太空望远镜的未来：NASA在2030年代的四个旗舰级概念任务！

NASA的大型紫外光学红外探测器(LUVOIR)是四个可能在2030年代中期发射的天体物理学任务之一。来源：美国国家航空航天局

美国宇航局还没有发射新的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST，它是备受喜爱的老旧哈勃太空望远镜的继承者)，但是航天局已经准备建造一个更大更好的太空天文台来最终取代JWST。

美国国家航空航天局的四个科学家小组正准备提交他们对未来旗舰级天体物理学任务的提议——这个旗舰级的任务是美国国家航空航天局所有科学任务中最昂贵的一个。在这四个提议任务中，只有一个任务将在本世纪30年代中期发射到太空。

在1月6日至10日举行的美国天文学会(AAS)第233次会议详细介绍了这四项任务概念研究，尽管NASA的许多科学家因政府关闭而休假，无法参加会议。

每一个概念任务都是太空望远镜，这些太空望远镜用来研究恒星、星系、黑洞、外星行星和其他太阳系内的物体。这些望远镜将通过探测不同波长的光，从低能红外线到高能紫外线和x射线，来探索宇宙的奥秘。

NASA还没有为这些任务定价，但旗舰级任务的成本通常都会超过10亿美元。然而，经过多年的拖延和成本超支，JWST预计将会花费NASA超过100亿美元。

尽管美国国家航空航天局(NASA)将负责开发和运行这个旗舰级任务，但该机构实际上无权选择要进行哪一项任务。相反，NASA将要向美国国家科学院(NAS)提交提案，再由该科学院的一个委员会来决定哪项任务最适合天体物理学界的优先事项(美国科学院通过收集全国各地天文学家的意见，并发表一份大约十年一度的调查报告来确定这些优先事项)。

那么，十年一度委员会认为21世纪30年代天体物理学最受欢迎和最重要的研究领域是什么呢?15到20年后，天文学家将会使用什么样的科学工具来研究宇宙?从宇宙大爆炸到地球以外生命的可能性，科学家们希望利用太空仪器来研究的东西实在是太多了。但是由于NASA的预算有限，并不是所有的计划都能实现。以下是2020年十年调查中提出的四项旗舰级任务的摘要。

LUVOIR

候选任务包括一个被称为(LUVOIR)的大型紫外光学红外探测器，本质上是哈勃太空望远镜的放大版。和哈勃望远镜一样，这台仪器也可以用紫外、红外和可见光波段来观察宇宙。

然而，LUVOIR的镜子直径约为50英尺(15米)，其宽度是哈勃望远镜的6倍之多。这意味着LUVOIR能看到的宇宙分辨率是哈勃的六倍。LUVOIR的集光能力同时也是老式望远镜的40倍，所以它可以看到更微弱、更小、距离更远的物体。

NASA为LUVOIR的设计提出了两种不同的选择。更大的版本LUVOIR-A(如上所述)将被建造在NASA即将发射的太空发射系统(SLS) megarocket上。空间望远镜科学研究所(STSci)的研究员Jason Tumlinson在周二(1月8日)的AAS上说，LUVOIR-A是“我们在SLS上能装下的最大的东西”。

同样超出预算并且落后于原定计划的SLS系统应该也会在2020年的某个时候进行首次飞行。Tumlinson说：“如果美国宇航局(NASA)不制造这种火箭，那么我们将使用小一点的 LUVOIR-B计划。”这个计划将有一个直径为26英尺(8米)的镜子，较小的尺寸将意味着比LUVOIR-A稍低的分辨率。

LUVOIR的目的是研究各种天文研究项目，比如寻找可居住的系外行星;研究恒星和星系的形成和演化;绘制整个宇宙的暗物质图;以及太阳系中的天体成像，比如行星，彗星和小行星。“不管你对什么感兴趣，LUVOIR都为你准备了一件研究设备，”Tumlinson说。

