 / 欢迎来到未来 预测本身是个危险的游戏，所以《天空与望远镜》（Sky & Telescope ）杂志并不经常参与预测。但一些惊人的事情即将发生——技术与项目将从根本上改变天文学的面貌，并最终改变我们对宇宙的认知。让我们来看一看这些天文学方面研究和探索(可能)的发展方向！ 首先，我们重点介绍下天文学家正在积极探索的四种技术和任务概念。在选取这些例子时，我们力求展现多样性，而非对某一类的偏爱：虽然有很多伟大的想法都在被探讨，但我们所选的这四个会涉及到一系列的进展，这些进展将彻底改变我们在天文学中使用的核心技术，或者改变研究的规模。 接下来，我们后退一步，着眼于长远。我们调查了从行星科学到宇宙学等领域的几十位天文学家，询问他们可以预见到哪些进展，以及这些进展何时会到来。之后，我们将他们的回复与我们在科学会议和座谈会上所听到的预测结合起来，并排除多种可能性和多样性，最终整理得到了一个时间线，预测了当前到2050年间即将要发生的事。 其中的⼀些预测可能会被证明是错误的。例如，回想在2013年1⽉的时候，一位物理学家在《天空与望远镜》杂志上说，“暗物质似乎即将被发现······如果再过5年或10年，大质量弱相互作用粒子（WIMPs）的信号都没有出现，我会感觉很诧异。“该预测已经过去了将近9年，而科学家们开始怀疑WIMPs粒子——曾经是暗物质的热门候选者——是否是一条死胡同。 当然，我们也无法预知惊喜。我们会在太阳系的其他地方发现微生物的迹象吗？我们会收集到关于宇宙如何运转的新线索吗？而且(我们几乎是在恳求)另一颗超新星是不是会很快点亮银河系？我们早就应当观测到这一现象:在像我们银河系这样的星系中，我们应该每100到200年就可以看到一颗恒星爆发所产生的超新星，但距离我们上一次观测到超新星爆发已经过去400多年了。那么下一次会在2050年前发生吗？ 我们下一代发生的最大新闻可能是一些我们甚至还无法想象的事情。但我们没有理由不去尝试预测⼀下。 / 传回数据，斯科蒂 激光将取代射电天线成为行星际通讯系统  卡西尼号土星探测器、新视野号、哈勃空间望远镜，包括这些在内的众多的航天器带我们领略了迷人的宇宙景色，丰富了我们的知识，并点燃了我们的好奇心。但如果我们无法取回数据，那把仪器送到太空中是没有用的。没有通讯，就意味着无法探索。 在整个太空时代，我们一直在使用射电波段与我们的太空使者传输数据。射电的主要优势在于:它能穿透地面站上空的云层，而且波长很长，这就意味着地球上的天线不需要刻意地瞄准，就能接受到它的信号。 但是射电同时也很慢。长波限制了信号所能携带的信息量。以“新视野号”探测器为例，由于距离、带宽和网络共享的原因，它花了一年多的时间才将其6.25 GB的冥王星飞越数据传回给焦急等待的科学家团队。该数据量的大小也只仅仅相当于⼀部⾼清电影⽂件的⼤⼩。 因此，美国宇航局（NASA）和其他宇航员正在开发一种替代的通讯方法：红外激光通讯方法。 射电和激光通讯的工作原理相同：通过调制波长的特性对信息进行编码，然后将信号发送给接收器，接收器能够解码修改后的信息流。这与无线（Wi-Fi）路由器的原理相同，无线路由器利用微波将互联网上的信息发送到你家里的设备上。 但是，与用于航天器通讯的射电波段相比，红外波长大约短1万倍，所以激光会将信息压缩成更致密的波。因此，在同等时间段内，它可以比射电信号传输更多的数据。改用红外激光——被误命名为光通信——将使数据传输速率提高10倍或更多。这将会导致火星的下行（downlink）速率从——火星距离地球最近时的大约每秒2兆比特（Mbps）——提高到接近25Mbps，也就是美国宽带的最低上行（uplink）速率要求。 然而，激光通讯也有不好的一面。首先，红外激光不能穿透云层，所以地面站需要设在晴朗的地方，比如夏威夷和加利福尼亚的部分地区。其次，信号束很窄。电磁波在从源传播时向外扩散，从火星发射的射电波束到达地球时，其直径比地球直径还大，所以很容易捕捉到。但是，喷气推进实验室（Jet PropulsionLaboratory）的阿比吉特·比斯瓦斯（AbhijitBiswas）说，从同样的距离发射的激光束到达地球时的面积只有加州那么大。