戈达德科学家威尔张（中）正在开发一种新的硅制X射线镜，他认为这将有利于山猫的使命。他和帮助推进这一进程的劳尔·罗索斯（左）都拿着他们制造的曲面镜。戈达德技术专家文斯布莱（右）在几年前开始尝试将这种材料作为潜在的制镜材料。
马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所创建了一个测试平台，用于评估主要用于名为LUVOIR的任务的不同冠方法。
这里有一个可能的解决方案，用内部的冠状器件来抑制明亮的星光：一个涂有碳纳米管的掩模，用于修改衍射光的图案。
技术人员Lee Feinberg（左），Babak Saif（中）和Eli Griff-McMahon（右）已经创建了一个超稳定的热真空系统，他们正在使用它来进行皮米级测量 - 这是美国宇航局提出的LUVOIR任务的要求。
戈达德低温工程师Jim Tuttle正在推进冷却技术 - 用于下一代天体物理学任务的连续绝热退磁冰箱。
美国宇航局的未来是什么样子？下一代望远镜是否会研究远距离宇宙中的第一个黑洞？还是它会在光年远的地球上寻找生命？像过去几十年一样，该机构不会在真空中或不理解技术障碍的情况下作出这一决定，这些障碍是艰巨的。
已经有来自整个机构，学术界和行业的专家组正在研究四项潜在的旗舰任务，科学界已经审查了2020年天体物理学十年调查中值得追求的任务。3月份，他们提交了临时报告。预计明年他们将完成国家研究委员会将在几年内将其建议通知美国航空航天局的最终报告。
"这是天体物理学的游戏时间，"美国宇航局宇宙起源计划首席科学家Susan Neff说。"我们想要建立所有这些概念，但我们没有预算同时完成所有四个概念。这些年代学研究的重点是，当他们决定首先做哪些科学研究时，为天体物理学界的成员提供最好的信息。"
美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心领导着两个：大型紫外/光学/红外测量员（LUVOIR）和起源太空望远镜（OST）。同时，美国宇航局在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室（JPL）和位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心分别领导着HabExter成像仪（HabEx）和被称为Lynx的X射线测量仪（详见每个细节）。
NASA天体物理计划办公室的技术开发经理Thai Pham说，无论NASA最终选择哪项任务或其飞行技术，该机构和个人中心都已开始投资于未来追求这些大胆突破概念所需的先进工具。"我并不是说这很容易。它不会，"他继续说道。"这些雄心勃勃的任务具有重大的技术挑战，其中许多任务重叠并适用于所有人。好消息是现在奠定了基础。"
史无前例的Picometer水平稳定性
LUVOIR提供了一个例子。
天文台的一个概念设想了一个直径约49英尺的超大型分段主镜。有了这个巨兽，LUVOIR可以帮助回答生命如何开始，什么条件对恒星和星系的形成至关重要，也许最引人注目的是宇宙中稀有的地球？
"LUVOIR将寻找生命迹象，但并不止于此。它会告诉我们人生是如何发生的，以及宇宙中生命是多么稀少，"副研究科学家Shawn Domagal-Goldman说。"这项任务是雄心勃勃的，"研究科学家Aki Roberge表示，"但是要知道太阳系外是否有生命是奖项。所有技术高杆都是由这个目标驱动的。"
为了直接对地球大小的行星进行成像并评估它们的大气层，LUVOIR将不得不从相对较小的物体获取光线，这些物体比它所包围的恒星至少要暗淡100亿倍。Roberge说，这就像从两个足球场的距离上辨别出一个不比人发更宽的物体。
为此，LUVOIR的光学器件和相关硬件必须超稳定; 也就是说，这些组分不能移动或变形超过12皮米，这比氢原子的尺寸小。天文台不仅要在测量时保持这些严格的标准，其镜像部分也要保持严格。
