1990 年 4 月 24 日，哈勃太空望遠鏡搭乘太空梭進入近地軌道，成為歷史上最多產的天文臺。四分之一個世紀過去了，宇宙可能依舊，但我們對宇宙的理解卻已截然不同，哈勃望遠鏡 2.4 米的鏡面在地球大氣層上方揭示了原始的紫外線、可見光和近紅外景象，永遠地改變了我們對宇宙的認知。哈勃望遠鏡觀測宇宙，繪製了暗物質地圖，並幫助發現了暗能量，這種神秘的力量正在驅動我們宇宙的加速膨脹。在離我們更近的地方，它拍攝了環繞其他恆星執行的巨型系外行星的照片，在冥王星周圍發現了新的衛星，並探測到木星衛星木衛二地下海洋噴發出的水柱。幾乎在它所觀測的每一個地方，哈勃望遠鏡都取得了重大發現。它成為 NASA 首屈一指的“旗艦”天文臺，該機構透過在五次太空梭維修任務期間更換和升級過時的元件來支援它。
但是哈勃望遠鏡的時間不多了；太空梭不再飛行，也沒有計劃進行更多的維修任務。遲早，哈勃望遠鏡的關鍵元件會退化和失效。最終，它的軌道會衰減，將這個價值數十億美元的望遠鏡變成在 атмосферу 中燃燒並在海洋中濺落的翻滾的爐渣塊。天文學家們始終充滿希望，計劃在未來幾年，甚至可能到 2020 年代，繼續使用哈勃望遠鏡，但也非常清楚它的日子屈指可數。
“當哈勃望遠鏡退役時，就真的退役了，”NASA 戈達德太空飛行中心的諾貝爾獎獲得者天體物理學家約翰·馬瑟說。“而且我們沒有任何其他在研專案可以替代它的功能。” 尤其是哈勃望遠鏡的紫外線觀測至關重要，因為地球大氣層過濾掉了大部分這些波長——只有從太空才能觀測到它們。
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馬瑟也是經常被稱為哈勃望遠鏡繼任者的專案——NASA 的下一個旗艦天文臺，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的高階專案科學家。一旦發射，韋伯望遠鏡將飛到距離地球約 150 萬公里的地方，展開一個巨大的 6.5 米分段鏡面。該望遠鏡在低溫下執行，並使用大量新開發的技術，將以極其靈敏的紅外眼睛凝視宇宙，旨在研究最早的星系和恆星。然而，龐大的尺寸和技術複雜性付出了高昂的代價。韋伯望遠鏡最初計劃於 2011 年發射，估計成本為 16 億美元，但其價格標籤已膨脹至近 90 億美元，發射時間定於不早於 2018 年 10 月。2011 年，由於國會中沮喪的成員威脅要終止其資金，該天文臺險些被取消。
部分是為了應對這些麻煩，NASA 在韋伯望遠鏡之後的計劃是在 2020 年代發射一個遠不如雄心勃勃的天文臺，一個名為 WFIRST 的再利用紅外間諜衛星。雖然 WFIRST 的尺寸與哈勃望遠鏡相當，但它的視場是哈勃望遠鏡的 100 倍，並且將勘測幾乎整個天空以研究暗能量。
馬瑟說，這兩臺望遠鏡都將是卓越的發現工具，並將開闢“天文學的全新領域”，但由於它們不會在紫外線或大部分可見光譜中進行觀測，因此不能被認為是哈勃望遠鏡真正的繼任者或替代品。此外，韋伯望遠鏡和 WFIRST 都不是為了直接解決天文學中最廣泛吸引人且發展最快的研究領域之一——在類地系外行星上尋找生命而設計的。
根據馬瑟和其他主要天文學家的說法，他們現在正在撰寫一份報告，該報告將於今年夏天由大學天文研究協會 (AURA) 釋出，這項探索和其他探索需要更大的空間望遠鏡，該望遠鏡將像哈勃望遠鏡一樣，在光學、紫外線和近紅外波長下進行觀測。這個暫定名為“高畫質晰度太空望遠鏡”或 HDST 的擬議超大型繼任者將擁有直徑為 10 到 12 米的鏡面，是哈勃望遠鏡的四到五倍，大約是韋伯望遠鏡的兩倍。儘管韋伯望遠鏡和 WFIRST 尚未升空，但規劃旗艦級空間望遠鏡所需的十年跨度時間表正迫使具有前瞻性的天文學家將這些未來專案視為過去。
與韋伯望遠鏡非常相似，HDST 也將是分段式和可展開式的，以便可以摺疊起來並裝入火箭的狹小空間中。然而，與韋伯望遠鏡不同，它不需要在低溫下執行，這可能會減輕其部分成本和複雜性。AURA 委員會表示，該天文臺最早可能在 2030 年代初期發射，但前提是 NASA 和美國天文學界現在開始為此進行規劃。
