+ 劉進(jìn)軍

內(nèi)蟹星云：中央部分顯示脈沖星風(fēng)星云，中心的紅星是蟹狀脈沖星。（“哈勃”、“錢德拉”太空望遠(yuǎn)鏡拍攝）

編者按：

6月27日，NASA宣布“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射日期將推遲至2021年3月30日，這比NASA3個(gè)月前宣布的2020年5月發(fā)射晚了近一年。而該望遠(yuǎn)鏡最初計(jì)劃的發(fā)射時(shí)間是2014年。獨(dú)立評(píng)審委員會(huì)主席托馬斯·揚(yáng)說(shuō)：“沒(méi)有理由重新考慮這項(xiàng)任務(wù)到底還要不要發(fā)射。由于其科學(xué)上的說(shuō)服力，并鑒于其對(duì)國(guó)家的重要意義，‘韋伯’太空望遠(yuǎn)鏡任務(wù)應(yīng)該繼續(xù)。”

“韋伯”承載了無(wú)數(shù)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙新奧秘的殷切期盼，除了韋伯之外，在美國(guó)及歐洲的太空計(jì)劃中，還有很多已發(fā)射或即將發(fā)射、但都將在未來(lái)發(fā)揮重大作用的太空望遠(yuǎn)鏡，它們的科研意義和工作原理如何？本文將進(jìn)行詳實(shí)的介紹。

浩淼的宇宙，深邃的時(shí)空。當(dāng)我們仰望神秘的太空，追憶過(guò)去、思考現(xiàn)在、展望將來(lái)時(shí)，不禁要問(wèn)：

宇宙是怎樣誕生的？宇宙到底有多大？宇宙多大年齡了？宇宙大爆炸是真的嗎？宇宙存在黑洞、暗物質(zhì)、暗能量和引力波嗎？星星是怎么來(lái)的？太空文明在哪兒呢？遙遠(yuǎn)星球上有沒(méi)有外星人？太空探測(cè)會(huì)不會(huì)引“狼”入室？我們?nèi)祟悂?lái)自哪兒？地球人是孤獨(dú)的嗎？······

而太空望遠(yuǎn)鏡（又稱天文太空觀測(cè)站）便是幫助我們觀察、了解宇宙的一項(xiàng)最重要的工具。按主要工作頻率范圍，太空望遠(yuǎn)鏡分為伽瑪射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波和無(wú)線電等類型。

最近3年內(nèi)，各國(guó)新一代太空望遠(yuǎn)鏡正整裝待發(fā)，準(zhǔn)備開(kāi)辟新視野。現(xiàn)在，讓我們穿越時(shí)空、歷史、地理、文化和想象，以崇敬的心情拉開(kāi)宇宙的神秘面紗，尋找宇宙拼圖！

“苔絲”太空望遠(yuǎn)鏡

“苔絲”(TESS)凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星是一顆太空望遠(yuǎn)鏡，為美國(guó)宇航局“探險(xiǎn)者”計(jì)劃之一。它的目標(biāo)是尋找凌日系外行星。

“苔絲”太空望遠(yuǎn)鏡的星體為六角形，前方一個(gè)喇叭狀攝像罩。發(fā)射重量350千克，尺寸為3.7米×1.2米×1.5米，電力400瓦特。“苔絲”是專門為了執(zhí)行首次星載全時(shí)空過(guò)境系外行星調(diào)查儀器而設(shè)計(jì)。它配備4臺(tái)廣角望遠(yuǎn)鏡，每臺(tái)攝像機(jī)都具有低噪音、低功耗、16.8百萬(wàn)像素的CCD探測(cè)器。每架攝像機(jī)有一個(gè)24°×24°的視野，一個(gè)100毫米有效瞳孔直徑，1個(gè)鏡頭與7個(gè)光學(xué)元件，帶通范圍600毫微米（nm）。

“苔絲”的軌道動(dòng)力學(xué)比較罕見(jiàn)。為了獲得北半球和南半球天空中的流暢圖像，“苔絲”將利用2∶1月球共振軌道。這是一個(gè)以前從未使用過(guò)的軌道，它在這一高度橢圓軌道將保持穩(wěn)定數(shù)十年之久，并保持相機(jī)在一個(gè)穩(wěn)定的溫度范圍?！疤z”的大部分軌道飛行都是在范艾倫輻射帶之外度過(guò)，以免對(duì)“苔絲”造成核輻射損害。每隔13.7天時(shí)間，“苔絲”將會(huì)運(yùn)行至10.8萬(wàn)千米的近地點(diǎn)上，在大約3個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，把在軌道上收集到的數(shù)據(jù)向地球傳輸。

