大型紫外/光学/红外巡天望远镜（LUVOIR）的艺术概念图
哈勃虽老 后继有人
哈勃太空望远镜垂垂老矣，说不定哪天就光荣退役。作为哈勃望远镜的继任者，詹姆斯•韦伯望远镜已进入最终测试阶段；宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）的研制工作也在向前推进。更令人兴奋的是，另外4架超级强悍的新望远镜的研发也处在进行时。它们是下一份天体物理学《十年调研》报告的一部分，将帮助我们解答宇宙的根本性疑问。
约翰逊航天中心无尘室，韦伯望远镜的主反射镜
韦伯望远镜由于一系列技术故障以及测试评估，发射日期推迟到2020年5月。WFIRST是一架被美国国家侦察局“抛弃”的哈勃级望远镜。白宫想取消这一项目，但国会救了它，后转交美国宇航局。即使发射日期不像韦伯一样推迟很久，WFIRST也要等到本世纪20年代才能正式服役。
在盘点未来的4架大牛级望远镜之前，我们先了解一下《十年调研》报告。这份报告由美国国家科学院为国会和宇航局撰写，基本上就是科学家和宇航局的一份愿望清单，梳理他们在各领域遭遇的最大问题。国会可依此划拨预算，宇航局也可根据这份报告进行任务规划，尽可能多地实现科学目标。
WFIRST望远镜艺术概念图
这架望远镜所能覆盖的空域是哈勃的100倍，它的日冕观测仪可对系外行星直接成像，研究它们的大气层
这种调查每十年进行一次，地球科学、行星学和天体物理学委员会共同参与。他们抛出和讨论各种想法和概念，最终通过投票就一系列建议达成共识，确定未来十年的科研优先事项。
我们处在2013-2022年十年调研阶段，几年以后，下一次十年调查将如期到来，定义2023-2032年的任务。我们距最终文件的敲定还有几年时间，但针对下一代太空望远镜的一系列严肃提议已进入谋划阶段，每一架都将成为太空探索的利器。
HabEx！外星生命
HabEx将成为斯皮策望远镜（如图）的继任者
HabEx望远镜可直接对环绕其它恒星的行星成像。从热木星到超级地球，所有类型的行星都是它的观测目标，但重点是对类地系外行星成像，观测它们的大气层。换句话说，HabEx试图探测系外行星的生命信号。为了做到这一点，HabEx需要阻挡恒星的光线，如此才能揭示附近暗淡行星的存在。
不同生物圈放射的光线波长存在差异
HabEx可以采取两种方式。第一种方式是借助日冕仪来阻挡恒星光线。来自恒星周围暗淡天体的光线穿过望远镜，可以借助望远镜的传感器进行成像。这架望远镜装有一个独特的变形反射镜，可以进行调整直至暗淡行星进入视线。欧洲南方天文台的甚大望远镜阵列便采用日冕仪，观测时隐藏中央恒星，揭示周围的暗淡尘盘。
半人马座HR 4796A周围尘环的红外图像
这是2014年5月甚大望远镜安装SPHERE（分光偏振高对比度系外行星研究仪）后获取的首批图像之一。图像中的尘环拥有很高清晰度，彰显了SPHER削弱高亮恒星光线的能力。这种能力对未来搜寻和研究系外行星至关重要
另一种阻挡光线的方式是采用遮星伞。遮星伞是一个完全独立的装置，外形好似纸风车，部署在距望远镜几万公里的区域。如果位置得当，遮星伞能够遮挡中央恒星的光线同时漏过行星光线。遮星伞的关键是花瓣状结构，形成柔和边缘，让来自暗淡行星的光波不会大幅弯曲。这会形成一个暗黑阴影，赋予望远镜揭示行星存在的绝佳机会。
遮星伞原型艺术概念图
这个巨型装置用于阻挡恒星光线，帮助望远镜拍摄行星
与绝大多数任务不同，遮星伞可与任何太空望远镜组队。无论是哈勃、韦伯还是其它望远镜，都能成为这把“太空遮阳伞”的受益者。因为要与观测对象排成一线，借助中天法或者径向速度法只能看到小部分行星，这让天文学家抱怨不迭。相比之下，HabEx能够对任何方向的行星进行观测。除了观测行星，HabEx望远镜还可以执行其它一系列天体物理学任务，例如观测早期宇宙，研究超新星爆炸前后最大恒星的化学特征。
“山猫”X射线望远镜
“山猫”X射线望远镜艺术概念图
“山猫”（Lynx）是美国宇航局的下一代X射线望远镜。“Lynx”并非首字母缩写。在很多文化中，山猫都被视为一种拥有超能力的动物，能够看到事物的本质。X射线处在电磁光谱的高端，被地球大气层拦截，因此需要借助太空望远镜才能捕捉到它们的踪迹。宇航局有钱德拉X射线望远镜，欧航局的“雅典娜”X射线望远镜预计于2028年发射。
“山猫”将与韦伯望远镜合作，共同窥探可观测宇宙的边缘，揭示第一代超大质量黑洞的形成及合并。此外，这架望远镜还能洞察来自早期宇宙炙热气体的辐射。“山猫”还会对钱德拉、XMM牛顿等X射线望远镜的观测对象进行研究，包括脉冲星、星系对撞、塌缩星、超新星和黑洞。
钱德拉X射线望远镜艺术概念图
它是当前最灵敏的X射线望远镜
