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史上巨型太空望远镜了解一下!

对于望远镜来说,“大”非常重要。为了进一步窥探宇宙的秘密,天文学家一直在研制个头更大,性能更卓越的地面和太空望远镜。现在,工程师已开始研发下一代先进太空望远镜所需技术,但他们面临一个棘手问题——这些望远镜可能个头太大,无法从地球发射到太空。为了解决这个问题,科学家建议在太空中建造巨型望远镜。

1993年至2009年,宇航员5次造访哈勃太空望远镜。照片中,两名宇航员进行太空行走,执行第一项哈勃维修任务。除了修复哈勃的反射镜,他们还安装了一台新相机

无论是体积还是重量,天文学家和工程师为未来谋划的望远镜都很快超出现有火箭的运载能力。这是因为望远镜的“视力”在很大程度上取决于它们的口径,或者说主反射镜直径。以美国宇航局的太空发射系统火箭为例,新型巨型火箭可能拥有足够的运载能力,能够发射下一代太空望远镜(美国宇航局计划于本世纪30年代发射)。不过,如果未来的望远镜组件只能放入同样大小的火箭整流罩,这些望远镜可能不得不在一定程度上牺牲科学观测能力。

大型紫外/光学/红外巡天望远镜(LUVOIR)的艺术概念图

如果选择从地球发射这种传统方式,望远镜在设计上要做出一些牺牲,以便装入火箭的有效载荷整流罩。这会影响望远镜的观测能力,只能返回有限的观测数据。为了将那些巨型望远镜送入太空,宇航局的科学家决定另辟蹊径:将一个个望远镜组件送入轨道,而后利用机器人或者在宇航员的帮助下组装。

在1月于西雅图举行的第233届美国天文学会会议上,宇航局系外行星探索计划首席技术专家尼克·塞格勒表示:“大型望远镜拥有更高的角分辩率和光谱分辨率,未来我们应该打造体积更大的望远镜。”借助更高的分辨率,望远镜能够进一步窥探宇宙的秘密,获取更清晰和细节更丰富的宇宙图像。在搜寻和确定系外行星特征方面,大型望远镜能够扮演无法替代的角色。

詹姆斯·韦伯望远镜艺术概念图,哈勃太空望远镜的接班人

塞格勒说:“当然,‘大’是相对的,但面临的挑战是一样的。为了发射大型结构,你需要将它们折叠成更小的结构。这项任务的工作量大的惊人。”按照计划,宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将在2021年搭乘阿丽亚娜5型重型运载火箭发射升空。发射前,需要折叠韦伯望远镜,以便将其装入火箭的有效载荷整流罩。做好部署准备时,韦伯的200多个活动部件必须小心翼翼展开。所有环节结束后,韦伯才正式走上工作岗位。

韦伯望远镜的反射镜直径达到6.5米,将成为有史以来被送入太空的最大望远镜。负责运送韦伯的阿丽亚娜5型火箭通常用于发射地球卫星。此外,这款火箭还用于发射行星际探测器,例如2018年10月放飞的欧洲航天局BepiColombo水星探测器。虽然韦伯望远镜尚未发射,宇航局的科学家已开始谋划它的继任者。(剧透警告:它们会比韦伯望远镜更大!)

“起源”号太空望远镜艺术概念图

美国宇航局的工程师正在绘制被提议建造的太空望远镜的蓝图,例如大型紫外/光学/红外巡天望远镜(LUVOIR)和“起源”号太空望远镜。在这些新一代望远镜的设计上,他们不得不面对当前火箭技术的局限性。无论是LUVOIR还是“起源”号,工程师都提出了两种截然不同的设计思路:一个是15米口径版本,可以使用即将推出的太空发射系统火箭发射;另一个是8米口径版本,可以借助体积和运载能力较小的现有重型火箭发射。小个头版本是宇航局的备用计划,以防太空发射系统火箭不能按时服役——这个火箭项目现已出现延误和成本超支。

“起源”号望远镜与现有太空望远镜的口径对比,以及各望远镜正常运转时所需达到的温度范围

除了等待更强大的运载火箭问世,新一代太空望远镜项目还有其它选择吗?答案是肯定的。现在,宇航局的一支研究小组正在研究在轨建造的可能性。在轨建造不仅能消除与火箭体积有关的一系列障碍,同时还能降低研制新型太空望远镜的成本。2019年夏季,研究小组将公布在轨装配策略的最新研究成果。

在轨建造望远镜的相关研究刚刚开始。为了让这种建造方式成为现实,宇航局不仅要证明这种方式具有可能性,同时还要证明在轨建造具有高成本效益和低风险性。在美国天文学会会议上,研究小组指出这些因素在很大程度上取决于在轨组装究竟由宇航员或者机器人完成,还是采取“双管齐下”的策略。

哈勃太空望远镜

派遣宇航员维修、升级或组装望远镜并不是什么新鲜事儿。宇航局的标志性望远镜——哈勃太空望远镜于1990年入主太空。1993年至2009年,宇航员5次造访哈勃。哈勃望远镜虽然不是宇航员亲手制造,但他们为哈勃安装了一系列新设备,同时还对这架望远镜进行了几次大修。自上一次哈勃维修任务后,宇航员尚未造访过其它太空望远镜。

包括塞格勒在内,一些科学家认为机器人能够更出色地完成在轨建造任务。他说:“派遣宇航员的成本太高。我们认为完全可以交给机器人。在轨装配望远镜的机器人系统与国际空间站的机械臂非常相似。”

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