大型紫外/光学/红外望远镜LUVOIR

一、LUVOIR简介

1.1概述

大型紫外/光学/红外望远镜（Large UV/Optical/Infrared telescope，LUVOIR）是一个高性能、多波长空间天文台，具有宏伟的科学目标。这项任务将从再电离时代到星系的形成和演化、恒星和行星的形成，到太阳系遥感，在广泛的科学领域实现巨大的飞跃。LUVOIR的一个主要的目标，那就是要描绘出各种各样的系外行星，包括那些可能适合居住甚至有人居住的行星。LUVOIR是天文学家提出设计的未来最大的空间望远镜。它的口径将达到15米，能拍摄最古老的宇宙中第一代星系，也能在太阳系外行星上搜寻生命印迹。与它相比，哈勃望远镜就是个玩具，而且它也比预计2021年发射升空的6.5米JWST大很多。

LUVOIR是2016年1月发起的四项十年天文任务概念研究之一（其他三个任务为：起源太空望远镜（OST）、可居住系外行星成象仪（HabEx）、X射线测量仪（Lynx））。这项研究将持续三年以上，并将由戈达德航天飞行中心在社区科学技术定义小组（STDT）的领导下执行。

图 1 可折叠LUVOIR模型

美国空间望远镜研究所的Christopher Stark用乐高积木拼出了一台LUVOIR望远镜的模型，而且可以折叠和展开。

1.2任务

大型紫外/光学/红外望远镜（LUVOIR）是继哈勃太空望远镜之后的大型多波长、可使用的天文台。在其雄心勃勃的计划设计范围内，其科学目标将使天体物理学的广泛领域取得变革性进展。该天文台计划于21世纪30年代中期发射，搭载有可升级的最先进仪器，并将位于日地拉格朗日点L2。LUVOIR广泛的紫外-近红外波长范围，将使它能够研究尚未发现的现象。LUVOIR的大部分日程安排将通过一个普通的观察项目向公众开放。LUVOIR研究小组正在考虑两种架构，一种是15米的镜子（LUVOIR-A），另一种是8米的镜子（LUVOIR-B）。架构A设计用于在美国国家航空航天局计划的空间发射系统（SLS）上发射，架构B设计用于在具有5米直径整流罩的重型运载火箭上发射，与目前使用的类似。

图 2 LUVOIR-A模拟图

图 3 LUVOIR-B模拟图

二、LUVOIR性能及组成

2.1LUVOIR性能

LUVOIR-A具有一个直径为15米的主望远镜孔径和四个可维修仪器，而LUVOIR-B具有一个8米的望远镜孔径和三个仪器。LUVOIR-A的主反射镜是一个三镜反射系统系统（three-mirror anastigmat system, TMA）。该系统的优点为在广阔的视野范围内具有较高的光学质量。LUVOIR-B是一种离轴TMA，用于提高外行星高对比度观测的性能。两种设计都包括一个位于光学望远镜的实际出瞳处的精细转向镜，以实现所有仪器的超精细指向稳定性。

图 4 天文望远镜尺寸

图 5 HST、JWST、LUVOIR主镜结构形式对比

图 6 HST与LUVOIR成像对比分析

表 1 三种望远镜参数比较

2.2LUVOIR组成

2.2.1望远镜系统

LUVOIR系统组成如下图所示，主要包括望远镜光学组件（Optical telescope element，OTE），背部支撑框架（Backplane support frame，BSF），以及四个科学载荷，分别为：

