认识高清太空望远镜

2018年，当詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）向宇宙张开其巨大的眼睛并开始收集数据时，设想它的天文学家以及设计和建造它的工程师将欢呼雀跃。

但即使第一波数据传输到地球，另一个科学家团队也将努力设计其替代品。事实上，他们已经开始了。

构想、研究和建造科学界最大、最有价值的探究工具——大型强子对撞机，或哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜——需要数十年的时间、数百个专家小组和团队会议，以及数十亿美元，而推动这些项目通过官僚装配线的齿轮缓慢转动。因此，尽管它要到21世纪30年代中期才发射，但天文学家已经开始规划下一个大型太空观测站，目前被称为高清太空望远镜（HDST），这不足为奇。

自从哈勃望远镜发射升空以来，不同的团体一直在讨论这个未来项目可能是什么样子，但他们都同意基本要求和目标。“做这件事并非有无数种方法，”麻省理工学院天文学家莎拉·西格说。她也是天文学研究大学协会（AURA）委员会的联合主席，该委员会的任务是为HDST定义愿景。“你有你的科学驱动因素和你的工程限制，你试图在所有这些因素中找到一个平衡点。”

因此，在现有技术和当前最紧迫的天体物理学问题之间取得平衡，西格和她的同事们已经清楚地看到了基本要素。JWST将专注于光谱的红外部分，而HDST将是真正的哈勃继承者，具备红外、光学和紫外线功能。JWST的6.5米主镜已经使哈勃相对适中的2.4米主镜相形见绌，但HDST将达到约12米，与目前地球上最大的望远镜相匹配。虽然到HDST时代，地面望远镜将发展到30米，但太空望远镜，就像它之前的JWST一样，不仅会在太空中飞行，而且会在遥远的L2拉格朗日点，远超月球轨道。它将拥有对天堂一览无余的视野，远离地球大气层或其碍眼的巨大物体。从这个原始的有利位置，它将深入宇宙最遥远的角落，寻找天文学的圣杯：另一个有生命的地球。

生命的探索

1995年，当米歇尔·梅耶和迪迪埃·奎洛兹发现第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星时，系外行星从科幻小说跃升为尖端科学。在接下来的十年里，来自地面和太空的搜索又发现了少量，然后是数十颗。2009年，开普勒太空望远镜打开了闸门，数百颗然后数千颗系外行星涌现出来。

但天文学家对这些行星中的大多数只知道最微小的细节。他们知道行星的质量或大小——只有在偶然的情况下才知道两者——以及它与所围绕的恒星之间的距离。根据这些信息确定行星的组成是智力猜测、建模和解谜的练习。即使是现在，科学家们也只在几十个系统中直接观测到构成行星大气层的少数特定分子，而这些都是最亮、最热的巨行星，没有任何生命希望。

许多天文学家并非临床上超然，而是梦想着找到另一个地球。他们想找到生命。毫不奇怪，一些领先的系外行星研究人员——其中包括西格和设计并领导开普勒的比尔·博鲁茨基——都从这些方面描述他们的动机。“我认为全人类都对我们在银河系、生命和宇宙中的位置感兴趣，”博鲁茨基说。“而这个问题的答案在于寻找智慧、寻找生命以及寻找可能存在生命的行星。”

这些都是非常不同的任务。天文学家已经知道少数行星可能存在生命。这些行星的大小适中，拥有岩石表面，并且在其恒星的宜居带内运行，在那里可能存在液态水。然而，天文学家无法确定水是否实际存在。即使水存在——生命呢？

回答这个问题意味着超越行星的大小，深入其气体幕布，寻找生命大气的标志性迹象：水、氧气、二氧化碳、甲烷、臭氧。只有这些物质的相互作用才能可靠地告知天文学家生命实际存在，而不仅仅是其潜在的可能性。

凌星观测是目前了解系外行星大气成分的最佳方法。天文学家观测宿主恒星，当行星从其前方经过时，测量观测到的星光如何因行星大气层的阻挡和过滤而变化。当行星巨大、膨胀且炽热，例如在紧密轨道上的木星或海王星时，这种方法能提供丰富的信息。但对于像地球这样相对较小、大气层被压缩且轨道更远的行星来说，光线变化太小，即使是未来的巨型望远镜也无法测量。

詹姆斯·韦伯太空望远镜将对所谓的超级地球进行壮观的凌星观测，这些行星的半径是地球的1.5到2倍。但这些行星并非特别像地球。因此，除非天文学家幸运地找到一颗距离非常近、拥有凉爽M矮星主星的地球大小行星，否则无论是詹姆斯·韦伯太空望远镜还是伴随和即将到来的系外行星任务群，都无法对宜居带中的真正地球双胞胎进行特征描述。

