【博科园-科学科普】自从人类第一次把我们的目光转向天空就意识到我们存在的宇宙故事——宇宙的起源，今天存在的一切以及我们的最终命运——实际上是在宇宙中书写的。对宇宙真正的认识是它由什么组成的以及它是如何形成的，每一次我们都建立了更好的仪器来探测恒星、星系和太空的深度。哈勃太空望远镜给了我们一个巨大的飞跃，向我们展示了宇宙的样子，明年詹姆斯·韦伯(James Webb)将会给我们一个同样巨大的飞跃，将向我们展示我们的宇宙是如何变成这样的。
LUVOIR太空望远镜的概念设计将把它放在L2拉格朗日点，一个15.1米的主镜将展开并开始观察宇宙，给我们带来数不清的科学和天文知识。图片版权：NASA / LUVOIR concept team; Serge Brunier (background)
要想实现下一个巨大的飞跃，意味着要有远大的梦想，并寻求回答天文学今天所面临的最大问题。只有LUVOIR一种具有40倍于哈勃望远镜的观测能力的15.1米太空望远镜，敢于挑战人类来解决这些难题。
“行星九”是真的吗？如果是这样的话大多数地面望远镜，甚至是目前/未来的太空望远镜都很难想象出一个像素的价值。但LUVOIR即使在距离很远的地方，也能在世界表面揭示复杂的结构。图片：NASA / LUVOIR concept team
LUVOIR是一台巨大的紫外线、光学和红外线天文台的概念，它基本上是一个放大版的哈勃太空望远镜，能够做的科学在一代人之前是深不可测的，这并不是贬低哈勃的成就！想想哈勃给了我们什么：一场宇宙学的革命，对星系的理解的一场革命，无数观测以及对我们的动态太阳系的敏锐的关注，对太阳系外行星大气层研究的第一步。在15.1米用一个分段的设计，仪器的能力远远超过我们今天所拥有的更高的分辨率，更重要的是LUVOIR所代表的不是一个渐进的改进，而是一个革命性的改进，它超越了任何不仅仅存在的东西，而是任何一个曾经提出过的天文台。
如果太阳位于10秒(33光年)之外，LUVOIR不仅能够直接拍摄木星和地球，包括吸收光谱，甚至金星也能观测到。图片：NASA / LUVOIR concept team
作者采访了John O' meara，他是LUVOIR宇宙起源科学的领导者，谈到了很多与这个望远镜有关的话题。在每一个天文领域可以想象——从太阳系到太阳系外行星、恒星、星系、星系间的气体、暗物质和更多——这一先进的望远镜将以一种前所未有的方式推动我们的科学知识向前发展。更大的规模，加上LUVOIR上的其他先进技术，使这个真正的天文学家的梦想天文台。与我们今天所能做的相比，这里有六件事像这样巨大的太空望远镜可以让我们学习。
在太阳系的柯伊伯带，一个外部世界将会出现许多丰富的特征，从一个10 - 15米的望远镜(L)，而哈勃即使在最大的操作极限，只会看到少量的像素信息(R)。图片：LUVOIR concept team
太阳系——想象一下在欧罗巴和恩克拉多斯，伊俄火山爆发或者在我们地球世界附近绘制出气体行星的磁场会是什么样子？想象一下一个遥远的世界在柯伊伯带，而不仅仅是得到一个单一的光的像素来推断，而是为了取一个世界本身的形象，并且能够分辨出表面特征？这是一个10米高的太空望远镜的承诺，它不仅能够拍摄到这些世界的不可思议的图像，而且还能获得各种各样的特征的光谱。
LUVOIR望远镜尺寸最大的驱动因素是希望有大量的外地球候选样本来研究。这个数字显示了在可居住区域的行星上的真实恒星。颜色编码显示了观察一个外地球的候选人的概率，如果它在那颗星周围(绿色是高概率，红色是低概率)。图片版权：C. Stark and J. Tumlinson, STScI
系外行星——而不是从它们的过渡或它们在其母恒星轨道上引起的摆动推断出行星的存在，LUVOIR将有能力直接成像许多行星。由于具有前所未有的质量，再加上它在太空中的独一无二的大小和位置，它应该能够发现和拍摄数以百计的恒星系统，这些恒星系统都有生命的潜力:所有的恒星都在100光年以内。随着光谱的获得，LUVOIR可以做任何其他目前或计划的天文台都无法做到的事情:在数百个地球大小、可能适宜居住的世界寻找分子生物特征。这是第一次它可以为我们提供超越我们太阳系的生命的证据。
模拟图像的哈勃望远镜可以看到遥远,恒星星系(左),和一个10 - 15米类望远镜可以看到同样的星系(R)。图像的分辨率好许多倍，但不是在这幅图像编码是左边的图像需要暴露在40倍的时间来捕捉相同数量的光。图片版权：NASA / Greg Snyder / LUVOIR-HDST concept team
恒星——当哈勃太空望远镜发射升空时，它开启了观测天文学家的一个有趣的可能性:在仙女座星系中测量单个恒星的性能的能力，超过200万光年远。有了LUVOIR我们将能够在3亿光年之内对每个星系进行同样的测量！第一次我们将能够测量宇宙中每一种星系的恒星，从小矮星到螺旋状到巨大的椭圆，再到稀有的环星系，再到星系在积极的合并过程中。如果没有像这样的大型光学空间望远镜，宇宙普查是不可能的。
虽然在极端的深空区域有放大的、超遥远的、非常红的甚至是红外的星系，但有些星系甚至更遥远，LUVOIR将能够在没有引力透镜的帮助下显示出来。图片版权： NASA, ESA, R. Bouwens and G. Illingworth (UC, Santa Cruz)
