下一代望遠鏡揭開新的宇宙之謎時間:2009-03-18 09:59 來源:科學(xué)松鼠會 Shea
未來40年將見證望遠鏡所呈現(xiàn)在我們面前的全新宇宙……
 Jeff Kanipe 文 Lynette Cook 圖 Shea 編譯 現(xiàn)在在博物館的商店或者古董店都可以買到天球儀和星盤了，但是400年前和這兩樣?xùn)|西一同用于天文觀測的望遠鏡卻依然處于天文學(xué)的核心，還沒有走下“神壇”。在光學(xué)精度、工作波段以及大小上，望遠鏡已遠非400年前的樣子。在望遠鏡誕生之后的200年里，除了觀測者的素描以外沒有留下任何其他的資料。在隨后的100年里照相底片取代了白紙和鉛筆，但在剛剛過去的幾十年里整個領(lǐng)域則經(jīng)歷了一場數(shù)字革命?，F(xiàn)在望遠鏡已經(jīng)遍布了海洋、沙漠、山頂乃至宇宙空間的各個地方，但是它們的任務(wù)卻始終沒變――搜集、聚焦宇宙向我們傳達的任何信息。 然而對于其輝煌的400年來說，天文望遠鏡的黃金時代才剛剛到來。目前正在研發(fā)中的望遠鏡會將現(xiàn)有技術(shù)推向前所未有的高度，并且對前一、兩代人無法想象的問題尋求解答。 為了回答這些問題，不同的望遠鏡會協(xié)同合作。具有紅外探測能力的詹姆斯?韋布空間望遠鏡和工作在射電波段上一平方千米天線陣將“并肩作戰(zhàn)”來探測宇宙中第一代恒星和星系所發(fā)出的“第一屢光”。同時一平方千米天線陣還將會和大口徑全天巡視望遠鏡以及歐洲特大望遠鏡一起用來探測宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，以此來研究暗物質(zhì)和暗能量在宇宙中所發(fā)揮的作用。這些地面上的龐然大物還會和太空中的韋布空間望遠鏡互相策應(yīng)來詳盡地探測和研究那些圍繞其他恒星轉(zhuǎn)動的行星。 但是千萬不要以為這就是全部，這場四重奏展現(xiàn)的僅僅是起始樂章。阿塔卡瑪毫米波大天線陣（ALMA）在不久的將來就會在它特定的波段上引發(fā)一場天文革命。覆蓋電磁波譜其他波段甚至是力主于引力波和中微子的望遠鏡計劃也都在躍躍欲試，而建造它們本身就是一項艱巨的挑戰(zhàn)。然而不管是什么樣的望遠鏡，人們的初衷卻都是相同的，那就是去探索和發(fā)現(xiàn)宇宙中人類前所未見的事物，去經(jīng)歷伽里略第一次看到月亮上的環(huán)形山和太陽表面黑子時的那一份怦然心動。
詹姆斯?韋布空間望遠鏡
接收面積：33平方米
投入使用：2013年
建造成本：45億美元
獨家賣點：最佳的紅外觀測能力
作為哈勃空間望遠鏡的接班人，詹姆斯?韋布空間望遠鏡（JWST）將扛起下一代空間望遠鏡的大旗。不過哈勃空間望遠鏡主要觀測的是可見光和紫外波段，而JWST的優(yōu)勢則在紅外波段。這意味著它可以看到哈勃無法看到東西，并且一窺宇宙剛剛誕生的高紅移時期，例如第一代恒星。 甚至在哈勃空間望遠鏡發(fā)射前一年的1989年，美國空間望遠鏡研究所的天文學(xué)家就開始籌劃下一代空間望遠鏡了。按照計劃它將在2013年發(fā)射。盡管JWST的設(shè)計和成本在過去的20年里一變再變，但是它的主要目標卻始終如一――研究宇宙歷史中尚未向人類充分展現(xiàn)的一面。為此，JWST將采用一系列的尖端技術(shù)，例如由鈹制成的超輕型光學(xué)系統(tǒng)、超靈敏紅外探測器以及一個能讓中紅外探測器長期維持在7開的制冷機。 不過真正令人驚艷的新技術(shù)還是這架望遠鏡的主鏡。JWST的設(shè)計者所希望的反射鏡太大，目前現(xiàn)有的任何火箭都沒有辦法把它發(fā)射上天。因此他們“化整為零”，先將鏡面收起來待發(fā)射入軌之后再將直徑6.5米的鏡面打開。而JWST的軌道距離地球達150萬千米，這使得它具有比哈勃空間望遠鏡更大的可視天區(qū)，并且也能使得它自身可以保持更低的溫度。不過與哈勃空間望遠鏡不同的是，一旦JWST出了任何問題，如此遙遠的距離使得想去維修的宇航員也只能望洋興嘆。所以JWST必須一開始就在每個細節(jié)上都表現(xiàn)完美才行。 