阿耳忒彌斯任務有望在月球部署超強成像望遠鏡

在地球上，基於地面的干涉測量法已被證實是一種成功的科學研究手段，其能將多個望遠鏡的光加以組合，發揮出如同單個大型望遠鏡的作用。

然而，月球上的紫外線（UV）/光學干涉儀望遠鏡怎樣才能取得更出色的科學成果，阿耳忒彌斯任務能否助力達成這一目標？

這正是最近提交至 2024 年 SPIE 天文望遠鏡+儀器會議的一項研究期望解決的問題，因爲一組研究人員提出了阿耳忒彌斯支持的恆星成像儀（AeSI），顧名思義，其有可能借由美國國家航空航天局即將開展的阿耳忒彌斯任務被送達月球表面。

該提案近期通過了美國國家航空航天局創新先進概念（NIAC）計劃的第一階段研究，有希望開發出具有革命性的、極高角分辨率的在其他行星體上開展科學研究的方法，同時也能爲其他任務作出貢獻。

在此，《今日宇宙》與美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的天體物理學家、美國國家科學基金會項目主任吉奧亞·勞博士探討了這項令人稱奇的研究，涵蓋了這項研究背後的動機、此項工作的重要成果、倘若這項研究通過第一階段後的下一步舉措、有關月球表面位置的長期目標，以及 AeSI 如何增進我們對系外行星可居住性的理解。那麼，這項研究背後的動機究竟是什麼？

勞博士對《今日宇宙》說道：“這項研究的動機在於評估我們能否與人類阿耳忒彌斯計劃合作，在月球表面建造並運行一個大型、稀疏孔徑的天文臺（干涉儀），並判定其是否與先前開發的自由飛行器選項具備競爭力。

“最終目標是以超高清晰度在紫外線和光學波長下探究我們的宇宙，角分辨率約爲哈勃太空望遠鏡的 200 倍！由於上層大氣的存在，從地球表面無法開展紫外線觀測，即便在可見光範疇內，地球大氣也限制了地面干涉儀所能獲取的最終分辨率。”

在這項研究中，研究人員以長期以來將紫外線/光學干涉儀置於太空的提議爲基礎展開研究，但由於月球表面缺乏基礎設施，科學家們更傾向於使用衛星和軌道飛行器，研究人員將其稱爲“自由飛行器”。

對於 AeSI，研究人員提議利用通過美國國家航空航天局（NASA）的阿耳忒彌斯計劃帶到月球的基礎設施建造一個月球干涉儀，目的是提供關係外行星系統的先進科學成果，包括恆星表面、其內部、磁場、空間天氣和系外行星的宜居性。

爲實現這一目標，AeSI 將由一個位於月球南極附近的 1 公里基線紫外線/光學成像干涉儀組成，這裡是阿耳忒彌斯計劃，尤其是阿耳忒彌斯三號的着陸區域。

除了加強科學研究之外，該團隊還強調了該項目的可擴展性，指出其有可能包含多達 30 個或更多元素，以構成一個單一的干涉儀。此外，該團隊還解決了在此過程中可能出現的幾個問題，包括月球塵埃、地震活動以及使用機器人助手作爲建設的輔助支持。那麼，這項研究最重要的收穫是什麼？

勞博士說：“這項研究最重要的收穫在於該項目是可行的，表明我們的項目負責人肯尼斯·卡彭特博士（美國國家航空航天局/戈達德太空飛行中心）的富有遠見的想法可以切實地發展。該研究爲進一步的研究和技術開發提供了重要建議，這對於推進項目以及解決任何技術挑戰和所需的進一步技術開發至關重要。”

正如所提到的，AeSI 已通過美國國家航空航天局（NASA）的創新先進概念（NIAC）計劃獲批進行第一階段研究（成功率低於 4%！），自 1998 年以來，NIAC 一直成功地助力航空航天領域的技術推進，其原名爲 NASA 高級概念研究所，直到 2007 年才關閉。

