美国宇航局的天文学家们：请建造这台望远镜吧！

资深撰稿人 爱善西格尔（Ethan Siegel）
资深撰稿人 Starts With A Bang撰稿人小组
Jun 9, 2021,02:00am EDT

Science
   《福布斯》撰稿人表达的意见是他们自己的。

从一声爆炸开始

        宇宙就在那里等待你来发现它。

大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）的概念设计将把它放置在L2拉格朗日点上，在那里一台15.1米主镜将展开并开始观测宇宙，给我们带来未知的科学和天文财富。从遥远的宇宙到最小的粒子到最低的温度等，基础科学的前沿使明天的应用科学前沿能够的是必不可少的。 NASA / LUVOIR CONCEPT TEAM; SERGE BRUNIER (BACKGROUND)

当到来揭开关于现实的最终真相时，我们只能收获我们播种的。没有一个像欧洲核子研究中心的大型强子对撞机一样的尖端粒子对撞机，我们会永远已经没有发现希格斯玻色子。没有由激光干涉仪引力波天文台和室女座等引力波探测器取得的难以置信的灵敏度，我们永远不会直接的探测到引力波。而没有像哈勃这样的革命性的太空望远镜，宇宙的绝大多数------已经自此向我们揭示了精致的细节------会已经仍然模糊的。

在我们的乞求理解我们周围的宇宙中，我们总是寻求来提取从凡是我们选择来建造的的最大的科学量。每10年，整个天体物理学团体聚集在一起来提交他们的建议哪些项目会对该领域有最大的科学效益：由美国国家科学院进行的一个十年调查的部分。这些调查已经给我们带来了一些历史上最标志性的使命，已经像另外任何东西从来没有的一样帮助了前进科学。仅仅几个月后，他们将公布他们的关于四个使它最终在列表上的天体物理学使命的建议。由于结果尚未被披露，有一个每个人都应该知道的天文台：大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）。如果你已经从来梦想过关于知道所有的最大问题的答案，这是一台我们绝对必须建造的望远镜。这里是为什么。

在它最后一次也是最后一次服役使命期间拍摄的哈勃太空望远镜。虽然哈勃已经十多年没有被使用了，但它继续是人类在太空中的旗舰紫外、光学和近红外望远镜，并已经带我们超越了任何其他天基或地面天文台的极限。 NASA

在过去的31年里，美国宇航局的哈勃望远镜已经真正向我们展示了一个天基天文台的先进。在地球的大气层之上，哈勃：

·不再必须与日夜搏斗，因为它能连续的观察空间，

·永远不必担心云彩、湍流的空气、恶劣的天气或自然灾害，

·始终能取得可与理论光学极限相当的分辨率，

·能观察到所有的紫外线、光学和红外波长，从来不用担心大气层中的分子挡路，

·能一遍又一遍的观察同一块天空，简单地“叠加”观测结果来比以往任何时候看的更远。

事实上，哈勃设备的限制因素是它不能观察到波长超过2微米或者是人类视觉极限的三倍------是因为它被太阳加热。就像红外摄像机揭示热源一样，哈勃望远镜的内部不能在中远红外波长中观测。

 

同一天体创造之柱的可见光(L)和红外线(R)波长视图。请注意，对红外辐射气体和尘埃有多透明，以及这怎样影响我们能探测的背景和内部恒星。这些红外视图受到哈勃温度的限制：没有一台更冷的望远镜，不能测量更长波长的光。 NASA/ESA/HUBBLE HERITAGE TEAM

哈勃的另一个主要限制是它的窄视野。甚至用它上面安装的最先进的相机先进的调查相机/宽视场相机3，它只能取得大约800万像素的分辨率。当你考虑到哈勃的镜像大小和焦距时，光学特性对天文学家是第二天性，它能分辨天体到仅0.04弧秒的角度分辨率，或者刚好一度的9万分之一。如果你把哈勃太空望远镜放在纽约，它能在东京分辨两只萤火虫如果它们被仅3米（10英尺）隔开。

这使得哈勃在采取深、高分辨率紫外线、光学和近红外的观测中杰出的。各种观测活动如哈勃深场、超深场和极端深场，已经利用这些能力的益处来揭示在深空间的深渊中什么躺在那里：在微小的仅仅覆盖了天空的百万分之一空间的小区域的成千上万的星系。

