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WFIRST-AFTA:拍摄系外行星并应对宇宙难题的空间望远镜

时间:2018-10-11 11:27 来源:未知 作者:admin

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编辑:Loura Hall  原文来自:  Posted: 2015. 10. 20

编译:Melipal  审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

我们都希望有能力一窥未来。

而这正是NASA的宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)聚焦目标。这个任务概念的目的是回答系外行星探测与暗能量研究两大领域中的关键问题。

艺术家笔下的NASA宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)空间天文台。(图片提供:NASA/Goddard Space Flight Center)

美国国家研究委员会在2010年进行了题名为《天文学和天体物理学新世界与新视野》的研究,其中未来空间望远镜可能扮演的强有力角色得到了强调。这项研究为20世纪第二个10年的地面和天文学研究描绘了蓝图,它将WFIRST评判为优先级最高的大型任务。

NASA当前的计划要求WFIRST来进行范围相当广泛的科学研究:研究新发现的暗能量现象、测量宇宙加速膨胀的历史、完成NASA的开普勒空间望远镜开始的系外行星普查,并论证直接对系外行星进行成像观测并判断其特性的技术。通过进行这些研究,WFIRST将回答NASA的天体物理学计划提出的三大中心问题:

-宇宙的运作机制是什么?

-我们是如何来到这里的?

-我们孤独吗?

天作之合

WFIRST计划因一面太空级的2.4米望远镜获益良多。这台望远镜是数年前国家勘察办公室(NRO)提供给NASA的。现有的望远镜要比起初为WFIRST计划构思的概念望远镜大得多。

一些人将其称为 天作之合 。

来自NASA总部的WFIRST项目执行经理约翰 加戈西亚(John Gagosian)说: 作为一个机构,我们在自我询问,使用这架独特的望远镜能够做些什么。 他又补充说: 我们认识到,使用这面2.4米望远镜可以大大提升WFIRST的角分辨率,由此我们可以得到很多科学方面的改进。

结合有待研发的星冕仪,WFIRST现在还有可能直接拍摄系外行星。加戈西亚指出: 这是一系列的偶发事件

这架2.4米望远镜名叫 聚焦天体物理学的望远镜资产 (AFTA),因此当前的任务概念名叫 WFIRST-AFTA 。

WFIRST-AFTA空间天文台的结构,最大的特征是口径2.4米的望远镜。(图片提供:NASA/Goddard Space Flight Center)

关注目标

系外行星的探测正在革新着行星科学。太阳系之外的行星数量正在迅速增加。现在环绕其他恒星运行的行星,存在得以确认的已经有将近2000颗,其中的许多都是由NASA搜索行星的开普勒空间望远镜发现的。

但是环绕类太阳恒星运行的类地宜居行星出现率如何?实际上,在宜居带内发现岩石行星会对未来空间的直接探测任务规划产生强烈的影响,这些任务要在其他地方搜寻系外行星。

WFIRST的一个核心科学目标就是使用 微引力透镜法 来探测行星。这项创新的技术通过行星引力对星光折射产生的影响来推测行星的存在。这种方法与开普勒空间望远镜使用的 凌星法 有所不同,因此WFIRST预计可以发现开普勒看不到的行星。

WFIRST将使用微引力透镜法搜索整个银河系内各行星系统寒冷的外围区域。科学家预计将探测到质量介于地球0.1倍到1万倍之间的行星。可能发现的行星有很大比例将是 超级地球 ,它们的质量约为地球10倍。

阻隔星光

微引力透镜法并非WFIRST搜索系外行星的唯一手段。

大型AFTA望远镜的性能让NASA增加了一台星冕仪,它可以直接拍摄系外行星或尘埃盘。WFIRST使用星冕仪预计可以采集到其他行星系中的行星影像,并研究这些行星的大气组分。

关于WFIRST-AFTA的工作正在就成熟的适航技术与成本控制措施之间取得平衡。这项任务有一个 超值 的估价提议。此外WFIRST-AFTA设计上是可以进行自动维修的。

星冕仪要非常精确地阻隔星光,因为不这样做的话,主星的星光就会将周围环绕的行星迹象淹没掉。加戈西亚说: 我们在谈论的是一颗比周围的行星明亮10亿倍以上的主星。在星冕仪中,我们需要让需要的光子通过,而阻隔不需要的光子。

星冕仪阻隔星光的必要要求极富挑战性,它要使用不同的遮掩手段,还要用到一面由计算机控制的可变形反射镜。但是如果WFIRST星冕仪的表现达到了设计目标,它就可以拍下邻近类太阳恒星周围超级地球以及类海王星行星的图像,并确定它们的大气特性。

成熟度

WFIRST星冕仪的领导者、来自加州帕萨迪那(Pasadena)NASA喷气推进实验室(JPL)的Feng Zhao称,这台仪器的技术投入来自NASA科学任务理事会(SMD)与空间技术任务理事会(STMD)的合作。

WFIRST星冕仪的资金催成了未来空间望远镜设计所需的直接成像技术,而这些望远镜现在还处在规划期。NASA 催熟技术 的能力是以高技术就绪程度(TRL)来衡量的,这个衡量系统用于评价某项技术的研发阶段。

Zhao指出: WFIRST的星冕仪毫无疑问正在论证着新的技术 这是向前的一大步。 这台高科技星冕仪是由专家从一系列候选概念中向下选择而出的,它的相关工作正在进行中,一步步地走过了各项里程碑。

Zhao说: 星冕仪被视作是技术验证。它将为未来的任务铺路。现在就是研究这种富有挑战性的技术的黄金时代。

开发进度

Zhao称,当前最先进的星冕仪与未来测定真正的类地行星性质所需的仪器之间存在不小的差距。因此缩小差距最好的办法是发射一台中等性能的星冕仪,就比如是WFIRST-AFTA搭载的这台。

作为第一台在太空中工作的高对比度星冕仪,Zhao称当前的努力正在让它沿TRL的轨迹成熟。他解释说,从星冕仪在2014年得到规划以来,整个过程共有9个里程碑式的事件来跟踪技术研发的进展。

Zhao补充说: 我们已经取得了良好的进展,而我对来自JPL和其他众多机构敬业而努力的小组也感到自豪。

技术与方法

加戈西亚说: 我对WFIRST-AFTA可能为科学界以及公众带来大量新知的潜力非常高兴。

WFIRST-AFTA将革新我们对宇宙膨胀、星系的形成和演化,还有系外行星的诞生以及大气组分的认识。

加戈西亚解释道: 首先的第一点,我看到WFIRST是一个极为有希望的任务,将帮助我们理解宇宙的物理和起源。 他指出,这架空间天文台还提供了论证技术的绝佳机会,而这样的技术可能会让未来的任务在太阳系之外发现生命的关键线索。

我们将去改进日后会用到的技术和方法,也许日后会有一架更大的航天器专门用于研究这样的目标, 加戈西亚观察说。

加戈西亚称,WFIRST-AFTA将降低未来的技术所承担的风险。他总结说: 我们的任务就是确保这一计划以及其他后续任务的投资将使人类对宇宙的认知获益最大。

(全文完)

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