SpaceX星艦如何加速推動天文物理發展

SpaceX 大幅提升了其可重複使用的運輸系統的質量和體積，同時還不須增加成本，或許可以讓NASA 提前好幾年開始進行未來的任務。

從2019 到2021 年，美國天文學界進行了一項運動，為未來的十年以上做規劃。這次努力的成果就是「2020 年代天文學和天體物理學的發現之路」（Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s）十年調查報告，也被稱為Astro2020。它描繪了一系列極富野心的全新「偉大天文台」，作為該社群的最優先事項（本文作者每位分別都和Astro2020 認可的天文台其中一座有深厚關聯）。這些新的「偉大天文台」（其中一些如圖一中所示）將收集橫跨電磁頻譜，從遠紅外線到X 射線的測量數據，且其性能比許多著名的前輩—史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）、哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）、康普頓伽瑪射線天文台（Compton Gamma-Ray Observatory）和錢卓拉X 射線天文台（Chandra X-Ray Observatory）都高了好幾個數量級。

圖一：NASA 正在計畫發展新的天文台。此圖展示的是初期設計概念：（a）LUVOIR天文台，（b）起源號太空望遠鏡（Origins Space Telescope），（c）山貓（Lynx）X-射線天文台。不論最終儀器的形式為何，它們都將被派出以收集橫跨電磁波頻譜的測量資料，回答天文學和太空科學中最巨大的未解問題。SpaceX 的星艦（Starship）運載火箭可能將會在本世紀中以前載著這些天文台前往太空。（圖片來源：NASA / GSFC）

然而，由於NASA 天體物理學預算有限，它們的發射日期已被推遲到2040 和2050 年代，這個時程表十分嚴峻。甚至在第一個天文台剛發射時，現在剛拿到博士學位的人距離退休只剩不到十年的時間。這個令人不悅的事實暗示，在2030 年代各波長的旗艦級觀測能力可能會出現時間尺度達數十年的空窗期，這將損害科學整體發展和NASA的技術領導地位。

Astro2020 是在太空能力發展相對靜止的背景下進行。然而，自2020 年底以來，SpaceX 持續開發一個巨大且可完全重複使用的發射系統，稱為「星艦」（Starship），由星艦上層級（upper stage）和超重型推進器級（Super Heavy booster stage）組成。超重型推進器級尚未升空，但星艦已經有了大幅進展，從早期測試的多次爆炸—被開玩笑地稱為「快速的未排程拆卸（rapid unscheduled disassemblies）」—到2021 年中期的高空測試飛行和軟著陸成功。NASA 委託的大型旗艦任務的研究花了三年時間，在2019 年完成。這樣不巧的時機意味著星艦的能耐只能在Astro2020 的討論中短暫地被考慮。

假設星艦能成功，它將大幅提升我們的太空能力，並從質性上改變天文物理學任務的建造方式。《起源，世界和生命》（Origins, Worlds, and Life）報告討論的是我們在太陽系內進行星科學任務的技術能力，並強調星艦可以加速NASA 的行星計劃。這篇文章則討論天文物理學領域的相關機會。

質量、尺寸、和成本

運載火箭的性能一直以來都大大地限制前往太空的天文物理任務，這點在二十幾年來還未改變。星艦能夠帶來的三項改變包括能夠載較大的質量進入軌道、寬敞許多的貨艙、以及每次發射的成本不須增加，甚至可以減少。

數十年來，能夠進入低地球軌道的最大質量一直都在10 到25 公噸之間。《星艦使用者指南》指出，這艘太空船將能夠運載約100 公噸至低軌道，比其他運載火箭多4 到10 倍（見下頁圖二）。星艦將能夠運送21 公噸至地球同步轉移軌道，以及將約18 公噸運送至日地L2 拉格朗日點軌道，這是許多類型的天文物理學任務所偏好的位置，包括韋伯太空望遠鏡（JWST）。NASA 的月球星艦人類著陸系統（Starship Human Landing System）需要在軌道上加燃料。它可以將重達100 公噸的天文台運送到月球、L2 軌道或太陽系中幾乎任何地方。

