将来30年！美国天文学是不是能够突起？成败在此一举

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一场关乎美国天文学将来的和平已打响，且赌注极高。


（图源：Getty Images）
要是问天文学家们最喜爱解答哪些问题，那谜底一定八门五花。第一批恒星、星系、黑洞是如何造成的？暗物资和暗能量的实质是甚么？人类在宇宙中是孤傲的吗？
要回答这些问题，人们必需依赖大型的天文望远镜。但是，一台可以采集宇宙中每一个种光线的万能仪器是不存在。例如，黑洞有时会释放x射线，然而类地行星最佳在天然光和红外波段进行钻研。因此，这样的名目使调配给天文学的公共和公家的基金份额变得十分紧张，以致于每次只要多数——或许只要一个——能够优先被斟酌。至此，失败的提案沉积如山，钻研人员正着急地等候一个难得的时机从新探究宇宙。
在美国的迷信界，有一个天文学和天体物理学的“十年方案”足以让一切天文学家燃起斗志，即每10年推举出优秀的科研名目来追求联邦政府的赞助。像美国宇航局（NASA）的哈勃太空望远镜这样的名目之所以可以存在，一定水平上要归功于过来十年间来自政府的认可。目前，这类做法曾经蔓延到其余几个学科，各学科的“十年方案”都在如火如荼地进行着。
自20世纪60年代以来，由美国国度迷信院、工程院和医学院组织的“十年方案”已肯定了6次美国天文界的钻研小气向。去年十一月，通过20名委员长达两年的探讨后，第七次美国天文学“十年方案”讲演发布，标题问题为《2020年代天文学和天体物理学发现之路》（Astro2020）。犹如以往的钻研，Astro2020将为严重投资和迷信钻研指明标的目的。另外，它还将暴-露那些可能会影响将来几代人开展的，被人们疏忽的，乃至被人们害怕之处。


Astro2020指点委员会、小组主席和钻研人员。左14和左16分别是指点委员会的联结主席，天文学家罗伯特·肯尼卡特和菲奥娜·哈里森。（图源：美国国度迷信院、工程院和医学院）
很少有人比乔尔·帕里奥特更理解这个方案所带来的气力。20多年前，他在美国国度迷信院任职，开始了政治生涯。在那里，他最后的工作就是协助迷信家们起草新千年的第一个天文学“十年方案”。之后，他在白宫办理和估算办公室（OMB）任务了10年，为联邦迷信机构衡量并实行“十年方案”相干的倡议。如今，他是美国天文学会的主任，该学会是美国天文喜好者的次要组织。在OMB时，因为国度的政策指标常与财政理想违抗，“十年方案”反倒成了帕里奥特和他的共事们回绝一些经费请求的挡箭牌。他说：“假如一个名目的排名不高，咱们就知道它没有失掉充沛认可。这对在国会和白宫里需求做出艰巨选择的人来讲真的颇有帮忙。”
但是对不少天文学家而言，“十年方案”并无彻底摆布他们的科研历程，但他们都以为Astro2020公布的时间节点是对比风险的。
位于夏威夷W·M·凯克天文台的首席迷信家约翰·奥米拉说:“咱们正在风险的边沿摸索。我置信‘十年方案’关于美国天文学而言是非常须要的。这些方案将影响美国天文学在寰球规模内的当先位置。当各联邦机构和国会收到‘十年方案’讲演时，他们将具有美国是不是在这一迷信畛域占领领导位置的抉择权。”


30米望远镜（左）和巨型麦哲伦望远镜（右）的概念图，这是两个美国大型高空天文台名目。（图源：TMT国内天文台（左），GMTO公司和M3工程公司（右））
步入傍晚的美国天文望远镜
外界来看，人们不会心识到美国天文事业正处于危机的边沿。去年，几台新的高空望远镜上线，而且每台都带来了少量的天体发现。固然，狼子野心的名目也不少，以维拉C.鲁宾天文台为例，它在过来的两个“十年方案”（Astro2020和Astro2010）中排名都很高。这座位于智利山上的天文台将于2030年底开始经营，它会拍摄其头顶的整片天空，终究制成一部横跨10年的高清延时影象。