諾貝爾獎得主、JWST資深項目科學(xué)家約翰?馬瑟（John Mather）說，目前JWST的設(shè)計壽命是至少5年，當然它也許能工作得更長時間。到時候它會攜帶10年的燃料，而制冷機的存在也使得它不會像先前的空間紅外望遠鏡那樣工作壽命受到制冷劑供應(yīng)的制約。“如果我們夠聰明，而且運氣也足夠好的話，我們希望能進一步地節(jié)約燃料使它工作更長的時間，”馬瑟說，“但是我們并不能保證這一點。”不過JWST的團隊能保證的是JWST所能給我們帶來的新發(fā)現(xiàn)。“我們目前還不知道黑洞和星系哪個先形成，我們也不知道在幾乎每個大質(zhì)量星系中央的黑洞周圍究竟發(fā)生了些什么。如果早期宇宙能給我們帶來驚喜的話，我猜想應(yīng)該就在這些地方。” 美國空間望遠鏡研究所所長馬特?芒廷（Matt Mountain）說，然而JWST并不會只專注于遙遠的宇宙，它還會仔細地觀察我們鄰近的宇宙，例如形成中的其他行星系統(tǒng)、并合中的恒星以及被塵埃星云包裹住的星團。 但是真正讓JWST與眾不同的還是它探測早期宇宙的能力。“JWST的靈敏度如此之高，”芒廷說，“以致于你能獲得哈勃望遠鏡將將能看到的最遙遠天體的光譜。” 深空動態(tài)畫面
大口徑全天巡視望遠鏡
有時候望遠鏡能看到一個天體的兩個像，這并不是望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)出了問題，而是宇宙本身使然。這一被稱為引力透鏡的現(xiàn)象會使得一些星系在地球上的觀測者眼中出現(xiàn)好幾個像。通過把巡天獲得的圖像綜合到一起并且測量引力透鏡所成像的個數(shù)，大口徑全天巡視望遠鏡（LSST）的設(shè)計者希望能在每平方度的天空中能找到10,000個引力透鏡現(xiàn)象。他們還希望能開啟一個在天文學(xué)中被忽略的維度，那就是“時間”。通過把同一天區(qū)的圖像不斷的累積起來就能揭示出新的內(nèi)涵，通過比較不同時間照片的差異可以用來發(fā)現(xiàn)超新星、小行星以及處于太陽系邊緣的柯伊伯帶天體。這架望遠鏡的支持者將其稱為“天空電影”。 LSST每晚可以獲得達萬億字節(jié)的觀測數(shù)據(jù)，每個星期可以把其位于智利的可觀測天區(qū)掃視一遍。這就需要這架主鏡8.4米的望遠鏡具有10平方度的視場。這個大小相當于滿月的49倍，大型雙子望遠鏡視場的300倍。大型雙子望遠鏡的口徑和LSST差不多，不過被“調(diào)教”成了一架只專注于天空中一小點的望遠鏡。10年之后，LSST可以將其視場中的每個天體觀測大約1,000次。大規(guī)模的計算將被用來對海量的數(shù)據(jù)進行相關(guān)、比較和編撰成表，然后在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布。從學(xué)生、天文愛好者到職業(yè)天文學(xué)家，都可以通過網(wǎng)絡(luò)來參與到LSST的發(fā)現(xiàn)之旅中去。 對引力透鏡的研究可以揭示出宇宙的結(jié)構(gòu)，這其中包括暗物質(zhì)的分布和暗能量對宇宙演化的作用。與此同時，LSST還將承擔(dān)重要的“巡邏”任務(wù)，尋找對地球具有潛在威脅的近地小行星。天文學(xué)家已經(jīng)知道了具有物種滅絕性的小行星的所在之處，而LSST將成為尋找那些個頭稍小但數(shù)量眾多的能摧毀一個城市的小行星的利器。但是，由于具有比以往高出1,000倍的探測暫現(xiàn)現(xiàn)象的靈敏度，因此LSST的視野不會僅僅局限在太陽系，它還會搜尋發(fā)生在宇宙深處諸如中子星碰撞之類的新災(zāi)變現(xiàn)象。 LSST的團隊擁有超過100人的科學(xué)家和20多個主要位于美國的實驗室、大學(xué)和研究所。盡管LSST目前仍然處于設(shè)計階段，但它的主鏡已經(jīng)鑄造成型。天文學(xué)家們希望望遠鏡能從2011年開始建造，2015年投入使用。在隨后的10年巡天里，LSST將會觀測宇宙中每一個已知、未知和有待發(fā)現(xiàn)的天體。