它未来能和詹姆斯韦伯搭档观测，一起来认识新一代太空望远镜

落日五湖W

2020年代的新红外太空望远镜

这是哈勃太空望远镜拍摄到的超深空图像，这张拼接图不仅为我们展示了数十万个星系，还为我们展示了宇宙中距离我们非常遥远的星系

想象一下，由100架哈勃太空望远镜组成的阵列，它们都在距离地球150万千米的位置观察宇宙星系，就好像是战略部署的哈勃太空望远镜阵列……同时建造100架哈勃是不可能的，不过在未来，一台太空望远镜就相当于一百台的观测效果，这是完全可能的，在这里我们就需要来说一下WFIRST红外太空望远镜了。

WFIRST一次可以捕获100张广域高分辨率图像，在广域天空成像速度方面，WFIRST是哈勃的1000倍。也就是说在短短的几个月内，WFIRST的工作成果就可以超过哈勃望远镜在过去的三十年记录的所有数据，而且WFIRST是一个红外太空望远镜，所以WFIRST可以在近红外光下记录更多被隐藏的星系结构。

哈勃望远镜，詹姆斯·韦伯和WFIRST相比，WFIRST视野要宽广很多，是哈勃的100倍成像区域

WFIRST的目标就是为全世界天文学家收集解决宇宙基本问题的大数据，从我们的太阳系开始，到可观测宇宙中最遥远的星系和暗能量暗物质，除此之外还有其他系外行星等等。能力越大，责任也就越大，这些都是WFIRST研究的方向。在其计划的5年寿命中，WFIRST有望在数千个行星，数千亿颗恒星，数十亿星系以及可观测宇宙中积累2000PB的信息。

无法给暗物质拍照，不过通过星系之间的运动和演化可以追寻其踪迹。在这张照片中暗物质以蓝色叠加层显示，了解暗物质的分布可以更好地了解暗能量的本质

以我们的邻居仙女座星系来说，过去二十年来，天文学家一直在观测仙女座星系中的一小部分，因为天文学家现在只能从这小部分中获取高分辨率的图像。但是未来有了WFIRST太空望远镜，视野一下子就宽阔了很多，一下子就可以看到很多区域，而且无需花费太多时间，效率大大增加了。WFIRST太空望远镜这种广域成像的能力将为天文学家提供很多问题的答案，比如恒星的原始星盘如何演化形成恒星，以及星系如何随时间变化，如何起源等等问题。

WFIRST前向光学仪器的主要组件

强大的广域星系拍摄能力与科学载荷

WFIRST广域红外勘测望远镜让我们看到了未来天文观测的新10年，不过同时我们也很好奇，WFIRST是如何做到的呢？如何做到高效率获取大范围星系照片数据的呢？和詹姆斯韦伯太空望远镜有点不一样，该望远镜的主镜直径为2.4米，也就是说WFIRST与哈勃太空望远镜的主镜大小相同，所以WFIRST和詹姆斯韦伯太空望远镜侧重方向不一样——不是红外主镜观测。

WFIRST太空望远镜的渲染图

其实WFIRST的成像能力如此之强是因为其广域宽视场仪的视场比哈勃红外仪器大100倍，可以用更少的观测时间来捕获更大的区域。WFIRST一共有两个主要的科学载荷，分别是广域宽视场仪CGI和集束日冕仪WFI。WFIRST的广域宽视场仪是主要仪器之一，广域宽视场仪将在整个任务周期内测量超过20亿个星系发出的光。除此之外它还将对银河系进行微透镜调查，以发现约2600个系外行星。WFIRST另一个主要仪器集束日冕仪将对数十个附近的系外行星进行高对比度成像和光谱分析。

这是工程师拍摄到的WFIRST集束日冕仪的内部，这是一个由遮罩，棱镜，弯曲镜等结构组成的系统，这样构造的目的是要遮挡遥远恒星的光，并成像系外行星表面，进行集中观测

太空望远镜都需要强大的科学载荷，这主要是因为随着天文学家观测的深入，越来越多的问题显现出来，我们需要更强大的太空望远镜了解宇宙。不过在此之前，我们可以先了解一下周围的系外行星，由易到难。我们知道来自系外行星的光比宿主恒星微弱了1亿倍甚至更多，这个天文数字的差距远远超出了当今地面或太空望远镜的范围。