“苔絲”太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)是：觀測(cè)和測(cè)量聚焦于g、k和m型恒星附近的行星。它將對(duì)50萬(wàn)顆近地行星進(jìn)行深入研究，包括上千顆最近的紅矮星。它比“開(kāi)普勒”太空望遠(yuǎn)鏡橫跨天空區(qū)域大400倍?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)“苔絲”將會(huì)發(fā)現(xiàn)超過(guò)3000顆系外行星，包括地球大小或更大的類地行星。屆時(shí)，人類也許能發(fā)現(xiàn)一些位于恒星周圍的宜居地帶的超級(jí)地球。

此前，地面天文望遠(yuǎn)鏡的巡天主要探測(cè)到巨型行星。相比之下，“苔絲”會(huì)研究在天空中最明亮的恒星周圍的許多小行星?！疤z”將記錄最近和最明亮的主序星。這些恒星是過(guò)境系外行星。這是最有利的目標(biāo)，必須詳細(xì)調(diào)查。

“苔絲”將宇宙分成26個(gè)觀測(cè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域?yàn)?4°×96°。它將花費(fèi)2天的軌道觀測(cè)每個(gè)區(qū)域?！疤z”在第1年觀測(cè)地球南半球的區(qū)域，在第2年描繪北半球的天區(qū)?！疤z”的每一臺(tái)攝像機(jī)都將拍攝一分鐘的曝光，聚焦于特定目標(biāo)的恒星，作為其過(guò)境搜索的一部分，搜尋其他瞬態(tài)事件。

“苔絲”太空望遠(yuǎn)鏡利用凌日測(cè)量過(guò)境系外行星

2018年4月18日，“苔絲”太空望遠(yuǎn)鏡搭乘“獵鷹-9”號(hào)火箭，從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空?！疤z”太空望遠(yuǎn)鏡將開(kāi)啟新一輪尋找地球兄弟的科學(xué)探索，為人類帶來(lái)新的好消息。

“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡

2010年，美國(guó)宇航局和歐洲太空局合力打造了一架功能更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡，它的名字叫“詹姆斯·韋伯”?？茖W(xué)任務(wù)是：對(duì)太空進(jìn)行空前探索，尋找最早形成的恒星和星系，研究宇宙的起源和演化。

“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）重約6.5噸，直徑達(dá)20.1米，寬7.21米，功率2千瓦。望遠(yuǎn)鏡直徑6.5米，焦距131.4米，收集區(qū)25平方米。主鏡片由輕質(zhì)鈹材料制成，18片六角形快門薄片組成鏡片，每片1.3米寬，總聚光面積約25米，7倍于“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡的聚光能力?！绊f伯”太空望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有鏡筒，主鏡片也不是傳統(tǒng)的光學(xué)鏡片，而是射電望遠(yuǎn)鏡的天線。

“詹姆斯·韋伯”的多層遮陽(yáng)板是一種鍍鋁高分子薄膜，用于遮擋太陽(yáng)和地球等干擾的熱量和光源。它的長(zhǎng)度達(dá)22米，分列兩邊共10片，面積有一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小。這么大的遮陽(yáng)板怎么才能送上太空呢？要知道，火箭的整流罩最多只能裝下5米以內(nèi)的有效載荷。

位于馬里蘭州的美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空中心的科研人員，玩了一把高科技的太空“折紙”游戲?！罢材匪埂ろf伯”發(fā)射前，遮陽(yáng)板折疊在一起；到達(dá)太空后，遮陽(yáng)板打開(kāi)。這時(shí)的“詹姆斯·韋伯”，好像一只蝴蝶在深空飛舞。

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡裝載了近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、中紅外儀器、近紅外成像儀、無(wú)縫攝譜儀、精細(xì)制導(dǎo)傳感器等。它將透視130億年的整個(gè)宇宙，尋找早期恒星的蹤跡，捕捉恒星發(fā)出的正朝紅外線過(guò)渡的強(qiáng)烈紫外線。科學(xué)家希望“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡具有足夠的靈敏度，探測(cè)到第一代恒星，能把目光深入到更遙遠(yuǎn)的過(guò)去——宇宙黑暗時(shí)代。