（1）宜居行星系统的极端日冕仪（Extreme Coronagraph for Living Planetary Systems，ECLIPS）；

（2）高清晰度成像仪（High Definition Imager，HDI）；

（3）LUVOIR紫外多目标光谱仪（LUVOIR Ultraviolet Multi Object Spectrograph，Lumos）；

（4）紫外偏振光谱仪POLLUX。

图 7 LUVOIR组成

图 8 望远镜光学组件OTE组成

图 9背部支撑框架BSF组成

2.2.2科学载荷

2.2.2.1宜居行星系统的极端日冕仪ECLIPS

图 10 ECLIPS组成

宜居行星系统的极端日冕仪（Extreme Coronagraph for Living Planetary Systems，ECLIPS）是一种复杂的仪器，用来抑制强烈的星光，以便在其母恒星附近可以看到微弱的行星。我们需要小于10-10的目标对比度来完成这些观察。该仪器分为三个通道，覆盖以下带通：近紫外（200-400nm）、光学（400-850nm）和近红外（850-2000nm）。每个通道配备两个用于波前控制的变形镜、一套日冕仪掩模、一个低阶/带外波前传感器和一台科学积分场光谱仪和成像照相机。ECLIPS结合了APLC和矢量涡流日冕仪的设计，将首次使类地球系外行星的直接成像和光谱分析成为可能。

2.2.2.2高清晰度成像仪HDI

图 11 HDI组成

高清晰度成像仪（High Definition Imager ，HDI）是近红外/近紫外成像观测的主要仪器。HDI设计提供了一个2×3弧分的视场，充分利用了望远镜提供的角度分辨率，包括两个通道：一个覆盖200-950 nm的紫外线/可见光（UVIS）通道和一个覆盖800 -2500 nm的近红外（NIR）通道。焦平面探测器阵列提供500 nm的尼奎斯特采样图像用于紫外线成像，1200 nm的尼奎斯特采样图像用于近红外成像。

2.2.2.3LUVOIR紫外多目标光谱仪LUMOS

图 12 LUMOS组成

LUVOIR紫外多目标光谱仪（LUVOIR Ultraviolet Multi Object Spectrograph，LUMOS）是一种通过可见光（1000nm）波长覆盖远紫外（100nm）的多目标光谱仪，能够在广阔的视野内同时观察数百个目标。LUMOS具有高、中、低分辨率多目标成像光谱和远紫外成像模式。LUMOS可以被认为是哈勃空间望远镜成像光谱仪（STIS）的后继产品，具有两个数量级的更高的效率、多目标能力和广域多波段成像通道。

2.2.2.4紫外偏振光谱仪POLLUX

POLLUX是欧洲提供给LUVOIR项目组的。它是一种具有高分辨率点光源能力（r=120000）的紫外光谱旋光仪，可以作为LUMOS仪器的补充。它由10个欧洲机构组成的联合体在法国航天局（CNES）的领导和支持下定义和设计。

表 2 POLLUX指标参数要求

图 13 POLLUX组成

三、关键技术组件

LUVOIR的主要科学目标之一是探测和描述附近恒星周围可居住的系外行星。要想获得足够大的系外行星数量来进行宜居性的统计研究，需要一个直径超过8米的大口径望远镜。并且需要对以下几个关键技术组件进行完善，以实现这些观测：优化的日冕仪掩模、超稳定的光学机械系统、低噪声、光子计数可见和近红外探测器。

从本地分子云中的原恒星到z=3的恒星形成星系，观测LUVOIR的科学目标需要各种紫外线成像和光谱能力。这些仪器需要在大尺寸、高灵敏度和高动态范围（HDR）紫外探测器以及高度均匀、高反射率的宽带镜涂层方面取得进展。

3.1高对比度分段孔径成像技术

研究团队正在为LUVOIR设计和建模一个概念验证日冕仪面罩架构（载玻片、掩星、里昂站）。除了优化的掩模结构外，积分场光谱仪（IFS）后端也是LUVOIR日冕仪的另一个关键设计元件。IFS通过多目标特征化和识别提高了测量效率，并提升了了宽带波前传感和控制，以校准暗搜索区域。