但是，期近将进行的美国大型名目中，鲁宾天文台只是少见的优秀案例。曾于Astro2000和Astro2010提出的一项有目共睹的高空大型建立提议——建造一个镜面大小约为30米的光学超大望远镜（ELT）——至今仍是个未知数。它的最大特征是能够为从高空钻研系外类地行星提供微小帮忙。如今，Astro2020可能会抉择美国ELT名目的成败，固然还有其余名目的优先权，如降级国度微小射电望远镜阵列或扩展引力波天文台。


该照片拍摄于2019年7月，支持人士封锁了通往夏威夷莫纳克亚山山顶的路途，试图住手在这座神圣火山上建造30米望远镜（图源：Ronit Fahl, ZUMA Wire和Alamy Live News）
在实现ELT名目以前，美国已自圆其说地建造了两一般的名目，即30米望远镜（TMT）和巨型麦哲伦望远镜（GMT）。因为两家友好公司都存在资金困扰，所以近十年这两个大型装备都无奈投入使用。30米望远镜（TMT）于夏威夷莫纳克亚火山的建立在一开始就诱发了本地人的抗议。莫纳克亚火山是北半球星空的绝佳欣赏地。因为夏威夷原住民将此火山视为神山，所以他们以为在那里建造大型望远镜无疑是对这座神山的强占。在抗议者屡次封锁通往山顶的路途后，TMT的建立被叫停，且至今仍处于僵局。一名通晓相干状况的资深天文学家以为，假如Astro2020中再也不包孕ELT名目，那末TMT和GMT都只能成为烂尾楼。
比拟之下，欧洲在多年前就在高空光学天文学方面当先美国，而且在智利建立了本人的ELT。欧洲超大型望远镜具有一个40米长的反射镜，预计将于2027年投入使用。
中国也在迎头遇上。中国建造的500米口径球面射电望远镜（FAST）早已取代了由美国国度迷信基金会赞助的波多黎各阿雷西博射电望远镜。这台望远镜曾是世界之最，但因为估算无奈撑持日常保护，已于2020年可怜轰然倒塌。另外，欧洲、中国和许多其余国内成员正在独特建立平方千米阵列（SKA），这是一个由数千台射电望远镜组成的惊人的弱小聚拢，在澳大利亚和南非的站点最先将于2030年片面投入使用。
饥饿的巨人和迷信怪人
美国天基天文学的前景也一样喜忧参半。目前，美国在太空观测畛域仍处前沿，但在NASA于1990年至2003年建造的四个大型天文台中，只要哈勃和钱德拉x射线天文台还在经营，但它们都已接近晚年，且依然没有新秀能够来代替。太空望远镜迷信钻研所社区名目办公室担任人、天文学家杰森·图姆林森说：“哈勃望远镜的使用期限应该在十年内。假如没有代替品，那咱们可能会有很长一段时间无奈钻研来自太空的光、紫内线或x射线。”


技术人员正在反省詹姆斯·韦伯太空望远镜的6.5米分段主镜和可展开的遮阳罩。詹姆斯·韦伯太空望远镜是NASA耗资100亿美元建造的“旗舰”观测器，已于2021年十二月发射。（图源：Chris Gunn/NASA）
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜是Astro2000的顶级太空名目，更是一个迷信奇观：一个高温冷却的红外天文台，带有一个6.5米长可折叠聚光镜，它能够像折纸同样被放入火箭中。此前，韦伯望远镜的发射预计耗资约15亿美元，并原方案在20十一年发射，用以钻研初期宇宙中恒星和星系的降生。如今看来，这点估算似乎太过无邪。在阅历了少量的本钱超支和延期之后，这台望远镜于2021年十二月25日到达太空，方案运转10年，名目总本钱约为100亿美元。该名目的望远镜迷信家、大学天文学钻研协会主席马特·芒廷说：“咱们无奈在不冒险的状况下进行如斯大范围的迷信钻研。我对该名目颇有决心，韦伯望远镜名目一旦失败，将会是一场完全的灾害，由于咱们可能在二十年内都不太会推出另外一款同类产品了。”
假如说韦伯望远镜是被Astro2000释放出来的一个饥饿的巨人，那末Astro2010的顶级名目，NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，就是一个彻底不同的怪兽——一个被减弱的迷信怪人，由于它是“十年方案”委员会从多个名目中拼凑出来的。委员会曾但愿防止罗曼望远镜（最后命名为广域红外巡天望远镜，简称WFIRST）重蹈韦伯望远镜的复辙，固然它同样成功防止了。但是，罗曼望远镜的存在扰乱了业内的安定。有一名著名的天文学家以为，罗曼望远镜名目东拼西凑而成，非常好笑。
