可能要被取消了,NASA计划用间谍望远镜研究暗能

2019-10-21 08:16栏目:奥门新萄京娱乐场
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有史以来最重要的暗能量探测项目很可能要被取消了。

NASA计划用间谍望远镜研究暗能量

这个恐怕已经命不久矣的项目叫做宽视场红外巡天望远镜(Wide Field Infrared Survey Telescope,简称WFIRST,读作“W-first”)。虽然直到两年前WFIRST才在美国宇航局(NASA)正式立项,但这台命途多舛的望远镜身上,寄托着宇宙学家们20年的心血和期待。

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图片 2WFIRST的艺术想象图。图片来源:www.nasa.gov

本报讯 曾有两架望远镜被设计用来在太空中俯视地球以搜集情报。如今,美国宇航局希望能够重塑这些设备,进而用其来研究暗能量、太阳系外行星,以及其他大量天文学课题。

让我们从20年前说起……

1998年,两个美国的研究组通过分析超新星数据,各自独立地发现了宇宙在加速膨胀(这背后的故事精彩纷呈,足以拍一部电影,以后有空我们再细讲)。这是继埃德温·哈勃于1929年发现宇宙膨胀以来最重大的宇宙学发现,它也让三位科学家获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

图片 3从左至右依次为这三位诺贝尔物理学奖获奖者:索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)、布赖恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)。图片来源:Wikipedia

这个发现意味着我们的宇宙很可能由一种非常神秘的成分主宰,那就是所谓的暗能量

而且这个暗能量有三大特点:

  1. 它是暗的。

  2. 它会产生斥力。

  3. 它在宇宙中均匀分布,不会成团。

一般认为,暗能量是一种真空的能量,其密度极小,每立方厘米的质量约为10万亿亿亿分之一克,以致于我们在宏观尺度上完全无法感知它的存在;但放眼整个宇宙,暗能量将聚沙成塔,变成了统治整个宇宙的力量(最新的天文观测表明,暗能量约占宇宙中总物质组分的68%)。

图片 4目前已知在整个宇宙中,常规物质(Ordinary Matter)占4.9%,暗物质(Dark Matter)占26.8%,暗能量(Dark Energy)占68.3%。图片来源:arstechnica.com

暗能量有一个最关键的物理量,那就是它的状态方程w。w的大小将决定宇宙的最终命运。如果在未来,w的值变得小于-1,宇宙就会遇到一个被称为“大撕裂”的末日,到时宇宙中所有的结构,无论是银河系、太阳系、地球,还是我们本身,都会从内部被幻影暗能量撕碎,就连原子都不能幸免;反之,如果w的值永远都大于等于-1,宇宙就会一直膨胀下去。所以,只有弄清楚暗能量的本质,我们才能知道宇宙的最终命运,进而回答“我们将往何处去?”的终极问题。

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这些望远镜最初由负责管理美国间谍卫星的国家侦察局部署,但最终发现竟是多余的。去年夏天,NRO将这些剩余的设备——每个都有哈勃空间望远镜般大小,均为2.4米——作为礼物送给了NASA。在过去的几个月中,NASA的官员以及一个天文学家小组已经设计了一项初步计划,以便将这些望远镜转化为宽视场红外巡天望远镜计划的一个组成部分。

观测暗能量,没那么简单

进入21世纪以后,天文学家又通过其他观测技术进一步确认了暗能量的存在。

图片 6几种能够用来观测暗能量的技术。供图:王爽,来自王爽的果壳科学人直播专栏

但是当前的暗能量观测面临着一个很大的问题:不同的暗能量观测是用不同的望远镜完成的。这种状况有点像盲人摸象:一个望远镜只能完成一种暗能量观测,而一种暗能量观测又只能触碰到暗能量的一个局部;很明显,这样我们就无法看到暗能量的全貌了。

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所以早在21世纪初,一些宇宙学家就提出要建造一个专门用于研究暗能量的望远镜,能够完成所有的暗能量观测。这样一来,我们就能同时看到暗能量的多个局部,进而拼凑出暗能量的全貌。

这些人的努力最后汇聚成了一个项目,那就是WFIRST的前身——联合暗能量任务(Joint Dark Energy Mission,简称JDEM)。按照原始的设计,它将是一个1.5米口径、造价16亿美元的空间望远镜。

图片 8WFIRST将具有与哈勃望远镜相同的图像精度,但百倍于后者的视野范围。图片截取自NASA官网介绍WFIRST的视频,现在再看这个视频,有些伤感。图片来源:www.nasa.gov

2010年,美国科学院成立了一个十年调查委员会,以重要性和可行性为标准,对未来10年所要支持的天文观测项目做了一个排序。在这次排序中,JDEM受到了极高的评价,但同时委员会认为JDEM的造价太高,花这么多钱却只研究一个暗能量,有点不划算。所以,他们就把JDEM和另一个探测太阳系外行星的项目拼在了一起,形成了一个全新的项目这就是WFIRST的由来

顺便一提,WFIRST这个名字起得还是挺讲究的。前面说过,“W”代表暗能量的状态方程,而“FIRST”则是英文中第一的意思。所以,尽管被迫和探测太阳系外行星的项目绑在了一起,JDEM的成员还是向外界传达出了“暗能量优先”的理念。

在十年调查委员会的总结报告中,WFIRST被列为了空间探测项目的第一名。换言之,它成了未来10年最重要、也是优先级最高的空间探测项目。虽然有这么高的起点,但是WFIRST却相当时运不济,迟迟无法获得任何财政支持。这是因为之前立项的另一台望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,简称JWST)太过昂贵,占用了NASA太多的资源。

直到2016年2月17日,WFIRST才终于正式立项。如果一切顺利的话,这个2.4米口径的空间望远镜,将于本世纪20年代中期上天。它将让人类有能力以前所未有的精度,来研究暗能量的性质,进而探究宇宙的终极命运。

但问题就出在这个“如果”上。

WFIRST旨在研究暗能量和太阳系外行星,但由于其预计耗资15亿美元以及NASA预算的紧缩,导致该局已经排除了在本世纪20年代中期之前部署WFIRST的可能性。如今,NRO的礼物重燃了激活WFIRST的希望。这两台仪器目前被放置在纽约州罗彻斯特市的一间无尘室中,且每年将使NASA付出10万美元的储存成本。

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