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡和多層遮陽(yáng)板

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡背面

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡將提供前所未有的分辨率和靈敏度，從可見(jiàn)光、近紅外到中紅外。能夠探測(cè)到行星大氣層中的水、氧氣、臭氧和相當(dāng)多的其他元素。此外，“韋伯”能夠分析行星的溫度和表面壓力。

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡由位于阿拉巴馬州亨茨維爾的美國(guó)宇航局馬歇爾航天中心研制。2006年，“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡完成了X射線與鈹鏡低溫試驗(yàn)。

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡的底部

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡的底部，面向太陽(yáng)的一面

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡的有效載荷

望遠(yuǎn)鏡的鏡片必須保持冷度，這樣才能對(duì)溫暖的物體發(fā)出的紅外光和熱十分敏感。如果“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡的反射鏡溫度過(guò)高，從遙遠(yuǎn)星系的微弱紅外光可能會(huì)丟失在鏡片本身發(fā)射的紅外光中。因此，“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡的反射鏡需要通過(guò)深冷低溫狀態(tài)或-379華氏度左右測(cè)試。

美國(guó)宇航局馬歇爾太空中心測(cè)試“韋伯”的鏡片

在測(cè)試過(guò)程中，鏡片浸泡到-415華氏度的極端溫度下，進(jìn)行冷卻鏡片改變形狀的實(shí)驗(yàn)，以確保鏡子在太空環(huán)境能夠保持正常形狀。

科學(xué)家一旦發(fā)現(xiàn)有誤差，將再次打磨，漸漸磨薄涂層。在低溫中測(cè)試表面溫度的變化，可以保證每一面鏡片在溫度范圍內(nèi)的空間形狀極為精準(zhǔn)。這有助于預(yù)測(cè)和更精確地獲取紅外圖像。

“韋伯”的成就將超越“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡和“斯皮策”太空望遠(yuǎn)鏡?！肮钡溺R筒只有2.4米直徑，而“韋伯”有6.5米直徑的大型和分段型的主鏡。“韋伯”發(fā)射后將位于地球-太陽(yáng)之間的L2拉格朗日點(diǎn)附近，在這兒，距離地球高度150萬(wàn)千米，地球、太陽(yáng)的引力與離心力平衡，使“韋伯”消耗盡可能少的燃料，保證可長(zhǎng)期飛行。

根據(jù)天體力學(xué)和太空動(dòng)力學(xué)原理，法國(guó)數(shù)學(xué)家約瑟夫·路易斯·拉格朗日在天體運(yùn)行軌道附近三分之一處，發(fā)現(xiàn)和計(jì)算出了5個(gè)特殊的引力平衡點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)與兩個(gè)天體都形成一個(gè)等邊三角形。后來(lái)，這些天體引力平衡點(diǎn)被命名為“拉格朗日點(diǎn)”，分別稱為：L1、L2、L3、L4和L5拉格朗日點(diǎn)。

日地系統(tǒng)的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)示意圖（不按比例）

拉格朗日認(rèn)為：任何雙星系統(tǒng)都有5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，如地日系統(tǒng)、地月系統(tǒng)等。在這些點(diǎn)上，兩個(gè)天體之間的萬(wàn)有引力與離心力剛好一樣大。小天體在這個(gè)點(diǎn)上相對(duì)靜止，飛行很穩(wěn)定很省力，所以“拉格朗日點(diǎn)”又稱為天平點(diǎn)、平動(dòng)點(diǎn)。“拉格朗日點(diǎn)”是太空探測(cè)器、太空望遠(yuǎn)鏡定位和觀測(cè)太陽(yáng)系的理想位置。在航天工程和太空科學(xué)上，“拉格朗日點(diǎn)”具有重要的實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)探索價(jià)值，也是國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)。

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”太空望遠(yuǎn)鏡

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”號(hào)(CHEOPS)是一架歐洲太空望遠(yuǎn)鏡，用于研究太陽(yáng)系的形成。它發(fā)射質(zhì)量300千克，有效載荷質(zhì)量58千克，尺寸1.5×1.5×1.5米，電力64瓦特，設(shè)計(jì)壽命3.5年，是歐空局“宇宙遠(yuǎn)景2015~2025”計(jì)劃中的第一個(gè)小型太空望遠(yuǎn)鏡。