太空天文台通常部署在其各自的運載火箭的上層級貨艙中，該位置被稱為整流罩（payload fairing）。兩者在往後的運作時間中獨自飛行，通常為期幾年到幾十年不等。本世紀所有重型運載火箭的整流罩內部直徑為4 到5 公尺。星艦將直徑加倍至8 米，並且略微增加典型酬載高度，如下頁圖三所示。

圖二：歷史上的太空任務往往被運載火箭能帶進軌道的質量上限所限制。即將推出的星艦由SpaceX 所開發。它可以攜帶更大的質量進入低地球軌道，且成本相較於競爭對手更低，因此可以提供新的機會。（由Freddie Pagani 製作的圖表。數據來源：Ariane 5, Arianespace; Proton–M, International Launch Services; Atlas V and Delta IV, United Launch Alliance; H-IIB, JAXA; SLS Block 1B, NASA; and Falcon 9 and Starship, SpaceX）

圖三：SpaceX 的星艦將重新定義運載火箭性能，它的雙倍直徑整流罩更巨大，更不複雜的儀器可以被送上太空。星艦的火箭長度為17.24 公尺，比業界普遍的15 到16 公尺長一些。（由SpaceX 提供）

大多數運載火箭的設計和建造成本都超過1 億美元。質子－ M（Proton －M）和獵鷹9 號（Falcon 9）是例外，其成本約為6,000 萬美元，但質子－M 已經在2022 年停止生產。星艦的目標是比獵鷹9 號火箭更便宜。但是，即使運載火箭成本為零，若沒有星艦設計來提供酬載質量與體積的大幅增加，也不會帶來任何轉變。舉例來說，一個NASA中型探測器任務的發射成本為6,000 萬美元，這就占去了任務預算3億美元的20%。

任務設計新變革

質量和體積一直以來主宰了太空任務的設計，但星艦會將質量降格為設計時的次要因素。這個做法有助於簡化決策並減少開發出可行方案所需的設計週期。傳統上，太空船的設計對於減輕質量的要求極為嚴格。一但質量的限制減輕，任務設計可以採用更簡單但較重的元件，減少使用特殊材料，並帶入更強韌的工程餘裕。根據《起源，世界和生命》報告：

星艦可以容納的酬載比起傳統NASA 行星酬載大且重很多，大幅減少傳統NASA 酬載為了減少體積與質量所費的昂貴成本。星艦可以在單次飛行中搭載多重酬載和儀器以減低整體風險，也可以為酬載提供更多的電力︒（參考資料2，第540 頁）

例如，在NASA 中等大小的宇宙觀測儀SPHEREx（全名為Spectro －Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer，宇宙歷史、再游離時期與冰探測分光光度儀）的設計階段中，工程師利用SpaceX 獵鷹9 號火箭可用的有效載荷重量來幫助解決問題並降低成本。NASA 噴射推進實驗室SPHEREx 計畫的計畫管理人艾倫· 法靈頓（Allen Farrington）告訴我們：「SPHEREx 從提案到關鍵設計評估的過程中，所採取的作法就是將風險轉化為質量。一個關鍵的例子便是日地遮蔽器，我們將一種技術上富有挑戰性，軟材料為基礎的最新技術更換成較大但技術普及的蜂窩鋁板。這大大降低了風險，且要歸功於獵鷹9 號火箭載運大重量的能耐。」

