歐洲航天局（ESA）以及加拿大航天局（CSA）開始合作開發(fā)下一代空間望遠鏡，并以 NASA 第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名，預算為 5 億美元，計劃在 2007 年投入使用。
然而，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）的建造難度之大遠遠超出了 NASA 的預料，由于項目存在很多工程延誤和成本超支，JWST 在 2005 年進行了重大的重新設計，發(fā)射時間一拖再拖，直到 2021 年 JWST 終于有可能發(fā)射。
原定于 2021 年 10 月 31 日發(fā)射的 JWST 因為阿麗亞娜 5 號運載火箭的問題，將發(fā)射日期推遲到了 2021 年 12 月 18 日，如無意外，1 個月后這個歷時 24 年的重大項目將會迎來歷史性的突破。
JWST 常被外界視為是哈勃望遠鏡的繼任者，但兩者的工作其實并不完全相同。JWST 的主要任務是觀測大爆炸理論的殘余紅外線，也就是觀測宇宙初期的狀態(tài)，因此它的形態(tài)和工作環(huán)境都和哈勃望遠鏡有很大的不同。
首先是高度，相比于哈勃望遠鏡 600 公里的軌道高度，JWST 要遠得多，距離地球最近時（近拱點）也要 374000 公里，最遠時（遠拱點）可達 1500000 萬公里。
這是因為 JWST 的鏡片必須保持在低于 50K（?220 °C）的環(huán)境下工作，為了維持低溫，JWST 設計了 5 層能夠抵擋約 300 °C 的遮光罩，以遮擋太陽和地球反射的光線。
從外觀來看，JWST 幾乎就由這巨大的鏡片和遮光罩組成，其主鏡的直徑達到 8 米，鏡面面積是哈勃望遠鏡的 5 倍以上，而遮陽罩的面積則相當于一個網(wǎng)球場。
要讓如此龐大的結構在太空中準確和安全地釋放、展開，是一個巨大的難題。NASA 的工程師 Mike Menzel 在新聞發(fā)布會提到，JWST 的太陽盾展開將會是最為復雜的一次部署任務，有超過 300 種失敗的可能。
據(jù)統(tǒng)計，JWST 預估最耗費高達 96.6 億美金，遠超計劃的預算。不少天文學家擔心，由于 JWST 長期拖延并且嚴重超預算，新的望遠鏡建設可能很難得到再資金支持。
但從另一個角度來看，問題百出的 JWST 也留下了不少寶貴的開發(fā)經(jīng)驗。
在 Astro2020 報告中就總結了不少了 JWST 的開發(fā)教訓，提出了 4 個更為細致的任務概念，新望遠鏡的開發(fā)計劃要比當初的 JWST 更為完善。
如果計劃開展順利，人類對于宇宙的認知將會再度迎來一次飛躍。宇宙是否存在外星生命？這個問題的答案很可能在這個世紀內揭曉。
陳夕