NASA擬以百億美元建新望遠鏡 尋找外星生命

天文學家總是在尋找下一個大目標。在美國天文學會於1月8日至12日舉行的年會上，研究人員擠進了一個只能站立的會議室，聆聽關於韋伯望遠鏡之後下一個宏大天文望遠鏡的計劃。韋伯太空望遠鏡（JWST）長6.5米，自2022年開始，由於它的成功運行，美國太空總署（NASA）準備建造一架與它一樣大的望遠鏡，以尋找類地行星上的生命跡象。不過這個新的望遠鏡也許要等到2040年代初才能建成。

NASA天體物理學部主任馬克克萊賓（Mark Clampin）告訴聽眾，關於這架望遠鏡的事情尚無定論，但他所說的話仍讓研究人員著迷：望遠鏡將像韋伯一樣，位於拉格朗日點L2，一個距離地球150萬公里的引力平衡點。與韋伯不同的是，它專為機器人維修和升級而設計，這可能使其能夠運行數十年之久，並隨著年齡的增長而變得更好。因為目前尚沒有專門的預算，克萊賓說NASA還不能在設計和技術上取得太大進展。但他已經為望遠鏡起了一個名字：「宜居星球觀測天文台」（Habitable Worlds Observatory，簡稱HWO）。

夏威夷凱克天文台（W.M.Keck Observatory）首席科學家約翰奧米拉（John O'Meara）說：「看到它真正發生，我真的、真的很興奮。」「其可維護性將具有巨大潛力，」NASA戈達德太空飛行中心的阿基羅伯格（Aki Roberge）說。「它基本上創建了一個「位於L2的山頂天文台。就像地球上的望遠鏡一樣，可以保留鏡子和結構，同時換上越來越複雜的儀器。」她說。

HWO不會成為繼韋伯之後的下一個旗艦級別的太空望遠鏡。那個位置已經被NASA計劃於2027年發射羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Observatory）所佔據，它是一個2.4米大的望遠鏡，用來尋找暗能量和系外行星。不過，NASA通過HWO計劃，正在實現一份由天文學界所主導的願望清單，這個清單為資助機構和立法者提供指導，而HWO就位於這份清單的首要位置。

天文學界在一份2021年11月發表的報告中，呼籲NASA重啟其「大型望遠鏡計劃」（Great Observatories program），該計劃在1990年代和2000年代初發射了哈勃太空望遠鏡和其它幾個望遠鏡。而作為重啟此宏偉計劃的第一步，就是建造一個價值110億美元、對紫外線、光學和近紅外波長敏感的6米大的望遠鏡。這個望遠鏡除了進行一般天體物理學研究之外，還必須能夠檢測附近25個類似地球的系外行星上的生命跡象——這是從統計學上確認生命在銀河系中是否普遍存在的最低要求。

NASA過去曾提出過兩個望遠鏡的方案：HabEx和LUVOIR。HabEx原計劃擁有一個4米大的單片鏡子，以及一個漂浮在距離望遠鏡十萬多公里外的機械星罩來屏蔽系外行星系統的主恆星發出的光線，以便可以直接觀測該行星。LUVOIR則是一個15米寬的多用途天文台，建立在韋伯的分段鏡面技術之上。雖然分段鏡面無法產生像單片鏡面那樣清晰的圖像，但可以折疊，從而在火箭最頂部的整流罩的有限空間內可以承載更大的望遠鏡。

然而天文學界所希望的並不是這兩個方案，而是介於HabEx和LUVOIR之間的一個新選擇：HWO。

HWO「不包含任何HabEx或LUVOIR兩個計劃所沒有考慮過的新技術。」哥倫布市俄亥俄州立大學的斯科特高迪（Scott Gaudi）說，他是HabEx的設計者之一。

但克萊賓表示，NASA將對HWO採取保守態度，以避免像韋伯那樣的成本超支和時間延誤。韋伯項目需要許多未經驗證過的技術，通常這些技術的完善時間要長於預期。

對於新望遠鏡，NASA將利用已經開發或正在開發中的技術，包括韋伯已經使用的分段鏡和羅曼太空望遠鏡的日冕儀（coronagraph）。日冕儀是望遠鏡內的一種光學設備，可以阻擋恆星的光線，從而使微弱的系外行星可以被看到。NASA還將設立一個「大型望遠鏡技術成熟計劃」（GOMaP），為HWO完善這些技術，也為後續的大型望遠鏡做類似的準備工作。

例如，由於HWO將使用比韋伯捕獲的紅外光波長更短的光學光段，因此HWO需要對鏡子的形狀進行更嚴格的控制。它的形狀需要完美地將誤差縮小到1皮米（picometer）的水平，1皮米是1米的百萬分之一的百萬分之一，而韋伯的誤差則為1米的百萬分之一的千分之一。

HWO還必須改進羅曼望遠鏡的日冕儀，它可以阻擋比其行星亮1億倍的恆星的光。HWO需要的日冕儀則需要能阻擋亮度高100億倍的恆星光線。一個關鍵是抑制雜散光，這可能需要HWO周圍有一個圓柱形擋板，類似於哈勃望遠鏡周圍的擋板。這將保護它的鏡子免受已經襲擊韋伯望遠鏡的那種微隕石的影響。微隕石撞擊後鏡子中的每個凹坑都會產生雜散光。

一些天文學家稱，邊緣比分段鏡子少的單片鏡子散射的光會更少——這可能會促使NASA採用更像HabEx的設計。但克萊賓表示，最近的研究表明，日冕儀也可與分段鏡一起使用。「這些並非解決不了的問題，」LUVOIR 團隊成員奧米拉說。他更喜歡分段設計，因其允許工程師在需要的情況下將鏡子做得更大，而不會遇到火箭整流罩的空間限制。

有能力對旗艦望遠鏡進行維修可能標誌著NASA的一大改變。哈勃望遠鏡也是可以維修的，由近地軌道上的航天飛機宇航員來做，但費用高昂。克萊賓說，未來的任務將利用私營公司來完成，這些公司開發的機器人對NASA的Artemis月球探測計劃提供維修服務。

他說，「機器人服務是HWO體系結構和理念的一部份」，並補充說，L2的額外距離「不是一個很大的挑戰」。除了通過安裝新儀器來延長其壽命——就像為哈勃所做的那樣——維修還能激發出開發的靈活性。比方說，如果某台儀器在發射時尚未搞定，則可以稍後追加上去。延長儀器的壽命對出資者來說也很好。「這讓國會更容易接受。」奧米拉說。

國會也許是克萊賓面臨的第一個重大挑戰。

2022年12月，美國國會為2023年度NASA天體物理學研究撥款15.1億美元，比上年下降了4%。天體物理學是NASA四個科研部門中唯一一個獲得撥款減少的部門。由於缺乏資金來啟動「大型望遠鏡技術成熟計劃」（GOMaP），目前克萊賓正在挪用一些現有的技術開發資金來支持對望遠鏡不同設計的優劣進行比較的小型研究。

他說，此後他將「與利益相關者合作來調整資金使用」。他這個禮貌的說法意味著，為了讓HWO望遠鏡取得成功，NASA和天文學界需要讓國會也接受這個計劃。◇