罗曼望远镜曾预计最先在2020年发射，估算相对于较少，不到20亿美元。其最后的构想是用一组粗陋的仪器和一个不到哈勃望远镜一半大小的镜子来钻研宇宙中的暗能量。在许多专家看来，这样一个名目简直不合乎其所谓的“旗舰”位置。在民间的反对下，NASA终究减少了更多的仪器，并将罗曼望远镜的反射镜降级到与哈勃望远镜的大小相反，加强了其迷信才能，这才使业内氛围和缓上去——但这也致使该名目的破费进步了近一倍，并推延到2025年以前能力竣工。与此同时，欧洲和中国也各自由开展本人的聚焦暗能量的太空望远镜，它们的迷信发现可能无望证实罗曼望远镜存在的须要性。


NASA南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的2.4米主镜，这是继韦伯望远镜之后的新一代旗舰望远镜。（图源：L3Harris Technologies, Inc.）
只管韦伯和罗曼望远镜终究均可能取自得料以外的播种，但一些人耽心，这些名目对该畛域带来的微小影响将会大幅减弱Astro2020的影响力。图姆林森说:“这是第一个两项顶级太空名目仍未履行的十年。假如Astro2020委员会因此以为咱们此时应该去做些小名目来等候旗舰天文台的升空，那我感觉这将是个无奈补救的过错。斟酌到美国政府的运作模式，等候十年的设法根本是不成能的。”
图姆林森以为，大少数天文学家似乎都曲解了“十年方案”的“驱能源”究竟是甚么。一份“十年方案”讲演是迷信界、NASA、航空航天承包商、国会和白宫之间的多方、多年会谈的开始。这就是为何一开始就把指标定得很高，且合乎天文学家的最大利益。图姆林森说:“我但愿，经过Astro2020，咱们能够平缓地升高危险和增添本钱，这是一切人的但愿。”
无论是由于COVID-19大盛行、飙升的财政赤字仍是日趋严厉的寰球气象，一些人可能会质疑美国天文学家主次不分。固然，有人会这么回答，当初的迷信要拖累二三十年后的迷信开展是不成取的。一名曾处置过联邦迷信机构拨款任务的前国会任务人员说道，不论怎么说，资方仍是会出钱的。他们会失掉一份调配表，假如资金不调配给天文学，那或许它会去反对NASA行星迷信部的一个新旗舰工作，或者它会流向美国联邦考察局的一栋新大楼。不论做甚么，这些钱都会花出去的。


由艺术家绘制的Astro2020四个备选旗舰名目示用意。从左下顺时针标的目的挨次是宜居系在行星天文台（HabEx）、大型紫外光学红外探测器（LUVOIR）、发源空间望远镜（Origins）和林克斯x射线天文台（Lynx）。（图源：G. Tremblay and the New Great Observatories）
“候选人”
为了应答韦伯和罗曼望远镜的窘境，多年前，NASA开始改进其将来旗舰飞船的设计，要求明白其技术应战和本钱估算。2016年，NASA招集了四个科研小组（STDTs），每个小组都钻研一个独立的工作，供Astro2020斟酌。其中两个——大型紫外光学红外探测器（LUVOIR）和宜居系在行星天文台（HabEx）——将专一于理解更多环抱其余恒星运转的行星，重点是钻研地球外潜伏的宜居星球。作为更普遍的星系、恒星和行星系造成钻研的一部份，系在行星一直是天文学钻研的首要标的目的，超冷远红外发源空间望远镜的钻研对象恰是它们。最初，林克斯x射线天文台，它将是有史以来最弱小的x射线天文学设施，能够对横跨宇宙时间的黑洞、活泼星系和激烈超新星进行近间隔观测。每个名目都有微小的后劲，但也都有一个或多个让天文学家如坐针毡的致命弱点。