3.2超稳定光机系统（包括传感、控制、后视镜和结构）

外行星科学的高对比度（10-10）成像和光谱学在很大程度上取决于望远镜和仪器光学提供的波前的稳定性。探测要求是在与焦平面暗搜索区域相对应的特定空间频率内，每个控制步骤的波前误差小于10pm rms。对于LUVOIR分段孔径结构，需要几种关键技术来实现热稳定性和动态稳定性。

3.3分段孔径望远镜

两种LUVOIR架构都使用可展开的分段主镜，以实现大孔径。在长期日冕观测期间，保持各部分之间的皮计水平相位需要新的传感和控制结构，包括：边缘传感器（电容式、感应式或光学）、激光计量学、人造导航星和用于刚性体和表面图形校正的皮计水平执行器。

3.4动态隔离系统

为了保持所需的皮米级波前误差稳定性，需要对动态干扰进行被动和主动隔离。很可能需要采用分层方法，在干扰源（即航天器上的姿态控制系统执行器）处进行被动隔离，并主动将有效载荷与航天器隔离。

3.5镜段

两种LUVOIR架构都需要能够在500 nm下实现衍射极限性能的镜段，具有高刚度（>200 Hz）以实现动态稳定性，以及热稳定性，符合总体皮克计级波前稳定性要求。

3.6可变形镜面

可变形反射镜（DMS）是日冕仪的关键部件，它负责校正残余波前误差，以充分抑制日冕仪焦平面上的散斑。一旦形成暗洞，DMS必须通过修正光学系统其余部分的缓慢漂移来保持对比度。当不主动控制时，DMS必须保持稳定，以避免波前漂移。日冕仪的外工作角度（OWA）从根本上受到分米直径上执行器数量的限制。因此，需要大尺寸的DMS来实现更大的视场。

3.7波前传感

启用高对比度成像系统的波前稳定性要求通常为在相关空间频率上每个控制步骤（通常为10秒/分钟）小于10 pm rms波前误差。波前控制步进时间由波前传感技术和用于传感的源光子数决定。低阶波前传感（LOWFS）通常使用不再日冕仪掩模（限制其空间频率灵敏度）里的恒星光子来估计位置指向线和低阶波前项。带外波前传感（OBWFS）使用不在观测波长或空间频带之外的恒星光子，从而提高空间频率灵敏度。

3.8探测器

实现LUVOIR宏伟的科学目标必须在探测器灵敏度、格式、动态范围和辐射耐受性方面的研究取得进展。在FUV中，大尺寸、高动态范围的探测器将使多目标光谱观测的波长短至100纳米。在光学和近红外、单光子、大尺寸探测器中，可以进行重要的外行星观测，包括外行星系统的多重光谱观测。整个波段的量子效率提高将进一步拓展LUVOIR科学任务。

3.8.1大幅面、高灵敏度、高动态范围的紫外探测器

所有技术的一个主要目标是开发一种具有高像素计数的大幅面探测器，以便在紫外线下进行宽场成像和多目标光谱（MOS）。所有的技术都需要额外的开发来实现这些高填充因子焦平面和大量的像素数，同时保持其他的能力要求。还应考虑具有简化中继光学和减少宽视场性能反射次数潜力的柔性探测器。微通道板（MCP）探测器可以平铺成大阵列（>200 x 200 mm），以实现大视场紫外仪器。进一步提高FUV敏感性和计数率。

3.8.2可见光/近红外系外行星探测器

外行星探测研究表明，具有零读取噪声（即光子计数）和极低暗电流和杂散计数率的探测器最大限度地提高外行星探测数量，在某些情况下，利用积分场光谱仪实现外行星光谱分析。在光学和近红外、单光子、大尺寸探测器中，可以进行重要的外行星观测，包括外行星系统的多重光谱观测。

3.9镜面涂料

一般的天体物理学和外行星科学要求在100nm到2500nm波段间进行高通量观测。与现有最先进的技术相比，镜面涂层在105nm时的反射率应大于50%，而在波长大于200nm时的性能不受影响。涂层工艺必须可扩展到米级段，并且可重复，以确保在由100个以上波段组成的孔径上具有均匀的性能。

