美國天文學的“十年計劃”

　　從今往后大約20年內，天文學家都將身處一段“革命性的發現時代”。他們將使用新一代的地面和太空望遠鏡，研究星系從誕生伊始至生命終結的演化過程，探尋黑洞最初的起源，一瞥宇宙最年輕時的景象，收集繞轉其他“太陽”的類地行星的突破性影像。至少“21世紀20年代天文學和天體物理學發現路徑規劃”（astro2020）對未來是這樣計劃的。

　　美國國家科學院、工程院和醫學院每10年會開展一次天文學“十年調查”（Decadal Survey），這已經是該系列調整第七次發布相關報告，報告的內容也備受公眾期待。其主要目標有兩個：一是通過排列研究事項的優先級來促使人們形成對該領域未來的共識；二是爭取政策制定者的大力支持，持續促進美國天文學的發展。后者也許是更重要的目標。按照計劃，隨著最新一代望遠鏡的建立，將回答無數天文謎題，也將確認外星生命是否存在。

　　1.新型望遠鏡的追逐

　　以往的報告往往將最高推薦級別保留給一些特定的新型望遠鏡。這些望遠鏡的觀測能力常常局限于電磁波譜中一小部分。為了實現上述兩個目標，最新的“十年調查”與這項傳統形成了鮮明的對比。該報告在太空項目的最高推薦優先級上作出了根本性的轉變：由美國航空航天局（NASA）來計劃和執行大型的、耗資數十億美元的“旗艦”天文學項目。該計劃被稱為“大天文臺任務和技術成熟計劃”，計劃將在未來10年投資12億美元，用于支持多個擬建設的設施，以此從總體上降低建造和發射一整套“下一代望遠鏡”的成本和風險。而這一整套望遠鏡的觀測波段將從紅外線貫穿到X射線，在超寬的波長范圍內協同工作。

　　鑒于近期NASA在管理項目時出現的種種失誤，增強對未來的大型天體物理項目的管理顯得尤為關鍵。韋布空間望遠鏡（JWST）在經歷了一系列近乎災難性的預算超支（多達數十億美元）和令人痛苦的進度延誤之后，終于成功發射。而這僅僅是新世紀到來以后的第一個“十年調查旗艦”項目。在2010年的“十年調查”中，推薦優先級最高的南希·格雷絲·羅曼空間望遠鏡表現更好，但它仍然遭遇了許多代價高昂的挫折。天文學家不得不將其發射日期推遲到2027年左右。

　　在Astro2020中，最高推薦優先級項目的首要成果是哈勃空間望遠鏡的繼任者，它的尺寸更大，設備也更加復雜。哈勃空間望遠鏡本身是NASA在1990年至2003年間發射的四個“大天文臺”中的第一個。與哈勃一樣，其繼任者將在光學、紅外和紫外波段運行，但它可能比哈勃這個傳奇天文設施大三倍。哈勃繼任者的建造成本預計為110億美元，計劃在本世紀20年代末開始研發，在40年代中期發射。它將拍攝數十顆潛在的宜居系外行星的照片，研究它們的大氣層從而尋找生命跡象。它同時也將是大量革命性天體物理學研究的主力設備。雖然它目前還沒有一個酷炫的正式名稱，但天文學家已經將其稱為“LuvEx”。這個名字來源于它的兩位前輩——大型紫外/可見光/紅外探測衛星（The Large UV/Optical/IR Surveyor，LUVOIR）和宜居行星成像衛星（Habitable Exoplanet Observatory，HabEx）。

　　LuvEx之后的短時間內，還有另外兩臺設施將會面世。一臺專注于遠紅外線，另一臺專注于X射線，建造成本都在30億到50億美元之間。這兩臺后續設施也對應了兩項先前的提議：在遠紅外波段工作的起源空間望遠鏡（Origins Space Telescope）和山貓X射線望遠鏡（Lynx X-ray Observatory）。

