美国宇航局评估“先进技术大孔径空间望远镜”(ATLAST)的技术方案

艺术示意图：未来哈勃望远镜继承者的可能外观。目前，一个美国宇航局的研究组正在评估下一代大型空间望远镜项目“先进技术大孔径空间望远镜”(ATLAST)的技术方案

评估项目组的部分专家合影，地点是在美国宇航局戈达德空间飞行中心

（神秘的地球报道）据新浪科技（晨风）：物理学家组织网站报道，规划一个天体物理学旗舰项目一般会需要数十年的时间。

比如说著名的哈勃空间望远镜——被广泛认为是迄今最成功，当然也是最广为人知的望远镜项目，其最初提出是在上世纪40年代。而它的开发工作是在1970年代进行的，而直到1990年才终于发射升空。与之相似，詹姆斯·韦伯望远镜将会在2018年发射升空，距离其最初方案的提出已经过去了23年之久。而如果得到政府批准，目前正处于规划阶段的新一代“广域红外空间望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”(WFIRST-AFTA)将会在2020年代中期发射。而有关这一项目最初方案的提出还是在2000年前后。

考虑到从规划到实际发射之间漫长的间隔期，现在就应该着手规划未来的旗舰项目了。对此，美国宇航局的科学家和工程师们有着广泛的共识。

下一代先进空间望远镜

近期，美国宇航局位于马里兰州戈达德空间飞行中心的科学家与工程师们正在就研发哈勃以及詹姆斯·韦伯望远镜之后的新一代空间望远镜项目进行探讨，包括其应当具备的科学与技术指标以及成本预算等。这一设想中的望远镜名为“先进技术大孔径空间望远镜”(ATLAST)，该项目方案是在哈勃与韦伯望远镜的技术基础之上进行开发的。

ATLAST 项目科学家，韦伯望远镜项目组成员马克·克兰平(Mark Clampin)表示：“理论上说，ATLAST将会充分利用在詹姆斯·韦伯望远镜项目中发展起来的先进技术，如可在空间展开的大面积拼合式镜面技术。”

参与项目研讨的还有来自马里兰州巴尔的摩空间望远镜研究所，加州喷气推进实验室，以及亚拉巴马州亨茨维尔马歇尔空间飞行中心的一些世界级的科学与工程领域的专家。

事实上美国宇航局在其近日公布的一份名为《永恒探寻，大胆想象》的30年天体物理学展望报告中便设想了一种与ATLAST类似的项目。戈达德空间飞行中心天体物理概念高级科学家，ATLAST研究科学家哈里·特洛森(Harley Thronson)表示：“当然，人们希望哈勃和詹姆斯·韦伯望远镜能够在轨道上工作很多很多年，但我们必须向前看，发展新一代的望远镜与相关技术设备，以便回答在这份30年规划中所提出的问题。”

这一调研阶段过后，还将接着经过设计可行性研究，科学可行性研究以及技术方案研究阶段。随后这些报告将会被提交美国国家研究委员会(NRC)，以供后者编制其2020年版的《天体物理学十年展望》报告。在这份报告中该委员会将会提出未来十年内应当列入优先的研究领域，应当优先进行的观测，以及应当优先发展的项目。这份报告的编制将会大量征询天文学界的意见并代表了美国宇航局在优先方向上达成的某种共识。

不同的科学目标

詹姆斯·韦伯空间望远镜常常被誉为是哈勃空间望远镜的继承者，尽管两者的科学目标并不尽相同。詹姆斯·韦伯望远镜将会装备一台口径21英尺(6.5米)的拼接式主镜面。它将会被部署在距离地球约100万英里(150万公里)的深空，在那里观测深邃的宇宙，探寻星系的诞生与演化，以及恒星与行星的形成过程。韦伯望远镜上装备的4台科学载荷覆盖了从可见光一直到中红外波段的广泛范围，从而使其成为观测宇宙中遥远目标，或是观测银河系内部被气体尘埃云隐匿起来的目标时的强大工具。

而WFIRST-AFTA，根据目前的设计，将会搭载一台口径8英尺(约合2.4米)的主镜面，其科学载荷将包括一台成像仪以及一台无缝光谱仪，用于开展对暗能量的研究。暗能量是一种神秘的能量形式，其弥漫于整个空间，并被认为造成了我们宇宙的加速膨胀。另外它还将携带一台日冕仪，这将使其得以拍摄到太阳系外气态巨行星或是围绕其他遥远恒星尘埃盘的直接图像。