LUVOIR的劣势和优势始终都在于它那微小的联系镜。假如它的精度不乱在皮米级（这是十分难题的），那这面镜子将允许天文学家发现和钻研数百颗系在行星，同时还能够在个别天体物理学畛域进行反动性的观测。假定在太阳的临近恒星四周真的存在蓝色类地行星，LUVOIR应该能提供找到它们的最好时机。但无论是15米的“奢华模型”仍是8米的“估算尺寸”，将这样一个高要求的、可展开的镜子送入太空，都象征着本钱将达到天文数字。该工作小组担任人之一的奥米拉说：“当我开始着手这项任务时，我闭上眼睛对本人说，每米建材将耗资10亿美元。但若LUVOIR取患了胜利，那末其收益将不成估计。” NASA戈达德太空航行核心的两个不同小组预估的本钱则略高，奢华版LUVOIR大约破费150亿-200亿美元，估算版大约破费十二0亿-150亿美元。
因为宜居系在行星天文台（HabEx）的反射镜较小，它会比LUVOIR望远镜的任何一个版本都要廉价，估量本钱接近100亿美元，但也因此，它能观测到的系外类地行星将会少得多。另外，HabEx上应用了一个新装备，即一个名为“遮星罩”的花瓣型航天器，它展开后有50多米宽，能够航行7.5万千米来第一时间禁止指标恒星的光被HabEx那4米长的分隔镜捕获，以此来突显出相对于较暗的伴星世界。俄亥俄州立大学的天文学家，HabEx钻研小组担任人之一的斯科特·高迪说：“遮星概念对得多人来讲仍是一个相对于较新的设法。目前，迷信家们已有一个对比理想的方案来办理危险，并在估算内开发遮星罩。”
发源空间望远镜（Origins）则得当许多，它具有一块近6米长的残缺镜片，基于当初的技术，净本钱大约在70亿美元摆布。当温度在绝对零度与绝对零度以上5开尔文之间，Origins的远红外灵活度将进步1000倍，使天文学家可以在可观测宇宙中绘制星系的外部状况，同时还能钻研多数小型系在行星以及左近恒星四周原行星盘中的水份。不同于LUVOIR和HabEx，Origins无奈率领人们探究类地行星，寻觅合适寓居的新世界，它的红外光学零碎无奈提供像哈勃望远镜那样明晰的黑白图象。继韦伯和罗曼望远镜之后，Astro2020将它排为NASA延续保举的第三个红外旗舰天文安装。康涅狄格大学的天文学家卡拉·巴特比说：“有些人可能以为天文学家会喜爱Origins，但若你看了每个名目的概念及其面前独特的迷信问题，如行星、星系与黑洞的独特进化等，我敢说你不会以为这个空间望远镜是其中最完善和最平安的。”
林克斯x射线天文台（Lynx）的造价要略低于Origins，但它们的设计和钻研目的却截然不同。它那3米宽的镜片是同类中第一个由460个抛光硅壳组成的。这些硅壳摆列密集，经过一定角度来反射和聚焦高能x射线。这类设计将提供比钱德拉望远镜或其余初期x射线望远镜更好的机能，使Lynx可以暴-露宇宙中陈旧黑洞的机密。一些天文学家耽心Lynx的反射镜可能会超越估算，且少数人耽心会和一个已有名目反复，即欧洲航天局（European Space Agency）的高能天体物理初级望远镜（Athena），该装备将于2031年发射。哈佛大学和史密森学会天体物理核心Lynx名目小组成员、天文学家格兰特·特伦布莱说：“关于许多人而言，Athena的存在是用来支持Lynx名目的最好论点，但我以为两个名目实际上是互补的。”
总的来讲，以上四个名目构成为了Astro2020指点委员会的最好候选名单。一切四个名目都要听从Astro2020的技术危险和本钱评价（TRACE）流程，这是航天公司对每个名目评价的全新反省。假如TRACE以为一切名目都远超估算，那末指点委员会能够一个都不选择。（固然从后果来看，LUVOIR和HabEx两个名目曾经结合，它们的结合体“LuvEx”成了Astro2020优先级最高的名目。）
全新大型天文台
天文学家们曾经列出了Astro2020终究可能宣告的四种后果，一名资深学者说：“第一种状况，假如委员会不推出任何一个旗舰名目，而是像Astro2010那样只给出技术倡议，那咱们就称之为‘烂三明治’方案。反之，假如委员会顺利推出旗舰名目，且为技术开展设定优先级，来致力完成更多的名目，那咱们就称之为‘完善的一餐’。”