HabEx

可居住系外行星观测台(Habitable Exoplanet Observatory, HabEx)的设计初衷和它的名字完全一样：在类太阳恒星周围观察潜在的可居住系外行星。

在寻找水和甲烷等“生物特征”(可能意味着其他行星上有生命存在)的同时，HabEx也将成为第一个直接成像类地系外行星的望远镜。要想被认为可能是“类地行星”，一颗系外行星必须有陆地，或者是岩石行星，并且必须在宜居带内围绕其母恒星运行(因为宜居带的温度刚好适合液态水的存在)。

HabEx将部署一个巨大的、向日葵形状的“星光罩”，以阻挡恒星(有行星围绕其运行)发出的光线，使望远镜能够以前所未有的细节研究发出微弱光亮的系外行星。HabEx望远镜本身的直径为13至26英尺(4至8米)——NASA仍在研究不同尺寸的不同设计方案——但星光罩要大得多，直径为236英尺(72米)。

除了收集可见光图像外，HabEx还将会对宇宙进行紫外线和红外观测，使得这个天文台还能用于除系外行星以外的其他研究。使用与研究系外行星相同的仪器，HabEx还可以观察和绘制恒星和星系的地图，研究宇宙的膨胀和暗物质。

Lynx X射线天文台

Lynx是美国国家航空航天局钱德拉x射线天文台的一个潜在继任者，这种提议太空望远镜将通过探测人类肉眼不可见的高能x射线辐射来发现“不可见”的宇宙。这意味着研究人员可以使用该仪器来寻找类似超新星和黑洞的东西。

Lynx的设计目的是通过空间和时间观察宇宙中最早的黑洞，这将会使研究人员能够更好地了解这些天体是如何形成和生长的。该望远镜还可以观察星系和星系团的形成和演化。

新罕布什尔州达特茅斯学院(Dartmouth College)的天体物理学家瑞安希考克斯(Ryan Hickox)说，它还能研究恒星的诞生和死亡，捕捉“精美的爆炸恒星地图”，就像钱德拉(Chandra)拍摄第谷超新星的照片那样。但他说，Lynx的分辨率是钱德拉的100倍，它能拍出更壮观的照片。钱德拉可以研究1300光年以外的恒星，而Lynx上的仪器可以观测到1.6万光年以外的恒星，即钱德拉观察距离的12.5倍。

Lynx的主镜直径约为10英尺(3米)，仅略大于哈勃望远镜，然而，这个管状望远镜的开口将是钱德拉望远镜的5倍大，钱德拉望远镜直径只有4英尺(1.2米)。

起源太空望远镜(Origins Space Telescope)

最后一个是起源太空望远镜，它将试图揭开宇宙中的生命这个巨大奥秘，比如宜居行星是如何形成的。起源太空望远镜将通过追踪恒星和行星形成初期的生命成分来帮助科学家分解这一过程。

这个远红外探测任务将能够透过尘埃云观察恒星和恒星形成区域的系外行星。它可以被认为是赫歇尔太空天文台(Herschel Space Observatory)的下一代版本。(赫歇尔太空天文台是欧洲的一个任务，曾用红外线观察宇宙4年，于2013年关闭。)

起源太空望远镜的直径约为15米，与LUVOIR差不多大，但是赫歇尔望远镜的四倍。和赫歇尔一样，这台望远镜也需要一个特殊的“低温冷却器”系统来防止仪器过热。通过保持低温，该望远镜将可以提高其灵敏度。该任务的科学家表示，它的灵敏度可能是迄今发射的任何其他红外望远镜的1000倍。

21世纪30年代将会发射什么?

美国国家航空航天局和天体物理学社区的其他成员将不得不等待大约23个月，以确定四个任务概念中的哪一个会被选中发射。一旦有一个任务被选定，它将需要大约15年的时间来进行研发，然后才会发射。

在那之前，NASA还有两项更大的旗舰级天体物理学任务值得期待：詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)和广域红外勘测望远镜(WFIRST)。几经推迟，JWST目前计划在2021年进行发射，而WFIRST则有望在2025年发射。