　　2.科學發展前途光明

　　美國加州理工學院天文學家兼Astro2020指導委員會聯合主席菲奧娜·哈里森（Fiona Harrison）在一份聲明中說：“這份報告為天文學和天體物理學未來的十年設定了一個雄心勃勃、鼓舞人心且令人向往的愿景。在思考如何規劃最富雄心的太空戰略項目時，我們可以用多樣化的任務組合來追求富有遠見的目標，例如在銀河系內鄰近恒星周圍的行星上尋找生命——同時利用豐富的全波段觀測設備群探索21世紀的天體物理學前沿。”

　　可想而知，這使得許多天文學家欣喜若狂。“我認為這是有史以來最明智、可行性最高和最務實的‘十年調查’，” LUVOIR概念的忠實擁護者和最活躍的發言人、夏威夷冒納凱阿火山凱克天文臺的首席科學家約翰·奧馬拉（John OMeara）說，“指導委員會明白，我們必須再次明確如何推進大型任務，實現新的大天文臺的愿景。他們出色地闡述了如何在一個不確定的世界中將科學推向好的方面，我希望NASA和其他聯邦機構能夠接納這份文件的精神。”

　　“我們正站在發現新黃金時代的門檻上，”美國大學天文研究協會（AURA）的科學副主席海迪·哈梅爾（Heidi Hammel）說，“我們真的能找到另一個星球上存在生命的證據嗎？這份報告名副其實地為回答這個問題提供了強有力的途徑，我們可以成為回答這個問題的一代人！”

　　美國空間望遠鏡研究所（STScI）的杰出天文學家馬克·波斯特曼（Marc Postman）是大型系外行星成像天文臺的長期支持者，他的觀點稍長一些，但同樣充滿了興奮：“我現在欣喜若狂，因為走到今天這一步是我個人15年職業生涯的高潮。人們問我為什么要在這上面花時間，因為當LuvEx發射時，我雖然很有可能仍然身體健康，但肯定已經退休了。我告訴他們，即便我沒有機會使用它，甚至不能看到它發射升空，我都會為此、為它所代表的未來而努力。根據這份Astro2020報告，未來是非常光明的。這是一項超越任何個體的、劃時代的倡議。人類即將真正踏上回答這一關鍵問題的征程：我們在宇宙中是否是孤獨的？”

　　地外生命探索望遠鏡是旗艦級的“大天文臺”系列中的第一個，而在它與其他相關的大宗項目之外，Astro2020還呼吁開展新的“探測級”任務，這類太空項目依然每10年規劃一次，成本上限為15億美元。此外，還需要投入大量資金，提高天文學家實時研究短時標或暫現天文現象的能力，其中不僅需要利用光來研究，還包括利用亞原子粒子和引力波等多信使手段。

　　Astro2020還涉及美國的地面項目。這些項目通常由美國國家科學基金會（NSF）、偶爾由美國能源部資助和管理。在這一類別中，報告給其中一項計劃最高的排名，它將向下一代大型望遠鏡投資約16億美元，其中包括巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）和三十米望遠鏡。這16億美元由NSF資助。這兩個巨大的天文臺目前正處于建設的早期階段，預估建設總價超過50億美元。有了南半球智利拉斯坎帕納斯（Las Campanas）山頂的巨型麥哲倫望遠鏡和計劃位于北半球冒納凱阿火山或西班牙加那利群島（Canary Islands）拉帕爾馬山（La Palma）山頂的三十米望遠鏡，美國天文學家將能夠通過這些極其強大的“眼睛”看到整個天空任意位置的更深處。

　　除了幫助這對雙胞胎巨人跨越終點線外，該報告還建議NSF和DOE共同斥資6.6億美元建造宇宙微波背景第四階段天文臺（CMB-S4）。這是一個可以詳細調查大爆炸余輝的設施。NSF還將出資25億美元建造下一代甚大陣列 （next-generation Very Large Array，ngVLA）。這是一個在射電波段工作的天文臺，其靈敏度將比它的前任高10倍。此外，Astro2020強烈支持進一步升級兩個會打開全新的宇宙之窗的項目：激光干涉引力波天文臺（LIGO）和冰立方中微子天文臺（IceCube）。冰立方中微子天文臺在南極冰蓋上的一立方千米內布置了數千個探測器。通過與傳統天文臺協同觀測，LIGO和冰立方可以幫助天文學家推測恒星爆炸核心內以及黑洞和中子星合并時作用的神秘機制。