僅僅兩年之後，國會要求美國國家科學院審查其關閉的原因，並提出了未來的建議，從而在 2011 年促成了當前的 NIAC 計劃。

從那時起，NIAC 在納米衛星、行星探索、系外行星光譜學、天體物理學、宇宙學、太陽科學、人類太空探索等許多領域做出了技術進步。這些提案要經歷三個階段，每個階段都爲項目帶來更多的資金和時間。因此，鑑於 AeSI 是第一階段的研究，如果它要獲得推進批准，接下來的步驟會是什麼？

勞博士說：“接下來的步驟將涉及從 NIAC 尋求第二階段的支持，以及探索額外的資金和資源。第二階段將側重於進一步發展和完善我們在第一階段正在進行的爲期 9 個月的初步研究。

“我們相信我們的前瞻性概念有可能徹底改變科學研究，併爲月球表面的技術演示提供重要機會，因此我們真心希望能獲得進一步的支持......”

關於 AeSI 的長期目標，勞博士說：“在月球表面放置干涉儀存在多種限制，尤其是在光學和紫外線方面！我們在 NIAC 第一階段研究的最終報告中有更詳細的描述，該報告將公開，並於明年初發布。

“我們的項目目前計劃從第一階段開始，由 15 輛漫遊車組成長軸爲 1 公里的橢圓形陣列配置。天文臺將在後續階段發展爲約 30 輛漫遊車的陣列，並配有增強型樞紐，以合併來自更多漫遊車（鏡站）的光束，並將爲諸如遙遠的類太陽恆星、活動星系核（AGN）、系外行星、冷卻演化的恆星等天體提供極高的角分辨率。”

如前所述，除了對恆星開展強化科學研究外，AeSI 的科學目標之一還在於確定系外行星的可居住性，因爲美國國家航空航天局（NASA）已經證實，在我們的銀河系中存在超過 5700 顆系外行星。

其中，近 70 顆目前被劃定在其母星的“宜居帶”內，其中 29 顆可能是類地（岩石）世界，其餘 41 顆可能是“水世界”或迷你海王星。

這些潛在的宜居世界被發現處於宜居帶內和外，有些在一次軌道運行中其軌道既處於宜居帶內又處於宜居帶外。因此，AeSI 如何促進我們對系外行星可居住性的理解？

勞博士說：“AeSI 將爲遙遠系外行星系統中母星的特徵提供更深入的見解。通過對這些恆星進行更徹底的分析，我們可以更好地瞭解影響其軌道行星宜居性的條件。這包括檢查行星與其恆星之間的相互作用，這可能對這些系外行星上的生命潛力產生重大影響。”

隨着美國國家航空航天局（NASA）準備通過阿爾忒彌斯計劃自 1972 年以來首次將人類送回月球，值得注意的是，憑藉阿爾忒彌斯所建立的基礎設施能夠完成令人難以置信的科學研究。

因此，由於來自地球的地面干涉測量是一個早已確立且成功的科學領域，它爲更好地理解射電天文學、太陽物理學、星雲、星系和系外行星作出了貢獻，AeSI 提供了一個獨特的機會，在其他行星體上進行革命性的科學研究，以前所未有的最高角分辨率拍攝遙遠恆星的圖像，同時也測試新技術。

勞博士最後說道：“AeSI 將提供宇宙在紫外線（UV）中的首個超高角分辨率視圖。這對於天體物理學的諸多方面而言都是一個巨大的飛躍，從瞭解恆星中的磁活動及其對周圍行星的影響，到對系外行星、空間天氣、活動星系核、恆星天體物理學等的詳細研究。

“AeSI 的高角分辨率紫外線和光學觀測將在天體物理學中開闢新的領域，爲宇宙中最具活力和最神秘的組成部分提供更豐富、更詳細的圖像。”

由今日宇宙提供