在漂浮于我們頭頂?shù)?8000 多個人造飛行物之中，哈勃望遠(yuǎn)鏡大概是最傳奇也是知名度最高的一個。
哈勃望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想最早可以追溯到 1946 年，天文學(xué)家萊曼·斯皮策提出太空建設(shè)天文臺可以觀測到更多被大氣層吸收的紅外線和紫外線，并且觀測的極限更高。
建設(shè)經(jīng)歷了近半個世紀(jì)的設(shè)計(jì)與制造，哈勃望遠(yuǎn)鏡終于在 1990 年 4 月 24 日由發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)送入距離地面 600 公里的軌道，一直工作至今。
《創(chuàng)世之柱》，由哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝合成最著名的照片之一
31 年間，目前基于哈勃觀測的信息已經(jīng)累計(jì)產(chǎn)出了 17000 多篇論文，從暗能量到外星球再到黑洞，哈勃望遠(yuǎn)鏡幫助天文學(xué)家解開了宇宙一個又一個的秘密，充當(dāng)著人類雙眼的角色。
服役至今，哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)歷過 5 次人工維護(hù)，大大小小的軟件故障更是不計(jì)其數(shù)。
在今年 6 月，哈勃望遠(yuǎn)鏡就因?yàn)橄到y(tǒng)故障而暫停工作，切換至備份系統(tǒng)；10 月 26 日，哈勃望遠(yuǎn)鏡因?yàn)閮?nèi)部通信問題，進(jìn)入了安全模式。
這臺原計(jì)劃工作至 2013 年的「太空之眼」還能堅(jiān)持多久？天文學(xué)家們目前還不能給出確切的答案，但可以肯定的是，年邁的哈勃已經(jīng)差不多要休息了。
為了看到更廣闊的宇宙，科學(xué)家認(rèn)為需要盡快給哈勃找到一個「繼任者」。
宇宙還有別的生命存在嗎？下一個適宜地球人居住的星球在哪里？這些小時候在《十萬個為什么》上讀到的問題，科學(xué)界至今仍未找到答案。
好消息是，這些問題很有可能是 NASA 未來 10 年天文學(xué)工作的重點(diǎn)。
美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)研究院在上周發(fā)布了名為《2020 年天文學(xué)和天體物理學(xué)十年調(diào)查》（Astro2020）的調(diào)查報(bào)告，其中提到未來 10 年美國天文學(xué)優(yōu)先考慮的三大研究主題分別為：尋找可能宜居的系外行星、了解黑洞和中子星的奧秘和研究星系的形成和演化。
依靠現(xiàn)有的觀測裝備，想要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)并非易事，例如在尋找潛在的宜居系外行星時，由于鄰近的恒星通常比行星明亮上百億倍，黯淡的行星很容易被其光線遮蔽，影響觀測。
所以，想要完成如此宏大的研究目標(biāo)，天文學(xué)家的首要任務(wù)就是「升級裝備」，這也是 Astro2020 的重點(diǎn)規(guī)劃之一——建造一個超越哈勃望遠(yuǎn)鏡的新型巨型望遠(yuǎn)鏡。
計(jì)劃提到，NASA 將要資助并建造一個體積比哈勃望遠(yuǎn)鏡大得多，并且同時配備了紫外線、可見光和紅外線探測儀的新型望遠(yuǎn)鏡，估計(jì)耗資 110 億美元，理想情況下在本世紀(jì) 40 年代初投入使用。
新型望遠(yuǎn)鏡將會配備日冕儀等裝備，這樣在觀測系外行星時可以有效地減少附近恒星的光線干擾，以進(jìn)行更進(jìn)一步的觀測工作。
凱克天文臺的首席科學(xué)家 John O’Meara 在接受 Axios 采訪時簡要地介紹了這個宏大的行星探索計(jì)劃。
在接下來的 10 年里，科學(xué)家需要搜索 100 顆甚至更多的類似于太陽的恒星，根據(jù)環(huán)繞的行星軌道篩選潛在的宜居行星。
接著，天文學(xué)家對可能性最高的 25 顆行星進(jìn)行光譜分析，研究其大氣成分以及是否有生命跡象。
新型的望遠(yuǎn)鏡在這時將發(fā)揮出重要的作用，通過系外行星反射的光線，科學(xué)家可以計(jì)算出其大氣層的化學(xué)成分。如果大氣中有著氧氣、甲烷和水等成分，那么這顆行星就很可能可以孕育生命。
「當(dāng)我們看到宇宙中除了人類以外的第一個生命跡象，看到遙遠(yuǎn)世界的生命痕跡，人類在宇宙中的位置就會發(fā)生根本性的改變」John O’Meara 在采訪中強(qiáng)調(diào)。
另一方面他還補(bǔ)充道，如果人類觀察了 25 顆、50 顆甚至 100 顆系外行星卻沒有任何發(fā)現(xiàn)，這也會在根本上改變對宇宙的看法。
由于這個觀測任務(wù)需要包括紫外線、可見光、紅外線等多種光譜的協(xié)同分析，建造一個新的大型望遠(yuǎn)鏡就顯得非常有必要。然而，從過去的種種經(jīng)驗(yàn)來看，這個新太空探索計(jì)劃大概率不會一帆風(fēng)順。