但是这对于WFIRST来说不是问题，刚才我们说到广域宽视场仪CGI是WFIRST上的两个重要科学载荷之一。WFIRST的CGI广域宽视场仪是太空望远镜中第一个高性能红外系统，该仪器能够在四亿分之一恒星光下直接成像单个系外行星。这对于了解系外星球的宜居性，大气成分，星球类型与结构等问题来说是非常重要的。未来，类地行星是所有太空望远镜观测的重点之一，所以我们正需要这样的广域红外视角的成像能力。

T1代表的是主镜，它是一种空心蜂窝状结构的，其线性中央暗度为31％。T1和T2一起工作会形成中间焦点。这时候聚焦未经校正，所以这时候会产生强烈弯曲的图像。反射镜M3和其他两个电动反射镜会和T1，T2一起工作，形成TMA的大型校正场。之后光会在M3和焦平面之间形成光瞳，瞳直径约为100mm，之后带通滤波器和光谱色散元件等其他望远镜结构会将收集到的曲图和光图像整合，得到最终的图像数据

未来WFIRST广域红外勘测望远镜将首次在太空中展示未来星系成像任务的关键技术，包括具有可变形镜面的精密光学波前控制，灵敏的光子计数成像检测器，可选择的集束日冕仪观测模式，低分辨率光谱，先进波前传感和控制，高保真航天器和集束日冕仪建模以及提取图像和光谱的后处理方法。这些关键技术是第一次尝试，未来可以给所有太空望远镜铺平道路。

WFIRST集束日冕仪所处位置，它将拍摄红外照片，以研究暗能量，星系和恒星并寻找系外行星

同样的，WFIRST上的集束日冕仪WFI也是未来太空望远镜的关键技术，可用于未来的任务，旨在直接对类地系外行星进行成像。WFI将首次在太空中展示未来成像所需的技术，以成像和表征附近恒星宜居区域中的岩石行星。通过集成的端到端系统，两个科学载荷可以互相工作，相互补充数据，CGI负责广域大范围捕捉，而WFI也负责精细的单天体观测。在任务期间，天文学家也将验证性能模型并为未来的潜在的太空望远镜任务提供新的途径。

WFIRST太空望远镜主要科学载荷分布

能力越大，责任也越大

WFIRST广域红外勘测望远镜的两个主要科学载荷不只要观察星系和类地星球，还将负责观测暗能量对星系造成的影响，提供系外行星微透镜现象等数据，这需要将CGI的广域成像和WFI的无缝光谱功能结合起来。暗能量与暗物质在宇宙中几乎无处不在，所以科学家理论推测暗能量与暗物质也会对单个恒星或者行星造成影响，所以集束日冕仪WFI将对系外行星进行高对比度成像观测工作，了解暗能量与暗物质是否也影响了单个天体结构。

通过将星系中红色巨星的可视亮度与附近的红色巨星（用其他方法测量距离）进行比较，天文学家能够确定每个主星系有多远，天文学家研究的红色巨星由黄色圆圈标识。未来有了WFIRST，天文学家可以更有效率的探索星系的年龄

由于WFIRST可以高效率的收集到如此详细的数据，因此非常适合大型调查任务。所以总结来说，该任务的很大一部分将致力于观测宇宙中数十亿个星系，这些星系如何演化或者说未来如何运转可用于研究暗能量和宇宙膨胀现象。WFIRST在任务的后期还将研究并绘制星系的形状和不同结构的密集度，以便更好地了解包括银河系本身是如何演化的，天文学家们还会把银河系的数据与之前星系的数据进行比对，看看我们的银河系是否是特殊的星系。

Spitzer太空望远镜和WM凯克天文台突破了先前的宇宙红移观测记录。目前图示星系是已知最遥远的已确认星系，这个星系的年龄超过130亿年。该星系（插图）的近红外图像已被染成蓝色

