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未来太空望远镜谁来接棒,钱德拉望远镜

2019-11-02 21:24

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斯皮策:弃马保车的“牺牲品” 美拟将有限资源投入哈勃、开普勒、钱德拉望远镜

未来太空望远镜,谁来接棒 NASA提出四大拟议方案

目前,四支科学家小组正在设计雄心勃勃的太空望远镜概念,研究四种不同的望远镜设计--HabEx,LUVOIR,Lynx和OST。到目前为止,团队并不需要考虑任何成本上限来设计他们的任务,其成本可能超过50亿美元,甚至可能达到接近200亿美元。当然,这些设计并不意味着是最终的蓝图,而是作为NASA的参考。但是,现在美国宇航局希望确保新太空望远镜可以在合理的预算内完成。这意味着某些团队将不得不限制他们想法的范围。

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美国宇航局主要担心下一个旗舰太空天文台James Webb太空望远镜或JWST被推迟并超出预算,这意味着它将在未来几年内吞噬更多NASA的天体物理学资金。与此同时,特朗普政府最近提出取消另一个主要的天体物理学任务WFIRST望远镜,认为设计太昂贵。此举表明,政府可能不希望在未来资助大预算的天体物理学任务,因为它专注于人类返回月球。

由200多万张美国宇航局斯皮策太空望远镜获得的图像形成的银河系照片。

针对不同波长和目标的四款拟议的望远镜正在“争宠”,幸运者将于本世纪30年代升空。图片来源:《科学》杂志网站

由于美国宇航局的下一个旗舰太空望远镜充满了延迟,太空署正在给科学家一些硬性限制,可以在未来的天体物理学任务上花费多少钱。美国宇航局上周宣布,为新太空望远镜提出想法的科学家们必须将其预算限制在30亿至50亿美元之间。成本上限可能迫使科学家改变他们一直在从事的任务的设计。

图片来源:NASA/JPL-Caltech/GLIMPSE Team

今日视点

基于一个独立调查小组的发现,美国宇航局对其轨道天体物理学望远镜的未来进行了投票,以决定哪些保留,哪些关闭。结果获胜者是哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和开普勒星球追踪望远镜——NASA将启动修补任务,以修复其最近坏掉的两个稳定反作用轮。但由于缺乏经费,斯皮策红外线太空望远镜可能惨遭叫停。另外,科学家表示,将近地天体广角红外线探测望远镜收集的数据转化为天体物理学适用的格式也耗资巨大。

据美国《科学》杂志官网近日报道,对美国国家航空航天局的天文学家来说,今年可谓流年不利。其詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射日期已被推迟到2021年3月,而且成本已超过88亿美元;与之“同病相怜”的还有宽视场红外巡天望远镜,该望远镜旨在确定神秘暗能量的本质,或将超支4亿美元。

当国会收紧其财政预算以及计划将天体物理学一半经费投入詹姆斯:韦伯太空望远镜后,NASA作出了这些决定。JWST将于2018年发射升空。2014年,该机构天体物理学部门的经费约有13亿美元,其中6.58亿美元将投入JWST。

然而,这无法阻挡天文学家们追求星辰大海的梦想。美国天体物理学领域的《十年调查》于上月启动,旨在为NASA、美国能源部和国家科学基金会的未来任务确定优先事项,其中关键任务之一是从四个拟议的望远镜项目中挑选一个,做JWST和WFIRST的“接班人”。

未来太空望远镜谁来接棒,钱德拉望远镜。今年,斯皮策望远镜收到1650万美元经费,而且2015年的经费申请更少,但NASA仍然认为这一数额过大。“我真的很难过,这个国家无法找到几百万美元投入到应该运行的东西上。”高级审查小组主席、纽约自然历史博物馆天文学家Ben R. Oppenheimer说。

