作者:李·比林斯(Lee Billings) 王瞬 来源:光明日报 发布时间:2022/3/3 9:09:49
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美国天文学的“十年计划”

 

从今往后大约20年内,天文学家都将身处一段“革命性的发现时代”。他们将使用新一代的地面和太空望远镜,研究星系从诞生伊始至生命终结的演化过程,探寻黑洞最初的起源,一瞥宇宙最年轻时的景象,收集绕转其他“太阳”的类地行星的突破性影像。至少“21世纪20年代天文学和天体物理学发现路径规划”(astro2020)对未来是这样计划的。

美国国家科学院、工程院和医学院每10年会开展一次天文学“十年调查”(Decadal Survey),这已经是该系列调整第七次发布相关报告,报告的内容也备受公众期待。其主要目标有两个:一是通过排列研究事项的优先级来促使人们形成对该领域未来的共识;二是争取政策制定者的大力支持,持续促进美国天文学的发展。后者也许是更重要的目标。按照计划,随着最新一代望远镜的建立,将回答无数天文谜题,也将确认外星生命是否存在。

1.新型望远镜的追逐

以往的报告往往将最高推荐级别保留给一些特定的新型望远镜。这些望远镜的观测能力常常局限于电磁波谱中一小部分。为了实现上述两个目标,最新的“十年调查”与这项传统形成了鲜明的对比。该报告在太空项目的最高推荐优先级上作出了根本性的转变:由美国航空航天局(NASA)来计划和执行大型的、耗资数十亿美元的“旗舰”天文学项目。该计划被称为“大天文台任务和技术成熟计划”,计划将在未来10年投资12亿美元,用于支持多个拟建设的设施,以此从总体上降低建造和发射一整套“下一代望远镜”的成本和风险。而这一整套望远镜的观测波段将从红外线贯穿到X射线,在超宽的波长范围内协同工作。

鉴于近期NASA在管理项目时出现的种种失误,增强对未来的大型天体物理项目的管理显得尤为关键。韦布空间望远镜(JWST)在经历了一系列近乎灾难性的预算超支(多达数十亿美元)和令人痛苦的进度延误之后,终于成功发射。而这仅仅是新世纪到来以后的第一个“十年调查旗舰”项目。在2010年的“十年调查”中,推荐优先级最高的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜表现更好,但它仍然遭遇了许多代价高昂的挫折。天文学家不得不将其发射日期推迟到2027年左右。

在Astro2020中,最高推荐优先级项目的首要成果是哈勃空间望远镜的继任者,它的尺寸更大,设备也更加复杂。哈勃空间望远镜本身是NASA在1990年至2003年间发射的四个“大天文台”中的第一个。与哈勃一样,其继任者将在光学、红外和紫外波段运行,但它可能比哈勃这个传奇天文设施大三倍。哈勃继任者的建造成本预计为110亿美元,计划在本世纪20年代末开始研发,在40年代中期发射。它将拍摄数十颗潜在的宜居系外行星的照片,研究它们的大气层从而寻找生命迹象。它同时也将是大量革命性天体物理学研究的主力设备。虽然它目前还没有一个酷炫的正式名称,但天文学家已经将其称为“LuvEx”。这个名字来源于它的两位前辈——大型紫外/可见光/红外探测卫星(The Large UV/Optical/IR Surveyor,LUVOIR)和宜居行星成像卫星(Habitable Exoplanet Observatory,HabEx)。

LuvEx之后的短时间内,还有另外两台设施将会面世。一台专注于远红外线,另一台专注于X射线,建造成本都在30亿到50亿美元之间。这两台后续设施也对应了两项先前的提议:在远红外波段工作的起源空间望远镜(Origins Space Telescope)和山猫X射线望远镜(Lynx X-ray Observatory)。