即便是普通恒星，也能产生暴露其特征的X耀斑。绝大多数宇宙物质栖身于温度可达到100万开氏度的气体云。如果你希望揭示宇宙的真实面目，便要进行X射线观测。这种观测不同于哈勃进行的可见光观测。你需要的并非一个反弹X射线的反射镜，而是能够略微改变光子方向的掠入射镜，将它们导入探测器。“山猫”堪称一架怪兽级X射线望远镜。它的外镜口径达到3米，视野、灵敏度和收集光子的速度分别达到钱德拉的16倍，50-100倍和800倍。
“起源”太空望远镜
起源”号太空望远镜艺术概念图
与韦伯和斯皮策望远镜一样，“起源”号也是一架红外望远镜，在设计上用于观测宇宙内温度最低的天体和物质。不过，它的个头更大，性能也更强悍。韦伯的主镜口径6.5米，“起源”号将达到9.1米。宇航局能够将斯皮策的温度降至5开氏度（高于绝对零度5度），略高于宇宙的背景温度。他们计划将“起源”号的温度降至4开氏度。听起来只是一步之遥，但却是一个巨大的工程学挑战。
斯皮策太空望远镜
斯皮策借助液态氦进行冷却，“起源”号则将借助反射镜、散热器以及环绕仪器设备的低温冷却剂，分阶段剥离“起源”号的热量。利用“起源”号这架巨型超低温红外望远镜，科学家能够将时钟拨回到第一批恒星诞生的时代，也就是天文学家所说的“黑暗时代”。它将获取行星系统和尘盘的信息，直接观测系外行星大气层，搜寻生命信号和证据。
HabEx、“山猫”和“起源”都是令人兴奋的望远镜，能够加深宇宙认知。但与大型紫外/光学/红外巡天望远镜（LUVOIR）相比还要稍逊一筹。LUVOIR堪称史上最雄心勃勃的太空望远镜项目。
LUVOIR望远镜
LUVOIR望远镜艺术概念图
韦伯是一架性能强大的红外望远镜，在设计上用于观测宇宙内的低温天体，例如宇宙诞生之初的红移星系或者新形成的行星系统。“起源”号可以理解为韦伯的升级版。LUVOIR能够进行红外、可见光和紫外观测，将成为真正意义上的哈勃“接班人”。
LUVOIR的设计方案有两个：一个为8米口径，可使用猎鹰重型火箭等运载火箭发射；另一个为15米口径，可由SLS火箭送入太空。如果采用后一种设计，LUVOIR的口径将是最大地面望远镜的1.5倍。相比之下，哈勃望远镜的口径只有2.6米。
LUVOIR将拥有异常开阔的视野，安装各种滤光器和仪器装置，让天文学家“想看什么就看什么”。此外，它还将安装日冕仪和光谱仪，前者可遮挡恒星光线，以便对行星进行直接观测，后者用于鉴别系外行星大气层中的化学物质。
哈勃太空望远镜
LUVOIR是一架通用型望远镜，能够让天文学家在天体物理学和行星学等领域上演一系列发现。它将具备一系列能力，包括直接观测系外行星，搜寻生命信号，对包括热木星和超级地球在内的所有类型系外行星进行编目。在观测系内天体方面，它的性能也远超其它任何观测设备。LUVOIR能够窥探宇宙内的任何一个角落，观测哈勃无法探测到的微小结构。它能够捕捉第一代星系和恒星的身影，帮助测算宇宙内暗物质的浓度。天文学家仍未完全了解物质不断积聚并最终孕育恒星的过程。LUVOIR将观测恒星形成区，洞察气体和尘埃，定格恒星形成以及被行星环绕的最初瞬间。
韦伯的教训
左为哈勃望远镜，主镜口径2.4米
右为韦伯望远镜，主镜口径6.5米
LUVOIR的主镜口径可达到15米
LUVOIR等望远镜的登场让我们对未来的天文学研究充满期待和兴奋。不过，我们不能过于乐观。6月初，美国宇航局宣布这4架望远镜的任务规划人员需要将他们的预算控制在30亿到50亿美元之间。在此之前，规划人员没有获得任何指导方针，只顾埋头设计仪器装置，完成他们追求的目标。
在宇航局做出这一决定前，工程师规划的HabEx、“山猫”和“起源”号任务随随便便就会超出50亿美元，LUVOIR更是达到200亿美元。即使国会慷慨解囊，为宇航局划拨巨额预算，宇航局仍希望规划人员采取保守做法。韦伯望远镜项目一再超支，发射日期也是一拖再拖。鉴于此，我们也就不难理解宇航局要求控制预算的决定。韦伯最初的预算在10亿到35亿美元之间，原定在2007年至2011年间发射。现在，该项目的预算已经超出国会规定的88亿美元，发射日期推迟至2020年。
韦伯望远镜艺术概念图
最近的一次摇晃测试中，工程师发现垫圈和螺丝“逃离”望远镜。这可是高度精密的太空望远镜，并不像宜家的架子一样，坏了之后随便换个零件就成。每个零部件对韦伯都至关重要。一旦在太空中发生这种糗事，维修难度可想而知。WFIRST望远镜躲过了被毙掉的命运，但也难逃超支命运。该项目的成本估计达到39亿美元，原定预算为20亿美元。
HabEx、“山猫”、“起源”号和LUVOIR都是超级强悍的太空望远镜计划，究竟是制造一架、两架还是全部制造，让我们以目以待。史上最重大的天文发现将由他们揭开。不过，我们不能过分乐观。韦伯望远镜的遭遇告诉我们，这些项目的实施很可能磕磕绊绊，遭遇残酷的预算大战、成本超支和发射日期推迟。在这里，我们也只能祝它们好运。