康普頓伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡
在 1990-2003 年之間，NASA 成功研制并發(fā)射了 4 顆大型空間望遠(yuǎn)鏡，分別是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、康普頓伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡（于 2000 年墜毀）、錢德拉 X 射線望遠(yuǎn)鏡和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡，這又被稱為大型軌道天文臺計(jì)劃。
錢德拉 X 射線望遠(yuǎn)鏡
大型軌道天文臺計(jì)劃將天文學(xué)研究推進(jìn)了一個時代，因?yàn)榧t外線、X 射線和伽馬射線很難穿透地球的大氣層，因此只能通過位于太空的空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察，每臺望遠(yuǎn)鏡都為各自的領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)。
1996 年，NASA 和歐洲航天局（ESA）以及加拿大航天局（CSA）開始合作開發(fā)下一代空間望遠(yuǎn)鏡，并以 NASA 第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名，預(yù)算為 5 億美元，計(jì)劃在 2007 年投入使用。
然而，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）的建造難度之大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 NASA 的預(yù)料，由于項(xiàng)目存在很多工程延誤和成本超支，JWST 在 2005 年進(jìn)行了重大的重新設(shè)計(jì)，發(fā)射時間一拖再拖，直到 2021 年 JWST 終于有可能發(fā)射。
原定于 2021 年 10 月 31 日發(fā)射的 JWST 因?yàn)榘Ⅺ悂喣?5 號運(yùn)載火箭的問題，將發(fā)射日期推遲到了 2021 年 12 月 18 日，如無意外，1 個月后這個歷時 24 年的重大項(xiàng)目將會迎來歷史性的突破。
JWST 常被外界視為是哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，但兩者的工作其實(shí)并不完全相同。JWST 的主要任務(wù)是觀測大爆炸理論的殘余紅外線，也就是觀測宇宙初期的狀態(tài)，因此它的形態(tài)和工作環(huán)境都和哈勃望遠(yuǎn)鏡有很大的不同。
首先是高度，相比于哈勃望遠(yuǎn)鏡 600 公里的軌道高度，JWST 要遠(yuǎn)得多，距離地球最近時（近拱點(diǎn)）也要 374000 公里，最遠(yuǎn)時（遠(yuǎn)拱點(diǎn)）可達(dá) 150000 萬公里。
這是因?yàn)?JWST 的鏡片必須保持在低于 50K（?220 °C）的環(huán)境下工作，為了維持低溫，JWST 設(shè)計(jì)了 5 層能夠抵擋約 300 °C 的遮光罩，以遮擋太陽和地球反射的光線。
從外觀來看，JWST 幾乎就由這巨大的鏡片和遮光罩組成，其主鏡的直徑達(dá)到 8 米，鏡面面積是哈勃望遠(yuǎn)鏡的 5 倍以上，而遮陽罩的面積則相當(dāng)于一個網(wǎng)球場。
要讓如此龐大的結(jié)構(gòu)在太空中準(zhǔn)確和安全地釋放、展開，是一個巨大的難題。NASA 的工程師 Mike Menzel 在新聞發(fā)布會提到，JWST 的太陽盾展開將會是最為復(fù)雜的一次部署任務(wù)，有超過 300 種失敗的可能。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，JWST 預(yù)估最耗費(fèi)高達(dá) 96.6 億美金，遠(yuǎn)超計(jì)劃的預(yù)算。不少天文學(xué)家擔(dān)心，由于 JWST 長期拖延并且嚴(yán)重超預(yù)算，新的望遠(yuǎn)鏡建設(shè)可能很難得到再資金支持。
但從另一個角度來看，問題百出的 JWST 也留下了不少寶貴的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
在 Astro2020 報(bào)告中就總結(jié)了不少了 JWST 的開發(fā)教訓(xùn)，提出了 4 個更為細(xì)致的任務(wù)概念，新望遠(yuǎn)鏡的開發(fā)計(jì)劃要比當(dāng)初的 JWST 更為完善。
如果計(jì)劃開展順利，人類對于宇宙的認(rèn)知將會再度迎來一次飛躍。宇宙是否存在外星生命？這個問題的答案很可能在這個世紀(jì)內(nèi)揭曉。
本文來自微信公眾號“愛范兒”（ID:ifanr），作者：黃智健，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