2.科学发展前途光明

美国加州理工学院天文学家兼Astro2020指导委员会联合主席菲奥娜·哈里森(Fiona Harrison)在一份声明中说:“这份报告为天文学和天体物理学未来的十年设定了一个雄心勃勃、鼓舞人心且令人向往的愿景。在思考如何规划最富雄心的太空战略项目时,我们可以用多样化的任务组合来追求富有远见的目标,例如在银河系内邻近恒星周围的行星上寻找生命——同时利用丰富的全波段观测设备群探索21世纪的天体物理学前沿。”

可想而知,这使得许多天文学家欣喜若狂。“我认为这是有史以来最明智、可行性最高和最务实的‘十年调查’,” LUVOIR概念的忠实拥护者和最活跃的发言人、夏威夷冒纳凯阿火山凯克天文台的首席科学家约翰·奥马拉(John OMeara)说,“指导委员会明白,我们必须再次明确如何推进大型任务,实现新的大天文台的愿景。他们出色地阐述了如何在一个不确定的世界中将科学推向好的方面,我希望NASA和其他联邦机构能够接纳这份文件的精神。”

“我们正站在发现新黄金时代的门槛上,”美国大学天文研究协会(AURA)的科学副主席海迪·哈梅尔(Heidi Hammel)说,“我们真的能找到另一个星球上存在生命的证据吗?这份报告名副其实地为回答这个问题提供了强有力的途径,我们可以成为回答这个问题的一代人!”

美国空间望远镜研究所(STScI)的杰出天文学家马克·波斯特曼(Marc Postman)是大型系外行星成像天文台的长期支持者,他的观点稍长一些,但同样充满了兴奋:“我现在欣喜若狂,因为走到今天这一步是我个人15年职业生涯的高潮。人们问我为什么要在这上面花时间,因为当LuvEx发射时,我虽然很有可能仍然身体健康,但肯定已经退休了。我告诉他们,即便我没有机会使用它,甚至不能看到它发射升空,我都会为此、为它所代表的未来而努力。根据这份Astro2020报告,未来是非常光明的。这是一项超越任何个体的、划时代的倡议。人类即将真正踏上回答这一关键问题的征程:我们在宇宙中是否是孤独的?”

地外生命探索望远镜是旗舰级的“大天文台”系列中的第一个,而在它与其他相关的大宗项目之外,Astro2020还呼吁开展新的“探测级”任务,这类太空项目依然每10年规划一次,成本上限为15亿美元。此外,还需要投入大量资金,提高天文学家实时研究短时标或暂现天文现象的能力,其中不仅需要利用光来研究,还包括利用亚原子粒子和引力波等多信使手段。

Astro2020还涉及美国的地面项目。这些项目通常由美国国家科学基金会(NSF)、偶尔由美国能源部资助和管理。在这一类别中,报告给其中一项计划最高的排名,它将向下一代大型望远镜投资约16亿美元,其中包括巨型麦哲伦望远镜(GMT)和三十米望远镜。这16亿美元由NSF资助。这两个巨大的天文台目前正处于建设的早期阶段,预估建设总价超过50亿美元。有了南半球智利拉斯坎帕纳斯(Las Campanas)山顶的巨型麦哲伦望远镜和计划位于北半球冒纳凯阿火山或西班牙加那利群岛(Canary Islands)拉帕尔马山(La Palma)山顶的三十米望远镜,美国天文学家将能够通过这些极其强大的“眼睛”看到整个天空任意位置的更深处。

除了帮助这对双胞胎巨人跨越终点线外,该报告还建议NSF和DOE共同斥资6.6亿美元建造宇宙微波背景第四阶段天文台(CMB-S4)。这是一个可以详细调查大爆炸余辉的设施。NSF还将出资25亿美元建造下一代甚大阵列 (next-generation Very Large Array,ngVLA)。这是一个在射电波段工作的天文台,其灵敏度将比它的前任高10倍。此外,Astro2020强烈支持进一步升级两个会打开全新的宇宙之窗的项目:激光干涉引力波天文台(LIGO)和冰立方中微子天文台(IceCube)。冰立方中微子天文台在南极冰盖上的一立方千米内布置了数千个探测器。通过与传统天文台协同观测,LIGO和冰立方可以帮助天文学家推测恒星爆炸核心内以及黑洞和中子星合并时作用的神秘机制。

