未来30年！美国天文学是否可以崛起？成败在此一举

一场关乎美国天文学未来的战争已打响，且赌注极高。

（图源：Getty Images）

要是问天文学家们最喜欢解答哪些问题，那答案一定五花八门。第一批恒星、星系、黑洞是如何形成的？暗物质和暗能量的本质是什么？人类在宇宙中是孤独的吗？

要回答这些问题，人们必须依赖大型的天文望远镜。然而，一台能够收集宇宙中每一种光线的万能仪器是不存在。例如，黑洞有时会释放x射线，但是类地行星最好在自然光和红外波段进行研究。因此，这样的项目使分配给天文学的公共和私人的基金份额变得非常紧张，以至于每次只有少数——也许只有一个——可以优先被考虑。至此，失败的提案堆积如山，研究人员正焦急地等待一个难得的机会重新探索宇宙。

在美国的科学界，有一个天文学和天体物理学的“十年计划”足以让所有天文学家燃起斗志，即每10年推举出优秀的科研项目来寻求联邦政府的资助。像美国宇航局（NASA）的哈勃太空望远镜这样的项目之所以能够存在，一定程度上要归功于过去十年间来自政府的认可。目前，这种做法已经蔓延到其他几个学科，各学科的“十年计划”都在如火如荼地进行着。

自20世纪60年代以来，由美国国家科学院、工程院和医学院组织的“十年计划”已确定了6次美国天文界的研究大方向。去年11月，经过20名委员长达两年的讨论后，第七次美国天文学“十年计划”报告公布，题目为《2020年代天文学和天体物理学发现之路》（Astro2020）。如同以往的研究，Astro2020将为重大投资和科学研究指明方向。此外，它还将揭示那些可能会影响未来几代人发展的，被人们忽略的，甚至被人们惧怕的地方。

Astro2020指导委员会、小组主席和研究人员。左14和左16分别是指导委员会的联合主席，天文学家罗伯特·肯尼卡特和菲奥娜·哈里森。（图源：美国国家科学院、工程院和医学院）

很少有人比乔尔·帕里奥特更了解这个计划所带来的力量。20多年前，他在美国国家科学院任职，开始了政治生涯。在那里，他最初的任务就是协助科学家们起草新千年的第一个天文学“十年计划”。之后，他在白宫管理和预算办公室（OMB）工作了10年，为联邦科学机构权衡并实施“十年计划”相关的建议。如今，他是美国天文学会的主任，该学会是美国天文爱好者的主要组织。在OMB时，由于国家的政策目标常与财政现实违背，“十年计划”反倒成为了帕里奥特和他的同事们拒绝一些经费申请的挡箭牌。他说：“如果一个项目的排名不高，我们就知道它没有得到充分认可。这对在国会和白宫里需要做出艰难选择的人来说真的很有帮助。”

然而对不少天文学家而言，“十年计划”并没有完全左右他们的科研历程，但他们都认为Astro2020发布的时间节点是比较危险的。

位于夏威夷W·M·凯克天文台的首席科学家约翰·奥米拉说:“我们正在危险的边缘试探。我相信‘十年计划’对于美国天文学而言是十分必要的。这些计划将影响美国天文学在全球范围内的领先地位。当各联邦机构和国会收到‘十年计划’报告时，他们将拥有美国是否在这一科学领域占据领导地位的决定权。”

30米望远镜（左）和巨型麦哲伦望远镜（右）的概念图，这是两个美国大型地面天文台项目。（图源：TMT国际天文台（左），GMTO公司和M3工程公司（右））

步入黄昏的美国天文望远镜

外界来看，人们不会意识到美国天文事业正处于危机的边缘。去年，几台新的地面望远镜上线，并且每台都带来了大量的天体发现。当然，野心勃勃的项目也不少，以维拉C.鲁宾天文台为例，它在过去的两个“十年计划”（Astro2020和Astro2010）中排名都很高。这座位于智利山上的天文台将于2030年底开始运营，它会拍摄其头顶的整片天空，最终制成一部横跨10年的高清延时影像。

