未来4大巨型太空望远镜,相机可直接为系外行星

2020-02-29 作者:社会头条   |   浏览(180)

“暗黑”相机可直接为系外行星拍照

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科技日报北京5月21日电 据美国太空网近日报道,美国科学家开发出一款名为“暗黑”(暗斑近红外能量分辨超导分光光度计)的相机。他们表示,这是迄今最先进的相机,其依靠极灵敏的超导探测器收集来自遥远世界的光线,可直接对附近恒星周围的行星成像,在寻找另一个地球的伟大征程中“大展拳脚”。

2018年4月18日发射了一颗系外行星勘测卫星,5月9日,中国发射了世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星——高分五号。人们的注意力都集中在下一代太空望远镜上,这些望远镜将在未来几年内进入太空。这不仅包括目前计划于2020年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜,还包括将于本世纪30年代部署的其他先进航天器。

相机研发团队负责人、加州大学圣巴巴拉分校物理学家本·马金称,目前的光学和近红外望远镜上使用的是配备半导体探测器的相机,但半导体探测器有局限性,很难对光度微弱的物体——例如遥远的恒星及其附近行星成像,他希望基于超导探测器的“暗黑”相机可解决这一问题。

美国宇航局詹姆斯·韦伯望远镜将提供更多关于先前探测到系外行星的信息,2020年以后更多下一代太空望远镜将在其发现的基础上建造,图片NASA

马金解释说:“当一个能量超过1电子伏特的光子击中一个半导体探测器时,它会释放出一个电子;而在超导探测器中,可释放大约5000或10000个电子。由于可供测量的电子更多,超导探测器可完成半导体探测器无法做到的事情。”“暗黑”相机的新法宝——微波动能电感探测器可在只比绝对零度高一点的极低温度下工作。由铂硅化物制成的超导体类似电感器(将能量存储于磁场中的电子部件),它与电容器(以电场形式存储能量)结合,形成一个振荡器(能探测处于一定频率的信号的电路)。当光子撞击超导体时,它会改变振荡器的共振频率,测量这种转变,就可以确定光子何时到来以及它的能量。

这是2020年天体物理学的十年之际研究主题,其中包括目前正在研究的四个旗舰任务概念。当这些任务进入太空时,它们将会探测像哈勃、开普勒、斯皮策和钱德拉这样任务,但它们的灵敏度和能力会更强。因此将揭示更多关于宇宙和宇宙所拥有的秘密。

由于拥有这种灵敏度,1万像素的“暗黑”相机可通过探测附近恒星周围行星反射的光线,对行星直接成像。

正如所预期的那样,在2020年十年研究中所提出任务概念涵盖了广泛的科学目标——从观测遥远黑洞和早期宇宙,到研究附近恒星周围的外行星,以及研究太阳系的天体。这些想法经过科学界的彻底审查,有4个被选为值得追求。

迄今为止,这款相机已在5米口径的海尔望远镜上进行了四轮测试,研究人员计划今年年末在夏威夷一个8米口径望远镜上部署一款2万像素的相机。马金说:“我们希望8米口径望远镜与强大的自适应光学系统结合,能搜寻到更多行星,并首次在反射光线中看到行星。”

大型紫外线/光学/红外测量师太空望远镜,图片:NASA/GSFC

他也希望这一技术未来可用于30米口径望远镜上,读取附近恒星周围系外行星的反射光谱,并在这些天体的大气中寻找生命的蛛丝马迹。

正如NASA宇宙起源计划首席科学家苏珊·内夫在最近NASA新闻发布会上解释的那样:这是天体物理学的游戏时间,我们想要建立所有这些概念,但是我们没有预算同时做这四件事。这些十年研究的重点是给天体物理学界成员最好的信息,因为他们决定先做什么科学。

这四个选择的概念包括大型紫外线/光学/红外测量员,一个在哈勃太空望远镜传统中发展起来的巨型空间天文台。作为NASA戈达德太空飞行中心正在研究的两个概念之一,这个任务概念需要一个空间望远镜,它的直径约为15米。

詹姆斯-韦伯望远镜

相比之下,詹姆斯-韦伯望远镜的主镜直径为6.5米。就像JWST一样,LUVOIR的镜子将由可调整的部分组成,一旦它被部署到太空。执行机构和电动机将积极调整和调整这些区段,以达到完美的焦点和捕捉来自微弱和遥远天体的光。

借助这些先进的工具,LUVOIR能够直接成像地球大小的行星,并评估它们的大气层。正如研究科学家阿基·罗伯特解释的那样:这项任务雄心勃勃,但要知道太阳系之外是否还有生命是值得的。所有的技术高杆都是由这个目标驱动……物理稳定性,加上主镜的主动控制和内部日冕仪将会导致测量精度。

