原标题:天文学家:若想寻找外星生命需要一个全新的太空望远镜

未来太空望远镜,谁来接棒 NASA提出四大拟议方案

科学 1

据外媒报道,一些科学家们认为,如果NASA真的想要在寻找地球以外的生命,那么它需要向太空发射并启用一个全新的大型太空望远镜–该望远镜能够直接捕捉到太阳系外星图像–才行。然而目前这样的技术还不存在。据悉,这一想法源于美国国家科学院、工程院与医学院成员整理的一份关于研究和探索太阳系外行星最佳策略的报告。

科学 2

智利双子座南方望远镜发现了木星大小的系外行星。图片来源:Marshall Perrin

科学 3

针对不同波长和目标的四款拟议的望远镜正在“争宠”,幸运者将于本世纪30年代升空。图片来源:《科学》杂志网站

科学家迄今为止已经发现了约2000颗太阳系外行星,但其中只有10颗系外行星能够直接被观测到,这是因为与其环绕的明亮母星相比,这些行星未免太过昏暗。如今,一个设计用来直接成像的仪器找到了自己的第一颗新的系外行星——一颗位于波江星座的100光年之外的与木星类似的天体。

在收集了该领域专家的意见后,该机构总共提出了7条建议,其中望远镜名列榜首。

今日视点

这是迄今为止直接成像的最模糊、质量最小的系外行星,并且是第一颗显示大气中富含甲烷的系外行星,类似于太阳系中的巨行星。双子座行星成像仪项目负责人、取得这一发现的美国加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学物理学家Bruce
Macintosh表示:“这个光谱看起来真像一颗行星。”

不过在制作报告的时候,作者并没有将潜在的财政限制考虑在内。俄亥俄州州立大学天文学教授Scott
Gaudi在接受媒体采访时表示,他们并没有特别考虑成本、日程安排或任何其他类似的因素,“这只是一种系外行星社区认为如果想要解决我们的科学目标需要做的最重要的事情而达成的共识。”

据美国《科学》杂志官网近日报道,对美国国家航空航天局的天文学家来说,今年可谓流年不利。其詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射日期已被推迟到2021年3月,而且成本已超过88亿美元;与之“同病相怜”的还有宽视场红外巡天望远镜,该望远镜旨在确定神秘暗能量的本质,或将超支4亿美元。

这颗名为51 Eri
b的行星相当年轻——大约只有2000万年。其质量约为木星的2倍,其轨道与母星的距离大约是木星距离太阳的2倍。

科学 4

然而,这无法阻挡天文学家们追求星辰大海的梦想。美国天体物理学领域的《十年调查》于上月启动,旨在为NASA、美国能源部和国家科学基金会的未来任务确定优先事项,其中关键任务之一是从四个拟议的望远镜项目中挑选一个,做JWST和WFIRST的“接班人”。

研究人员在8月13日的美国《科学》杂志网络版上报告了这一发现。

眼下,天文学家都是通过间接的方式找到系外行星。关注遥远世界最常见的方法就是观察它们在母星目前经过的过程,也就是所谓的凌日。NASA已经投放在地球轨道的TESS就是用这种方式寻找行星的,未来投入使用的詹姆斯韦伯太空望远镜亦是如此。另外一种方法则是观察行星的重力是如何影响它的母星。即便一些行星非常小,但它们仍能让其恒星发生轻微摆动。

《科学》杂志的报道称,目前已“浮出水面”的这“四朵金花”各有千秋,无论最后选中哪朵,关键是进行成本控制,不要步JWST和WFIRST的后尘。

据Macintosh介绍,天文学家曾期待在与木星类似的巨大系外行星光谱中发现甲烷存在的有力证据,但迄今为止只探测到了微量的痕迹。Macintosh说,其他许多直接成像的行星的光谱与那些小而低温的恒星类似,而51
Eri b却显示出了水蒸气与甲烷的强烈信号。

对一颗系外行星进行直接成像是一项非常近艰巨的任务,由其是跟地球一般大小的。这些行星距离它们的母星都非常近,很容易被附近的星光淹没。因此,为了能实现这个目标,科学家们将需要在未来的太空望远镜上安装一些特殊的工具以此来阻挡或减弱恒星的光线。

