40倍於哈勃望遠鏡能力開啟天文學的未來
【博科園-科學科普】自從人類第一次把我們的目光轉向天空就意識到我們存在的宇宙故事——宇宙的起源，今天存在的一切以及我們的最終命運——實際上是在宇宙中書寫的。對宇宙真正的認識是它由什麼組成的以及它是如何形成的，每一次我們都建立了更好的儀器來探測恆星、星系和太空的深度。哈勃太空望遠鏡給了我們一個巨大的飛躍，向我們展示了宇宙的樣子，明年詹姆斯·韋伯(James Webb)將會給我們一個同樣巨大的飛躍，將向我們展示我們的宇宙是如何變成這樣的。
LUVOIR太空望遠鏡的概念設計將把它放在L2拉格朗日點，一個15.1米的主鏡將展開並開始觀察宇宙，給我們帶來數不清的科學和天文知識。圖片版權：NASA / LUVOIR concept team; Serge Brunier (background)
要想實現下一個巨大的飛躍，意味著要有遠大的夢想，並尋求回答天文學今天所面臨的最大問題。只有LUVOIR一種具有40倍於哈勃望遠鏡的觀測能力的15.1米太空望遠鏡，敢於挑戰人類來解決這些難題。
「行星九」是真的嗎？如果是這樣的話大多數地面望遠鏡，甚至是目前/未來的太空望遠鏡都很難想像出一個像素的價值。但LUVOIR即使在距離很遠的地方，也能在世界表面揭示複雜的結構。圖片：NASA / LUVOIR concept team
LUVOIR是一台巨大的紫外線、光學和紅外線天文台的概念，它基本上是一個放大版的哈勃太空望遠鏡，能夠做的科學在一代人之前是深不可測的，這並不是貶低哈勃的成就！想想哈勃給了我們什麼：一場宇宙學的革命，對星系的理解的一場革命，無數觀測以及對我們的動態太陽系的敏銳的關注，對太陽系外行星大氣層研究的第一步。在15.1米用一個分段的設計，儀器的能力遠遠超過我們今天所擁有的更高的解析度，更重要的是LUVOIR所代表的不是一個漸進的改進，而是一個革命性的改進，它超越了任何不僅僅存在的東西，而是任何一個曾經提出過的天文台。
如果太陽位於10秒(33光年)之外，LUVOIR不僅能夠直接拍攝木星和地球，包括吸收光譜，甚至金星也能觀測到。圖片：NASA / LUVOIR concept team
作者採訪了John O" meara，他是LUVOIR宇宙起源科學的領導者，談到了很多與這個望遠鏡有關的話題。在每一個天文領域可以想像——從太陽繫到太陽系外行星、恆星、星系、星系間的氣體、暗物質和更多——這一先進的望遠鏡將以一種前所未有的方式推動我們的科學知識向前發展。更大的規模，加上LUVOIR上的其他先進技術，使這個真正的天文學家的夢想天文台。與我們今天所能做的相比，這裡有六件事像這樣巨大的太空望遠鏡可以讓我們學習。
在太陽系的柯伊伯帶，一個外部世界將會出現許多豐富的特徵，從一個10 - 15米的望遠鏡(L)，而哈勃即使在最大的操作極限，只會看到少量的像素信息(R)。圖片：LUVOIR concept team
太陽系——想像一下在歐羅巴和恩克拉多斯，伊俄火山爆發或者在我們地球世界附近繪製出氣體行星的磁場會是什麼樣子？想像一下一個遙遠的世界在柯伊伯帶，而不僅僅是得到一個單一的光的像素來推斷，而是為了取一個世界本身的形象，並且能夠分辨出表面特徵？這是一個10米高的太空望遠鏡的承諾，它不僅能夠拍攝到這些世界的不可思議的圖像，而且還能獲得各種各樣的特徵的光譜。
LUVOIR望遠鏡尺寸最大的驅動因素是希望有大量的外地球候選樣本來研究。這個數字顯示了在可居住區域的行星上的真實恆星。顏色編碼顯示了觀察一個外地球的候選人的概率，如果它在那顆星周圍(綠色是高概率，紅色是低概率)。圖片版權：C. Stark and J. Tumlinson, STScI