韋伯太空望遠鏡的例子展示了嚴格的體積與質量限制會帶來的困難。亞利安5 號運載火箭的總酬載質量限制是6.2 噸。韋伯望遠鏡的主鏡和其支撐結構就佔總任務質量的1/6。這與哈伯望遠鏡的鏡面類似，但是其面積幾乎是哈伯望遠鏡的6 倍。如果韋伯望遠鏡使用哈勃望遠鏡的鏡面，那麼鏡面的質量將接近5 噸，佔可用總酬載的四分之三。運載火箭的能力限制迫使專案科學家開發嶄新、輕質、硬度質量比高的科技。他們選擇鈹作為鏡子材料的原因之一是為了高導電性，讓韋伯太空望遠鏡在操作溫度20-55 K 下的熱梯度最小化。展開一個大而薄的遮陽板也帶來其他影響，包括降低轉向速率和延長達到穩定所需的時間，這兩者都減少了每日可以完成的科學工作量。

儘管韋伯太空望遠鏡的成功部署證明了技術方法的有效性，但設計上的複雜度需要大量的計劃和測試，進而增加成本並拉長計畫的時程。有了星艦上較大的貨艙直徑和容積，6.5 公尺的韋伯太空望遠鏡主鏡面可以由一個單位面積質量與哈伯望遠鏡相似的單一元件製成。在5 噸的情況下，韋伯太空望遠鏡仍然只佔可運送到日地L2 軌道的質量的10%，因此不會是設計時主要的考慮因素。單鏡面免去了對準18 個六角形鏡片的複雜度。不過，使用星艦並不能免去所有的摺紙式展開；韋伯太空望遠鏡遮陽板仍然比星艦預計的貨艙尺寸還大。

儘管將總任務成本降低一半相當困難，但卻是節省開銷的關鍵門檻。同樣的預算現在可以資助兩倍的任務數量，這對新的偉大天文台計劃來說是別具意義的，因為這可能讓原定於2040 年代的任務提前到2030 年代實現。當一組大天文台同步運行時，新發現會來得更快，因為一個天文台的觀測結果往往可以引領其他天文台開始新的調查。

全頻帶增益

當今的天文觀測涵蓋了電磁頻譜上超過10 個數量級，從10⁸ Hz的無線電波段到超過10¹⁸ Hz 的X 射線。觀測任務的頻段決定了它可以如何受益於星艦的性能。在Astro2020 白皮書中提出的任務可以作為指南。這些任務涵蓋了幾乎所有的電磁波頻譜中所有的頻帶，以及宇宙射線和微中子等其他信息傳遞方式。

對於傳統的公分波無線電，顯而易見的下一步是將超長基線干涉儀擴展到比地球直徑更長的基線。這將使研究人員獲得更高的角解析度，以及更快速、密集的覆蓋uv 座標平面，進而實現高動態範圍成像。俄羅斯的Spektr －R 和日本的Haruka 任務僅有一到兩公噸的輕量酬載，它們展示了技術可行性和可供研究的無線電波源的確存在。但這兩個任務取得的結果都很有限，因為它們的中等天線尺寸只有8-10 公尺，而且它們只有從地球到太空的單一基線。

透過類似打開雨傘的機制，星艦可以在一次發射中部署多個直徑達30 公尺的天線。這些天線對毫米波不敏感，因此可以用於探測各種天體。多個天線的uv 平面覆蓋範圍增加和基線數目N 成正比，而N會隨著天線數目 \(n\)，以 \(N = n (n − 1)/2 \) 的方式迅速增加。雖然使用星艦發射時成本不是最重要，但同時發射整個陣列可以縮短計畫的建造時間並節省成本。

在頻率低於 30 MHz 且波長大於10 公尺的無線電天文學，可以透過使用中性氫的宇宙學特徵來研究第一顆星形成之前的「黑暗時代」。這種方法在地球上是不可行的，因為有電離層的阻隔和人為無線電背景的影響。月球背面可能是我們太陽系中唯一能觀測到這種宇宙學訊號的地點，因為月球可以抑制90 分貝的地球干擾。然而，銀河系的同步輻射可能會成為無法克服的雜訊源。星艦可以將100 噸的貨物載運到月球的任何位置，因此可以運輸整套望遠鏡和機組人員，必要時他們可以在部署望遠鏡前進行重新調整。