四大方案 浮出水面

加利福尼亚州山景城美国宇航局艾姆斯研究中心天体物理学家、GPI团队成员Mark
Marley指出:“由于51 Eri
b的大气富含甲烷,这意味着这颗行星正处在成为我们熟悉的木星的表亲的过程中。”Macintosh对此表示赞同,他说:“这真的是迄今为止直接成像的最像木星的天体了。”

幸运的是,天文学家一直在研究这个问题。其中一个概念就是日冕仪。日冕仪是一种光学仪器,它可以被连接到望远镜上,用反光镜来抑制来自恒星的光线,使人们更容易看到隐藏在附近的行星。地球上和太空中的望远镜就都配备了日冕仪来帮助研究太阳,但这种高对比度的仪器还没有在太空中进行全面测试。

这四大拟议的望远镜包括:“大型紫外/光学/红外测量仪”,这款15米宽的巨型望远镜的集光能力将是哈勃太空望远镜的40倍,旨在追溯到宇宙的第一个星系,并厘清宇宙其他地方是否有生命存在这一亘古谜题。

无论是导致母星摆动还是所谓的凌日现象,至今几乎所有的系外行星都是通过间接手段被发现的。这些技术能够让天文学家了解一颗系外行星的质量或大小,但却无法搞清后者是什么样子的。把一颗行星的光分解为光谱能够揭示其大气的化学构成。然而直接捕捉这样的光线就如同在一条探照灯光束的附近寻找一只萤火虫。目前的天文望远镜并不具有这样的分辨率,除非在一些特殊情况下,即恒星是昏暗的而行星是明亮的且在一条宽阔的轨道上运行。

科学 5

“宜居系外行星天文台”也致力于回答上面的问题,但其镜面比较小。HabEx将携带一个足球场大小的遮星板一起飞行。遮星板可阻挡恒星的眩光,揭示类地系外行星。HabEx将仔细检查系外行星发出的微弱光线,以寻找生命的信号。

51 Eri
b是旨在增加直接观测数量的新一代仪器所发现的第一颗未知系外行星。这些仪器是附属于一些世界上最大地基望远镜上的复杂的光学“盒子”。GPI便被安装在位于智利Cerro
Pachon的8米双子座南方望远镜上。

除了日冕仪还有另一种选择。天文学家们一直在尝试一种被称为遮星伞(starshade)的东西。它是一个巨大的花形结构,会在望远镜前面飞出来,通过投射阴影阻挡来自恒星的光线。然而问题是,这项技术相当复杂。一个遮星伞必须在距离太空望远镜10万公里左右的地方飞行才能准确地阻挡来自遥远恒星的光线。像日冕仪一样,遮星伞技术还未完全成熟。

林克斯X射线天文台(Lynx Xray
Observatory)将收集宇宙第一批黑洞发出的X射线,了解它们如何帮助星系形成和演化。

这种设备利用一个日冕仪——一个遮挡来自母星光线的“面具”——及其他复杂的光学设备以消除日冕仪边缘衍射的杂散光。他们还采用了极端的自适应光学以及时补偿地球大气对系外行星光线的扭曲。

任何能够直接成像的望远镜项目都将要耗资数十亿美元,这可能让国会难以接受,特别是考虑到詹姆斯韦伯太空望远镜的延迟以及成本超支。与此同时,特朗普政府则还提议取消广角红外巡天望远镜(WFIRST),理由是该项目的成本超支。但系外行星天文学家对此仍持乐观态度,他们认为这样的大项目有朝一日可能会实现。返回搜狐,查看更多

“起源太空望远镜”(Origins Space
Telescope)上的设备可将望远镜冷却到绝对零度以上4℃,对帮助恒星和行星形成的冷气体和尘埃发出的一种红外辐射进行研究。