哈勃极端深场(XDF)可能已经观测到仅占全天空1/32,000,000的天空区域，但能够来发现它之内的高达5500个的星系：一个估计星系总数的10%实际上被包含在这个铅笔束风格片中。剩下的90%的星系要么太暗淡、要么太红、要么太模糊，哈勃不能揭示。 HUDF09 AND HXDF12 TEAMS / E. SIEGEL (PROCESSING)

然而甚至在哈勃的全部能力-----甚至相当于一个月的持续观测------哈勃仍然只能看到估计在那里星系的大约10%。它们大多数是被哈勃看到的以下组合：

·太小，

·太微弱，

·太遥远，

·被中性原子太模糊，

此外，甚至大多数被揭示的星系也仅仅是超过几个点，因为哈勃的尺寸太小，有太小分辨力，不能揭示更多的细节。以很多方式，哈勃代表由我们的文明从来进行的最伟大的天文努力，但它也根本上被限制的。

在未来十年里，从今年晚些时候开始，另外两个天基美国宇航局天文台将发射：詹姆斯韦伯太空望远镜，它更大，更冷并能使用比哈勃更长的波长工作，和南希罗曼望远镜，它非常类似于哈勃望远镜，除了宽场能力和远更强大、最先进的相机。

蓝色显示的哈勃超深场是目前由人类进行的最大、最深的长曝光运动。对同样量的观测时间，南希·格雷斯·罗曼望远镜将能够成像橙色区域到完全相同的深度，揭示比可比较的哈勃图像中更多100多倍的天体数量。 NASA, ESA, AND A. KOEKEMOER (STSCI); ACKNOWLEDGEMENT: DIGITIZED SKY SURVEY

这些天文台将开始解决一些哈勃不能回答的问题。由于它的巨大的日罩，它的位置远远超过地球和月球，它船上有活性冷却剂，以及它巨大的镀金6.5米的主镜，詹姆斯韦伯将在许多方面都超过哈勃。不是约2微米，而是它能观察到波长到约30微米，揭示一个哈勃不能的大量科学细节。从最早的恒星和最远的星系到关于行星形成和围绕最小恒星最近的类地行星的大气层组成，这个天文台是真正的天基天文学的下一个飞跃。

另一方面，南希罗曼望远镜将像哈勃一样深宽。与哈勃8号相比，每次观测结果将收集3亿像素的数据，使得大型、深、宽场调查能够刚好在时间的一个微小部分内完成。当到诸如创建哈勃前沿场或成像仙女座星系的项目时，罗曼将最耀眼的照耀。不是用几个月观察时间，而是罗曼可以在仅几个小时内做它。

阿贝尔370（Abell370）中的条纹和弧线，是一个大约50-60亿光年遥远的星系是我们有的引力透镜和暗物质的最有力的一些证据。被透镜的星系甚至更遥远，其中一些构成了从来见过的最遥远的星系。这个星团是哈勃前沿场计划的一部分，用LUVOIR成像所花费的时间不到哈勃用的时间的1%。 NASA, ESA/HUBBLE, HST FRONTIER FIELDS

但甚至有这些进步，我们仍然有一些要回答的问题------大的、重要的、甚至存在的问题-----甚至用韦伯和罗曼宇宙中的大部分星系，甚至在一个微小而狭窄的空间区域内也仍然难以捉摸的。不幸的是，我们确实看到的大多数星系仍然只有几个像素宽，几乎没有可辨认的结构。而且，也许最重要的是，它们没有一台天基天文台的终极能力：来直接成像围绕太阳一样恒星地球大小的行星，并来识别哪些可能不仅有生命的签名而且可能实际上被居住的。

有一台已经被设计可以完成所有这些的望远镜，它是决定美国宇航局的2030年代天体物理学旗舰使命的四个最终计划之一：大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）。

哈勃太空望远镜（左)是我们天体物理学历史上最伟大的旗舰天文台，但比即将到来的詹姆斯·韦伯(中）要小得多，威力也要小得多。然而，为了获得来确定一个围绕一颗位于约100光年外像TOI 700一样的M级恒星的地球大小行星的大气层含量必要的分辨率和必须对比度，将需要一个更强大的望远镜，如拟议中的LUVOIR天文台。 MATT MOUNTAIN / AURA