就像James Webb太空望远镜上的21英尺主镜一样，LUVOIR的镜子将由可调节的部分组成，这些部分将在发射后展开。由于捕捉来自微弱和远距离光源的光线需要精确聚焦的波前，因此连接到每个反射镜后部的致动器或电机将主动调整和对准这些部分以实现完美的聚焦。
"物理稳定性，加上对主镜和内部冠状星（一种阻止星光的装置）的主动控制，将导致皮米计精度，"Roberge说。"这完全是关于控制。"
已经有一个戈达德团队已经开始开发实验室工具，可以动态检测由于波动剧烈的温度或暴露在激烈的发射力下时用于制造望远镜的材料缩小或膨胀时发生的皮米计大小的扭曲。如果NASA选择LUVOIR作为其下一个旗舰任务，NASA可以使用这个工具来确保该机构为这些基准建立一个观测台。
抑制星光：共同的技术挑战
HabEx虽然体积比LUVOIR小，但也可直接对行星系统进行成像，并用大型分段镜分析行星大气层的组成。此外，它还可以通过研究宇宙历史最早的时代，来理解大质量恒星的生命周期和死亡，最终提供支持生命所需要的元素，从而实现广泛的一般天体物理学。我们知道。
像LUVOIR一样，它也必须飞行一个对紫外线，光学和近红外光子敏感的大而稳定的望远镜，以及阻挡母星明亮光线的技术，并创建一个黑暗区域，揭示地球大小的行星的存在。
"为了直接描绘绕行星附近行星的行星，我们必须克服动态范围内的巨大障碍：恒星的明亮光芒抵御行星上星光的暗淡反射，只有一个小角度将两者分开，"Neil Zimmerman说。 ，美国宇航局在coronagraphy领域的专家。"这个问题没有现成的解决方案，因为它与观测天文学中的其他挑战不同。"
为了克服这个挑战 - 比如试图拍摄一个从数千英里远的地方绕过一盏路灯的萤火虫，研究人员正在研究抑制星光的不同方法，包括在光进入望远镜之前阻挡光的外部花瓣形星形阴影和使用的内部天冠面罩和其他部件，以防止星光到达探测器。HabEx团队正在研究这两种技术。
但是仍然有一个很大的障碍：马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的科学家RémiSoummer说，即使有多个冠状面罩，星光仍然会通过。星光会从冠状面的光学元件的边缘衍射出来，使得很难完全阻挡光线来看到围绕恒星旋转的小行星。一种可能的解决方案是将碳纳米管应用到改变衍射光图案的冠状面罩上。
Soummer创建了一个最先进的测试平台，用于评估主要用于LUVOIR的不同冠方法，正在与前Goddard光学工程师John Hagopian合作，测试Hagopian的碳纳米管技术在此应用中的有效性。这种超黑色涂层由多层纳米管组成，比人的头发细一万倍。"当光线以最少的反射穿透纳米管森林时，光线的电场激发电子，将光线转化为热量并有效地吸收电子，"现在是戈达德承包商的Hagopian解释说。
Soummer说，迄今为止测试结果是有希望的。但判决仍然没有结果。虽然Hagopian致力于提高其技术吸收几乎所有光线的能力，但Soummer计划使用另一种称为硅草的光抑制技术测试coronagraph面罩。由JPL研究人员开发的，硅基草是由一薄层硅晶片表面蚀刻的细小针叶组成。"我的工作是比较不同技术的性能，"Soummer说。
"探测器，探测器，探测器"
虽然测量数百万像素的大型探测器阵列对于LUVOIR，HabEx和Lynx来说是必不可少的，但它们对于设计用于观测宇宙最远处的远红外观测台OST特别重要。
"当人们问起开发太空望远镜的技术差距时，我告诉他们最重要的三个挑战是探测器，探测器，探测器，"Goddard科学家和OST研究科学家Dave Leisawitz说。"这关乎探测器。"
美国宇航局研究人员正在推进不同类型的超导探测器用于下一代望远镜，但OST可以从两种新兴类型中获益更多：过渡边缘传感器（TES）或动能电感检测器（KID）。TES探测器已经达到了高度的技术成熟度，现在被用于HAWC +，这是NASA的平流层红外天文观测台（通常称为SOFIA）的一种仪器。戈达德检测专家兼副研究科学家兼仪器科学家Johannes Staguhn说："尽管技术准备相对早，但KID正在迅速成熟，并可能在未来的天文仪器中找到用途。
