五大太空探測新神器

2021年12月25日，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發(fā)射升空。它之后還有幾款史詩般的探測神器會逐一升空，從多個角度為我們揭開宇宙的神秘面紗。

羅曼空間望遠鏡

這臺空間望遠鏡原名寬視場紅外巡天望遠鏡，后更名為南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，簡稱羅曼空間望遠鏡，以此紀念美國天文學家、“哈勃望遠鏡之母”南希·格雷斯·羅曼。

羅曼空間望遠鏡的主鏡大小跟哈勃望遠鏡相同，但全景視野是后者的100倍。天文學家將根據(jù)它的拍攝結(jié)果制作第一張廣域紅外宇宙圖，為解開暗物質(zhì)和暗能量等謎團提供幫助。另外，它將攜帶一個日冕儀，以幫助研究太陽系以外的世界。

羅曼空間望遠鏡預計在2027年發(fā)射。它將借助引力微透鏡通過背景星光的微小變化來發(fā)現(xiàn)潛在的數(shù)百萬顆系外行星，揭示星系“在宇宙時間內(nèi)”的演變，幫助天文學者了解銀河系的形成、觀察微弱的天體和宇宙的其他特征。

為了進一步提升羅曼空間望遠鏡的觀測效率，美國宇航局還將發(fā)射一個后續(xù)航天裝備——“星影”。這個花瓣狀的航天器可以與望遠鏡一起飛行，作用是阻擋陽光，并幫助它觀測到附近較暗的行星。

羅曼空間望遠鏡攜帶的光譜工具不但能觀察來自空間天體的光線，還可以將它們“涂抹”成彩虹色。這會幫助天文學家更好地了解所觀測的天體細節(jié)，了解恒星的形成、星系的歷史和目前的狀態(tài)等。

大型紫外/光學/紅外探測器

這是一個巨型多波段、全能型空間望遠鏡，是哈勃太空望遠鏡的真正“繼承者”，可以用于紅外線、可見光和紫外線觀測，執(zhí)行觀察遙遠的系外行星以確定它們是否適合居住等天文研究任務。該望遠鏡目前處于設計階段，將在本世紀30年代的某個時候發(fā)射。

這臺超級望遠鏡有能力觀察遙遠星系內(nèi)部的恒星新生區(qū)域，并繪制宇宙臨近空間中的暗物質(zhì)分布地圖。它還可以認證極早期宇宙中的第一縷星光，并直接拍攝土星和木星的冰凍小衛(wèi)星表面噴泉或火山噴發(fā)等現(xiàn)象，獲取分辨率達到每像素約200米的冥王星以及其他柯伊伯帶天體圖像。

按照目前的設計，這部探測器將幫助天文學家直接獲取并分析遙遠的系外類地行星大氣成分光譜，從而搜尋生命的痕跡。目前最接近地球的候選目標是開普勒-452b，這顆系外行星圍繞一顆與太陽相似的恒星運行，質(zhì)量要比地球大60%左右。

望遠鏡的鏡面直徑超過15米。根據(jù)一般概率估算，一臺口徑達到16米的空間望遠鏡，有可能找到多達100個與地球接近的系外行星世界，而且它能大大縮短搜尋時間。這意味著在相同的壽命周期內(nèi)，更大口徑望遠鏡的效率優(yōu)勢將更加突顯。

HabEx望遠鏡

HabEx望遠鏡專門為搜索行星而設計，執(zhí)行“宜居系外行星成像任務”。也就是說，它的主要任務是探測環(huán)繞其他恒星的行星生命跡象，弄清楚宇宙中生命是否普遍存在。

天文學家一直致力于搜尋與地球類似的行星，這些行星圍繞著類日恒星運行。不過發(fā)現(xiàn)這類行星只是開始，還需要研究它們的大氣層，尋找生命存在的生物信號。如果某顆行星的大氣層富含氧氣，就可能表明該天體上光合作用比較活躍;倘若大氣層中存在大量甲烷，則可能意味著那里有類似細菌的生物體。

盡管天文學家間接發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個系外行星，但只有少數(shù)幾個從恒星的眩光中羞澀地出現(xiàn)。現(xiàn)在的望遠鏡無法捕捉到它們的微弱光，更不用說利用它來尋找氧氣、甲烷和其他生物特征的跡象了。而HabEx望遠鏡的4米主鏡與一個星罩協(xié)同工作，可以在離望遠鏡12.4萬千米外飄浮并阻擋恒星的光線，這樣望遠鏡就能直接拍攝系外行星，盡管亮度只有恒星的百億分之一。它還有一個可以阻擋星光的日冕儀，可以遮蔽中心恒星，便于觀測恒星周圍的昏暗灰塵盤，對附近的行星系統(tǒng)進行調(diào)查，找出最有希望的類地行星。

HabEx望遠鏡計劃于2035年發(fā)射。除了主要任務之外，它還將用于天體物理學研究，例如觀測早期宇宙、研究最大恒星以超新星方式爆炸前后的化學成分。

激光干涉空間天線

引力波通過波的形式從輻射源向外傳播，以引力輻射的形式傳輸能量。換句話說，引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運動和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波。

2015年，科學家首次探測到黑洞和中子星碰撞產(chǎn)生的引力波，即時空中的漣漪。黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體，中子星則是除黑洞外密度最大的星體。

激光干涉空間天線由美國宇航局和歐洲航天局合作開發(fā)，是一個位于太空的引力波觀測站，將瞄準地面引力波探測器無法探測到的引力波源，如超大質(zhì)量黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波以及銀河系內(nèi)致密天體合并產(chǎn)生的引力波。

激光干涉空間天線將于2034年發(fā)射升空，位于L1拉格朗日點，這是地球與太陽之間的一個重力中點，距離地球約100萬千米。

該太空引力波探測器由3個航天器組成，以三角形排列，各自相距250萬千米，一起圍繞太陽運行。3個航天器通過相互反射彼此發(fā)射的測距激光，并借助自身距離之間的數(shù)值變化，可以精確測算出對航天器進行干擾的引力波動，借此可以對宇宙中黑洞，或者其他具有超強引力場的星球?qū)μ栂翟斐傻挠绊戇M行分析。

激光干涉空間天線將對引力波天文學的理論和實驗研究、廣義相對論的一些實驗觀測，以及早期宇宙天體物理學和宇宙學研究有重要意義。

柏拉圖太空望遠鏡

行星凌日與恒星振蕩太空望遠鏡，即柏拉圖太空望遠鏡，計劃于2026年發(fā)射，將搜索100萬顆太陽系外的恒星，探測繞這些恒星旋轉(zhuǎn)的行星，高精度測量這些系外行星的半徑范圍、質(zhì)量和年齡。

柏拉圖太空望遠鏡的特別之處在于專注于系外恒星系統(tǒng)的“宜居區(qū)”，搜索巖石態(tài)系外行星的蛛絲馬跡。宜居區(qū)指的是星系統(tǒng)中溫度適合液態(tài)水存在的狹窄區(qū)域。該鏡攜帶能夠探測此類天體的設備，可以告訴科學家這些天體與地球的相似程度。

在此之前，科學家也發(fā)射過類似的系外行星“獵手”，但這些望遠鏡只能看到離恒星很近的行星，而柏拉圖太空望遠鏡會把觀察每顆恒星上的時間延長，與此同時探測到距離這些恒星更遠、軌道周期更長的行星。

柏拉圖太空望遠鏡提供的數(shù)據(jù)將有助于科學家解決一系列關(guān)鍵問題，比如銀河系內(nèi)的行星是如何形成和演化的，以及適應生命繁衍生息的巖石態(tài)行星存在的概率等。