針對不同波長和目標(biāo)的四款擬議的望遠(yuǎn)鏡正在“爭寵”，幸運者將于本世紀(jì)30年代升空。圖片來源：《科學(xué)》雜志網(wǎng)站

據(jù)美國《科學(xué)》雜志官網(wǎng)近日報道，對美國國家航空航天局(NASA)的天文學(xué)家來說，今年可謂流年不利。其詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)的發(fā)射日期已被推遲到2021年3月，而且成本已超過88億美元;與之“同病相憐”的還有寬視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡(WFIRST)，該望遠(yuǎn)鏡旨在確定神秘暗能量的本質(zhì)，或?qū)⒊?億美元。

然而，這無法阻擋天文學(xué)家們追求星辰大海的夢想。美國天體物理學(xué)領(lǐng)域的《十年調(diào)查》于上月啟動，旨在為NASA、美國能源部和國家科學(xué)基金會的未來任務(wù)確定優(yōu)先事項，其中關(guān)鍵任務(wù)之一是從四個擬議的望遠(yuǎn)鏡項目中挑選一個，做JWST和WFIRST的“接班人”。

《科學(xué)》雜志的報道稱，目前已“浮出水面”的這“四朵金花”各有千秋，無論最后選中哪朵，關(guān)鍵是進(jìn)行成本控制，不要步JWST和WFIRST的后塵。

四大方案 浮出水面

這四大擬議的望遠(yuǎn)鏡包括：“大型紫外/光學(xué)/紅外測量儀”(LUVOIR)，這款15米寬的巨型望遠(yuǎn)鏡的集光能力將是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的40倍，旨在追溯到宇宙的第一個星系，并厘清宇宙其他地方是否有生命存在這一亙古謎題。

“宜居系外行星天文臺”(HabEx)也致力于回答上面的問題，但其鏡面比較小。HabEx將攜帶一個足球場大小的遮星板一起飛行。遮星板可阻擋恒星的眩光，揭示類地系外行星。HabEx將仔細(xì)檢查系外行星發(fā)出的微弱光線，以尋找生命的信號。

林克斯X射線天文臺(Lynx Xray Observatory)將收集宇宙第一批黑洞發(fā)出的X射線，了解它們?nèi)绾螏椭窍敌纬珊脱莼?/p>

“起源太空望遠(yuǎn)鏡”(Origins Space Telescope)上的設(shè)備可將望遠(yuǎn)鏡冷卻到絕對零度以上4℃，對幫助恒星和行星形成的冷氣體和塵埃發(fā)出的一種紅外輻射進(jìn)行研究。

無論哪個概念項目最終中選，研究人員都希望其比“前輩”更幸運一點。2001年的《十年調(diào)查》選擇JWST作為首要任務(wù)，如果順利，該望遠(yuǎn)鏡將在任務(wù)提出20年后的2021年一飛沖天。WFIRST則是2010年《十年調(diào)查》的首選，但它不會在2025年之前發(fā)射。

有了這些前車之鑒，NASA希望這次更穩(wěn)妥一點。該機(jī)構(gòu)不僅早在2015年就確定了這四個旗艦概念，且已資助團(tuán)隊為每個概念提出粗略設(shè)計方案。在2019年6月，這些團(tuán)隊將分別向NASA提交一份報告，包括兩個版本：昂貴且龐大的高預(yù)算版和預(yù)算最好不超過50億美元的“親民版”。

爭奇斗艷 競爭激烈

《十年調(diào)查》的結(jié)果將于2020年提交?？茖W(xué)家希望最終能達(dá)成一致意見，以齊心協(xié)力游說國會撥付資金。但四大旗艦項目本身之間的競爭也非常激烈。

LUVOIR的支持者認(rèn)為，其是一個通用天文臺，像哈勃一樣“多才多藝”。而且，望遠(yuǎn)鏡尺寸巨大，這意味著它能以最清晰的視野瞥見最遙遠(yuǎn)、最模糊的物體。太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的杰森·卡里拉說：“它超越了天體物理學(xué)。”但批評人士認(rèn)為，LUVOIR巨大的鏡面將導(dǎo)致其成本高昂，很可能步6.5米寬鏡面的JWST后塵。

更親民HabEx的支持者認(rèn)為，該望遠(yuǎn)鏡可以幫助人們更好地探索系外行星，但遮星板這一技術(shù)仍未通過驗證。雖然HabEx可以詳細(xì)研究附近的幾顆行星，但其鏡面僅4米寬，這意味著更遠(yuǎn)的世界對它來說遙不可及。HabEx和LUVOIR團(tuán)隊成員克里斯·斯塔克表示，不需要同時推出這兩款產(chǎn)品，畢竟“地球附近的恒星有限”。

“起源太空望遠(yuǎn)鏡”希望研究塵埃和分子如何聚合在一起，形成第一個星系和黑洞，以及年輕恒星周圍的圓盤如何聚集成系外行星。但JWST和位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列可捕獲一些相同波長的光，這會擠壓“起源太空望遠(yuǎn)鏡”的發(fā)現(xiàn)空間。

至于Lynx則是X射線天文臺，將研究旋入黑洞或從銀河系中心噴射而出的熱氣體，它將讓那些“坐冷板凳”多年的X射線天文學(xué)家激動不已。

身價待估 控制成本

無論哪個任務(wù)最終贏得《十年調(diào)查》的青睞，資助者都會有一個疑問：我們怎么知道它不會是另一個JWST?美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院(NASEM)研究主任戴維恩·戴組織了此次《十年調(diào)查》。他表示，調(diào)查將采用一種復(fù)雜的方法來估算成本，希望“避免價格過高帶來的沖擊”。

戴說，項目團(tuán)隊一般會通過計算人工、材料和測試來估算成本，“這很好，但它將不可預(yù)見的情況排除在外”。因此，在過去十年中，NASEM一直向位于加州的埃爾塞貢多航空航天公司支付費用，借助其“成本和技術(shù)評估”(CATE)模型來分析《十年調(diào)查》可能會考慮的提案。

CATE模型利用可追溯到幾十年前的數(shù)據(jù)庫，其中包含NASA的150多項任務(wù)和700個儀器的成本和性能細(xì)節(jié)。當(dāng)提出新任務(wù)時，CATE可告知人們過去類似任務(wù)的成本幾何。而且，該模型的最大優(yōu)勢在于其預(yù)測能力。

盡管JWST現(xiàn)在是天文學(xué)家們腦海中的“香餑餑”，但他們也迫切希望“四朵金花”中的獲勝者能實現(xiàn)夢想。勝出者將在本世紀(jì)30年代發(fā)射到“拉格朗日2”(L2)點——太陽和地球之間的重力平衡點，以幫助科學(xué)家們解開有關(guān)宇宙的謎團(tuán)。