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”裝載了一個(gè)32厘米口徑的里奇-克雷蒂安光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小衛(wèi)星平臺(tái)。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡焦距F/8，波長(zhǎng)330～1100毫微米。它的科學(xué)任務(wù)是檢查已知的過(guò)境外行星軌道和附近的衛(wèi)星。

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”的主要目標(biāo)是精確測(cè)量地面光譜測(cè)量已經(jīng)提供大量估計(jì)的外行星的半徑。如果知道行星的質(zhì)量和大小，科學(xué)家就可以確定它們的密度，從而決定它們的近似組成。例如，它們是氣態(tài)的，還是巖石的。“外行星衛(wèi)星探測(cè)”將是最有效的太空望遠(yuǎn)鏡，尋找已知的過(guò)境外行星，準(zhǔn)確確定半徑，從超地球行星到地球半徑六分之一的海王星質(zhì)量范圍的行星。

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”將由太陽(yáng)能電池板供電。這也是太空望遠(yuǎn)鏡遮陽(yáng)的一部分。它們將為有效載荷操作提供60W電力，并允許至少1.2兆字節(jié)/天的數(shù)據(jù)下行容量。

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)將在2018年底之前，在法屬圭亞那航天中心搭乘“聯(lián)盟”號(hào)火箭發(fā)射升空。它將運(yùn)行在近地點(diǎn)700千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)700千米的太陽(yáng)同步軌道上。

“外行星衛(wèi)星探測(cè)”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡

“歐幾里德”太空望遠(yuǎn)鏡

“歐幾里德”太空望遠(yuǎn)鏡是歐空局和歐洲各國(guó)組成的“歐幾里德”集團(tuán)正在開(kāi)發(fā)的近紅外太空望遠(yuǎn)鏡。它的任務(wù)目的是通過(guò)精確測(cè)量宇宙的加速度，更好地理解暗能量和暗物質(zhì)。暗能量被普遍接受為增加膨脹的宇宙加速。因此，理解這種關(guān)系將有助于改進(jìn)物理學(xué)家和天體物理學(xué)家如何理解它。

這架太空望遠(yuǎn)鏡以古希臘數(shù)學(xué)家亞歷山大·歐幾里德的名字命名?！皻W幾里德”的使命是推進(jìn)和補(bǔ)充歐空局的“普朗克”太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)探索。它是歐空局“宇宙遠(yuǎn)景2015～2025”科學(xué)計(jì)劃的一部分。

“歐幾里德”太空望遠(yuǎn)鏡

“歐幾里德”測(cè)量星系紅移

“歐幾里德”太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)暗能量

歐空局選擇了意大利的泰雷茲阿萊尼亞空間建造“歐幾里德”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡。它長(zhǎng)度4.5米，直徑為3.1米，質(zhì)量為2.16噸，有效載荷質(zhì)量0.855噸。“歐幾里德”的有效載荷由空客防御與太空公司管理。它包括一個(gè)“柯?tīng)柺蓖h(yuǎn)鏡，主鏡直徑1.2米，面積0.5平方度。平方度(deg2)是一種實(shí)體角度量單位，包括平方米和度。就像用度測(cè)量一個(gè)圓的部分一樣，平方度用來(lái)測(cè)量球體的各個(gè)部分。

2015年，“歐幾里德”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡通過(guò)了初步設(shè)計(jì)審查，完成了大量的技術(shù)設(shè)計(jì)，以及構(gòu)建和測(cè)試的關(guān)鍵組件。

“歐幾里德”號(hào)的發(fā)射日期計(jì)劃在2020年。它將從法屬圭亞那航天中心搭乘“聯(lián)盟”火箭發(fā)射升空。在30天的旅行時(shí)間后，它將穩(wěn)定地行駛在太陽(yáng)-地球“拉格朗日-L2”點(diǎn)周圍，大約100萬(wàn)千米的利薩茹路徑。

“歐幾里德”號(hào)的使命將持續(xù)至少6年。它將觀察大約1.5萬(wàn)平方度，或大約3個(gè)河外星系。這項(xiàng)調(diào)查將輔以額外的觀察，大約10倍深度指向2個(gè)不同的區(qū)域，位于接近黃道兩極和覆蓋20平方度。這2個(gè)區(qū)域?qū)⒃凇皻W幾里德”號(hào)整個(gè)期間定期訪問(wèn)。它們將被用作校準(zhǔn)領(lǐng)域，監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡和儀器的性能穩(wěn)定性，并產(chǎn)生科學(xué)數(shù)據(jù)，觀察宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系和類星體。