然而，在即将进行的美国大型项目中，鲁宾天文台只是少见的优秀案例。曾于Astro2000和Astro2010提出的一项引人注目的地面大型建设提议——建造一个镜面大小约为30米的光学超大望远镜（ELT）——至今还是个未知数。它的最大特点是可以为从地面研究系外类地行星提供巨大帮助。如今，Astro2020可能会决定美国ELT项目的成败，当然还有其他项目的优先权，如升级国家巨大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，反对人士封锁了通往夏威夷莫纳克亚山山顶的道路，试图停止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）

在完成ELT项目之前，美国已自相矛盾地建造了两个别的项目，即30米望远镜（TMT）和巨型麦哲伦望远镜（GMT）。由于两家敌对公司都存在资金困扰，所以近十年这两个大型设备都无法投入使用。30米望远镜（TMT）于夏威夷莫纳克亚火山的建设在一开始就引发了当地人的抗议。莫纳克亚火山是北半球星空的绝佳观赏地。由于夏威夷原住民将此火山视为神山，所以他们认为在那里建造大型望远镜无疑是对这座神山的侵占。在抗议者多次封锁通往山顶的道路后，TMT的建设被叫停，且至今仍处于僵局。一位知晓相关情况的资深天文学家认为，如果Astro2020中不再包含ELT项目，那么TMT和GMT都只能成为烂尾楼。

相比之下，欧洲在多年前就在地面光学天文学方面领先美国，并且在智利建设了自己的ELT。欧洲超大型望远镜拥有一个40米长的反射镜，预计将于2027年投入使用。

中国也在迎头赶上。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家科学基金会资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，但由于预算无法支撑日常维护，已于2020年不幸轰然倒塌。此外，欧洲、中国和许多其他国际成员正在共同建设平方公里阵列（SKA），这是一个由数千台射电望远镜组成的惊人的强大集合，在澳大利亚和南非的站点最早将于2030年全面投入使用。

饥饿的巨人和科学怪人

美国天基天文学的前景也同样喜忧参半。目前，美国在太空观测领域仍处前沿，但在NASA于1990年至2003年建造的四个大型天文台中，只有哈勃和钱德拉x射线天文台还在运营，但它们都已接近暮年，且仍然没有新秀可以来替代。太空望远镜科学研究所社区项目办公室负责人、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。如果没有替代品，那我们可能会有很长一段时间无法研究来自太空的光、紫外线或x射线。”

技术人员正在检查詹姆斯·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12月发射。（图源：Chris Gunn/NASA）

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜是Astro2000的顶级太空项目，更是一个科学奇迹：一个低温冷却的红外天文台，带有一个6.5米长可折叠聚光镜，它可以像折纸一样被放入火箭中。此前，韦伯望远镜的发射预计耗资约15亿美元，并原计划在2011年发射，用以研究早期宇宙中恒星和星系的诞生。如今看来，这点预算似乎太过天真。在经历了大量的成本超支和延期之后，这台望远镜于2021年12月25日抵达太空，计划运行10年，项目总成本约为100亿美元。该项目的望远镜科学家、大学天文学研究协会主席马特·芒廷说：“我们无法在不冒险的情况下进行如此大规模的科学研究。我对该项目很有信心，韦伯望远镜项目一旦失败，将会是一场彻底的灾难，因为我们可能在二十年内都不太会推出另一款同类产品了。”

如果说韦伯望远镜是被Astro2000释放出来的一个饥饿的巨人，那么Astro2010的顶级项目，NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，就是一个完全不同的怪兽——一个被削弱的科学怪人，因为它是“十年计划”委员会从多个项目中拼凑出来的。委员会曾希望避免罗曼望远镜（最初命名为广域红外巡天望远镜，简称WFIRST）重蹈韦伯望远镜的覆辙，当然它也成功避免了。然而，罗曼望远镜的存在扰乱了业内的安宁。有一位著名的天文学家认为，罗曼望远镜项目东拼西凑而成，十分可笑。