四、应用场景

15m口径望远镜的能力远远超过我们今天所拥有的望远镜的分辨率，更重要的是LUVOIR所代表的不是一个渐进的改进，而是一个革命性的改进，它超越了任何一个曾经提出过的天文台。从太阳系到太阳系外行星、恒星、星系、星系间的气体、暗物质等天文领域，这一先进的望远镜将以一种前所未有的方式推动我们的科学知识向前发展。更大的规模，加上LUVOIR上的其他先进技术，使这个望远镜成为天文学家真正的梦想天文台。

4.1太阳系

关于太阳系内的天体，还有许多事情有待发现和理解。LUVOIR可以在可见光下为木星提供高达25km的成像分辨率，并且允许在较长的时间尺度上对木星、土星、天王星和海王星的大气动力学进行详细监测。对太阳系彗星、小行星、卫星和柯伊伯带天体的敏感、高分辨率成像和光谱分析，在可预见的将来航天器不会访问这些天体，LUVOIR可以提供有关太阳系形成过程的重要信息。

在过去的几十年里，我们发现，外太阳系的几个卫星，如欧罗巴和恩克拉多斯，在它们结冰的表面下有液态水。LUVOIR有一个重要的作用，通过对结冰卫星的高分辨率监测，确定目前未知的欧罗巴和恩克拉多斯间歇泉的强度和频率。它不仅能够拍摄到不可思议的图像，而且还能获得各种各样的特征的光谱。

4.2类地行星

LUVOIR将在我们太阳系之外的几十个潜在的可居住星球上寻找可居住的条件和生命迹象。这项研究的结果将带来大量关于各种恒星可居住区岩石行星的大气成分和表面条件的数据。这些数据将彻底改变我们对行星尺度宜居性的理解，并允许对全球生物圈出现在宜居世界的频率进行首次评估。生命检测需要获得广泛的分子，这就要求光谱探测范围很广。LUVOIR望远镜和星光抑制系统可以跨越这么长的探测范围，获取行星大气重要成分的信息，包括水、分子氧、臭氧、二氧化碳和甲烷。

4.3系外行星

通过详细研究外行星的广泛多样性，我们将能够在一系列条件下发展、测试和完善行星大气过程的理论，包括逃逸、温室效应和光化学效应。因此，通过比较行星研究，我们对行星表面温度、气候和大气结构如何受到入射太阳通量、云和雾物理以及大气成分组合的影响有了深刻的了解。LUVOIR将有能力描述数百个正在过境和直接成像的行星，并将彻底改变我们对所有类太阳系外行星的理解，以及连接它们的普通线。

LUVOIR将有能力直接成像许多行星而不是从它们在其母恒星轨道上引起的摆动推断出行星的存在。由于具有前所未有的质量，再加上它在太空中的独一无二的大小和位置，它能够发现和拍摄数以百计的恒星系统，这些恒星系统都有生命的潜力，所有的恒星都在100光年以内。随着光谱的获得，LUVOIR可以做任何其他目前或计划的天文台都无法做到的事情：在数百个地球大小、可能适宜居住的星球寻找分子生物特征。这是第一次可以为我们提供超越太阳系生命的证据的机会。

4.4恒星

当哈勃太空望远镜发射升空时，它开启了观测天文学家的一个有趣的可能性：在仙女座星系中测量单个恒星的性能的能力，超过200万光年远。有了LUVOIR 我们将能够在3亿光年之内对每个星系进行同样的测量。我们将第一次能够测量宇宙中每一种星系的恒星，从小矮星到螺旋状到巨大的椭圆，再到稀有的环星系。如果没有像这样的大型光学空间望远镜，宇宙普查是不可能的。