星系——非常引人注目的是哈勃望远镜发现了宇宙只有4亿岁时的星系：只有其当前年龄的3%。但是这种遥远的星系是罕见的，因为哈勃只能看到其中最亮的一些，甚至在这一点上在前景中有引力透镜的帮助。相比之下LUVOIR将能够看到所有的星系，包括微弱的星系，矮星系，现代星系的微小集群以及那些没有引力透镜或偶然排列的星系。我们最终将能够了解宇宙中星系的全部并将它们测量到每像素300 - 400光年的分辨率，不管它们在宇宙中的距离有多远。
沿着螺旋臂的清晰的粉色可以追溯到电离氢的区域，这是由这个星系中炽热的年轻恒星形成所引起的，其中许多恒星最终会变成超新星。虽然现在几乎不可能测量像这样为银河系提供食物的气体，但LUVOIR将允许我们不仅测量它，而且要绘制它并识别它的分子和原子成分。图片：AURA/Gemini Observatory
星系间的气体——今天我们可以取一个星系的“光束”，测量围绕着一个星系的气体的光晕，作为它的油箱和回收中心。我们可以测量这种气体的吸收特性，并将其与我们的理论和技术所能提供的最好的三维模拟进行比较。但在LUVOIR中，我们可以直接将几十个甚至数百个“铅笔光束”成像到每个星系中，测量并绘制出银河系的环绕星系。在某些情况下甚至可以直接图像激发气体的发射特性，允许我们直接将我们的观测与模拟进行比较，而不需要在单独的吸收过程中进行插值。
小的或年轻的星系遵循不同的引力或加速度定律，而不是大而老的那样？这对于辨别暗物质和改良的重力有很长的路要走，而LUVOIR通过测量星系数十亿光年的距离将使我们能够发现。图片版权：Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona
暗物质——这个看不见透明的物体是宇宙中大多数引力的主要原因，但我们只能从它对可见物质的影响中绘制出来。在过去这意味着观察遥远星系的大片区域，银河，从我们的有利位置，成为最困难的星系之一。LUVOIR将会改变这一切，让我们能够测量星系的旋转特性，比以往任何时候都更遥远，测试星系的暗物质的轮廓是否已经进化了数十亿年。我们将能够明确地测试暗物质的模型，通过测量银河系恒星的正常运动到从未达到的精确度，通过分析目前甚至超过世界上最强大的望远镜的最小的星系群。
用哈勃(L)和LUVOIR(R)来模拟天空的同一部分，观测时间是相同的，两者的差别是惊人的。图片：G. Snyder, STScI /M. Postman, STScI
没有空间的替代不管自适应光学有多好，永远无法克服100%的大气效应。这在紫外线和许多红外波长上尤其正确，因为这些波长的大气吸收，只能从太空中精确地成像。它也不能代替大小，它决定了你能达到的最大分辨率和拥有的光收集能力的数量。在整个天宇LUVOIR的分辨率将超过哈勃望远镜的六倍，而且图像的深度也要快40倍。LUVOIR所能看到的9天的连续观测将使哈勃整整一年，而哈勃望远镜只能得到16%的分辨率。
这是朱诺克所看到的所有美丽的红斑，图像处理来强化木星的条带和区域的美丽。LUVOIR将能够从我们的地球的后院得到同样质量的图像。图片：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS; processing by Carlos Galeano - Cosmonautika
与朱诺的照片一样LUVOIR将能够从其位于地球附近轨道上的有利位置获取这些图像，而不是将航天器发射到遥远的行星上。在测量来自光源的紫外线的时候，LUVOIR会在它的光谱仪器上使用一个微快门阵列，让它能同时成像许多物体，而不是像今天的望远镜那样仅仅是一个物体。就像哈勃望远镜与当今最大的地面观测站一样，LUVOIR将与目前这一代的地下30米级天文台合作，比如GMT和ELT来发现和跟踪人类所知道的最微弱、最遥远的物体。尽管詹姆斯·韦伯将成为NASA在2010年代的旗舰天体物理学任务，而WFIRST将在2020年飞行，但LUVOIR最早可能会在本世纪30年代开始，这取决于即将到来的十年调查的进展。
但这些潜在的发现正是我们所要寻找的。随着我们在天文学和天体物理学领域取得的每一个新的重大技术飞跃，我们所取得的最大成就都是我们事先无法预料到的。宇宙的伟大未知，包括在最微弱的星系中，最遥远的恒星，星系，气体云，以及星系间的媒介在早期的表现，以及它看起来比我们所见过的任何东西都要第一次暴露出来。我们有可能会发现，我们在大量的竞技场中表现得相当傲慢和执迷不悟，但我们需要这种新的、高质量的数据来指引我们前进的道路。
这一概念艺术图：SLS运载火箭将LUVOIR一个15.1米的空间望远镜带到L2拉格朗日点。图片：NASA / SLS
为了让LUVOIR工作，我们需要使用最大、最重的设计发射器：NASA的太空发射系统。需要分割后的镜子来达到测量的水平稳定；比我们今天的稳定性好十倍以上。为了完成系外行星的成像，需要一个日冕仪，可以选择1 -部分镜子和镜子涂层系统将要求改进的技术超过今天的最好。最重要的是需要有能力在L2拉格朗日点为这架望远镜提供服务，距离地球150万公里远的地方是迄今为止离地球最远的人类最远距离的四倍。至于我们为什么需要这个我认为约翰用他自己的话说得最好：
我坚信LUVOIR是我们下一个伟大的科学时代的一个重要组成部分，我们不仅要推进生命的探索，还要在宇宙时间里讲述它的故事。LUVOIR可以为我们解答许多最基本的问题，比如人类试图了解他们在宇宙中的位置。如果这不值得，那什么是？
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：卿君侧
审校：博科园