這是第一次人類能觀測、編撰成表的天體數(shù)目超過地球上的人口數(shù)量。 全球望遠鏡接力 一旦LSST在天空中發(fā)現(xiàn)了特殊的目標就會在幾分鐘內(nèi)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)出警報，而拉斯庫珀斯天文臺的全球望遠鏡網(wǎng)正熱切地等待著這些預(yù)警信息。一旦建成，它將成為位于南北半球兩個環(huán)帶中的程控望遠鏡網(wǎng)絡(luò)。 目前這個由私人資助、非贏利性管理的網(wǎng)絡(luò)只擁有2架望遠鏡。一架位于美國夏威夷，另一架位于澳大利亞新南威爾士的賽丁泉天文臺。另外這個望遠鏡網(wǎng)還計劃在墨西哥、加納利群島、智利、南非和澳大利亞設(shè)立觀測點。其最終的目標是擁有20多架口徑0.4米的望遠鏡和相當數(shù)量的直徑1米的望遠鏡?？趶?.4米的小望遠鏡將用于教學(xué)通途，而口徑1米的大望遠鏡將用于科研，但兩者并不絕對。一旦完全投入使用這個望遠鏡網(wǎng)絡(luò)便可對諸如超新星、小行星此類新發(fā)現(xiàn)的天體進行持續(xù)幾天或者幾周的不間斷觀測。 超天巨鏡  歐洲特大望遠鏡
無疑空間望遠鏡具有很多優(yōu)勢：它們可以觀測被地球大氣阻斷的電磁波段，而且還沒有大氣湍動的干擾。但是它們也致命的弱點：口徑。無論是天文愛好者手中的還是安置在高山頂上的，望遠鏡的口徑越大，能收集到的光子就越多。設(shè)計直徑42米的歐洲特大望遠鏡（E-ELT）可以提取出隱藏在空間望遠鏡所獲得的最佳圖像深處的細節(jié)，還可以探測其他恒星周圍暗弱的行星。E-ELT的支持者認為，這架望遠鏡可以讓軌道上所有的光學(xué)和近紅外觀測衛(wèi)星通通“失業(yè)”，除非你能在地球軌道或者月球上也建造這樣一架特大型望遠鏡，否則E-ELT將無“鏡”能敵。 目前E-ELT正處于歐洲南方天文臺（ESO）為期3.5年、耗資5.72億歐元（7.25億美元）的設(shè)計研究階段之中。預(yù)計在2010中期開始動工興建。E-ELT并不是唯一的巨型望遠鏡計劃。由包括北美的大學(xué)在內(nèi)的、公-私合作下的三十米望遠鏡也正在設(shè)計建造之中，還有就是美國和澳大利亞幾個大學(xué)以及研究機構(gòu)合作的巨麥哲倫望遠鏡。但E-ELT是其中最大的，9.50億歐元的預(yù)算也是最高的。 事實上，目前的E-ELT是原先商議中的超巨型100米望遠鏡的“縮小”版，其42米的直徑相對更為務(wù)實。即便如此，只要可以修正鏡面形狀和改正大氣湍流的主動光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能發(fā)揮作用的話，E-ELT的設(shè)計者預(yù)期E-ELT所能達到的空間分辨率將會是哈勃空間望遠鏡的18倍。現(xiàn)今最大的光學(xué)望遠鏡是位于夏威夷莫納克亞的兩架10米凱克望遠鏡，而E-ELT的集光面積就是它們兩個加一起的9倍。 在考慮做大的時候，E-ELT的設(shè)計者擁有他們的美國同行所不具有的優(yōu)勢，那就是穩(wěn)定的年度預(yù)算。ESO的管理層希望建造E-ELT的預(yù)算不會超支，因此他們也不必向成員國或者其他機構(gòu)尋求財政支持與合作。不過E-ELT也仍然存在一定的變數(shù)：望遠鏡的光學(xué)設(shè)計還沒有最后敲定，望遠鏡的位置也沒有最后確定。加納利群島、摩洛哥、阿根廷以及智利的兩處地點都在考慮之中。 對于E-ELT首席科學(xué)家羅伯托?吉爾莫奇（Roberto Gilmozzi）來說這些都是“背景噪音”，他更專注于E-ELT潛在的發(fā)現(xiàn)。“E-ELT的重要目標之一就是通過間接――測量由于行星造成的恒星視向速度變化――和直接成像的辦法來尋找圍繞其他恒星公轉(zhuǎn)的行星，”他說，“我們還將獲得行星大氣的光譜，這將為尋找地外生命的提供更多的有用信息。”同時，E-ELT還將以前所未有的精度研究圍繞年輕恒星的原行星系統(tǒng)。 “E-ELT的靈敏度之于現(xiàn)在望遠鏡就像伽里略的望遠鏡之于人的肉眼，”吉爾莫奇說，“而且它還將在各個尺度上影響天文學(xué)。”現(xiàn)在看上去模模糊糊的星系在E-ELT的眼中將分解成恒星，并且在最大的尺度上E-ELT將進行一個其他任何望遠鏡都做不到的“物理實驗”。通過比較在數(shù)年間測量到的極遙遠天體的超高精度速度資料，E-ELT將第一次直接測量到宇宙膨脹的速度。 尋找行星的其他辦法
