畅想大型空间望远镜
Dr. Tony Phillips
译自Science@NASA, 2007年6月25日
2007年6月25日：NASA的下一代登月火箭仍处在设计图纸阶段。不过科学家已经开始设想与它有关的大东西了。
国际知名的光学工程师Philip Stahl供职于NASA马歇尔太空飞行中心，他说：“因体积或质量的原因不能被其他方式搞定的物体可以用战神（Ares）V型火箭发射。”也许他在说，我们应该用它“来发射大型空间望远镜”。
有多大呢？考虑下面这一点：战神V型火箭可以把差不多130000千克（284000磅，比20世纪60年代的土星火箭多上8%）的载荷送入环地低轨道。火箭的设计目标是将载荷送上月球，也足以运载口径大于8米的望远镜主镜。作为对比，哈勃的主镜口径是2.4米。
6至8米口径的空间望远镜将使哈勃空间望远镜相形见绌。其主要任务包括在深空中探测类地行星。（图片提供：NASA）
“典型的天体物理学家是如何工作的呢？”Stahl问道，“他在高山之巅建起巨大的望远镜，并用其工作几十年。为保证它不落伍，每隔几个月或几年，他要将仪器换下，或是进行其他升级工作。”哈勃空间望远镜的运行方式也与此类似，维修升级由航天飞机完成，而地球轨道的角色与山顶类似。
但Stahl想走到地球轨道之外，远远越过地球，到达日地之间的拉格朗日点L2上。
拉格朗日点基本可以认为是太空中的驻足点。如果你把航天器送到日地之间的拉格朗日点上，它会呆在相对太阳和地球确定的位置上。10世纪的数学家约瑟夫·拉格朗日证明，这样的点有5个，分布如下图所示。
日地拉格朗日点。点击图片可以查看L1至L5所有点的分布。（更多请点击，图片提供：NASA）
L1在从地球到太阳的连线方向上，距离地球150万千米。这是安放太阳望远镜的好位置。例如太阳和太阳风层探测器（SOHO）就位于这里，可以每周7天，每天24小时地监测太阳。
L2在相反的方向上，距离地球夜半球150万千米。L2的优点是，这里太阳、地球和月球只占据了一小块天区，使得该处的望远镜拥有观测深空的无遮挡宽视场。威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）驻扎在L2，最终其他望远镜会加入其中。
Stahl继续说道：“我们想在太空中的L2安置大批的望远镜。”那么“为什么不把它当成一座峰顶呢？”而真正位于山顶的设备所拥有的一切服务可以由望远镜的卫星巴士来提供。
因此，Stahl、空间望远镜研究所的Marc Postman以及空间科学界的其他同行正在朝着大处考虑。
战神V型火箭有望发射的设备从150米（492英尺）的射电望远镜天线到装有纯水的5米立方体容器，前者可以探测来自深空的私语，而后者周围包有光子探测器，可以通过宇宙线在水中撞击产生的光闪烁来对其进行检验。主镜口径大至8米（26英尺）的光学望远镜可以探索银河系和邻近星系中的星族，以寻找其演化史的“化石记录”。它还可以寻找“地球闪光谱”，这是太阳系外行星反射光中暗弱的生命迹象。
望远镜图象的分辨率将比哈勃的高上3倍以上。更为重要的是，由于镜面口径大了11倍，望远镜可以看到的天体也会比哈勃暗上11倍。
大型单镜面空间望远镜的剖面图，图中可见其内大部分地方都是空的，这给了设计者大量安放系统和仪器模块的空间。（图片提供：NASA）
现在，如此大的镜面仍是难以考虑的。人们把下一代詹姆斯·韦布望远镜（也要安放在L2）看作是通往未来大型空间望远镜的桥梁。其6.5米主镜将由精心折叠的几部分组成，一旦就位，可以精确对齐。但NASA的计划者预计，未来的战神V型火箭载荷可以大至12米（39.4英尺）。Stahl因此可以对镜面作疯狂的设想，就类似地基双子望远镜的8米（26.2）单面主镜那样。
在增大体积的同时，战神V型火箭还使风险降低了。Stahl解释说：“现今运载火箭的限制带来了技术性能、开支以及发射大量小型载荷的时间安排等方面的风险。”对大多数载荷来说，战神V型火箭的巨大体积和质量都使上述限制减小了。
同时他也注意到，维修是个关键问题。
“为什么要设计10至15年的使用寿命呢？”Stahl质问道。“让我们做设计，你可以定期换下仪器，用上50年。”交通问题——控制系统和设备都很小，替换件可以用更小的运载火箭运送，可以换上所有可拆卸的元件，开始新一轮的科学观测活动。
用Postman的话来说，这将“使L2成为天文学的终极山巅”。
译文登载在http://www.astron.sh.cn/yiwen/2007/yw070708-spacetel.htm
