為了找到「下一個地球」,NASA 準備花 110 億美元打造哈伯望遠鏡 2.0

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 15 日 8:30 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


飄浮在我們頭頂的 8 千多個人造飛行物中,哈伯望遠鏡大概最傳奇,知名度也最高。哈伯望遠鏡構想最早可追溯到 1946 年,天文學家萊曼·史匹哲(Lyman Strong Spitzer, Jr.)提出太空建設天文台可觀測到更多大氣層吸收的紅外線和紫外線,且觀測極限更高。

設計製造近半世紀,哈伯望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)1990 年 4 月 24 日由發現號送上距地面 600 公里的軌道,一直工作至今。

▲「創生之柱」是哈伯望遠鏡最著名天文圖像之一。

31 年間,基於哈伯觀測的訊息累計產出 17,000 多篇論文,從暗能量到外星球再到黑洞,哈伯望遠鏡為天文學家解開宇宙一個又一個祕密,充當人類觀測太空的雙眼。

服役至今,哈伯望遠鏡歷過 5 次人工維護,大大小小軟體故障更不計其數。今年 6 月,哈伯望遠鏡因系統故障暫停工作,切換至備份系統;10 月 26 日,哈伯望遠鏡因通訊問題先切換成安全模式。

原計劃運行至 2013 年的「太空之眼」還能堅持多久? 天文學家目前還沒有答案,但可肯定的是,年邁的哈伯差不多要退休了。為了看到更廣闊的宇宙,科學家認為要盡快找到「繼任者」。

下一個「地球」在哪?

宇宙還有別的生命嗎? 下一個適宜地球人居住的星球在哪裡? 這些小時候在《十萬個為什麼》看到的問題,科學界至今未找到答案。好消息是,這些問題很有可能是 NASA 未來 10 年天文工作的重點。

美國國家科學、工程和醫學研究院上週發表《2020 年天文學和天體物理學十年調查》(Astro2020)報告,提到未來 10 年美國天文學優先考慮的三大研究主題分別為:尋找可能宜居的系外行星、了解黑洞和中子星的奧祕、研究星系形成和演化。

靠現有觀測裝備,想實現目標並非易事,例如尋找潛在宜居系外行星時,由於鄰近恆星通常比行星亮百億倍,黯淡的行星很容易被忽略。所以想完成如此宏大的研究目標,天文學家首要任務就是「升級裝備」,也是 Astro2020 的重點之一──建造超越哈伯望遠鏡的新型巨型望遠鏡。

NASA 資助並建造體積比哈伯望遠鏡大且配備紫外線、可見光和紅外線探測器的新型望遠鏡,估計耗資 110 億美元,理想的話 2040 年代初可投入使用。新望遠鏡將配備日冕儀等裝備,觀測系外行星時可有效減少附近恆星光線干擾。

凱克天文台首席科學家 John O′Meara 接受 Axios 採訪時簡單介紹這宏大行星探索計畫。接下來 10 年,科學家需搜尋 100 顆甚至更多類似太陽的恆星,據行星軌道篩選潛在的宜居行星。接著,天文學家分析可能性最高的 25 顆行星光譜,研究大氣成分及是否有生命跡象。

新望遠鏡這時有重要作用,透過系外行星反射的光線,科學家可算出大氣層化學成分。如果大氣有氧氣、甲烷和水等,這顆行星很可能孕育生命。「當我們看到宇宙除人類外的第一個生命跡象,看到遙遠世界的生命痕跡,人類在宇宙的位置就會發生根本性改變。」John O′Meara 強調。

他補充如果人類觀察 25 顆、50 顆甚至 100 顆系外行星都沒有任何發現,也會完全改變對宇宙的看法。此觀測任務需要紫外線、可見光、紅外線等多種光譜合作分析,建造新大型望遠鏡非常有必要。然而從種種經驗看,新太空探索計畫大概不會一帆風順。

建造第二台「哈伯」並非易事

▲ 康普頓伽瑪射線望遠鏡。

1990~2003 年 NASA 成功製造並發射 4 台大型太空望遠鏡,分別是哈伯太空望遠鏡、康普頓伽瑪射線望遠鏡(2000 年墜毀)、錢德拉 X 射線望遠鏡和史匹哲太空望遠鏡,稱為大型軌道天文台計畫。

▲ 錢德拉 X 射線望遠鏡。

大型軌道天文台計畫將天文學研究往前推一個時代,因紅外線、X 射線和伽馬射線很難穿透地球大氣層,因此只能透過太空望遠鏡觀察,每台望遠鏡都對各自領域有重要貢獻。

1996 年,NASA 和歐洲太空總署(ESA)、加拿大太空總署(CSA)合作開發下一代太空望遠鏡,並以 NASA 第二任局長詹姆斯·韋伯命名,預算為 5 億美元,計劃 2007 年啟動。

然而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)建造難度之大,遠遠超出 NASA 預計,太多工程延誤和成本超支,2005 年重新設計,發射時間一拖再拖,直到今年終於可能發射。原定 10 月 31 日發射的 JWST 因亞利安 5 號運載火箭問題,發射日期又延後到 12 月 18 日,如無意外,一個月後歷時 24 年的重大計畫將有歷史性突破。

JWST 常視為哈伯望遠鏡繼任者,但兩者工作並不完全相同。 JWST 主要任務是觀測大爆炸理論的殘餘紅外線,也就是觀測宇宙初期狀態,因此形態和工作環境都和哈伯望遠鏡不同。

首先是高度,比哈伯望遠鏡 600 公里軌道高度,JWST 更高,距離地球最近時(近拱點)也有 37.4 公里,最遠時(遠拱點)可達 150 萬公里。因 JWST 鏡片必須於低於 50K(-220°C)環境工作,為了維持低溫,JWST 設計 5 層可抵擋約 300°C 的遮光罩,以遮擋太陽和地球反射光線。

外觀看,JWST 幾乎由巨大鏡片和遮光罩組成,主鏡直徑達 8 公尺,鏡面面積是哈伯望遠鏡 5 倍以上,遮陽罩面積相當於一個網球場。要讓如此龐大的結構在太空準確安全釋放展開,是巨大的難題。NASA 工程師 Mike Menzel 在新聞發表會提到,JWST 太陽盾展開將是最複雜的任務,失敗的可能性超過 300 種。

JWST 預估耗資高達 96.6 億美元,遠超過預算。不少天文學家擔心,由於 JWST 長期拖延並嚴重超支,新望遠鏡建設可能很難得到資金支援。但從另一個角度來看,問題百出的 JWST 也留下不少寶貴的開發經驗。

Astro2020 報告總結不少 JWST 的開發經驗,提出 4 項更細節的概念,讓新望遠鏡開發計畫比 JWST 更完善。如果順利,人類對宇宙的認知將再度飛躍。宇宙是否有外星生命?答案可能在本世紀內揭曉。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:NASA