《科学》杂志的报道称,目前已“浮出水面”的这“四朵金花”各有千秋,无论最后选中哪朵,关键是进行成本控制,不要步JWST和WFIRST的后尘。

天体物理学高级审查小组以及两个独立审查小组提出了推荐建议,NASA在5月16日作出了回应。这些审查小组在今年早些时候就对哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台进行了评估,实际上,每两年都会进行类似评审过程。除了钱德拉、哈勃和开普勒,费米伽马射线太空望远镜、核区分光望远镜阵列和雨燕伽马射线暴任务都将延长到2016年。但NASA拒绝了雨燕任务增加特殊项目经费的申请,NuSTAR任务也被要求在2015年降低操作成本。

四大方案 浮出水面

NASA也会延长参与欧洲引导的X射线多镜面任务(XMM Newton)和日本的朱雀望远镜,并继续资助对普朗克卫星收集数据的分析工作。虽然,该机构驳回了斯皮策望远镜项目的延期申请,但项目组有机会重新递交降低预算计划的申请。“我们正在根据审查回馈准备另一个计划。”加州理工学院斯皮策科学中心副主任George Helou说。

这四大拟议的望远镜包括:“大型紫外/光学/红外测量仪”,这款15米宽的巨型望远镜的集光能力将是哈勃太空望远镜的40倍,旨在追溯到宇宙的第一个星系,并厘清宇宙其他地方是否有生命存在这一亘古谜题。

斯皮策望远镜发射于2003年,是一个多用途望远镜,主要收集被地球大气层拒之门外的光的低耗能红外线光波。暗星等星体主要辐射红外光。2009年,在用尽了冷却设备的液氦冷却剂后,斯皮策项目完成了主要任务。冷却剂的缺失让斯皮策望远镜3个设备中的两个无法使用,但其主相机4个波段中的两个仍能继续工作。

“宜居系外行星天文台”也致力于回答上面的问题,但其镜面比较小。HabEx将携带一个足球场大小的遮星板一起飞行。遮星板可阻挡恒星的眩光,揭示类地系外行星。HabEx将仔细检查系外行星发出的微弱光线,以寻找生命的信号。

“目前,它能以极大的敏感性在一对波段上拍摄照片,但与之前相比,其能力已经被大大削弱。”Oppenheimer说,“但委员会感到,如果我们结束一个大项目——而非从其他项目中挤出钱来,就能拯救其他东西。”Helou指出,斯皮策望远镜曾经仅以主要任务经费1/3的资金运行,并且每年都在降低成本。要想削减经费但不降低工作能效非常困难,他说,“但我是个乐观主义者,我认为会找到解决方案”。

林克斯X射线天文台(Lynx Xray Observatory)将收集宇宙第一批黑洞发出的X射线,了解它们如何帮助星系形成和演化。

在JWST开始工作前,在红外光范围内,再没有其他望远镜能与斯皮策望远镜的敏感性媲美。审查委员会报告称,在2013~2014年,在NASA任务中,斯皮策望远镜拥有最大的认购超额,这意味着科学家申请使用时间是其能容纳时间的7倍。

“起源太空望远镜”(Origins Space Telescope)上的设备可将望远镜冷却到绝对零度以上4℃,对帮助恒星和行星形成的冷气体和尘埃发出的一种红外辐射进行研究。

尽管在最近的审查中斯皮策望远镜历经“灾难”,但实际上每个任务都会面临财政紧缩。一些延展项目的部分工作也遭到取消,例如,该天文台的“客座观测者”项目——资助主要项目团队以外的科学家递交的研究计划。“客座观测者项目非常重要,你能够从全世界获得研究小组可能想不到的新点子。” Oppenheimer说,“但这需要经费。”

无论哪个概念项目最终中选,研究人员都希望其比“前辈”更幸运一点。2001年的《十年调查》选择JWST作为首要任务,如果顺利,该望远镜将在任务提出20年后的2021年一飞冲天。WFIRST则是2010年《十年调查》的首选,但它不会在2025年之前发射。

另外,NEOWISE任务也遭受打击。该任务旨在寻找存在与地球碰撞风险的近地小行星,主要由NASA行星科学部门资助。一个天体物理学研究小组提出了名为MaxWISE的3年计划,以便将任务收集到的数据转换成其他研究人员也能使用的格式——例如研究看不到的微小行星:棕矮星。“这是一个很酷的提议,并且不需要很多钱,但不幸的是,它将不会被实施。”