3.问题关键或仍在“人”

前进的道路或许是清晰的,但道路上仍然存在许多障碍。计划进行顺利与否很大程度上取决于国会和白宫是否接受,并资助Astro2020的推荐建议,这对于天文学家来说是非常不确定的。同时,我们还面临着迫在眉睫的人造卫星的巨型星座问题。尽管这些卫星对全球宽带连接有所裨益,但它们在光学波段和射电波段污染了我们对天穹的观测过程,甚至对多个重大项目构成了致命威胁。对于这个日益严峻的问题,Astro2020只提供了不尽如人意的方案,即参与机构间合作和国际合作,以设计更好、更具保护性的监管框架。

但正如报告作者自己所指出的那样,在这些挑战面前,他们的大胆愿景能否成为现实可能最终取决于他们如何处置美国天文学最有价值的资产——不是美元,而是人。

Astro2020指导委员会联合主席、美国亚利桑那大学教授、得克萨斯农工大学教授、天文学家罗伯特·肯尼卡特 (Robert Kennicutt)在一份声明中表示:“我们的报告指出,我们还需要认真关注对这些研究基础的投资——包括对开展研究的人员的投资。”

美国俄亥俄州立大学(Ohio State University)的天文学家兼HabEx任务概念研究的联合主席斯科特·高迪(Scott Gaudi)表示,正是这一植根于“十年调查”骨髓中的理念,让Astro2020成为“美国天文学的巨大胜利”。“指导委员会认真考虑过如何平衡投资——不只是规划一套新的大天文台或诸如巨型麦哲伦望远镜、三十米望远镜之类的项目,还有在许多基本事项上提供重要支持,例如对更多的科研项目和中等规模计划进行资助。而这些正是使愿景中更雄心勃勃的部分变得合理并可以企及的必要保障。”

近年来,美国天文学界不仅受到项目预算高昂的困扰,还面临性骚扰丑闻、对年轻研究人员及其小规模项目支持不足、研究人员工作与生活严重不平衡导致的身心健康问题等等挑战。

为了解决这些问题和其他社会弊病,Astro2020建议:在研究资助和独立博士后奖学金上增加支出;在大学和联邦机构层面,更多地为促进多样性的倡议提供资金和机构支持;以及在NASA、NSF和DOE内部形成关于骚扰和歧视属于科学不端行为的共识。美国国家学院的一份新闻稿称,鉴于冒纳凯阿火山上三十米望远镜的相关纠纷,Astro2020还呼吁建立一种“社区天文学”参与模式,以寻求“在推进科学研究的同时尊重、授权和造福当地社区”。

美国新罕布什尔大学宇宙学家钱达·普雷斯科德-温斯坦(Chanda Prescod-Weinstein)说,这些行动致力于解决在该领域中不断增长的文化危机,是“朝着正确方向迈出的一步”。但即便如此——尤其是在与历史上被边缘化的原住民接触的情况下——她认为这个“十年调查”的建议还远远不够。

“有时科学家不得不接受原住民强硬的‘不’,”普雷斯科德-温斯坦说,“但Astro2020更关注原住民社区和科学家之间的合作应该具有什么样的特征和质量。它从不直接承认原住民可能不想合作的情况……如果我有更多的时间来阅读报告,我的观点可能会改变,但我的第一印象是:科学目标仍然是至高无上的,而我们作为一个社区整体,仍然没有准备好与非天文学家原住民平等地(就好像他们与我们一样、他们关注的事物与我们关注的一样重要那样)交谈。”

撰文:李·比林斯(Lee Billings) 翻译:王瞬

 
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