我们的太空望远镜正变得越来越强大。但它们也非常昂贵。我们能降低成本吗？图片来源：STScI/NASA/ESA/CSA
我们都沉浸在詹姆斯韦伯太空望远镜的成功中。它正在实现它作为我们最强大的望远镜的承诺，做出我们一直期待和希望的各种发现。但JWST的故事是预算中断，反复要求更多时间和金钱以及几乎取消的故事之一。
我们可以让太空望远镜更便宜吗？
JWST的任务还不到一年，我们已经在期待下一个太空望远镜。美国宇航局已经在计划和开发南希·格雷斯·罗马太空望远镜（前身为WFIRST）和宜居世界天文台（前身为LUVOIR），分别于年和年代末发射。
这些太空望远镜可能非常昂贵。然而，一组研究人员认为，有一些方法可以降低太空望远镜的成本。他们写了一篇论文，阐述了他们的想法，题为“降低大型太空望远镜成本的方法”。主要作者是亚利桑那大学斯图尔德天文台天文学助理教授EwanDouglas。他们在8月的SPIE光学+光子学会议上发表了他们的论文。它在arXiv预印本服务器上可用。
毫无疑问，大型太空望远镜的科学原理。它们提供任何其他方式都无法获得的结果。毫无疑问，他们的费用和对NASA预算的消耗。它们永远不会比地面望远镜便宜，但地面望远镜根本无法像太空望远镜那样工作。
没有太空望远镜，我们就不会有这样的图像。JWST在年9月拍摄了狼蛛星云的这张图像。图片来源：NASA、ESA、CSA、STSci、WebbERO制作团队
没有人愿意放弃强大的太空望远镜带来的科学进步。但很难反驳关于它们变得太贵的批评。道格拉斯和他的合著者对我们如何继续用太空望远镜产生新的发现，同时使成本更可口有一些想法。
他们的论文聚焦于一种假设的6.5米镜面光学光，该光在室温下在太空中运行。6.5米与JWST的镜子大小相同。他们展示了一些技术是如何变得更便宜的，一些最先进的技术现在几乎已经过时了，以及像SpaceX的星舰这样的航天器意味着我们可以发射带有更大主镜的望远镜，而无需建造像詹姆斯·韦伯那样复杂、昂贵的反射镜。
年后，地面望远镜的成本明显下降，研究人员表示，太空望远镜也会发生同样的事情。“因此，先前对光学，商业电子和SpaceXStarShip的研究所带来的研究和新的规模经济可能会对太空天文学产生类似的影响，并将多个大型天文台的成本降低到NewSpace投影和地面天文台之间的制度，”他们写道。（请参阅此链接中的新空间。
发射能力在成本中起着关键作用。不仅仅是火箭发射本身的费用，而是通过限制望远镜主镜的尺寸。JWST的主镜被折叠以适合阿丽亚娜5的有效载荷整流罩。这意味着它需要一个复杂、昂贵且有风险的镜子，在它移动到它的位置时展开。发射限制是特派团的重大财政负担。
但SpaceX的星际飞船应该能够一体式装载6.5米长的镜子。他们写道：“SpaceX星际飞船的整流罩有可能使6.5米的JWST级望远镜直接发射单片镜子，从而消除了分段镜设计的成本和复杂性。如果这是可靠的，那么6.5镜设计可以用于多个望远镜。建造6.5米镜子的大部分成本都在初级光学材料中，蜂窝硼硅酸盐镜相对便宜。因此，与其定制设计和建造每个镜子，我们可以达到一种规模经济。
这幅图显示了JWST的主镜在运载火箭内折叠折纸状。
作者说，有一个标准的6.5米镜子几乎符合要求，“......经过现场验证的RichardF.Caris镜子实验室6.5米轻质硼硅酸盐蜂窝镜，未经修改。蜂窝具有与其他固体对应物相同的优点，但更轻，可以明显更大。使用硼硅酸盐玻璃是因为它抗热膨胀，可在低温下成型，并且相对便宜。相比之下，JWST的镜子由铍制成，并涂有一层薄薄的金。
太空望远镜中的硼硅酸盐镜需要自适应光学器件。但这是地面望远镜作为试验场的另一个领域。自适应光学和波前控制技术越来越好，可以适应6.5米太空望远镜。更新、更快的CMOS传感器也有助于消除图像失真，因为它们需要更少的时间来捕获图像，而且它们也变得越来越大，越来越便宜。
与地球表面不同，太空是无辐射的。电子产品需要能够在这种环境中工作，软件也是如此。“从历史上看，专用飞行计算机运行汇编语言，需要昂贵且利基的软件开发技能，”作者写道。但这种情况正在改变。商用现货（COTS）电子设备现在正在太空任务中实施，常见的操作系统也是如此。例如，MarsIngenuityHelicopter在Linux上运行，CubeSats上的一些波前控制系统也是如此。
JWST坐在太阳地球L2上做它的工作。它需要处于热稳定的环境中，其强大的红外传感器才能有效。但是将望远镜送到那里的成本更高，并且需要更多的功率来传输数据。道格拉斯和他的同事说，还有另一种选择，至少对于TESS使用的光学望远镜。
TESS在高地球轨道（HEO）中处于13.7天的时间。它使用月球重力辅助到达那里，这有助于降低发射成本。“TESSHEO轨道在相对较低的DeltaV的热稳定低辐射环境中提供了较大的连续天空覆盖，降低了空间天文台的推进需求，并增加了相对于L2轨道的潜在数据下行链路相同发射器功率。TESS的轨道应该稳定数十年或更长时间，而无需推进。
这张图显示了TESS如何到达其HEO轨道，以浅蓝色显示。它使用了一系列推进燃烧和月球飞越。学分：里克等人（）
望远镜设计的一些进步降低了成本，同时不直接涉及技术。设计流程的重大发展简化了程序，并通过节省时间降低了成本。“在过去的几十年里，具有版本控制，项目管理，基于测试的设计以及持续集成和部署的软件开发过程的进步加快了日益复杂的软件的开发速度，”该论文指出。
对于我们大多数人来说，文档管理可能不会点燃太多热情，但它是望远镜设计过程中关键部分的一个例子，可以从改进和降低成本中受益。设计、建造和发射太空望远镜需要数千名具有专业技能的人数十年。简化的通信方法有助于降低成本。作者提到了机器可读文档等示例，以及使用开源JSON文件格式及其模式来减少错误。甚至可以改进文档的更改跟踪和自动分发，以帮助降低成本。他们解释说：“这些工具使迭代的、原型繁重的设计过程更加可行，因为吸取的经验教训是自然而然的。
他们概述的一些变化已经在SmallSats，CubeSats中使用，在某些情况下，甚至用于更大的项目，如NancyGrace罗马太空望远镜。事实上，SmallSats提供了一个令人鼓舞的观点，即我们如何在不牺牲科学的情况下降低成本。
这篇论文深入探讨了更多的技术细节，尽管作者说这是对这个问题的初步研究，未来的论文将更深入地挖掘。但他们已经表明，有一条前进的道路，我们可以继续推进天文学和天体物理学，而不会造成暴涨的预算。
他们总结说：“未来的工作将提供这样一个天文台如何出现的细节，额外的风险缓解策略，详细的仪器设计，并提出蜂窝硼硅酸盐镜在发射后幸存下来所需的环境要求。
更多信息：EwanSDouglas等人，降低大型太空望远镜成本的方法，arXiv（）。DOI：10./arxiv..