為了測(cè)量每個(gè)星系的光度紅移的精度，“歐幾里德”號(hào)的任務(wù)取決于在至少4種可見(jiàn)過(guò)濾器中獲得的額外光度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將從位于北半球和南半球的地面望遠(yuǎn)鏡獲得，以涵蓋“歐幾里德”號(hào)的全部1.5萬(wàn)平方度?！皻W幾里德”號(hào)觀測(cè)任務(wù)的每個(gè)星系都將獲得至少7種不同過(guò)濾器的光度信息，覆蓋整個(gè)460～2000nm范圍。

“歐幾里德”號(hào)觀測(cè)大約100億個(gè)天文天體，其中10億個(gè)天體將用重力剪切測(cè)量，精確度比今天使用地面望遠(yuǎn)鏡提高50倍。

“歐幾里德”號(hào)擁有巨大的體積、多樣性和高精度的量度，需要在數(shù)據(jù)處理方面有很大的注意和努力。這是一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)。多樣性包括：空間和地面，可見(jiàn)和近紅外線，形態(tài)測(cè)量，光度和光譜學(xué)。

歐空局、各個(gè)國(guó)家機(jī)構(gòu)和歐幾里德集團(tuán)正在花費(fèi)大量資源，在算法開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證程序、數(shù)據(jù)歸檔和數(shù)據(jù)等方面，建立了頂級(jí)研究人員和工程師團(tuán)隊(duì)。奧地利、比利時(shí)、丹麥、芬蘭、法國(guó)、德國(guó)、意大利、荷蘭、挪威、葡萄牙等100個(gè)實(shí)驗(yàn)室，羅馬尼亞、西班牙、瑞士、英國(guó)、加拿大和美國(guó)的1200人組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將對(duì)這一龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)開(kāi)發(fā)。

由于廣闊的天空覆蓋、億萬(wàn)恒星和星系的編目， “歐幾里德”號(hào)收集的數(shù)據(jù)的科學(xué)價(jià)值超出了宇宙學(xué)的范圍。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)將為世界天文學(xué)提供豐富的來(lái)源和目標(biāo)，為未來(lái)的任務(wù)提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

“歐幾里德”號(hào)探測(cè)星系

“小探險(xiǎn)家”太空望遠(yuǎn)鏡

“小探險(xiǎn)家”太空望遠(yuǎn)鏡

早在1989年，美國(guó)宇航局提出一個(gè)“小探險(xiǎn)家”計(jì)劃。它是一項(xiàng)小型太空探索航天器計(jì)劃，每個(gè)航天器費(fèi)用不超過(guò)1.2億美元。從1989年開(kāi)始至今，“小探險(xiǎn)家”計(jì)劃已經(jīng)研制、發(fā)射了14個(gè)航天器。

2017年1月3日，美國(guó)宇航局宣布∶“小探險(xiǎn)家”計(jì)劃開(kāi)發(fā)了一架X射線太空望遠(yuǎn)鏡，命名為“探險(xiǎn)家”成像X射線極化太空望遠(yuǎn)鏡，預(yù)定在2021年發(fā)射?！靶√诫U(xiǎn)家”成像X射線極化太空望遠(yuǎn)鏡（IXPE）是一顆X射線天文衛(wèi)星，又名“小探險(xiǎn)家-14”。

“小探險(xiǎn)家”太空望遠(yuǎn)鏡，采用“BCP-100”衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射質(zhì)量292千克，太空望遠(yuǎn)鏡焦距4米，波長(zhǎng)X射線，轉(zhuǎn)發(fā)器S頻段，設(shè)計(jì)壽命2年，費(fèi)用估計(jì)為1.88億美元。

“小探險(xiǎn)家”太空望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。2017年6月，各國(guó)為“小探險(xiǎn)家”號(hào)簽署了一項(xiàng)國(guó)際合作。意大利太空代辦處提供X射線極化探測(cè)器。美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行中心的科學(xué)家布勞恩·拉姆齊帶領(lǐng)研究人員，努力研制X射線望遠(yuǎn)鏡。其他合作伙伴包括：科羅拉多大學(xué)博爾德分校、斯坦福大學(xué)、加拿大麥吉爾大學(xué)和麻省理工學(xué)院。