还有“起源太空望远镜”,这是戈达德太空飞行中心正在追求的另一个概念。就像斯皮策太空望远镜和赫歇尔太空望远镜一样,这个远红外天文台的灵敏度是之前任何远红外望远镜的1万倍。它的目标包括观察宇宙的最远端,通过恒星和行星的形成追踪水的路径,并在太阳系外行星的大气层中寻找生命迹象。

其主镜直径约9米,将是第一个主动冷却望远镜,保持其镜的温度约4 K和0.05 K温度探测器。为了实现这一目标,OST团队将依赖于太阳盾的飞行层、4个冷冻冷却器和一个多阶段连续的绝热消磁冰箱。

关于起源空间望远镜的概念图,图片:NASA/GSFC

据Goddard的科学家和OST的研究科学家Dave Leisawitz说:OST特别依赖于在数百万像素中测量的超导体阵列。当人们问及开发起源空间望远镜的技术差距时,我告诉他们前三种挑战都是关于探测器的。

具体来说,OST将依赖于两种新型的探测器:过渡边缘传感器或动力电感检测器。虽然仍相对较新,TES探测器正在迅速成熟,目前正被用于美国国家航空航天局平流层红外天文观测台的HAWC 仪器。

然后是由美国宇航局喷气推进实验室开发的可居住系外行星成象仪。像LUVOIR一样,这个望远镜也可以直接成像行星系统,用一个大的分割镜像来分析行星大气组成。此外还将研究宇宙历史上最早的时代,以及最大型恒星的生命周期,从而揭示出生命所必需的元素是如何形成。

和LUVOIR一样,HabEx将能够在紫外线、光学和近红外波段进行研究,并能够屏蔽掉母星的亮度,这样它就能看到环绕它的任何行星反射的光。正如美国航空航天局的专家尼尔·齐默尔曼所解释的那样:

为了直接成像一个围绕附近恒星运行的行星,我们必须在动态范围内克服一个巨大障碍:恒星势不可挡的亮度,与地球上星光暗淡的反射相比,只有一个微小的角度将两者分开。这个问题没有现成的解决方案,因为它与观测天文学中的任何其他挑战都不同。

可居住系外行星成像仪太空望远镜的概念图,图片:NASA/JPL

为了应对这一挑战,HabEx团队正在考虑两种方法,其中包括可以阻挡光线和内部日冕的外部瓣形恒星阴影,以防止星光到达探测器。另一种可能被研究的方法是将碳纳米管应用于日冕仪上,以改变仍然通过的衍射光的模式。

最后,但并非最不重要的是,x射线测量师被称为Lynx,由马歇尔太空飞行中心开发。在这四个太空望远镜中,Lynx是唯一一个用x射线检查宇宙的概念。利用x射线微热量计成像光谱仪,这个太空望远镜将探测到宇宙中最早的星系中心超大质量黑洞的x射线。

这项技术由x射线照片击中探测器的吸收器,并将其能量转化为热能,由温度计测量。这样Lynx将帮助天文学家解开最早超大质量黑洞是如何形成的。正如在Goddard的Lynx研究成员Rob Petre描述的任务:

超大质量黑洞的存在比我们目前的理论预测的要早得多。我们不理解如此巨大的天体是如何在第一批恒星形成后不久形成。我们需要一个x射线望远镜来观察第一批超大质量黑洞,以提供关于它们如何形成的理论解释。

x射线测量师太空望远镜的概念图,图片:NASA/MSFC

不管NASA最终选择了哪个任务,机构和个人中心已经开始投资先进的工具,在未来追求这些概念。4个小组在3月提交了他们的临时报告。预计到明年将完成国家研究委员会的最终评审报告,该报告将在未来几年向NASA提供建议。

新葡萄娱乐在线网站,作为美国宇航局天体物理项目办公室的技术开发经理,泰Pham表示:我不是说这很容易,它不会。这些都是雄心勃勃的任务,具有重大的技术挑战,其中许多是重叠并适用于所有的,好消息是现在已经奠定了基础。

随着苔丝的部署和詹姆斯-韦伯望远镜计划在2020年发射,未来几年的经验肯定会被纳入到这些任务中。目前尚不清楚,到本世纪30年代,以下哪一种概念将进入太空。然而在他们的先进仪器和从过去的任务中吸取的教训之间,我们可以期待他们对宇宙有一些深刻的发现。最后一句:NASA真是666啊

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