　　3.問題關鍵或仍在“人”

　　前進的道路或許是清晰的，但道路上仍然存在許多障礙。計劃進行順利與否很大程度上取決于國會和白宮是否接受，并資助Astro2020的推薦建議，這對于天文學家來說是非常不確定的。同時，我們還面臨著迫在眉睫的人造衛星的巨型星座問題。盡管這些衛星對全球寬帶連接有所裨益，但它們在光學波段和射電波段污染了我們對天穹的觀測過程，甚至對多個重大項目構成了致命威脅。對于這個日益嚴峻的問題，Astro2020只提供了不盡如人意的方案，即參與機構間合作和國際合作，以設計更好、更具保護性的監管框架。

　　但正如報告作者自己所指出的那樣，在這些挑戰面前，他們的大膽愿景能否成為現實可能最終取決于他們如何處置美國天文學最有價值的資產——不是美元，而是人。

　　Astro2020指導委員會聯合主席、美國亞利桑那大學教授、得克薩斯農工大學教授、天文學家羅伯特·肯尼卡特 （Robert Kennicutt）在一份聲明中表示：“我們的報告指出，我們還需要認真關注對這些研究基礎的投資——包括對開展研究的人員的投資。”

　　美國俄亥俄州立大學（Ohio State University）的天文學家兼HabEx任務概念研究的聯合主席斯科特·高迪（Scott Gaudi）表示，正是這一植根于“十年調查”骨髓中的理念，讓Astro2020成為“美國天文學的巨大勝利”。“指導委員會認真考慮過如何平衡投資——不只是規劃一套新的大天文臺或諸如巨型麥哲倫望遠鏡、三十米望遠鏡之類的項目，還有在許多基本事項上提供重要支持，例如對更多的科研項目和中等規模計劃進行資助。而這些正是使愿景中更雄心勃勃的部分變得合理并可以企及的必要保障。”

　　近年來，美國天文學界不僅受到項目預算高昂的困擾，還面臨性騷擾丑聞、對年輕研究人員及其小規模項目支持不足、研究人員工作與生活嚴重不平衡導致的身心健康問題等等挑戰。

　　為了解決這些問題和其他社會弊病，Astro2020建議：在研究資助和獨立博士后獎學金上增加支出；在大學和聯邦機構層面，更多地為促進多樣性的倡議提供資金和機構支持；以及在NASA、NSF和DOE內部形成關于騷擾和歧視屬于科學不端行為的共識。美國國家學院的一份新聞稿稱，鑒于冒納凱阿火山上三十米望遠鏡的相關糾紛，Astro2020還呼吁建立一種“社區天文學”參與模式，以尋求“在推進科學研究的同時尊重、授權和造福當地社區”。

　　美國新罕布什爾大學宇宙學家錢達·普雷斯科德-溫斯坦（Chanda Prescod-Weinstein）說，這些行動致力于解決在該領域中不斷增長的文化危機，是“朝著正確方向邁出的一步”。但即便如此——尤其是在與歷史上被邊緣化的原住民接觸的情況下——她認為這個“十年調查”的建議還遠遠不夠。

　　“有時科學家不得不接受原住民強硬的‘不’，”普雷斯科德-溫斯坦說，“但Astro2020更關注原住民社區和科學家之間的合作應該具有什么樣的特征和質量。它從不直接承認原住民可能不想合作的情況……如果我有更多的時間來閱讀報告，我的觀點可能會改變，但我的第一印象是：科學目標仍然是至高無上的，而我們作為一個社區整體，仍然沒有準備好與非天文學家原住民平等地（就好像他們與我們一樣、他們關注的事物與我們關注的一樣重要那樣）交談。”