“小探險(xiǎn)家”號(hào)是未來(lái)的太空天文臺(tái)，配備3臺(tái)相同的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，以測(cè)量宇宙X射線的偏振度。它的使命在于研究異乎尋常的天文對(duì)象和允許映射黑洞、中子星、脈沖星、超新星殘余、磁星、類星體和星系核活躍的磁場(chǎng)。

“小探險(xiǎn)家”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡裝載了兩大有效載荷：成像X射線極化系統(tǒng)、氣體像素探測(cè)器。

成像X射線極化系統(tǒng)：一套3臺(tái)相同的成像X射線極化系統(tǒng)，安裝在一個(gè)共同的光學(xué)工作臺(tái)上，并與航天器的指針軸協(xié)調(diào)。每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立地運(yùn)作，并且包括一個(gè)4米焦距太空望遠(yuǎn)鏡，聚焦X射線到意大利開(kāi)發(fā)的極化敏感成像探測(cè)器。焦距通過(guò)調(diào)節(jié)獲得。

“小探險(xiǎn)家”號(hào)穿越危險(xiǎn)和神秘

氣體像素探測(cè)器：利用極化光子產(chǎn)生的光電子發(fā)射方向的各向異性，對(duì)X射線在氣態(tài)介質(zhì)中相互作用的偏振態(tài)，進(jìn)行高靈敏度測(cè)量。此類同步輻射發(fā)射源的位置和能量依賴性偏振圖，將闡明X射線發(fā)射區(qū)域的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。X射線極化成像較好地表明了強(qiáng)電子加速度區(qū)域的磁結(jié)構(gòu)。氣體像素探測(cè)器能夠從周圍的星云發(fā)射或相鄰點(diǎn)源中解析點(diǎn)源。

“小探險(xiǎn)家”太空望遠(yuǎn)鏡將于2021年由美國(guó)軌道科學(xué)公司發(fā)射，預(yù)計(jì)運(yùn)行在近地點(diǎn)540千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)540千米、軌道傾角0°的軌道上，任務(wù)期2年。

“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡

“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡（PLATO）全名為“過(guò)境行星與振蕩恒星”太空天文臺(tái)。

2007年，科學(xué)家對(duì)歐空局“宇宙遠(yuǎn)景2015～2025”計(jì)劃的呼吁作出回應(yīng)，首次提議建造“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡。2009年，歐空局完成了評(píng)估，并在2010年5月進(jìn)入了定義階段。

2015年1月，歐空局選擇泰雷茲阿萊尼亞太空公司、空客太空系統(tǒng)公司和位于德國(guó)不來(lái)梅的OHB系統(tǒng)股份公司，同時(shí)研發(fā)“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)和子系統(tǒng)，并在2016年完成。2017年6月20日，歐空局在科學(xué)方案中選中了OHB系統(tǒng)股份公司研發(fā)的“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡。這意味著“柏拉圖”可以從藍(lán)圖轉(zhuǎn)變?yōu)樘罩械膶?shí)物了。

“柏拉圖”的主望遠(yuǎn)鏡采用多折射望遠(yuǎn)鏡，收集區(qū)域2250平方度，可見(jiàn)光譜波長(zhǎng)500～1000nm?！鞍乩瓐D”的有效載荷是基于多望遠(yuǎn)鏡的方法，包括24臺(tái)望遠(yuǎn)鏡相機(jī)，讀出節(jié)奏為25秒，加上2個(gè)快速攝像頭，工作節(jié)奏為2.5秒。照相機(jī)根據(jù)一個(gè)完全地屈光度望遠(yuǎn)鏡，包括6個(gè)透鏡；每臺(tái)相機(jī)擁有1100平方度視場(chǎng)，透鏡直徑為120毫米。每臺(tái)相機(jī)都配備了CCD焦平面陣列，包括4架CCD相機(jī)，4510×4510像素。

“柏拉圖”的24臺(tái)相機(jī)的視線偏移為9.2°角度。這種特殊的配置允許測(cè)量每臺(tái)相機(jī)獲得2250平方度的總視場(chǎng)。“柏拉圖”將每3個(gè)月環(huán)繞90°的平均視線旋轉(zhuǎn)，以便對(duì)同一地區(qū)的天空進(jìn)行連續(xù)調(diào)查。