尽管复杂的直接成像依然非常困难,以至于天文学家只能够观测到那些年轻、炙热并能够发射红外线的大型系外行星——通常具有木星规模甚至更大。但这样的行星对于天文学家尝试摸清行星如何从周围年轻恒星的碎片及气体盘中形成是有价值的。最好的例证就是天文学家能用它来研究太阳系当时的行星形成情况——这已经是几十亿年前的事情了。观测处于演化不同阶段的年轻系外行星将帮助研究人员对不同的行星形成模型进行评估。

责任编辑:

无论哪个概念项目最终中选,研究人员都希望其比“前辈”更幸运一点。2001年的《十年调查》选择JWST作为首要任务,如果顺利,该望远镜将在任务提出20年后的2021年一飞冲天。WFIRST则是2010年《十年调查》的首选,但它不会在2025年之前发射。

GPI项目科学家、加利福尼亚大学伯克利分校的James Graham指出,51 Eri
b大约有650开氏度,“恰恰是我们设计GPI时期待发现的系统”。

有了这些前车之鉴,NASA希望这次更稳妥一点。该机构不仅早在2015年就确定了这四个旗舰概念,且已资助团队为每个概念提出粗略设计方案。在2019年6月,这些团队将分别向NASA提交一份报告,包括两个版本:昂贵且庞大的高预算版和预算最好不超过50亿美元的“亲民版”。

马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院行星科学家Sara
Seager表示:“这么快就看到GPI找到了感兴趣的东西真太棒了。希望这只是一长串直接成像研究成果的开端。”

争奇斗艳 竞争激烈

《十年调查》的结果将于2020年提交。科学家希望最终能达成一致意见,以齐心协力游说国会拨付资金。但四大旗舰项目本身之间的竞争也非常激烈。

LUVOIR的支持者认为,其是一个通用天文台,像哈勃一样“多才多艺”。而且,望远镜尺寸巨大,这意味着它能以最清晰的视野瞥见最遥远、最模糊的物体。太空望远镜科学研究所的杰森·卡里拉说:“它超越了天体物理学。”但批评人士认为,LUVOIR巨大的镜面将导致其成本高昂,很可能步6.5米宽镜面的JWST后尘。

更亲民HabEx的支持者认为,该望远镜可以帮助人们更好地探索系外行星,但遮星板这一技术仍未通过验证。虽然HabEx可以详细研究附近的几颗行星,但其镜面仅4米宽,这意味着更远的世界对它来说遥不可及。HabEx和LUVOIR团队成员克里斯·斯塔克表示,不需要同时推出这两款产品,毕竟“地球附近的恒星有限”。

“起源太空望远镜”希望研究尘埃和分子如何聚合在一起,形成第一个星系和黑洞,以及年轻恒星周围的圆盘如何聚集成系外行星。但JWST和位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列可捕获一些相同波长的光,这会挤压“起源太空望远镜”的发现空间。

至于Lynx则是X射线天文台,将研究旋入黑洞或从银河系中心喷射而出的热气体,它将让那些“坐冷板凳”多年的X射线天文学家激动不已。

身价待估 控制成本

无论哪个任务最终赢得《十年调查》的青睐,资助者都会有一个疑问:我们怎么知道它不会是另一个JWST?美国国家科学、工程和医学院研究主任戴维恩·戴组织了此次《十年调查》。他表示,调查将采用一种复杂的方法来估算成本,希望“避免价格过高带来的冲击”。

戴说,项目团队一般会通过计算人工、材料和测试来估算成本,“这很好,但它将不可预见的情况排除在外”。因此,在过去十年中,NASEM一直向位于加州的埃尔塞贡多航空航天公司支付费用,借助其“成本和技术评估”模型来分析《十年调查》可能会考虑的提案。

科学,CATE模型利用可追溯到几十年前的数据库,其中包含NASA的150多项任务和700个仪器的成本和性能细节。当提出新任务时,CATE可告知人们过去类似任务的成本几何。而且,该模型的最大优势在于其预测能力。

尽管JWST现在是天文学家们脑海中的“香饽饽”,但他们也迫切希望“四朵金花”中的获胜者能实现梦想。胜出者将在本世纪30年代发射到“拉格朗日2”点——太阳和地球之间的重力平衡点,以帮助科学家们解开有关宇宙的谜团。

(科技日报北京12月26日电)

相关文章