未来WFIRST广域红外勘测望远镜将由NASA戈达德太空飞行中心管理，任务预定期限为5年，它将在2025年左右从卡纳维拉尔角发射升空。目前WFIRST的建造工作正处于第二阶段，JPL正在建造WFIRST的CGI，建造完CGI的下一步就是科学载荷的验证和下一步WFI的开发工作了。

该图显示了WFIRST对M31（也称为仙女座星系）的观测模拟。哈勃望远镜需要用650多个小时对红色轮廓区域进行成像，如果使用WFIRST，覆盖整个仙女座星系仅需三个小时

天文学家一直努力保护WFIRST项目，因为它是2010年天体物理学十年调查中排名最高的大型天体物理学观测任务的代表，它的任务非常全面，拥有对暗能量到系外行星等主题进行研究的能力。

WFIRST任务耗资32亿美元，这是NASA先前设定的费用上限。如果加上五年科学运行的成本，将增加至39.34亿美元。詹姆斯韦伯将先于WFIRST发射，所以未来一年到两年，工程师们和预算会以詹姆斯韦伯太空望远镜为主，WFIRST为辅的方式建造和运营这两个太空望远镜项目，直到明年3月底詹姆斯韦伯发射部署成功。

这个模型为我们展示了WFIRST的六个模块，其中有一块负责冷却系统，这些模块还包括了4个连接电子盒，上方的是高增益天线

WFIRST和詹姆斯韦伯是好搭档

尽管WFIRST也是红外望远镜，但它在几个方面与詹姆斯韦伯太空望远镜不同。WFIRST将提供宇宙的全景，换句话说就是广域视场图像，而詹姆斯韦伯太空望远镜则是倾向于完全的红外观测。不过，詹姆斯韦伯太空望远镜的成像素质极高是有代价的。进行红外观察，包括调动詹姆斯韦伯上的红外观测系统需要非常低的温度，所以詹姆斯韦伯太空望远镜具有复杂而关键的遮阳罩结构以保持其温度。这也是詹姆斯韦伯太空望远镜为什么必须折叠起来才能发射的原因，因为如果不折叠的话无法与整流罩集成。

这是WFIRST的核心冷却系统，是在进入真空室测试之前拍摄的，WFIRST也拥有自己的冷却系统，但是相比于詹姆斯韦伯的冷却系统来说，没有那么复杂

WFIRST是红外望远镜，它也需要冷却系统，但不需要詹姆斯韦伯太空望远镜这样的技术复杂的遮阳和冷却系统。也就是说相比于詹姆斯韦伯，WFIRST不需要在太低的温度工作。詹姆斯韦伯太空望远镜的工作温度为50开尔文，也就是-223摄氏度。WFIRST的工作温度尚未最终确定，但设计文件称其约为零下163摄氏度左右。

哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜发现了遥远宇宙中的一些小星系，这些星系比银河系小一百到一千倍，虽然这些星系很小，但是他们都拥有128亿年以上的历史

JWST和WFIRST都是红外望远镜，它们的任务可能会在某些方面会重复。未来当WFIRST发现需要特别调查的事件时，JWST詹姆斯韦伯太空望远镜可以以更高的红外灵敏度对其进行观察。这让我们看到了未来太空望远镜的联合观测的模式，那就是各取所长，各司其职，遇到需要特别调查的问题就会一起观测。

现代太空望远镜和地面观测站组成的观测阵列

宇宙与科学的探索与未来

面对宇宙，人类非常渺小，但是进取之心与探索精神一直激励着我们前进，在探索的道路上我们遇到了很多困难，但是同样的，也有非常多的收获。随着我们对星球，恒星，星系甚至整个宇宙的理解不断加深，人类也越来越清楚自己的来源，星球的来源甚至是宇宙的起源。追根溯源是宇宙与科学的激烈碰撞，而太空望远镜就是这碰撞的观察者与见证者……

未来会有更多的太空望远镜升空，我们对宇宙的认识将会在此基础上更上一层楼，对于宇宙的一些基本问题也会得到科学的解释。纵观未来，太空望远镜的发展趋势也从单一向集合发展，比如现在我们说到的WFIRST太空望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜，这两个望远镜一个负责宽广视角迅速成像，另一个观测能力奇佳，成像能力和分辨率更高，这就是多望远镜数据共通的意义。

原文地址：今日头条