有了这些前车之鉴,NASA希望这次更稳妥一点。该机构不仅早在2015年就确定了这四个旗舰概念,且已资助团队为每个概念提出粗略设计方案。在2019年6月,这些团队将分别向NASA提交一份报告,包括两个版本:昂贵且庞大的高预算版和预算最好不超过50亿美元的“亲民版”。

不过,至少一些项目还是收到了好信息:开普勒已经冬眠,科学家调查了该望远镜在不依靠两个反作用轮的前提下如何继续工作,这些反作用轮帮助它精确地指向天空目标。研究人员利用黄道的作用设计出弥补方法,黄道是地球的轨道,这里来自太阳的辐射压力有助于平衡该设备。

争奇斗艳 竞争激烈

“这些家伙确实做了聪明的事情,确保望远镜精确地指向目标,以保证做一些真正卓越的科学。”Oppenheimer说。开普勒项目副经理、NASA埃姆斯研究中心科学家Charlie Sobeck于5月6日发表声明,以庆祝名为K2的新任务的“胜利”。“批准为K2任务提供两年经费,继续探索外星行星,引入新的科学观察机会,观测著名的星团、新旧恒星、活动星系和超新星。”Sobeck说。

《十年调查》的结果将于2020年提交。科学家希望最终能达成一致意见,以齐心协力游说国会拨付资金。但四大旗舰项目本身之间的竞争也非常激烈。

《中国科学报》 (2014-06-03 第3版 国际)

LUVOIR的支持者认为,其是一个通用天文台,像哈勃一样“多才多艺”。而且,望远镜尺寸巨大,这意味着它能以最清晰的视野瞥见最遥远、最模糊的物体。太空望远镜科学研究所的杰森·卡里拉说:“它超越了天体物理学。”但批评人士认为,LUVOIR巨大的镜面将导致其成本高昂,很可能步6.5米宽镜面的JWST后尘。

更亲民HabEx的支持者认为,该望远镜可以帮助人们更好地探索系外行星,但遮星板这一技术仍未通过验证。虽然HabEx可以详细研究附近的几颗行星,但其镜面仅4米宽,这意味着更远的世界对它来说遥不可及。HabEx和LUVOIR团队成员克里斯·斯塔克表示,不需要同时推出这两款产品,毕竟“地球附近的恒星有限”。

“起源太空望远镜”希望研究尘埃和分子如何聚合在一起,形成第一个星系和黑洞,以及年轻恒星周围的圆盘如何聚集成系外行星。但JWST和位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列可捕获一些相同波长的光,这会挤压“起源太空望远镜”的发现空间。

至于Lynx则是X射线天文台,将研究旋入黑洞或从银河系中心喷射而出的热气体,它将让那些“坐冷板凳”多年的X射线天文学家激动不已。

身价待估 控制成本

无论哪个任务最终赢得《十年调查》的青睐,资助者都会有一个疑问:我们怎么知道它不会是另一个JWST?美国国家科学、工程和医学院研究主任戴维恩·戴组织了此次《十年调查》。他表示,调查将采用一种复杂的方法来估算成本,希望“避免价格过高带来的冲击”。

戴说,项目团队一般会通过计算人工、材料和测试来估算成本,“这很好,但它将不可预见的情况排除在外”。因此,在过去十年中,NASEM一直向位于加州的埃尔塞贡多航空航天公司支付费用,借助其“成本和技术评估”模型来分析《十年调查》可能会考虑的提案。

CATE模型利用可追溯到几十年前的数据库,其中包含NASA的150多项任务和700个仪器的成本和性能细节。当提出新任务时,CATE可告知人们过去类似任务的成本几何。而且,该模型的最大优势在于其预测能力。

尽管JWST现在是天文学家们脑海中的“香饽饽”,但他们也迫切希望“四朵金花”中的获胜者能实现梦想。胜出者将在本世纪30年代发射到“拉格朗日2”点——太阳和地球之间的重力平衡点,以帮助科学家们解开有关宇宙的谜团。

(科技日报北京12月26日电)

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