系外行星——而不是從它們的過渡或它們在其母恆星軌道上引起的擺動推斷出行星的存在，LUVOIR將有能力直接成像許多行星。由於具有前所未有的質量，再加上它在太空中的獨一無二的大小和位置，它應該能夠發現和拍攝數以百計的恆星系統，這些恆星系統都有生命的潛力:所有的恆星都在100光年以內。隨著光譜的獲得，LUVOIR可以做任何其他目前或計劃的天文台都無法做到的事情:在數百個地球大小、可能適宜居住的世界尋找分子生物特徵。這是第一次它可以為我們提供超越我們太陽系的生命的證據。
模擬圖像的哈勃望遠鏡可以看到遙遠,恆星星系(左),和一個10 - 15米類望遠鏡可以看到同樣的星系(R)。圖像的解析度好許多倍，但不是在這幅圖像編碼是左邊的圖像需要暴露在40倍的時間來捕捉相同數量的光。圖片版權：NASA / Greg Snyder / LUVOIR-HDST concept team
恆星——當哈勃太空望遠鏡發射升空時，它開啟了觀測天文學家的一個有趣的可能性:在仙女座星系中測量單個恆星的性能的能力，超過200萬光年遠。有了LUVOIR我們將能夠在3億光年之內對每個星系進行同樣的測量！第一次我們將能夠測量宇宙中每一種星系的恆星，從小矮星到螺旋狀到巨大的橢圓，再到稀有的環星系，再到星系在積極的合併過程中。如果沒有像這樣的大型光學空間望遠鏡，宇宙普查是不可能的。
雖然在極端的深空區域有放大的、超遙遠的、非常紅的甚至是紅外的星系，但有些星系甚至更遙遠，LUVOIR將能夠在沒有引力透鏡的幫助下顯示出來。圖片版權： NASA, ESA, R. Bouwens and G. Illingworth (UC, Santa Cruz)
星系——非常引人注目的是哈勃望遠鏡發現了宇宙只有4億歲時的星系：只有其當前年齡的3%。但是這種遙遠的星系是罕見的，因為哈勃只能看到其中最亮的一些，甚至在這一點上在前景中有引力透鏡的幫助。相比之下LUVOIR將能夠看到所有的星系，包括微弱的星系，矮星系，現代星系的微小集群以及那些沒有引力透鏡或偶然排列的星系。我們最終將能夠了解宇宙中星系的全部並將它們測量到每像素300 - 400光年的解析度，不管它們在宇宙中的距離有多遠。
沿著螺旋臂的清晰的粉色可以追溯到電離氫的區域，這是由這個星系中熾熱的年輕恆星形成所引起的，其中許多恆星最終會變成超新星。雖然現在幾乎不可能測量像這樣為銀河系提供食物的氣體，但LUVOIR將允許我們不僅測量它，而且要繪製它並識別它的分子和原子成分。圖片：AURA/Gemini Observatory
星系間的氣體——今天我們可以取一個星系的「光束」，測量圍繞著一個星系的氣體的光暈，作為它的油箱和回收中心。我們可以測量這種氣體的吸收特性，並將其與我們的理論和技術所能提供的最好的三維模擬進行比較。但在LUVOIR中，我們可以直接將幾十個甚至數百個「鉛筆光束」成像到每個星系中，測量並繪製出銀河系的環繞星系。在某些情況下甚至可以直接圖像激發氣體的發射特性，允許我們直接將我們的觀測與模擬進行比較，而不需要在單獨的吸收過程中進行插值。
小的或年輕的星系遵循不同的引力或加速度定律，而不是大而老的那樣？這對於辨別暗物質和改良的重力有很長的路要走，而LUVOIR通過測量星係數十億光年的距離將使我們能夠發現。圖片版權：Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona
暗物質——這個看不見透明的物體是宇宙中大多數引力的主要原因，但我們只能從它對可見物質的影響中繪製出來。在過去這意味著觀察遙遠星系的大片區域，銀河，從我們的有利位置，成為最困難的星系之一。LUVOIR將會改變這一切，讓我們能夠測量星系的旋轉特性，比以往任何時候都更遙遠，測試星系的暗物質的輪廓是否已經進化了數十億年。我們將能夠明確地測試暗物質的模型，通過測量銀河系恆星的正常運動到從未達到的精確度，通過分析目前甚至超過世界上最強大的望遠鏡的最小的星系群。
