NASA每次“上新”都引起全球矚目 據(jù)說它要給人類看最清晰的宇宙

望遠(yuǎn)鏡是人類的千里眼，沒有望遠(yuǎn)鏡，我們就無法看清宇宙的模樣。

近日，美國俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)家團隊發(fā)布一項迄今最詳細(xì)報告表明，美國國家航空航天局(NASA)正在規(guī)劃的“寬視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡”(Wide-Field Infrared Survey Telescope，簡稱WFIRST)有望為人類提供有史以來最大、最深層、最清晰的宇宙圖像，進(jìn)一步揭示宇宙的奧秘。

NASA每次“上新”都引起全球矚目，這次的主角WFIRST又有哪些殺手锏?

在不同波段描繪宇宙“側(cè)影”

談?wù)撘慌_天文望遠(yuǎn)鏡的使命之前，必須搞清楚它在哪個波段工作。

我們知道，電磁波按波長由短至長可分為伽馬射線、X射線、紫外線、光線、紅外線、微波、射電。“中國天眼”FAST就是在射電波段工作，而著名的阿塔卡瑪大型毫米波望遠(yuǎn)鏡陣列(ALMA)覆蓋的則是微波光譜末端的短波。

在紅外波段工作的望遠(yuǎn)鏡有WFIRST、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡以及退役的赫歇爾太空望遠(yuǎn)鏡。“通常，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只要配上紅外信號的接收器就可以同時在紅外波段工作，比如詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡以及哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。”中國科學(xué)院上海天文臺研究員劉慶會在接受科技日報記者采訪時說。

與上述家喻戶曉的望遠(yuǎn)鏡相比，在短波工作的望遠(yuǎn)鏡則顯得小眾。比如費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡、硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)等。“一般而言，波長越短的望遠(yuǎn)鏡，其工程難度越大。”劉慶會表示。

為何要讓望遠(yuǎn)鏡在不同波段工作呢?“覆蓋波段不同，科學(xué)目的也就不同。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員戴昱告訴科技日報記者，用不同波段的望遠(yuǎn)鏡觀測天空，是為了看到不同的內(nèi)容。

比如說，我們發(fā)現(xiàn)了一個新天體，借助光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，可以獲取它的光學(xué)輻射，搞清其外觀。通過紅外望遠(yuǎn)鏡，則能了解它不同部位的溫度。射電望遠(yuǎn)鏡會捕捉這個天體發(fā)射的射電波，X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡則觀測它的高能能量。“最終我們可以獲得這顆天體多方面的信息，從而對它以及它周圍的環(huán)境有更深刻了解。”戴昱解釋道，WFIRST這類紅外望遠(yuǎn)鏡主要看的是塵埃輻射。

就如同盲人摸象，每一個望遠(yuǎn)鏡只能“摸”清天體的一個側(cè)面。戴昱表示，天文學(xué)家的理想是用所有波段的望遠(yuǎn)鏡把感興趣的天區(qū)或天體都“掃描”一遍，達(dá)到“全信使、多波段”的效果。

一次拍攝約為哈勃上百次觀測量

波段不同，望遠(yuǎn)鏡接收信號的原理也不同。

由于人眼可以直接看到可見光，所以通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看到的物體樣子就是人眼看到的樣子。而紅外望遠(yuǎn)鏡則需要安裝紅外接收器才能看到物體發(fā)出的紅外光。

斯皮策望遠(yuǎn)鏡是史上第一個紅外太空望遠(yuǎn)鏡。它在天空中巡視一番，幫助人類第一次得到銀河系塵埃分布圖，并看到太陽系以外的行星。由于“斯皮策望遠(yuǎn)鏡的服役時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了計劃的年限，儀器的性能也開始下降，不少擁有斯皮策望遠(yuǎn)鏡觀測運行經(jīng)驗的科學(xué)人員也參與了WFIRST的前期研發(fā)和科學(xué)設(shè)計。”戴昱告訴記者，從這個意義上講，WFIRST是對斯皮策望遠(yuǎn)鏡的一種繼承。

