能否花小钱办大事

美宇航局欲用3项任务解决时空问题

NASA的SPHEREx任务将绘制数亿个星系，以寻找宇宙膨胀的迹象。图片来源：NASA JPL

本报讯从太阳系外行星的大气层到星系的动力学，再到宇宙大爆炸后留下的痕迹，这3位最终入围价值2.5亿美元的天体物理学任务竞赛的“选手”，将会解决跨越所有空间和时间的问题。

美国宇航局（NASA）日前宣布，这3项任务——从9个建议书中削减而来——将在未来9个月内分别获得200万美元，用来开发出更为详细的概念。之后，NASA将在2019年从中选择一个作为新的中型“探索者”任务。而其发射将在2022年之后进行。

“探索者”任务的目的是要比NASA动辄数十亿美元的旗舰项目更便宜、更快速地回答一些紧迫的科学问题。这些旗舰项目包括哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯（JWST）太空望远镜，这些望远镜可能需要几十年的时间来设计和建造。

这些任务由来自NASA下属科学中心或其他大学的科学家领导，并且NASA自上世纪50年代以来已经发射了90多个此类任务。一些“探索者”任务已经产生了巨大的科学影响，包括威尔金森微波各向异性探测器，它在过去10年中绘制出了宇宙微波背景（CMB）的不规则分布，这是宇宙大爆炸后38万年的宇宙回声；而斯威夫特探测器则正帮助天文学家解开来自大质量恒星崩塌为超新星的伽马射线暴之谜。

其中一个决赛“选手”，即宇宙历史的分光光度计、再电离时代和冰探索者（SPHEREx）将在宇宙范围内绘制星系，以找出是什么推动了宇宙膨胀，这是在宇宙大爆炸之后的一种不可思议的快速膨胀的脉冲。“宇宙膨胀背后的物理学原理还不清楚。”帕萨迪纳市加州理工学院首席研究员Jamie Bock说，“在能量尺度上，地球上的粒子加速器是无法进行这项研究的。”

流行的理论是，一个短命的量子场，由一个被称为“暴胀子 ”的假想粒子所调节，进而推动了宇宙的快速增长。但是，对立的理论认为这涉及到多个领域。这些领域会相互干扰，导致宇宙中物质分布的不规律，与传统的膨胀预期的分布是不同的。

Arcus任务则将研究遥远的星系，利用X射线寻找使星系自身运转的原因。大型星系中心超大质量黑洞的强力辐射产生的风可以吹走星系中的气体，从而阻止恒星的形成。但是天文学家不确定这些气体是否会重新回到恒星形成的过程中，这是因为他们无法观测这一过程。马萨诸塞州剑桥市哈佛—史密森天体物理中心首席研究员Randall Smith说，这种被驱逐的物质“必须在某个地方出现”。他说，Arcus将能通过使用更遥远的X射线源作为背光源来看风。

这个项目在很大程度上来自于从未进行过的一项任务：国际X射线天文台。当NASA在2012年退出该项目时，美国的研究人员继续开发了用于分散X射线的光栅。基于复杂的硅蜂巢，通过将高能光子分散到较浅的角度，Arcus的光学系统可以将多达40%的入射光子转化成可用的光谱，这是NASA目前的旗舰项目钱德拉X射线天文台的5%。这将使该任务能够看到被驱逐的气体，并测量其移动和温度。

第三个竞争者是快速红外系外行星光谱探测器（FINESSE），目的是探测系外行星周围的大气起源和构成。探测器将收集穿过行星大气层的光线。这将揭示系外行星大气成分的特征，如水、甲烷和二氧化碳及该行星从白天到夜晚的热量是如何流动的。由于对系外行星的构成及其动力学的了解越来越多，天文学家希望能找出哪一种形成理论能够解释过去20年中所揭示的行星类型的多样性。

直径6.5米的JWST将能够更详细地观测系外行星的大气层，但是它的其他使命可能限制其只能够研究不到75颗系外行星。尽管只有一架很小的75厘米望远镜，FINESSE还是可以用来分析多达1000颗系外行星。“我们的太阳系的形成情况是异常的还是典型的？”NASA喷气推进实验室首席研究员Mark Swain说，“有些问题只能通过统计样本来回答。我们需要数百颗行星。”（赵熙熙）