用哈勃(L)和LUVOIR(R)來模擬天空的同一部分，觀測時間是相同的，兩者的差別是驚人的。圖片：G. Snyder, STScI /M. Postman, STScI
沒有空間的替代不管自適應光學有多好，永遠無法克服100%的大氣效應。這在紫外線和許多紅外波長上尤其正確，因為這些波長的大氣吸收，只能從太空中精確地成像。它也不能代替大小，它決定了你能達到的最大解析度和擁有的光收集能力的數量。在整個天宇LUVOIR的解析度將超過哈勃望遠鏡的六倍，而且圖像的深度也要快40倍。LUVOIR所能看到的9天的連續觀測將使哈勃整整一年，而哈勃望遠鏡只能得到16%的解析度。
這是朱諾克所看到的所有美麗的紅斑，圖像處理來強化木星的條帶和區域的美麗。LUVOIR將能夠從我們的地球的後院得到同樣質量的圖像。圖片：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS; processing by Carlos Galeano - Cosmonautika
與朱諾的照片一樣LUVOIR將能夠從其位於地球附近軌道上的有利位置獲取這些圖像，而不是將航天器發射到遙遠的行星上。在測量來自光源的紫外線的時候，LUVOIR會在它的光譜儀器上使用一個微快門陣列，讓它能同時成像許多物體，而不是像今天的望遠鏡那樣僅僅是一個物體。就像哈勃望遠鏡與當今最大的地面觀測站一樣，LUVOIR將與目前這一代的地下30米級天文台合作，比如GMT和ELT來發現和跟蹤人類所知道的最微弱、最遙遠的物體。儘管詹姆斯·韋伯將成為NASA在2010年代的旗艦天體物理學任務，而WFIRST將在2020年飛行，但LUVOIR最早可能會在本世紀30年代開始，這取決於即將到來的十年調查的進展。
但這些潛在的發現正是我們所要尋找的。隨著我們在天文學和天體物理學領域取得的每一個新的重大技術飛躍，我們所取得的最大成就都是我們事先無法預料到的。宇宙的偉大未知，包括在最微弱的星系中，最遙遠的恆星，星系，氣體雲，以及星系間的媒介在早期的表現，以及它看起來比我們所見過的任何東西都要第一次暴露出來。我們有可能會發現，我們在大量的競技場中表現得相當傲慢和執迷不悟，但我們需要這種新的、高質量的數據來指引我們前進的道路。
這一概念藝術圖：SLS運載火箭將LUVOIR一個15.1米的空間望遠鏡帶到L2拉格朗日點。圖片：NASA / SLS
為了讓LUVOIR工作，我們需要使用最大、最重的設計發射器：NASA的太空發射系統。需要分割後的鏡子來達到測量的水平穩定；比我們今天的穩定性好十倍以上。為了完成系外行星的成像，需要一個日冕儀，可以選擇1 -部分鏡子和鏡子塗層系統將要求改進的技術超過今天的最好。最重要的是需要有能力在L2拉格朗日點為這架望遠鏡提供服務，距離地球150萬公里遠的地方是迄今為止離地球最遠的人類最遠距離的四倍。至於我們為什麼需要這個我認為約翰用他自己的話說得最好：
我堅信LUVOIR是我們下一個偉大的科學時代的一個重要組成部分，我們不僅要推進生命的探索，還要在宇宙時間裡講述它的故事。LUVOIR可以為我們解答許多最基本的問題，比如人類試圖了解他們在宇宙中的位置。如果這不值得，那什麼是？
作者：Ethan Siegel（天體物理學家）
來自：Forbes science
編譯：卿君側
審校：博科園
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