不過WFIRST和斯皮策并非沒有區(qū)別。根據(jù)波長的長短，紅外還可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段，斯皮策主要覆蓋近紅外和中紅外，而WFIRST則主要覆蓋近紅外。戴昱表示：“近紅外波段可以觀測到塵埃、氣體和恒星，遠(yuǎn)紅外波段看到的主要是塵埃的熱輻射。通過分析塵埃的溫度和能量，我們可以推測其熱量的供給、狀態(tài)及結(jié)構(gòu)。”

除了波段上的細(xì)微差別和科學(xué)設(shè)計上的不同，與其他紅外望遠(yuǎn)鏡相比，WFIRST最大特點是視場大。

WFIRST主要拍照儀器WFI的視場是0.28個平方度。“1個平方度的視場意味著能塞進(jìn)5個滿月。0.28個平方度的視場則是同時看到1.4個月亮并排在一起，這是相當(dāng)大的一片區(qū)域。”戴昱告訴記者。

公開資料顯示，WFIRST可以觀察到比哈勃更大的宇宙空間，其觀察范圍是哈勃可觀察范圍的100倍。這意味，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍上百次才能拍完的一片區(qū)域，WFIRST只要拍一兩次就可以完成。“這將大幅縮減我們巡視一片天區(qū)所花的時間。”劉慶會表示。

WFIRST寬廣的視野將幫助科學(xué)家揭開暗能量、暗物質(zhì)的奧秘，或?qū)ふ姨栂低膺m合生命發(fā)展的行星。WFIRST服役期間計劃覆蓋2000個平方度的天空區(qū)域。

上天之前還要解決諸多難題

工作波段不同，望遠(yuǎn)鏡適宜擺放的位置也不同。工作波長比較長的望遠(yuǎn)鏡可以在地面工作，波長比較短的則最好進(jìn)入太空。

由于望遠(yuǎn)鏡在地面觀測時會受地球大氣層和電離層影響，因此在太空中能獲得更清晰的圖像。“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡口徑2.4米，但它比口徑10米的地面望遠(yuǎn)鏡看得還清晰。”劉慶會告訴記者。

地球大氣對紅外線僅有7個狹窄的“窗口”，因此紅外望遠(yuǎn)鏡常置于高海拔區(qū)域。世界上較好的地面紅外望遠(yuǎn)鏡大多集中安裝在美國夏威夷，那里是世界紅外天文的研究中心。而紫外、X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡必須在太空中工作。

讓望遠(yuǎn)鏡上天并非易事，尤其是大口徑望遠(yuǎn)鏡，因為其設(shè)備也會很龐大。“被稱為下一代最強望遠(yuǎn)鏡的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡花費了將近100億美元，至今沒能順利上天，就是因為有些研發(fā)工作還沒完成。”劉慶會告訴記者。

工作在同一波段的望遠(yuǎn)鏡，口徑越大則分辨率高。WFIRST的口徑是2.4米，有著較高的分辨率。NASA稱，WFIRST希望分辨率達(dá)到和哈勃一樣的水平。

“實際上，拍攝最大、最深層、最清晰宇宙圖像的說法很可能是一種宣傳策略。不同波段的望遠(yuǎn)鏡都可以在自己所在的波段如此宣稱。”戴昱表示，WFIRST的分辨率預(yù)計與最好的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可相媲美。

不過，相較于技術(shù)難題，WFIRST目前最大的困境是資金短缺。WFIRST項目于2018年5月開始規(guī)劃，預(yù)算約32億美元。日前，美國政府公布了新一年的聯(lián)邦財政預(yù)算草案，美國國家科學(xué)基金會預(yù)算被砍12%。據(jù)外媒消息，WFIRST可能因預(yù)算被砍而計劃取消。

“科學(xué)衛(wèi)星不像通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星那樣與人們的日常生活關(guān)系密切。如果資金緊張，科學(xué)衛(wèi)星很容易受到影響。”劉慶會說。(代小佩)

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