罗曼望远镜曾预计最早在2020年发射，预算相对较少，不到20亿美元。其最初的设想是用一组简陋的仪器和一个不到哈勃望远镜一半大小的镜子来研究宇宙中的暗能量。在许多专家看来，这样一个项目几乎不符合其所谓的“旗舰”地位。在官方的支持下，NASA最终增加了更多的仪器，并将罗曼望远镜的反射镜升级到与哈勃望远镜的大小相同，增强了其科学能力，这才使业内气氛缓和下来——但这也导致该项目的花费提高了近一倍，并推迟到2025年之前才能完工。与此同时，欧洲和中国也各自在发展自己的聚焦暗能量的太空望远镜，它们的科学发现可能有望证明罗曼望远镜存在的必要性。

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.）

尽管韦伯和罗曼望远镜最终都可能取得意料之外的收获，但一些人担心，这些项目对该领域带来的巨大影响将会大幅削弱Astro2020的影响力。图姆林森说:“这是第一个两项顶级太空项目仍未执行的十年。如果Astro2020委员会因此认为我们此时应该去做些小项目来等待旗舰天文台的升空，那我觉得这将是个无法弥补的错误。考虑到美国政府的运作模式，等待十年的想法基本是不可能的。”

图姆林森认为，大多数天文学家似乎都误解了“十年计划”的“驱动力”到底是什么。一份“十年计划”报告是科学界、NASA、航空航天承包商、国会和白宫之间的多方、多年谈判的开始。这就是为什么一开始就把目标定得很高，且符合天文学家的最大利益。图姆林森说:“我希望，通过Astro2020，我们可以平缓地降低风险和削减成本，这是所有人的希望。”

无论是因为COVID-19大流行、飙升的财政赤字还是日益严峻的全球气候，一些人可能会质疑美国天文学家主次不分。当然，有人会这么回答，现在的科学要拖累二三十年后的科学发展是不可取的。一位曾处理过联邦科学机构拨款工作的前国会工作人员说道，不管怎么说，资方还是会出钱的。他们会得到一份分配表，如果资金不分配给天文学，那也许它会去支持NASA行星科学部的一个新旗舰任务，或者它会流向美国联邦调查局的一栋新大楼。不管做什么，这些钱都会花出去的。

由艺术家绘制的Astro2020四个备选旗舰项目示意图。从左下顺时针方向依次是宜居系外行星天文台（HabEx）、大型紫外光学红外探测器（LUVOIR）、起源空间望远镜（Origins）和林克斯x射线天文台（Lynx）。（图源：G. Tremblay and the New Great Observatories）

“候选人”

为了应对韦伯和罗曼望远镜的困境，多年前，NASA开始改进其未来旗舰飞船的设计，要求明确其技术挑战和成本预算。2016年，NASA召集了四个科研小组（STDTs），每个小组都研究一个独立的任务，供Astro2020考虑。其中两个——大型紫外光学红外探测器（LUVOIR）和宜居系外行星天文台（HabEx）——将专注于了解更多围绕其他恒星运行的行星，重点是研究地球外潜在的宜居星球。作为更广泛的星系、恒星和行星系形成研究的一部分，系外行星始终是天文学研究的重要方向，超冷远红外起源空间望远镜的研究对象正是它们。最后，林克斯x射线天文台，它将是有史以来最强大的x射线天文学设施，可以对横跨宇宙时间的黑洞、活跃星系和剧烈超新星进行近距离观测。每个项目都有巨大的潜力，但也都有一个或多个让天文学家坐立不安的致命弱点。

LUVOIR的优势和劣势一直都在于它那巨大的分割镜。如果它的精度稳定在皮米级（这是非常困难的），那这面镜子将允许天文学家发现和研究数百颗系外行星，同时还可以在一般天体物理学领域进行革命性的观测。假设在太阳的邻近恒星周围真的存在蓝色类地行星，LUVOIR应该能提供找到它们的最佳机会。但无论是15米的“豪华模型”还是8米的“预算尺寸”，将这样一个高要求的、可展开的镜子送入太空，都意味着成本将达到天文数字。该任务小组负责人之一的奥米拉说：“当我开始着手这项工作时，我闭上眼睛对自己说，每米建材将耗资10亿美元。但如果LUVOIR取得了成功，那么其收益将不可估量。” NASA戈达德太空飞行中心的两个不同小组预估的成本则略高，豪华版LUVOIR大约花费150亿-200亿美元，预算版大约花费120亿-150亿美元。