我们还没有一般的理论来解释恒星形成过程的基本结果或最初的恒星质量函数（IMF），IMF描述了产生质量的恒星的数量。恒星和原行星盘在总体上是很小的，目前，我们只能在它们相对较近的时候对它们进行详细的研究。LUVOIR提供的紫外线能力对于研究恒星和行星形成理论至关重要。此外，用POLLUX仪器测量LUVOIR的紫外光谱极化能力将使我们能够研究恒星盘的线性极化和去极化效应。

4.5星系

我们对星系形成和演化的许多理解都来自于对已分解恒星群的丰度和运动学的研究。目前，这仅适用于我们所在星系群中的星系，限制了可以研究的星系类型。LUVOIR前所未有的分辨率将解决星系中恒星形成区域的恒星数量问题，从而获得更为多样的星系形态、大小和星系团环境。此外，星系间介质中的气体在星系之间流动，并被回收到新的恒星中；这一过程中的大部分还未被观察到，因为它要求LUVOIR能够进行灵敏的紫外线光谱分析。

哈勃望远镜发现了宇宙只有4亿岁时的星系，只有其当前年龄的3%。但是这种遥远的星系是罕见的，因为哈勃只能看到其中最亮的一些，甚至还需要借助引力透镜。相比之下LUVOIR将能够看到所有的星系，包括微弱的星系，矮星系，现代星系的微小集群以及那些没有引力透镜或偶然排列的星系。我们最终将能够了解宇宙中星系的全部并拥有每像素300 - 400光年的分辨率，不管它们在宇宙中的距离有多远。

4.6星系间的气体

目前我们可以取一个星系的“光束”，测量围绕着一个星系的气体的光晕。我们可以测量这种气体的吸收特性，并将其与我们的三维模拟进行比较。但在LUVOIR中，我们可以直接将几十个甚至数百个“铅笔光束”成像到每个星系中，测量并绘制出银河系的环绕星系。在某些情况下甚至可以直接激发气体的发射特性，直接将观测与模拟进行比较，而不需要在单独的吸收过程中进行插值。

4.7暗物质

星系团就像太空中的宝石一样，沿着暗物质网排列，但仍有许多关于宇宙本质的悬而未决的问题。这些问题包括暗物质的性质以及星系如何在小尺度上形成。LUVOIR可以通过成像宇宙中比以往任何时候都更微弱和更小的结构来解决这些问题。此外，它还能够绘制出附近宇宙中暗物质的分布图，并研究电磁辐射中引力波源的对应关系。这个看不见透明的物体是宇宙中大多数引力的主要原因，但我们只能从它对可见物质的影响中绘制出来。LUVOIR将会改变这一切，让我们能够测量更遥远星系的旋转特性。我们将能够明确地测试暗物质的模型。

五、总结

在太空中，LUVOIR的分辨率将超过哈勃望远镜的六倍，而且成像速度也要快40倍。哈勃需要整整一年才能完成LUVOIR 9天的连续观测，而且哈勃望远镜只有LUVOIR 16%的分辨率。

LUVOIR将能够从其位于地球附近轨道上的有利位置获取图像，而不是将航天器发射到遥远的行星上。在测量来自光源的紫外线的时候，LUVOIR会在它的光谱仪器上使用一个微快门阵列，让它能同时成像许多物体，而不是像今天的望远镜那样仅仅是一个物体。就像哈勃望远镜与当今最大的地面观测站一样，LUVOIR将与目前这一代的地面30米级天文台合作，比如GMT和ELT来发现和跟踪人类所知道的最微弱、最遥远的物体。尽管JWST将成为NASA在2010年的旗舰天体物理学任务，而WFIRST将在2020年飞行，LUVOIR最早可能会在本世纪30年代开始，这取决于即将到来的十年调查的进展。随着我们在天文学和天体物理学领域取得的每一个新的重大技术飞跃，我们所取得的最大成就将是无法预料的。

来源：北京空间机电研究所 研发中心供稿