2006年發(fā)射的“科羅”外星行星探測器已經(jīng)花了兩年的時間來探測由行星遮擋所造成的恒星亮度變化。今年年底美國宇航局的“開普勒”探測器將加入“科羅”的行列，而歐洲的“柏拉圖”探測器也會在下個十年的中期上天。 所有這些探測器的目的都是要發(fā)現(xiàn)地球大小或者更小的行星，尤其是那些位于“宜居帶”中表面可以有液態(tài)水存在的類地行星。E-ELT可以通過對行星的大氣進行光譜觀測進而來確認這些探測器的新發(fā)現(xiàn)。綜合空間探測器的探測和地面上諸如E-ELT等新一代望遠鏡的研究，天文學(xué)家們將會對行星系統(tǒng)有更全面的認識，其中一些會和太陽系較為相似，另一些則會大相徑庭。 無處不看  一平方千米天線陣
盡管還沒有選定臺址，也沒有經(jīng)費，但是一平方千米天線陣（SKA）決不缺少雄心壯志，因為它將成為世界上最大的望遠鏡。現(xiàn)在最大的單口徑射電望遠鏡是位于波多黎各的阿雷西博望遠鏡，它的接收面積只有73,000平方米。而SKA的目標是達到100萬平方米的接收面積。這一接收面積將分攤到數(shù)千個小望遠鏡天線上。這些小望遠鏡中的一些將位于核心區(qū)，另一些則將排列在從中心向外伸展出數(shù)千千米的“旋臂”上。如此大的半徑使得SKA具有了難以置信的分辨率。 其結(jié)果是SKA的工作頻率可以從70兆赫到10千兆赫，并且擁有巨大的視場――在1千兆赫以下的頻率可以達到200平方度，1千兆赫以上為1平方度。SKA的最終設(shè)計將會是兼顧高頻和低頻的相控陣天線。相控陣的優(yōu)點是觀測者可以同時觀測天空中的不同區(qū)域。這一設(shè)計將使得SKA具有比任何現(xiàn)有成像射電望遠鏡高出10,000倍的巡天速度。其研究內(nèi)容也將涵蓋從星系演化、類星體噴流到脈沖星和超新星遺跡在內(nèi)的幾乎整個天文學(xué)領(lǐng)域。 SKA是真正國際合作的產(chǎn)物，其中包括了來自歐洲、阿根廷、澳大利亞、巴西、加拿大、中國、印度、南非和美國在內(nèi)的19個研究機構(gòu)。SKA的成員希望它能在2020年建成，并且運轉(zhuǎn)50年?？紤]到所有在所難免的進度推遲以及日后的升級換代，甚至到22世紀SKA也將能獨領(lǐng)風(fēng)騷很長的一段時間。 按照美國SKA聯(lián)盟主席詹姆斯?科德斯（James Cordes）的說法，SKA將會革新我們對第一代星系的以及宇宙中重元素（比氦重的元素）形成的認識。先前的研究顯示，大爆炸之后5億年星系還僅僅是一團來自更早期恒星的一氧化碳氣體，而SKA就將會探測這些星系的“種子”。就像是任何一個鐘情于大望遠鏡的人一樣，科德斯對于SKA的喜愛之情溢于言表。他說，SKA就是一臺發(fā)現(xiàn)的機器，沒有人確切知道它還會發(fā)現(xiàn)什么新奇的東西，也許是新型的太陽系外行星或者恒星爆發(fā)，甚至是令人驚嘆的黑洞輻射乃至地外文明。 重返太空 在地球上建造巨型望遠鏡是相對容易的一件事情，但是在太空中就要難得多。不過美國空間望遠鏡研究所的天文學(xué)家正在思考打破這一制約空間望遠鏡壯大的瓶頸。 計劃中的高新技術(shù)大口徑空間望遠鏡（ATLAS）將會使用美國宇航局用于載人月球探測的“戰(zhàn)神V”重型火箭發(fā)射，它是自“阿波羅”計劃之后最大型的火箭。ATLAS的主鏡將超過目前地球上的任何望遠鏡，達到直徑16米，其靈敏度將會是哈勃空間望遠鏡的40倍。它將為暗物質(zhì)和星系演化提供全新的認識。但最激動人心的還要屬它對其他恒星旁宜居行星的探測能力。
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