美宇航局欲用3项任务解决时空问题

美国宇航局的SPHEREx任务将绘制数亿个星系的地图，以寻找宇宙膨胀的迹象。资料来源:美国航天局JPL

从太阳系外行星的大气层到星系的动力学，再到大爆炸留下的痕迹，三位入围2.5亿美元天体物理学竞赛的选手将解决跨越所有空间和时间的问题。

美国国家航空航天局最近宣布，这三项任务——从九项提案中剔除——将在未来九个月内各获得200万美元，用于开发更详细的概念。之后，美国宇航局将在2019年选择其中一个作为新的中型“探索者”任务。发射将在2022年后进行。

“探索者”任务旨在以比美国宇航局数十亿美元旗舰项目更便宜、更快的方式回答紧迫的科学问题。这些旗舰项目包括哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜，这可能需要几十年的设计和建造。

这些任务是由美国宇航局科学中心或其他大学的科学家领导的，自20世纪50年代以来，美国宇航局已经发射了90多个这样的任务。一些“探索者”任务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，它绘制了过去10年宇宙微波背景(CMB)的不规则分布，即大爆炸后38万年的宇宙回波。Swift探测器正在帮助天文学家解开大质量恒星坍缩成超新星的伽马射线爆发之谜。

决赛者之一，宇宙历史分光光度计，再电离时代和冰探索者(SPHEREx)，将绘制宇宙中的星系图，找出宇宙膨胀的驱动力，宇宙膨胀是大爆炸后难以置信的快速膨胀脉冲。"宇宙膨胀背后的物理学仍然不清楚。"帕萨迪纳加州理工学院的首席研究员杰米·博克说，“从能量的角度来看，地球上的粒子加速器无法进行这项研究。”

流行的理论是，一个短暂的量子场由一个被称为“膨胀”的假想粒子来调节，从而促进宇宙的快速增长。然而，对立的理论认为这涉及许多领域。这些场会相互干扰，导致宇宙中物质的不规则分布，这不同于传统的预期膨胀分布。

阿库斯任务将研究遥远的星系，并使用x光来找出星系自我运作的原因。大星系中心超大质量黑洞的强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回到恒星形成的过程，因为他们无法观察到它。马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森纳天体物理中心的首席研究员兰德尔·史密斯说，被排出的物质“一定出现在某个地方”他说，阿库斯将能够通过使用更远的x光光源作为背光来观察风。

在很大程度上，这个项目来自一个前所未有的使命:国际X射线天文台。当美国宇航局在2012年退出该项目时，美国研究人员继续开发用于分散x光的光栅。基于复杂的硅蜂窝结构，阿库斯的光学系统可以将高达40%的入射光子转换成可用的光谱，方法是将高能光子分散到较浅的角度，这是美国宇航局目前旗舰钱德拉X射线天文台的5%。这将使飞行任务能够看到排出的气体并测量其运动和温度。

第三个竞争对手是快速红外系外行星光谱探测器(FINESSE)，其目的是探测系外行星周围大气的来源和成分。探测器将收集穿过地球大气层的光线。这将揭示太阳系外行星的大气组成特征，例如水、甲烷和二氧化碳，以及行星的热量如何从白天流向黑夜。随着越来越多的人了解系外行星的组成和动力学，天文学家希望找出哪种形成理论能解释过去20年揭示的行星类型的多样性。

直径为6.5米的JWST将能够更详细地观察系外行星的大气，但它的其他任务可能会将其限制在不到75颗系外行星。尽管只有一个75厘米的小型望远镜，但FINESSE仍然可以用来分析多达1000颗系外行星。"我们太阳系的形成是不寻常的还是典型的？"美国宇航局喷气推进实验室的首席研究员马克·斯温说:“有些问题只能通过统计样本来回答。我们需要数百颗行星。”(赵茜·Xi)

中国科学新闻(2017-08-24，第二版国际)