“即使是围绕一颗M型矮星，用詹姆斯·韦伯太空望远镜对凌星的地球大小系外行星进行完整光谱测量所需的时间，也与哈勃深场所需的时间相似，”来自太空望远镜科学研究所的马克·波斯特曼（AURA团队的另一名成员）观察道。虽然外星人可能值得100多个小时的望远镜时间，但天文学家面临合理的风险，即在这样的投资之后，这颗行星可能不是一颗系外地球，而是一颗贫瘠干旱的系外火星。这不是进行大规模研究的可行方法。天文学家需要一种不同的工具——于是HDST应运而生。

地球孪生星的研究者将不再使用凌星方法，而是直接寻找行星，这本身就需要严格的工程要求。这些要求并非遥不可及，但它们代表了HDST最紧迫的挑战。

强大的科学需要可重复性；寻找地球孪生体的猎人需要研究一整批潜在的地球样本。西格提出了一个问题：“你认为需要多少颗类地系外行星大气才能掌握真实情况，包括寻找生命？你认为是一颗？10颗？100颗？1000颗？”

她最终选择了“几十颗”。这不是一个抽象的思维实验。HDST将具备恰好满足天文学家所提问题所需的能力。超出这些规格将浪费宝贵的预算资金，并可能导致不可能的工程要求。性能不足将使天文学家的问题悬而未决。西格不仅有一个问题，还有一个使命：找到下一个地球。

恒星考古学

但高清太空望远镜将是整个天体物理学界的一台望远镜。波斯特曼研究星系的形成和演化以及宇宙中的大尺度结构，他期待高清太空望远镜在这些更宏大尺度上的能力。

“星系从哪里获得气体来制造恒星？”他问道。“我们只在初步阶段了解这一点。”为了制造恒星，星系必须从星系际介质中捕获气体。而恒星形成爆发等高能活动（形成年轻而剧烈的恒星）以及黑洞演化反过来又可以将气体喷出星系。天文学家有许多关于这个循环的模型，但波斯特曼说，这些模型都没有在他们期望的详细水平上得到验证。

目前，哈勃望远镜通过研究星系气体如何吸收来自遥远类星体（由背景中活跃、更遥远的星系引起的明亮光点）的光来追踪星系周围气体的 H 位置和运动。但哈勃通常只能观测到每个介入星系一个类星体，而且只在少数目标中。“但如果你有一台10米级的望远镜，”波斯特曼说，“那么在10百万秒差距（3260万光年）范围内的每个星系背后都会有10到20个类星体足够亮，可以用于这些研究。”这将使天文学家能够绘制这些星系周围气体的空间分辨图谱。“这将彻底改变游戏规则，”波斯特曼宣称。

天文学家也对所谓的恒星考古学感兴趣，即星系中恒星形成的历史。星系形成了多少颗不同大小的恒星，以及是多久以前的事？同样，哈勃望远镜现在也在进行这些测量，但其角分辨率只能研究银河系和我们最近的本星系群邻居。HDST可以将恒星形成图绘制到同样的10兆秒差距范围。如果研究人员能够理解供养恒星形成的气体流动，这些地图将提供更多信息，描绘出本地宇宙及更远区域历史的更完整图景。

即将到来的30米级地面望远镜也将加入这场探索，但它们最佳的角分辨率在近红外波段，在那里，新老恒星群之间的颜色差异远不如HDST将观测到的紫外波段那样显著。

这种差异突出了即将到来的望远镜一代的互补性。HDST将在紫外线波段实现最高分辨率，而30米望远镜将在红外线波段达到相同水平。ALMA射电天文台拥有庞大的联网天线阵列，可以在其目标范围内提供相同程度的细节。它们将共同提供有史以来最全面的近地宇宙地图，以相同的空间尺度从射电波段到紫外线波段提供前所未有的分辨率。“这将是革命性的，”波斯特曼预测。

构建

幸运的是，天文学家们对高清太空望远镜（HDST）要实现这些各种科学目标所需条件达成一致，这促使他们决定建造一块10米级主镜（具体尺寸尚未确定）并将其送入L2点。虽然工程师们已经在地球上开始建造三倍于此尺寸的望远镜，但一个非常简单的问题限制了任何太空望远镜的尺寸：首先必须有一种方法将其送入太空。可预见的未来中最大的运载工具是NASA的太空发射系统（SLS）Block 2，即使这枚高达近400英尺（120米）、有效载荷能力达150吨的巨型火箭，其内部也只有8米宽。这意味着HDST，就像它之前的JWST一样，必须采用可折叠、分段式主镜设计，最多包含54块六边形镜片。它将折叠成自身，装载在有史以来建造的最大火箭腹中，从地球发射升空，只有到达深空后才会展开。

将其送入太空只是工程要求之一。为了找到那些难以捉摸的宜居系外行星，科学家必须超越凌星观测，进行直接成像。但例如地球，比太阳暗100亿倍，从数万亿英里或更远的距离看，它会迷失在太阳的眩光中。天文学家需要消除星光。