而该激光束成功被地面站探测到的概率，就好比稳稳地拿着一根一米长的苏打吸管，使其远端不会下降一微米。“如果我们错过了，”他说，“就没有人能捕捉到那些信息了。” NASA在2013年成功展演了月球轨道上的激光通讯，实现了622 Mbps的对地速率。之后，一系列实验接踵而至。欧洲航天局现在使用光链路将其一些低轨卫星与两个地球同步中继卫星（然后通过射电信号向地球发送数据）连接起来，星链项目也开始使用卫星间激光传输。 NASA的激光通讯中继演示（LCRD）旨在成为第一个完全基于激光的中继系统。LCRD位于地球同步轨道上，它将以1.2 Gbps的速度传输从国际空间站发送来的数据，这大约为2013年月球实验中速度的两倍。然而，考虑到火箭相关问题，LCRD原定于2021年6月的发射被推迟，并且截止到本文交付印刷时，也没有发布新的发射日期。  进入深空 团队成员在JPL的洁净室中测试深空光通信实验。22 厘米的主镜（中心，指向相机）将向地球上的地面站发送和接收红外激光。铝制底板将用螺栓固定在灵神星航天器上。 但探索者们想把探索的步伐推进到近地空间以外。计划于 2022 年发射的深空光通信（DSOC） 实验将搭载 NASA 的灵神星小行星任务，以测试激光链路在火星以外的工作情况。DSOC将使用类似于离轴望远镜的装置，将微米波长的激光对准22厘米的镜⾯，并将其反射回地球，将打包数据发送给检查准确性的团队成员。（它们将通过一个波长略有不同的信标锁定地球。） DSOC的地面站将是位于加州帕洛玛天文台的5.1米海尔望远镜——“对于我们想要探索的这些距离来说，这一口径有点窄，”DSOC项目技术专家比斯瓦斯承认。他说，理想情况下，未来的激光通信将会利用8到10米的望远镜。D S O C 团队的目标是在1 / 4 个天文单位（A.U. , 日地距离）远的地方达到100Mbps的对地下行速度，以及在2a.u. 处达到约2Mbps的对地传输速度，这可以帮助我们很好地接收小行星带内的数据（相比之下，灵神星的主要通信系统可能会达到十分之一的速度）。在2a.u.之外，航天器将会位于白天的天空中，因此无法观测到。 将激光作为太空任务的常规通讯手段，可能还需要20年，但这是必然会发生的。正在逐渐老化的哈勃空间望远镜每周平均收集18GB的科学数据，2018年发射的凌星系外行星巡天卫星（TESS）每两周下载94 GB的压缩数据，新的韦布空间望远镜（JWST）预计将每天两次、每次传输时间超过4小时地发送约30GB数据。但天体物理学首席技术专家马里奥·佩雷斯（Mario Perez）（就职于NASA）表示，未来的旗舰任务可能每天会收集TB量级的数据。而射电网络无法处理海量的数据。  下行传输 激光束到达地球时比射电波束要窄得多，因此精确指向至关重要。但激光传输数据的速率也比射电快 10 倍。 然而激光可以。在未来，激光通讯可能使宇航员能够从月球传送高清视频。我们将收到来自火星的流图像。一组激光驱动的、类似TESS的卫星可以将系外行星的观测提升到新的水平。而且，或许我们可以将接收器放置在太空中，来完全避免云层和日光的问题。  ——节选自《中国国家天文》2021年11月号 作者简介 / 在疫情期间，科学编辑卡米尔·卡莱尔（CamilleM. Carlisle）对Wi-Fi和下行速率的了解，远超她之前认为所需要的。 译者简介 / 李玉丰，中国科学院国家天文台天文学博士，研究方向为引力波天文学、系外行星的射电观测；曾参与翻译《量子社会》《致命的引力》等书。 ——欲知更多天文内容，尽在《中国国家天文》11月刊——   点击“阅读原文”或 扫描二维码 现在订阅全年赠送电子刊，阅读更方便！  编辑 / 缓缓 怀尘 中国国家天文 Chinese National Astronomy 微信号：chineseastronomy 《中国国家天文》杂志由国家天文台主办。 本刊面向广大公众，提供科学性、文化性、艺术性、收藏价值兼备的天文学内容及文化生活。 新媒体投稿：cinastronomy@163.com 纸刊订阅请访问公众号下方国天商城 |
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