论文部分内容阅读
2002年9月10日美国航宇局宣布,它已选中TRW公司建造“下一代空间望远镜”(NGST)。著名的“哈勃”空间望远镜将工作到2010年左右,届时将由NGST接替它,后者更轻、更便宜,性能更好。其成本和质量比“哈勃”低得多,而功能是“哈勃”的数倍。
期望
NGST是航宇局“起源”计划的一个关键任务,将于2010年发射升空,任务是帮助航宇局观察宇宙中形成的第一批星体和星系,解答那些与银河系演化相关的问题。
“宇宙背景探测器”(COBE)用于探索时间跨度从“大爆炸”后10万年~1亿年的早期宇宙的演化,那时银河系还没有形成。而“哈勃”则能观测到从“大爆炸”后50亿年直到现在这一时间跨度的宇宙演化,此时银河系已经形成。
因此,从“大爆炸”后1亿年~50亿年之间存在着“观测暗区”。 这就需要对这段时期,即宇宙从无边的分散的物质状态演变成高度集中的物质状态的时期进行探索,并从中获取探测数据。这就是制造NGST的主要原因之一。为探索这个“观测暗区”,NGST不但需要具有与“哈勃”相同的分辨率,而且还要更加灵敏,以便观测到更为深邃的时空。
可完全折叠式的NGST要面临双重的挑战:一是技术挑战,二是资金挑战。因为该项目的指定预算比“哈勃”少,而且将静止在L2点上(第2拉格朗日点,它距地球150万千米,NGST在此点所受的地球和太阳引力互抵,仅需少量燃料就能维持运行),这样可以始终保持背向太阳、地球和月亮。
神眼内幕
“哈勃”已为天文学立下了汗马功劳,其后代NGST又是什么样的?简单的说,该望远镜本体由直径为6米、可展开式的铍主镜和与“哈勃”的主镜尺寸相当的副镜(卡塞格仑望远镜)组成。科学仪器和传感器位于主镜的可展开式“花瓣”的后面。
主镜和副镜将通过开放式装置桁架结构连接起来,没有任何遮挡散射光的装置。事实上对于整个望远镜来说也无需任何遮挡,因为望远镜隐藏在一个巨大的结构(遮光罩)后面。该结构面积为200米2,可以使望远镜免受月亮、地球和太阳的光、热影响。采用这种布局,望远镜及其仪器的温度将保持在50K,无需任何冷却系统。为了尽量减少遮光罩和望远镜之间的热传导,二者将通过非常简单的结构连接在唯一的点上。
通过该项计划,航宇局试图证明它能把口径为6米的望远镜,以与在地面部署一台同样口径的地基望远镜相同的价格部署在空间轨道上。
后起之秀
由上述可以看出,尽管NGST是“哈勃”望远镜的下一代,但两者差别极大。
在外型上,NGST与“哈勃”望远镜大相径庭。NGST主镜片的直径大约为6米,比“哈勃”望远镜的主镜片宽2.5倍。如此巨大的镜片使得NGST能够探测到的物体可以比“哈勃”望远镜能够探测到的物体暗淡400倍。由于没有哪个运载火箭的有效载荷整流罩宽到可以容纳如此大的镜片,NGST的镜片将由一系列六边形分镜片组成,发射时分镜片将折叠起来。在NGST发射之后,一个大约有网球场大小的大型矩形太阳光遮光罩将被展开,用以为镜片和其它航天器元部件遮挡来自太阳的热量。
NGST必须折叠起来才能用运载火箭发射,其平滑度可与“哈勃”空间望远镜上的反射镜相媲美。这台望远镜将采用比目前所生产的还要大的探测器,而且用纳米技术制造的光闸,将使天文学家们能同时测量到视场中数百种不同物体的频谱。
“哈勃”望远镜可观测的光波的范围很大,从紫外线到可见光到红外线,而NGST的“眼睛”主要观测红外线谱段(也能够观测可见光谱段)。这是由NGST的科学目标决定的,NGST的目标包括宇宙的起源和结构、银河系的形成等,这些目标需要观测那些遥远的、光线已经红移到红外线范围之内的物体。NGST将携带3台仪器:1台近红外摄像机、1台近红外光谱摄制仪以及1台组合式中红外摄像机与光谱摄制仪。
NGST的观测任务决定了要将NGST送入与哈勃望远镜不同的轨道位置:如果将NGST送入地球轨道,那么地球自身的红外辐射非常强烈,以致于NGST无法观测到来自遥远物体的微弱信号。NGST将使用德尔它-4或宇宙神-5运载火箭发射,并将其送入地球-太阳间的L2点,并背对太阳。在这个位置上,NGST上的太阳光遮光罩既可以遮挡住太阳光也能挡住地球的红外辐射。缺陷是,在该位置的航天器不能由航天飞机上的航天员修复。
难点多多
NGST设计人员面临的下一个关键是制造近红外/可见光探测器,它们将使望远镜在近红外区域也有视觉,而“哈勃”在近红外区就失去了灵敏度。NGST将装备极其灵敏的红外检测器,它是一个具有对天文目标进行最优化红外成像能力和光谱分析能力的空间天文台。
大型探测器技术是NGST传感器的基础。在它的3个传感器中,一个摄像机能观测到0.6~5微米的光,一个是对5~28微米范围作了优化组合的摄像机/摄谱仪,它用于对行星进行搜索。这种多目标摄谱仪需要一种新技术来实现所需的孔径控制,在望远镜视场中把不同目标的频谱隔离开来。
如果望远镜温度很高,仪器将不能工作,其红外噪声将使来自宇宙边缘的信号模糊。航宇局正在研究可应用于NGST的太阳光遮挡物,采用一旦张开便变成刚性的可膨胀材料。为试验这一概念,航宇局可能于2002年从一架航天飞机上进行“太空中的可膨胀太阳光遮挡物”的实验,但也可能需要更多的航天飞行来进行这种测试。
解答新题
NGST的大光圈和红外检测器使其能够抓住比目前在地面上或太空中的红外卫星可观测到的图像还要暗400倍的图像。该望远镜所具有的卓越能力能够使天文学家着重对星体和星系开始形成的那个重要时期进行研究,并思考如下基本问题的解答:
宇宙的形状是什么样的?
星系是如何演化的?
恒星和行星系统是如何形成和相互作用的?
宇宙中物质的生命周期是什么?
什么是暗物质?
NASA的一位科学家说,用NGST看到的第一批物体可能是超新星,超新星实际上是明亮的,特别是由质量很大的一些恒星演变而来的一些超新星。
“哈勃”望远镜定于2010年由航天飞机带回地面,NGST也将于同年发射。