观测者知道两种方法可以遮挡中心恒星的光线。第一种方法使用一种称为星冕仪的装置，它位于望远镜内部，精确遮挡来自恒星的光线，同时让紧邻恒星周围的光线通过。这种精密的操​​作需要一台设计极其精良且非常稳定的望远镜，光线在航天器中传播的路径必须完全理解和精确绘制，其组件能够校正镜面形状，以使图像即使在最微小的像差下也能保持稳定。它大大增加了望远镜的整体设计复杂性，但由此产生的图像深度和清晰度将产生数千颗行星和数十颗系外地球。

但还有另一种方法。多年来，天文学家一直梦想着一个星罩，这是一个外部星冕仪，具有精致复杂的花瓣结构，旨在完美消除遥远恒星投射出的多尖“衍射”图案。

对于HDST这样大小的望远镜，星罩的直径将超过300英尺（100米），并且每个花瓣的构造精度必须达到毫米级。HDST及其星罩将相隔近125,000英里（200,000公里）飞行，并以几英尺（1米）的精度保持飞行编队。这种编队飞行很困难，从一个目标转向另一个目标需要几天甚至几周的时间，因为天文学家需要等待星罩飞行数千英里才能到达新位置。

这还是一项未经证实的技术：目前还没有星罩任务飞行过。但这种设计可以比内部星冕仪更灵敏地观测到更小、更近的行星，并降低望远镜本身的工程要求。星罩任务可能会与另一台哈勃大小的太空望远镜WFIRST-AFTA一同飞行，后者定于HDST发射前十年发射。如果是这样，它将成为这项新技术的实地测试。

目前，AURA团队将内部星冕仪作为更优先考虑的项目。但是，西格说，“没有理由不能两者兼得。”最终决定将很大程度上取决于现在正在进行的研究，因为工程师们正在探索如何以及是否能够及时交付有前景的技术，以便在21世纪30年代中期实现飞行。

望远镜本身及其仪器并非易事。高清太空望远镜将尽可能地以现有技术为基础，这些技术已在詹姆斯·韦伯太空望远镜和盖亚等任务中得到验证，盖亚目前正在绘制十亿颗恒星的图谱。它还将借鉴为从未飞行的任务测试和开发的其他技术，如地球行星探测器和太空干涉测量任务。

工程师们也会有一些好机会。与詹姆斯·韦伯太空望远镜不同，后者由于其红外线专业性而需要低温任务，在测试和组装的每个阶段都需要冷却，HDST可以在室温下运行。这并非不重要的简化，而这些红外线并发症是詹姆斯·韦伯太空望远镜臭名昭著的成本和进度超支的主要原因。

在孤独的L2点运行，HDST不应期望有任何维修任务，但科学家们不排除这种可能性。哈勃望远镜的多次维修任务让工程师们认识到模块化部件的价值：可以轻松移除、更换和升级的仪器和面板。也许比人类机械师更有可能的是机器人技术人员，这是NASA十年来一直在研究的领域。机器人维修任务可以以比人类探险更低的成本和安全因素进行。因此，工程师们将建造HDST，不期望有任何此类任务，但为可能出现的情况做好准备。

前进的道路

目前还没有任何正式提案摆在任何人面前。也没有全面的成本分析或时间表。但除非NASA选择完全放弃太空望远镜业务，否则HDST将继续推进。

等待下一个科学项目需要20年，这是一段漫长的时间。换句话说，在我们的有生之年，我们可能会发现外星世界是否不仅宜居，而且有生命——回答我们是否在宇宙中孤独的基本问题。与数千年的人类探索相比，这个项目似乎近在眼前。

HDST只是这个项目的代号之一。美国宇航局之前的一项研究使用了令人感慨的回溯缩写ATLAST，它代表着先进技术大口径太空望远镜。曾几何时，同样的基本概念曾被简单地称为超大型太空望远镜。同样，詹姆斯·韦伯望远镜多年来一直被称为下一代太空望远镜，甚至哈勃望远镜在几十年的规划中也只是被称为大型太空望远镜。

最终，人们会认为，21世纪30年代的旗舰项目将获得一个更吉祥的名字，很可能是一位令人难忘的科学家或公众人物的名字。虽然正式启用日期还有数年之遥，可能难以在顾问委员会、资金之战和尚待实现的工程胜利的迷雾中清晰描绘，但波斯特曼根据望远镜最奇妙的目标——寻找一个与我们自身相似的世界，以及一位将分享这一目标作为毕生使命的人——提出了他的选择。

“你希望它是一位在该领域真正具有远见的人，因为完成这样一个项目需要真正的远见。我认为‘卡尔·萨根’将是一个非常好的致敬。”

那么，敬卡尔，以及所有致力于增进我们对宇宙理解的人们。21世纪30年代将比你想象的更快到来。

科里·海恩斯是前《天文》杂志副主编，拥有系外行星研究博士学位。她在推特上的账号是@weird_worlds

[本文刊登于印刷版，标题为“认识下一代太空望远镜”。]