毫米到次毫米波段近期最著名的成果，或許就是2019 年拍到的室女A 星系當中超大質量黑洞的陰影影像。它來自事件視界望遠鏡，該望遠鏡是基於超長基線干涉技術。這幅影像在全球引起了轟動，一如2022 的銀河系人馬座A* 影像。理論預測影像中應該存在更細微的結構，但只用地球上的一萬公里基線和有限的頻率覆蓋範圍目前無法證實這點。

更長的基線可以藉由高軌道實現，但需要多個天線才能提供足夠的uv 平面[ 註1] 覆蓋率。更高的角解析度可以揭曉噴射流被加速到接近光速背後的物理原理，還可以將可拍攝的黑洞陰影數量從兩個增加到至少數十個。

透過地球同步軌道上的衛星或月球上的望遠鏡，可以實現超過300,000 公里的超長基線，這樣一來即使只有一個基線也可以清楚地區分廣義相對論效應和天文物理學效應。光學方面的雷射通訊技術現在已經發展到可以從低地球軌道上高速傳輸數據，並且應該可以很快在更長基線的望遠鏡上展示效果。

次毫米波段望遠鏡的天線必須以數十微米的精確度進行設計，這種限制使得部署光學系統變得不太吸引人，並讓大質量變得更加誘人。星艦可以在一次發射中部署多個單塊6 公尺級天線到地球同步軌道上，以幫助降低成本並加快時程。另一艘星艦可以在月球的任何地方放置次毫米波段望遠鏡。

關於光譜中的遠紅外線區間，NASA 持續研究中的旗艦概念就是起源太空望遠鏡（Origins Space Telescope）。它的構想為一個直徑 5.9公尺，冷卻到僅僅 4.5 K 的主鏡，以降低在整個 25 到 588 微米波段上的熱背景雜訊。起源太空望遠鏡將比之前的赫歇爾太空望遠鏡（Herschel Space Observatory）和史匹哲太空望遠鏡具有更高的靈敏度和光譜解析。起源太空望遠鏡的初期設計已經計劃要利用以下三種方案之一：星艦的大直徑整流罩（當時被稱為大獵鷹火箭）；NASA 的太空發射系統（Space Launch System，以下簡稱 SLS）；或者藍色起源公司（Blue Origin）計劃中的新格倫發射器（New Glenn launcher）。

起源太空望遠鏡的概念研究沒有充分利用星艦和SLS 的載重能力。即便包含所有的應急和備用設施，起源太空望遠鏡的質量依然只有13噸。一如所有的遠紅外線天文台，起源太空望遠鏡需要一個類似太陽－地球L2 點的軌道：這樣的軌道距離地球夠遠，不會干擾數據收集。星艦不需二次添加燃料還是可以允許起源太空望遠鏡攜帶再多四倍的質量。這帶來節省成本的機會，例如簡化主鏡材料的選擇。

為了支援近紅外線、光學和紫外線天文觀測，NASA 在Astro2020調查中構思了可居住系外行星觀測所（Habitable Exoplanet Observatory，簡稱HabEx）和LUVOIR 任務。這些被考慮的計畫的鏡面直徑涵蓋從 2.4公尺到15 公尺的範圍。每個概念任務最具挑戰性的科學目標是直接拍攝「系外地球」—它們是類似地球的行星，位處於母恆星的可居住帶中—然後測量它們的大氣層光譜，以尋找生物印記或其他生命存在的跡象。然而，這些恆星的亮度遠高於環繞它們運轉的系外地球，因此對比度比例需要高達10⁻¹⁰。為了在任務成本和預計可觀測的系外地球數量之間取得平衡，Astro2020 提議了一個尚未命名的任務，該任務將使用6 公尺主鏡，是 HabEx 和 LUVOIR 之間的折衷方案。這個尚未命名的任務的預計發射日期落在2045 年，主因是預計成本高達 110 億美元。