什么是大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）？

它是大型紫外线、光学和红外望远镜。基本上，你应该想象一个我们今天已经运行的最大的功能的地面望远镜------比如凯克天文台的望远镜或格兰望远镜卡那里亚斯------它配备有现代技术能提供的最伟大的仪器，并将它发射到太空。这是大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）。

就大型紫外线、光学和红外望远镜将给我们带来什么而言，很难夸大一台这样的天文台将有多强大。当然，它的技术规格令人印象深刻，但真正令人印象深刻的是它将怎样帮助回答一些我们有的关于今天宇宙的最大问题。

《行星九》是真的吗？科学仍然不确定的。但如果它确实存在，大多数地面望远镜或甚至目前/未来的天基望远镜，将几乎不能来成像值一个像素的它。但大型紫外线、光学和红外望远镜甚至在它的大距离能够来揭示这个世界表面上的复杂结构。 NASA / LUVOIR CONCEPT TEAM

1.)附近有任何可居住的行星吗？请注意这个词的用法：被居住的。我们不是正在谈论关于寻找潜在的适合居住的世界，也不是寻找有生物提示或生物签名的世界，也不是寻找有一天能够成为人类家园的单词。我们正在谈论的是一个大的：发现是否最近的类地行星实际上在它们上有生命。我们不是正在谈论关于附近的一两颗行星，而是几十颗甚至几百颗。

我们不仅能够用大型紫外线、光学和红外望远镜直接成像这些世界，而且我们将能够确定：

·它们的多少部分被大陆对海洋覆盖，

·这些行星上的云的属性和覆盖是什么，

·是否它们的土地质量随着季节的变化绿-棕色-冰，

·它们的大气层用什么做出来的，

·是否有氧、氮、甲烷、二氧化碳甚至复杂分子的证据，

·以及这一切对在这些世界上生命的存在意味着的。

正如大型紫外线、光学和红外望远镜的科学家杰森·图姆林森所说，“它可以探索几十颗或类地行星并测试它们的大气层，在牛顿、爱因斯坦、达尔文、量子力学、哈勃望远镜的扩张的各个层面上探测一颗有生命迹象的系外行星------你命名它。大型紫外线、光学和红外望远镜是第一个从一开始就为这一革命性的目的而设计的望远镜” 。

一个用哈勃(L)和大型紫外线、光学和红外望远镜(R)的初始结构用相同观测时间的天空的同一部分的模拟视图。这种差异是惊人的，它代表文明尺度的科学能提供的。 G. SNYDER, STSCI /M. POSTMAN, STSCI

2.)来最终揭示几乎所有哈勃、韦伯和罗曼天体将忽略的的能力。凭借大型紫外线、光学和红外望远镜的尺寸、光学能和力和新仪器，按它能发现的将超越以前的所有限制。从哈勃极端深场中最暗天体的绝对极限跳到大型紫外线、光学和红外望远镜将揭示一个比我们目前能看到的高达40倍更微弱的。这是从一个大型地面望远镜到哈勃望远镜或从一个2米望远镜30秒曝光到一个目前世界上最大的望远镜整夜曝光。

·这将比其他任何天文台在更大距离大量揭示从来更小、更暗的、更远的星系。

·它将在我们的太阳系中发现比其他从来建造的天文台更大数量的更小、更弱、距离更远的天体。

·它将像旅行者1号和2号当它们物理上在那里旅行时拍摄的图像一样好拍摄外行星的图像，我们能在任何时候选择这样做。

·它将发现、测量和特征单个比以往任何时候都更暗、更远的恒星，包括一个10亿光年外星系中前所未有的数量。

基本上，如果你正在寻找那些微弱、远、小或难以特征化的天体，如果你知道去哪里看，大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）就会发现它，而且它能比任何其他工具更多的告诉你它的细节。

这是哈勃对一个遥远的恒星形成星系(L)的模拟图像，对一个大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）这样的10-15米级望远镜会看到的同一星系(R)的模拟图像。这样一个天文台的天文力量是其他任何东西都无与伦比的：在地球上或在太空上。正如所提提议的那样，大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）可以分辨宇宙中小到约1000光年尺寸的每一个单独星系。 NASA / GREG SNYDER / LUVOIR-HDST CONCEPT TEAM