“柏拉圖”的目標(biāo)是找到像地球這樣的行星，不僅研究它們的大小，而且還要研究可居住性的潛力。“柏拉圖”將搜尋30～100萬(wàn)顆行星和行星軌道，確認(rèn)行星誕生、形成和運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，“柏拉圖”確定了以下目標(biāo)∶

1、發(fā)現(xiàn)和描述大量接近的外行星系統(tǒng)，精確測(cè)量行星半徑、年齡和質(zhì)量；

2、太陽(yáng)型恒星周圍宜居區(qū)地球大小行星和超大行星的檢測(cè)與表征；

3、發(fā)現(xiàn)和描述大量的外行星系統(tǒng)，研究它們的典型體系結(jié)構(gòu)，以及它們對(duì)其宿主星和環(huán)境的屬性和依賴性；

4、測(cè)量恒星的振蕩，以研究恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及年齡的演變；

5、確定光譜測(cè)量的良好靶點(diǎn)，以研究外行星大氣。

歐空局預(yù)計(jì)：“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡將在2026年從法屬圭亞那航天中心發(fā)射升空。它將運(yùn)行在地球-太陽(yáng)的“拉格朗日-L2”點(diǎn)上。

“雅典娜”太空望遠(yuǎn)鏡

“雅典娜”高級(jí)太空望遠(yuǎn)鏡(ATHENA)是一架高能天體物理學(xué)太空望遠(yuǎn)鏡。它是歐空局未來(lái)的X射線望遠(yuǎn)鏡，大約發(fā)射時(shí)間為2028年。

“柏拉圖”太空望遠(yuǎn)鏡

2000年代初，歐美開(kāi)始了2個(gè)任務(wù)概念的太空望遠(yuǎn)鏡：歐空局的“X射線演變宇宙光譜”太空望遠(yuǎn)鏡，美國(guó)宇航局的“星座-X射線”太空望遠(yuǎn)鏡。2008年，這2項(xiàng)建議合并為美國(guó)宇航局、歐空局和日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的“國(guó)際”X射線太空望遠(yuǎn)鏡的聯(lián)合計(jì)劃。

2011年，由于資金問(wèn)題，主要是因?yàn)椤绊f伯”太空望遠(yuǎn)鏡的成本超支，美國(guó)宇航局退出“國(guó)際”X射線太空望遠(yuǎn)鏡。歐空局決定研制成本較低的X射線望遠(yuǎn)鏡，即“雅典娜”太空望遠(yuǎn)鏡。2012年，“雅典娜”希望入選了第一個(gè)L級(jí)“宇宙遠(yuǎn)景”計(jì)劃，但卻輸給了“木星冰衛(wèi)星”太空探測(cè)器。2014年，在進(jìn)行了一些修改以后，“雅典娜”被選為第2個(gè)L級(jí)“宇宙遠(yuǎn)景”計(jì)劃使命。

2014年6月27日，歐空局最后決定：重新啟動(dòng)“國(guó)際”X射線太空望遠(yuǎn)鏡。2014年7月16日，“雅典娜”高級(jí)太空望遠(yuǎn)鏡研制小組成立。2014年8月，硅孔光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行最初的振動(dòng)測(cè)試。歐空局的科學(xué)方案委員會(huì)將于2019年舉行會(huì)議，以便在同年開(kāi)工前對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全面審查和最后核準(zhǔn)。

“雅典娜”的發(fā)射質(zhì)量5525千克，凈質(zhì)量5038千克，電力5.556千瓦，設(shè)計(jì)壽命5年。“雅典娜”裝載了一架X射線望遠(yuǎn)鏡，焦距12米；X射線積分場(chǎng)單元；廣域成像儀。它的主要科學(xué)目標(biāo)是繪制熱氣體結(jié)構(gòu)，確定物理性質(zhì)，并尋找特大質(zhì)量黑洞。

“雅典娜”將比現(xiàn)有最好的X射線望遠(yuǎn)鏡——“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡和“牛頓”X射線太空望遠(yuǎn)鏡敏感100倍。

“雅典娜”太空望遠(yuǎn)鏡

歐空局“宇宙遠(yuǎn)景”計(jì)劃概念圖

“雅典娜”太空望遠(yuǎn)鏡透視特大黑洞