一枚6 公尺主鏡可以被星艦運送到軌道上，而且它的單位面積重量可以達到類似哈伯太空望遠鏡的重量，甚至更重，而不會對設計帶來問題。星艦可以將更多的有效載荷帶上太空，為Astro2020 預計的新任務提供了新穎的設計可能性。天文學家和工程師將會需要探索各種設計，以確定是否可以用更低的成本建造這些任務。

在X 射線觀測的部分，NASA 在 Astro2020 中準備的山貓X 射線旗艦概念被認為具有比錢卓拉 1.2 公尺鏡高數百倍的成像和高解析度光譜學能力。山貓的X 射線鏡子直徑為3 公尺，具有次角秒的角分辨率，並採用掠射光學，可將X 射線以較小的角度反射。鏡子組件佔據了山貓總重量的 25%，也就是預計總重 7.7 噸中的 2 噸。為了避免鏡子重量超過尚未有星艦可用時的有效酬載，山貓計畫的科學家選擇了厚度僅 0.5 mm 的鏡片作為其掠射光學的鏡片。而有了星艦，便可以使用厚許多的 2 mm 的鏡片來製作X 射線鏡子。由於剛度與厚度的立方成正比，鏡片剛度將比原本的鏡片大 60 倍。

而山貓任務的核心宗旨，也就是取得次角秒解析度的影像，將更容易達成。一個組裝速度更快，更簡易的固定與對準系統很有機會可以節省成本。如同其他任務，減輕質量限制的壓力可以帶來成本更低的酬載和火箭。因此而生的8 噸鏡面組件可以直接由星艦容納。

除了新的偉大天文台之外，還有許多新穎的想法可用於開發較小規模的儀器。例如，極端多信使天文物理學探測器（Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics，簡稱POEMMA）任務將使用一對從軌道向下指的4 公尺施密特望遠鏡，透過螢光和契倫柯夫輻射來對大範圍空氣簇射（extensive air showers，簡稱EAS）進行立體成像。EAS 由地球大氣層中的超高能宇宙射線和微中子產生。POEMMA 在朝下指向地面時，可拍攝此類宇宙射線，而在其指向大氣邊緣時，可以拍攝微中子產生的向上運動的EAS。POEMMA 可從軌道探測大氣中很大的體積，使其性能比最先進的望遠鏡提高了10 到100 倍。

星艦的低成本將允許兩個POEMMA 望遠鏡個別升空，而運載火箭的大容量代表部署機制將不再必要。使用寬廣的星艦整流罩發射更大的6 到7 公尺望遠鏡可以讓收集面積提高最多三倍，但是所需的6公尺施密特修正鏡片的打造成本可能會排除這個選項。

POEMMA 只是Astro2020 白皮書中提及的許多探測器等級任務其中之一。Astro2020 估計每個探測器的成本為15 億美元，這意味著NASA 的天文物理預算只能負擔每十年一次的探測器任務。有了星艦，探測器的成本可以更便宜，也就能開發更多探測器，尤其像是POEMMA 這樣的非傳統探測器。

更便宜、更快、但有更好嗎？

利用星艦潛在的成本優勢可以加快Astro2020 計劃的進展，但這需要所有相關單位的自律。「更快、更好、更便宜」是丹尼爾· 戈爾丁（Daniel Goldin）的口號，他是 1992 年至 2001 年的 NASA 局長，但最後的結果最多只能說是差強人意。

星艦似乎有能力可以提供更快且更便宜的運載火箭方案。然而，負責任務提案的團隊總是會希望將所有可用的質量預算，投入到更大的鏡子和更多的儀器，不論質量預算有多大。這種思維在許多案例中導致了龐大且複雜的設計，且將再度面臨天文學界習以為常的，隨質量而增加的昂貴成本。追求「更好」可能會危及「更快速」與「更便宜」的目標，因此整個社群需要發展出最佳的做法來管控科學家的大胃口。