然而，除非天文台积极冷却到4开尔文或-452.47华氏度，否则两种探测器技术都无法履行诺言。那是因为它收集的光线 - 几十亿年前第一次开始穿越宇宙的光线 - 以太阳望远镜的形式出现。如果天文台及其仪器产生太多热量，它将压倒望远镜想要收集和测量的信号。
因此，OST的分段主反射镜 - 现在预计直径将近30英尺 - 将不得不冷却到大约4K。如果NASA选择OST，该观测台将成为美国宇航局第一台主动冷却的望远镜。根据Leisawitz的说法，OST团队希望通过散布层层的遮阳罩来实现这一目标，这些遮阳罩将包围镜子并散发热量。然后，四个冷冻机或散热器会机械吸收余热以保持镜子的4 K目标温度。
OST的仪器探测器也必须冷却到0.05K或绝对零度以上的二十分之一。这是天文台本身的八十倍。研究小组认为可以用多级连续绝热去磁冰箱（CADR）完成这项技术专长。
由戈达德低温工程师开发的这项技术已经应用于过去的X射线任务。它通过改变专用材料棒内部的磁场并最终将热量传导到4开尔文低温冷却器来冷却到这个非常低的温度。Goddard低温工程师Jim Tuttle说："CADR没有移动部件，不产生振动，独立于重力工作，非常适合太空任务。
镜子和酷探测器揭示隐藏的宇宙
冷却技术和更高性能的探测器也为Lynx带来了挑战。以尖锐的猫科动物命名，拟议的天文台是四个检查X射线宇宙中唯一的观测站。它的主要工作之一是检测来自第一个星系中心超大质量黑洞的更有活力的光线。
Goddard的Lynx研究成员Rob Petre说："超宇宙黑洞在我们现在的理论预测中比宇宙早得多。"我们不明白这些巨大的物体是如何在第一批恒星形成后很快形成的。我们需要一台X射线望远镜才能看到第一个超大质量黑洞，以便为他们如何形成理论提供理论依据。"
为了解开这个谜团，Lynx研究小组正在考虑搭载X射线微量热仪成像光谱仪等仪器。使用微量热仪，X射线光子撞击探测器的吸收体，并将其能量转换为热量，然后由温度计测量。热量与X射线的能量成正比，这可以揭示目标的物理特性。因为微量热仪基本上是温度计，所以它们必须冷却到低温以检测这些短暂的，难以捕获的X射线。
佩特雷说，美国宇航局在这些领域取得了进展。戈达德团队为日本朱雀和Astro-H任务提供了冷却技术，两级ADR和36像素微量热计阵列。然而，对于Lynx来说，这些技术必须变得更大更强大。
目前，戈达德的科学家西蒙·班德勒和卡罗琳基尔伯恩正在扩大的微量数组的大小，事实上，正在开发用于欧洲航天局的先进望远镜4000像素微量阵列高能天体物理，或者雅典娜的使命。雅典娜预计将在20世纪20年代后期推出。他们的目标是最终创建一个包含100,000个像素的阵列。与此同时，由Tuttle领导的戈达德低温专家正在为冰箱添加各个阶段。Tuttle说，与Lynx基线相同的多级冷却系统也可用于OST。
Lynx还需要轻量级光学元件，提供更大的收集面积，并大大提高分辨率。与收集较少能量光的其他镜子不同，X射线光学器件必须弯曲并嵌入罐内，以便进入的光子能够擦拭镜子表面并偏转到天文台的仪器中。镜子的数量越多，分辨率就越高。
一种可能的方法是使用由单晶硅制成的相对廉价，易再现的光学器件，该单晶硅是用于制造计算机芯片的坚硬，脆弱的非金属元件。Petre说，现在正在由美国国家航空航天局光学专家Will Zhang开发，这种材料在收集X射线方面已被证明是有效的。由于这些镜子薄而轻，Lynx可以携带数千个单独的反光镜片段来提高其聚光能力。
虽然存在另外两种相互竞争的技术，但张对Lynx从他的工作中获益很有信心。"我们今天制造的镜子质量比一年前好几倍。我们正在满足或接近满足Lynx的要求，但从现在起一年左右，我们肯定会与他们会面。"
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