由于宜居系外行星天文台（HabEx）的反射镜较小，它会比LUVOIR望远镜的任何一个版本都要便宜，估计成本接近100亿美元，但也因此，它能观测到的系外类地行星将会少很多。此外，HabEx上运用了一个新设备，即一个名为“遮星罩”的花瓣型航天器，它展开后有50多米宽，可以飞行7.5万公里来第一时间阻止目标恒星的光被HabEx那4米长的分隔镜捕捉，以此来突显出相对较暗的伴星世界。俄亥俄州立大学的天文学家，HabEx研究小组负责人之一的斯科特·高迪说：“遮星概念对很多人来说还是一个相对较新的想法。目前，科学家们已有一个比较现实的计划来管理风险，并在预算内开发遮星罩。”

起源空间望远镜（Origins）则妥当许多，它拥有一块近6米长的完整镜片，基于现在的技术，净成本大约在70亿美元左右。当温度在绝对零度与绝对零度以上5开尔文之间，Origins的远红外灵敏度将提高1000倍，使天文学家能够在可观测宇宙中绘制星系的内部情况，同时还能研究少数小型系外行星以及附近恒星周围原行星盘中的水分。不同于LUVOIR和HabEx，Origins无法带领人们探索类地行星，寻找适合居住的新世界，它的红外光学系统无法提供像哈勃望远镜那样清晰的彩色图像。继韦伯和罗曼望远镜之后，Astro2020将它排为NASA连续推荐的第三个红外旗舰天文装置。康涅狄格大学的天文学家卡拉·巴特比说：“有些人可能认为天文学家会喜欢Origins，但如果你看了每个项目的概念及其背后共同的科学问题，如行星、星系与黑洞的共同进化等，我敢说你不会认为这个空间望远镜是其中最完美和最安全的。”

林克斯x射线天文台（Lynx）的造价要略低于Origins，但它们的设计和研究目的却截然不同。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。这些硅壳排列密集，通过一定角度来反射和聚焦高能x射线。这种设计将提供比钱德拉望远镜或其他早期x射线望远镜更好的性能，使Lynx能够揭示宇宙中古老黑洞的秘密。一些天文学家担心Lynx的反射镜可能会超出预算，且多数人担心会和一个已有项目重复，即欧洲航天局（European Space Agency）的高能天体物理高级望远镜（Athena），该设备将于2031年发射。哈佛大学和史密森学会天体物理中心Lynx项目小组成员、天文学家格兰特·特伦布莱说：“对于许多人而言，Athena的存在是用来反对Lynx项目的最佳论点，但我认为两个项目其实是互补的。”

总的来说，以上四个项目构成了Astro2020指导委员会的最佳候选名单。所有四个项目都要服从Astro2020的技术风险和成本评估（TRACE）流程，这是航天公司对每个项目评估的全新检查。如果TRACE认为所有项目都远超预算，那么指导委员会可以一个都不选择。（当然从结果来看，LUVOIR和HabEx两个项目已经结合，它们的结合体“LuvEx”成为了Astro2020优先级最高的项目。）

全新大型天文台

天文学家们已经列出了Astro2020最终可能宣布的四种结果，一位资深学者说：“第一种情况，如果委员会不推出任何一个旗舰项目，而是像Astro2010那样只给出技术建议，那我们就称之为‘烂三明治’计划。反之，如果委员会顺利推出旗舰项目，且为技术发展设定优先级，来努力实现更多的项目，那我们就称之为‘完美的一餐’。”

多数项目组的成员认为，美国天文学理想的未来不是一家独大，而是合作共赢。这样一来，一个“全新大型天文台”很有可能在本世纪落成，就像哈勃望远镜和其他划时代的项目那样。天文学家奥米拉说：“委员会选中了任何一款旗舰项目，我和我的同事都会欢呼。唯有合作，才能将大型天文台项目推进下去。”