3.)特别的宇宙中的任何一个星系看起来像是什么样子？想象一下你能够将望远镜指向宇宙中的任何一个星系------一个通常的跨度约10万光年------无论它有多远，它仍然能够看到小到约300光年跨度的特征。对于一个银河系大小的星系，无论它离我们有多远，大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）都会显示它至少400个像素跨度，每帧包含超过12万个像素有用的发光信息。

同一个星系如果它被哈勃用相同的时间成像将只包含在一幅大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）图像中包含的0.06%的信息，有低得多的分辨率和集光能力。我们可以了解到：

·我们测量每个星系怎样旋转，

·每个星系中的哪些区域正在积极的形成恒星，

·每个星系中气体和尘埃的分布是什么，

·卫星和矮星系正在数十亿光年外做什么，

还有更多的东西。从我们太阳系内的天体到系外行星、恒星、星系以及所有最大的宇宙结构，大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）将回答我们有的关于我们的宇宙的最大问题。我们所要做的是使我们的知道宇宙中在那里是什么的梦想成真，就是选择来建造它。

作为下一代x射线天文台山猫将作为地面上建造的30米级光学望远镜以及在天上的詹姆斯·韦伯和WFIRST等天文台的最终补充。山猫将不得不与欧空局的雅典娜使命竞争，后者有一个优越的视野，但山猫按照角度分辨率和灵敏度真的闪耀。这两个天文台都可以彻底改变和扩展我们的x射线宇宙的观望。 NASA DECADAL SURVEY / LYNX INTERIM REPORT

我们把历史上最伟大的天基天文台归功于最近过去进行的十年调查。它们已经给我们带来像哈勃、斯皮策（红外线）、钱德拉(X射线)等望远镜，也将给我们带来即将到来的韦伯和罗曼望远镜。目前的十年调查记录天文学在太空未来的进程，有四个极好的选择，但只有一个有能力来揭示是否几十个甚至数百个潜在的可居住的世界实际上被居住的：大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）。这是一个可以一次又一次彻底改变天文学的天文台，可能的在21世纪剩下的很长一段时间里。

但最终的希望是我们不仅能建造大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）------目前最好的选择------且是一组天文台，一台接一台，它们将覆盖不同的波长并彼此补充。起源是一种远红外望远镜，对测量仍在形成过程中的行星和恒星的细节是理想的。一个x射线望远镜山猫可以揭示关于黑洞、中子星和碰撞星系的细节，没有另外的能看到的。甚至一个在各方面都不如大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）的优化系外行星使命HabEx也可能在一个更短的时间尺度上发射，使它成为一个有吸引力的选择。

正如美国宇航局天体物理学部门的负责人保罗·赫兹所说，“我要所有这些使命来飞的。我想我们应该把这些都做好；十年调查应该告诉我先做哪一个” 。

虽然HabEx将是一个质量的通用天文台，承诺好的在我们的太阳系和遥远的宇宙的科学，它的真正力量将是来成像和特征化环绕太阳一样恒星的类地世界，它应该能够为高达数百颗接近我们自己的太阳系的行星做。然而，它仍然没有大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）的能力。 HABEX CONCEPT / SIMONS FOUNDATION

当美国国家科学院在几周内发表他们的建议时，天文学家的巨大希望是至少有三个使命将被选中向前推进，有史以来最强大、最雄心勃勃的天基天文台大型紫外线、光学和红外望远镜（LUVOIR）将是首选。如果我们想要解决所有中最大问题的明确答案，那就需要付出巨大的努力和实在的投资。考虑到回报是了解“在那个星球上有生命环绕着另一颗恒星”，很明显LUVOIR是我们必须一起共同建造的望远镜。

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我（Ethan Siegel）是个博士天体物理学家、作者和科学传播者，在各个学院教授物理学和天文学。 自2008年以来，我为我的博客“从一声爆炸开始”(Starts with A Bang)获得了许多科学写作奖项，包括物理研究所颁发的最佳科学博客奖。 我的两本书，《从三记录仪到翘曲驱动器星际旅行的科学的迁徙学（Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive）》，超越银河：人类怎样超越我们的银河系并发现整个宇宙（ Beyond the Galaxy: How humanity looked beyond our Milky Way and discovered the entire Universe）可以在亚马逊上购买。 在Twitter@startswithabang上跟随我

 

 

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2021/06/09/astronomers-to-nasa-please-build-this-telescope/?sh=6e81dfc23a63