什麼樣的望遠鏡能讓我們看到宇宙第一顆恆星的光？
2020-07-17 牧夫天文
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翻譯：田程偲
校對：牧夫校對組
編排：陶邦惠
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
原文連結：
https://www.universetoday.com/146888/what-telescope-will-be-needed-to-see-the-first-stars-in-the-universe-the-ultimately-large-telescope/
宇宙中最古老的恆星隱藏在黑暗中。嚴重的紅移現象使它們很難被觀測到。我們對它們是如此好奇，但就連預計明年發射的最強望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）也無法看到那麼遙遠的宇宙。想要一探宇宙深處初代恆星的奧秘，我們需要一個更大的望遠鏡——終極大望遠鏡（ULT）。
初代恆星藝術想像圖
Credit: Public Domain
目前ULT還只是一個概念。現有的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）無疑能向我們展示許多有關早期宇宙的信息，但我們仍希望將來能擁有更強大的望遠鏡。
無限的好奇心驅使著我們建造ULT。我們想更多地了解宇宙早期以及生活在那裡的恆星。Anna Schauer等作者在一篇名為「ULT——我們需要什麼樣的設施來探測星族III恆星（Population III stars）？」的論文中描述了ULT的概念、必要性以及其工作原理。該論文可在arxiv.org網站上找到(https://arxiv.org/abs/2007.02946)。
紅外望遠鏡可以看到遙遠的過去。例如詹姆斯·韋伯（James Webb）通過近紅外（NIR）觀測可以看到初代星系發出的紅移光。但是它無法再進一步看到當宇宙還沒有星系只有恆星時發出的光。因此，我們需要ULT。由於第一批恆星幾乎不含金屬元素，它們的形成和演化與一般恆星不太相同。研究人員認為它們比後代恆星更龐大，質量是太陽的數百倍。
位於美國休斯頓太空中心的詹姆斯·韋伯望遠鏡
Credit: NASA/JSC
用JWST尋找初代恆星有很大的局限性，作者表示：「即使有了新的『JWST』，第一代恆星對於我們仍遙不可及，因為它們誕生於小型迷你暈中，因其發出的光太微弱，即使是最長的曝光時間也無法檢測到。」
因此，人們提出了ULT這一概念。ULT需要安裝直徑100米的反射鏡。考慮到目前在建的最大光學望遠鏡——歐洲極大望遠鏡（EELT）鏡面直徑也只有39.3米，100米的ULT無疑是非常巨大的。EELT已經達到了我們的工程極限，因此短時間內，建造ULT是不現實的，但是論文作者表示：「雖然目前看來100 米挑戰性很大，但30年後出現成熟的技術是可能的。」
巨大的鏡面並不是ULT唯一特點，在作者看來，這個龐然大物將被安置在月球之上。月球是ULT唯一真正可行的位置。它不可能像JWST一樣被發射到太空中並停留在環拉格朗日點軌道上。它也不適合建立在地球上，因為地球上的大氣層會干擾觀測。
來自NASA「月球偵察軌道器」的新交互式像素圖覆蓋了北緯60至90度的月球北極，解析度為每個像素6-1 / 2英尺（2米）。
Credit: NASA/GSFC/Arizona State University
作者設想ULT落座於地勢平坦的月球南北極，始終指向天頂，並且建設在永久有陰影的月球隕石坑內，但即使這樣仍需要將其低溫冷卻。早期關於月球鏡的想法是液體鏡，但新論文沒有提及它。
它的目標區域將受到月球進動的限制，並且曝光可能需要長達幾天的時間。通過添加某種類型的追蹤工具（例如移動的主要對焦平臺）或許可以延長曝光時間。
因為目前尚無建造這種望遠鏡的計劃，所以本文並沒有涉及很多技術細節。如果將來某一天ULT真的被製造出來了（我們對此很有信心），它在月球上應該不會太過於孤單。實際上，對於某些類型的望遠鏡，尤其是射電望遠鏡，月球才是理想的位置。
美國國家航空航天局（NASA）最近宣布資助一項研究月球遠端的射電望遠鏡工作，臨時命名為「月球環形山射電望遠鏡（LCRT）」，顧名思義，它將建設在合適環形山的隕石坑內。
LCRT設想圖
Credit: Saptarshi Bandyopadhyay
關於月球望遠鏡的想法可以追溯到阿波羅時代。1972年4月21日，「阿波羅16號」在月球上著陸時，它攜帶的紫外線望遠鏡拍攝了178張宇宙圖像。
「阿波羅16號」太空人John Young在真空中敬禮，紫外線望遠鏡在它身後著陸器的陰影裡。
Credit: By NASA Charles M. Duke Jr. – Great Images in NASA Description, Public Domain
中國近期把望遠鏡送往了月球。2013年， 「嫦娥三號」著陸器搭載遙控望遠鏡登月。2019年，「嫦娥四號」著陸器再次將小型射電望遠鏡帶到了月球。
儘管這些小型望遠鏡很有趣，並且「阿波羅16號」望遠鏡是太空歷史中一個重要部分，但ULT與它們並不在同一討論範疇內。
若有朝一日直徑100米主鏡的ULT真的得以實現，那將是人類歷史中最輝煌的工程成就之一，它將幫助我們窺探宇宙最深處初代恆星的秘密。
責任編輯：郭皓存
牧夫新媒體編輯部
『天文溼刻』 牧夫出品
NEOWISE（C / 2020 F3）彗星的長尾
來源及版權：Petr Horalek
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