少数名目组的成员以为，美国天文学现实的将来不是一家独大，而是协作双赢。这样一来，一个“全新大型天文台”颇有可能在本世纪落成，就像哈勃望远镜和其余划时期的名目那样。天文学家奥米拉说：“委员会选中了任何一款旗舰名目，我和我的共事都会喝彩。惟有协作，能力将大型天文台名目推动上来。”
换句话说，只要当天文学家们对天缘政治更有悟性，全新的大型天文台能力落成。天文学家特伦布莱说:“我彻底置信，一个由Lynx、Origins、LUVOIR或HabEx或LuvEx组成的‘全新大型天文台’名目是能够被完成的。在国会，这与总本钱有关，而是与年度拨款无关。每一年给NASA的天体物理学名目减少几亿美元就足够了。”
这类充溢但愿的猜测并不是两厢情愿。一名外部人士说：“咱们正在斟酌给NASA进步1%至2%的拨款以完成‘大型天文台’名目。真正参预拨款的参议员只要30名摆布，而联邦政府的年度自在安排估算约为2万亿美元。2万亿美元除以30，而后把为每个参议员任务的员工也算进去。你会发现，任何低于每一年5亿美元的名目根本上都留给了员工，并在利润中流失。” 特伦布莱说得更直白。他说:“NASA实际上其实不为总统履行办公室任务。它更像是为那些刚从大学结业几年后在拨款委员会任职的二十几岁的年老人效率。一项旗舰工作或‘大型天文台’名目可能会在一些低级职员吃午饭时就被批准了。”
一颗系外类地行星正环抱着一颗相似太阳的恒星运转。什么时候以及是不是会发现这样的行星，并能否具体钻研其宜居性和生命迹象，在很大水平上取决于Astro2020的后果。（图源：NASA Ames, JPL-Caltech and T. Pyle）
一言半语汇成一个问题
为了确保旗舰名目的顺利进行，天文学家们可能不只要千方百计惹起更多迷信家的共识，还要失掉政策制订者和大众的认同（包罗鸿鹄之志的国会任务人员）。就这一点而言，没有甚么话题比对外星生命的无尽探究更具吸引力的了。
天文学家奥米拉说：“假如‘十年方案’想要获取大众的反对，那他们应该把美国将来30年的天文学稀释为一个问题，即宇宙是如何使生物学成为可能的？想一想咱们需求甚么能力失掉谜底。它不单单是在外太空拍摄小型类地行星的照片。咱们还需求追踪原子和份子的降生，从宇宙大爆炸始终到行星的生物特点，理解星系和恒星在宇宙早期是如何降生的。另外，咱们还需求理解哪里可能存在生命，哪里不成能，这象征着要对太阳系进行更深化的探究，乃至可能要把宇航员送上火星。为解决这一个问题，需求凝固NASA一切人，同时也能够吸引一些非盈利的非政府组织和国内协作火伴。”
天文学家图姆林森则说：“这是Astro2020之所以‘特别’的另外一个缘故。这是第一次，咱们能够板着脸说，咱们对系在行星上发现生命有公道预期，并以此来设计工作。当你无机会却不这么做的时分，我感觉有点不克不及了解。”
但是，也有许多天文学家对他们可能无奈兑现许诺而感到不安。麻省理工学院的天体物理学家、和高迪一同负责HabEx名目小组联结主席的萨拉·西格尔说：“咱们都必需反对一件小事，并且这件事必需大到足以让咱们都反对它，这类心态恰是咱们之前堕入费事的缘故。固然，寻觅其余宜居星球是有大众反对的，然而假如你告知大众每探究一颗行星可能要破费5亿或10亿美元，你以为他们会怎么说？咱们寓居在一颗难以被发现的星球上，类地行星都又小又暗，且它们都凑近又大又亮的恒星。这就使咱们寻觅它们踪影的可能性变得非常渺茫。” 最少，近十年来看，这就是事实。天文学家高迪却以为，只用十年来断定天文学的将来，可能不是最佳的形式。或许更长的时间跨度能力与咱们想进行的名目相婚配，由于这些名目会跟着时间的推移，变得更繁杂、更具应战。“十年方案”缺乏以框定它们，几十年才有可能。
在就职于美国国度迷信院、白宫以及当初美国最大的天文学家提倡组织之后，帕里奥特提出了一个简略的提议：“咱们需求反对‘十年方案’，这是对一切人都利好的。毕竟咱们别无选择。”
BY: Lee Billings
FY: 繁忙的北門
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