换句话说，只有当天文学家们对天缘政治更有悟性，全新的大型天文台才能落成。天文学家特伦布莱说:“我完全相信，一个由Lynx、Origins、LUVOIR或HabEx或LuvEx组成的‘全新大型天文台’项目是可以被实现的。在国会，这与总成本无关，而是与年度拨款有关。每年给NASA的天体物理学项目增加几亿美元就足够了。”

这种充满希望的猜测并非一厢情愿。一位内部人士说：“我们正在考虑给NASA提高1%至2%的拨款以实现‘大型天文台’项目。真正参与拨款的参议员只有30名左右，而联邦政府的年度自由支配预算约为2万亿美元。2万亿美元除以30，然后把为每个参议员工作的员工也算进去。你会发现，任何低于每年5亿美元的项目基本上都留给了员工，并在利润中流失。” 特伦布莱说得更直白。他说:“NASA实际上并不为总统执行办公室工作。它更像是为那些刚从大学毕业几年后在拨款委员会任职的二十几岁的年轻人效力。一项旗舰任务或‘大型天文台’项目可能会在一些低级职员吃午餐时就被批准了。”

一颗系外类地行星正围绕着一颗类似太阳的恒星运行。何时以及是否会发现这样的行星，并能否详细研究其宜居性和生命迹象，在很大程度上取决于Astro2020的结果。（图源：NASA Ames, JPL-Caltech and T. Pyle）

千言万语汇成一个问题

为了确保旗舰项目的顺利进行，天文学家们可能不仅要想方设法引起更多科学家的共鸣，还要得到政策制定者和公众的认同（包括无所事事的国会工作人员）。就这一点而言，没有什么话题比对外星生命的无尽探索更具吸引力的了。

天文学家奥米拉说：“如果‘十年计划’想要获得公众的支持，那他们应该把美国未来30年的天文学浓缩为一个问题，即宇宙是如何使生物学成为可能的？想想我们需要什么才能得到答案。它不仅仅是在外太空拍摄小型类地行星的照片。我们还需要追踪原子和分子的诞生，从宇宙大爆炸一直到行星的生物特征，了解星系和恒星在宇宙初期是如何诞生的。此外，我们还需要了解哪里可能存在生命，哪里不可能，这意味着要对太阳系进行更深入的探索，甚至可能要把宇航员送上火星。为解决这一个问题，需要凝结NASA所有人，同时也可以吸引一些非盈利的非政府组织和国际合作伙伴。”

天文学家图姆林森则说：“这是Astro2020之所以‘特别’的另一个原因。这是第一次，我们可以板着脸说，我们对系外行星上发现生命有合理预期，并以此来设计任务。当你有机会却不这么做的时候，我觉得有点不能理解。”

然而，也有许多天文学家对他们可能无法兑现承诺而感到不安。麻省理工学院的天体物理学家、和高迪一起担任HabEx项目小组联合主席的萨拉·西格尔说：“我们都必须支持一件大事，而且这件事必须大到足以让我们都支持它，这种心态正是我们以前陷入麻烦的原因。当然，寻找其他宜居星球是有公众支持的，但是如果你告诉公众每探索一颗行星可能要花费5亿或10亿美元，你认为他们会怎么说？我们居住在一颗难以被发现的星球上，类地行星都又小又暗，且它们都靠近又大又亮的恒星。这就使我们寻找它们踪迹的可能性变得十分渺茫。” 至少，近十年来看，这就是事实。天文学家高迪却认为，只用十年来判定天文学的未来，可能不是最好的方式。也许更长的时间跨度才能与我们想进行的项目相匹配，因为这些项目会随着时间的推移，变得更复杂、更具挑战。“十年计划”不足以框定它们，几十年才有可能。

在就职于美国国家科学院、白宫以及现在美国最大的天文学家倡导组织之后，帕里奥特提出了一个简单的提议：“我们需要支持‘十年计划’，这是对所有人都利好的。毕竟我们别无选择。”

BY: Lee Billings

FY: 忙碌的北門

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