太空機構需要監控和避免任務擴張，但這並不容易。預測任務成本的產業和機構模型通常將成本與質量掛上正相關。星艦或許可以開啟一個新的典範：增加質量將會減少成本。但這不會是一個容易的過程。由於沒有先例顯示用質量和體積降低成本是否有效，這種方法在初期將轉為更高的風險。

星艦的限制

星艦的成效可能不如預期。它仍有可能運行，但成本高很多且有效載重更少，或是無法實現軌道中加注燃料。SpaceX 提供的星艦發射成本應該是SpaceX 內部成本的估算，而非對客戶的開價，那將會昂貴許多。也許最重要的是，發射成本的顯著減少需要仰賴每艘星艦可以被快速且頻繁地重複使用，但足夠的發射需求市場可能不會到來。在嚴格的檢視後，星艦所承諾的成本節省可能只是虛假的幻象。

然而，類似的風險幾乎適用於所有新技術的開發。因此，這些風險並不足以阻止我們考慮假若星艦技術成功，將對天文物理學產生最大影響的那些可能性。

NASA 開發的SLS 在載重抵達近地軌道的質量和有效酬載體積方面與星艦不相上下。因此，它為星艦提供了一些備用方案。然而，SLS發射的成本估計在8 億到27 億美元之間，這將成為任何50 億美元的大天文台任務中的主要因素。這種規模的發射成本可能會使這類的天文學任務失去競爭力，除非有政治上的推力。SLS 完全是消耗式的，因此生產更多火箭的速度是一個關鍵考慮因素。SLS 的主要承包商波音公司最多每年只能生產兩個SLS 火箭。NASA 的阿特密斯（Artemis）人類太空飛行計劃預計在未來幾年中佔據掉大部分的SLS 發射。在接下來的十年左右，有可能為了新的偉大天文台發射三次SLS 嗎？

即使星艦的廣告如實，額外的質量也不是沒有缺點。更多的質量增加了飛行器的轉動慣量，因此需要更大的反作用輪來讓其指向目標。此外，額外的質量代表保持在熱門的太陽－地球L2 光暈軌道中進行軌道保持需要按比例（消耗）更多的推進燃料，否則就要限制任務壽命。

星艦的成敗可能在未來五年內就會揭曉。這給了NASA 一些時間，可以在Astro2020 期中審查之前為發射性能的新時代做好準備。未來幾年內一系列合作研究可以詳細研究星艦如何實現、加速並擴展Astro2020 計劃，讓NASA 的天文物理計劃在星艦取得成功後能夠及時行動。但即使星艦失敗，為完成此任務所耗費的規劃心力與天文學界的潛在收穫相比可說是微不足道。

※[註1] uv 平面是指電波天文影像經傅立葉轉換後的空間。uv 平面上一個資料點，表示一條基線所觀測到的數據。需要有足夠的uv 覆蓋範圍，才能妥善地還原天體的影像

本文作者感謝Lee Armus、Jack Burns、Allen Farrington、Tom Megeath、Joe Silk 和Alexey Vikhlinin。本文中的成本資訊屬於預算和計劃性質，僅供參考。這些資訊並非噴射推進實驗室和加州理工學院所做出的承諾。

本文感謝 Physics Today（American Institute of Physics）同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 雜誌內 Physics Today 76, 2, 40（2023）；https://doi.org/10.1063/PT.3.5176。原文作者：Martin Elvis；Charles Lawrence；Sara Seager。中文編譯：林祉均，清華大學物理所研究生 

Physics Bimonthly（The Physics Society of Taiwan）appreciates that Physics Today（American Institute of Physics）authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Martin Elvis；Charles Lawrence；Sara Seager, and is published on（Physics Today 76, 2, 40（2023）；https://doi.org/10.1063/PT.3.5176）.The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin（National Tsing Hua University）