克兰平表示：“ATLAST的一项重要卖点就是它将可以探测到围绕其他恒星运行的与地球类似的行星大气中生命存在的痕迹。”尽管其他大型望远镜将可以拍摄系外行星中那些个头较大的气态巨行星，但ATLAST拥有无可比拟的在大气中检测化学成分的能力。

ATLAST设备的超大镜面当然也将为其他方面的科学应用提供条件。除了详细研究恒星和星系的形成，ATLAST还将可以从距离超过1000万光年外的星系中分辨出单颗的恒星，或是识别出整个宇宙中任何大小超过100个秒差距(1秒差距=3.26光年)的恒星新生区。

通用模块化设计，良好可维护性

为了完成这些科学任务，根据设计将成为与哈勃相类似的那种长寿命空间望远镜平台的ATLAST将在紫外，可见光以及近红外波段对天体进行观测。

戈达德空间飞行中心科学家朱利·克鲁克(Julie Crooke)表示：“ATLAST的特点之一是其设计中体现了模块化和可维护性思想，这与哈勃空间望远镜是一致的。”设计者会将这台空间设备设计成可以进行后续升级的模块化组合体，从而可以根据预算和科学目标的不同进行升级调整。他说：“可维护性是哈勃望远镜与迄今所有其他空间设备之间的最大区别之一。”

为了达成预定的科学目标，这台望远镜必须在热力学以及机械方面达到极高稳定性，这也是为何按计划它将被安置在位于太阳与地球之间的第二拉格朗日点(L2点)上的原因——这也是詹姆斯·韦伯空间望远镜的轨道位置。另外它还将配备日冕仪，用于遮挡明亮恒星的光线，这些光线会淹没其周围那些与地球大小相当的行星发出的暗弱光芒。但或许更加关键的点还在于，它的主镜口径之大将是前所未有的，甚至超过了詹姆斯·韦伯空间望远镜的主镜面大小——它也将因此成为美国宇航局送入太空的最大望远镜镜面。

而现在，研究组还在研究是否可以采用一款直径33英尺(10米)的玻璃或碳纤维拼接镜面，并且仍然可以将其“塞进”现有的发射载具之中，如果可行，那将有望进一步增加这款望远镜的口径，从而相应提升观测能力。研究组现在将希望寄托在美国的德尔塔-IV 重型运载火箭身上，这款火箭拥有强大的运载能力。

卡尔·斯塔勒(Carl Stahle)是一名戈达德空间飞行中心的工程师，其领衔的一个技术小组正在评估要将ATLAST设备送入太空所需要的技术手段。他表示：“相比哈勃望远镜，这款望远镜镜面的集光能力将提升17倍。”他们最终的评估结果将提交给国家研究委员会(NRC)，从而证明美国宇航局已经对该方案的所需技术及相应风险进行了充分评估与了解，并正逐步对方案进行完善。

与詹姆斯·韦伯望远镜一样，ATLAST也将会采用拼接式镜面，以折叠形式放在火箭整流罩内发射升空，随后在太空中再行展开。在此过程中任务规划者们必须确保拥有足够成熟的技术，从而让所有的镜面组件能够精确拼接并保持稳定。要想拍摄系外行星及其光谱，技术上最大的挑战之一便是你必须建立一座极其稳定的天文台。ATLAST可以确保10分钟内波前误差稳定在10皮米(1皮米=10000亿分之一米)——这一水平将比詹姆斯·韦伯望远镜的技术提升1000倍。

技术继承

克兰平表示：“我们将继承在开发詹姆斯·韦伯望远镜的过程中得到的经验与技术，并在未来数年内继续研发主镜面组装技术，波前感应与控制，以及超稳定结构等方面的技术，从而达到预期的设计指标。”

斯塔勒同时也表示，美国宇航局此前已经在近红外探测器以及镜面喷涂技术上投入巨资进行研发，但他认为技术人员同样应当更加关注紫外波段探测器以及UV反射镜灵敏度的改进，这也将反过来进一步改善可见光以及近红外波段观测的表现。

在2010年版的《天体物理学十年展望》报告中，专家们建议美国宇航局加大在紫外波段观测技术领域的投入，以便为未来的大型空间观测项目奠定基础。而美国宇航局宇宙起源研究办公室也的确正在按照这一建议在这一方面加大资源投入。克兰平表示：“通过这些持续的努力，ATLAST在紫外波段的观测能力将大大超越此前的其他项目，从而在紫外以及可见光波段宇宙观测中获得高表现。”

特洛森表示：“ATLAST将达成关键性的重要科学目标，这些科学目标将是无法使用地基望远镜或是任何其他规划中的望远镜设备来完成的。而现在正是为未来进行规划的时候。”