“自從我們啟動韋伯望遠鏡專案以來，NASA 變得更加保守了，”馬瑟說。“在望遠鏡幾乎因成本超支而被扼殺之後，沒有人再想做大事了。但另一方面，如果每個人都過於膽怯和害怕大型專案，那麼我們將永遠找不到那些新的世界去探索。哥倫布不是乘坐一隊划艇橫渡大西洋的。有時，你需要更大的東西。”
一勞永逸
這並非天文學家首次遊說建造如此大型的空間望遠鏡。自 1990 年代初期首次發現系外行星以來，各種呼籲建造 10 米級天基天文臺的提案不斷在天文學界流傳。今天，二十年後，天文學家的呼聲越來越高，部分原因是現在已知數千顆系外行星，並且據信有更多系外行星圍繞著天空中幾乎每一顆恆星執行，只是尚未被觀測到。在太空中使用 10 米巨型鏡面有很多可能的用途，但拍攝岩石狀、可能適宜居住的世界的照片——用天文學家的話來說是“直接成像”——是殺手級應用。
從地球附近觀察，一顆十幾光年外的類地行星可能大約像火星表面 40 瓦的燈泡那麼亮，但它也會緊鄰比它亮 100 億倍的恆星。HDST 等望遠鏡上的 10 米鏡面將提供足夠的表面積，以有效地收集數十顆此類系外行星的微弱光線，並提供更高的解析度，以便在空間上將它們與恆星的眩光區分開來。HDST 還將配備一種稱為日冕儀的星光阻擋裝置，使其更容易收集來自其行星目標的微弱光子。然後，天文學家可以檢查每個目標世界，尋找水蒸氣、溫室氣體和“生物特徵”（如地球上由光合作用植物產生的 атмосферный кислород）的光譜特徵。
對 HDST 等雄心勃勃的提案的批評者指出，規模較小、更適度的空間天文臺可以更快、更省錢地在少數潛在的可居住系外行星上尋找生命跡象。未來幾年，NASA 的韋伯望遠鏡和 WFIRST 望遠鏡可能會嘗試對少數最接近、最亮的有希望的系外行星進行此類觀測，新一代正在建設中的 30 米級地面天文臺也將如此。
但太空望遠鏡科學研究所的天文學家和 HDST 報告的合著者馬克·波斯特曼說，這些更適度的方法不太可能提供每個人都想要的答案。地面天文臺被困在地球空氣海洋之下，將受到星光扭曲湍流和氣輝（大氣化學反應發出的微弱光線，會破壞精細的觀測）的阻礙。此外，它們和韋伯望遠鏡都無法直接成像和研究大量潛在的可居住系外行星。“你真的想測量數十個候選者，而不僅僅是兩三個，甚至不僅僅是 10 個，”波斯特曼說。“如果你觀察 10 顆類地行星，但沒有看到水或生物特徵的證據，你就說不了什麼。也許你運氣不好。但是，如果你觀察 50 顆，即使你什麼也沒發現，這個零結果仍然說明了一些非常有趣的事情，即生命是否在宇宙中很稀有……為了跨越這個門檻，你需要一臺高穩定性、高動態範圍的 10 米級空間望遠鏡。”
然而，專注於類地系外行星並沒有為之前提出的巨型空間望遠鏡帶來回報。這些提案因其估計的鉅額成本而被否決，再加上人們認為它們是精品專案，只服務於一小部分科學家，而不是整個天文學界。報告的作者說，HDST 將有所不同。
在 1 月份舉行的美國天文學會會議上，AURA 委員會提出了 一個宏偉的願景，將 HDST 定位為一個具有廣泛吸引力的革命性通用天文臺。除了對系外行星進行成像外，該天文臺還擅長研究我們太陽系中的行星以及遙遠的星系和環繞並穿過它們的稀薄氣體網路。與其“高畫質晰度”的名稱相符，HDST 巨大的鏡面可以捕捉到木星雲層中曼哈頓大小的特徵，並跟蹤遠達 3000 萬光年的星系中單個類太陽恆星的運動。事實上，它可以分辨出可見宇宙另一側星系中約 300 光年大小的結構——這對於理解恆星形成的歷程以及暗物質和暗能量的本質非常有用。
AURA 團隊表示，所有這些功能都將與韋伯望遠鏡、WFIRST 和下一代 30 米地面天文臺的觀測結果協同作用。而且它們只能透過建造大型望遠鏡來實現。
打破正規化——和銀行
參與 AURA 的 HDST 報告的任何人都不會公開猜測能夠實現所有這些功能的望遠鏡究竟要花費多少錢——只知道它將是昂貴的。最困難的技術挑戰將是建造一個比韋伯望遠鏡更大、更輕、分段式的鏡面，該鏡面針對觀測紫外線、可見光和近紅外光中的各種目標進行了最佳化。一些天文學家對 HDST 的財務可行性持懷疑態度，他們建議建造一個較小的、韋伯望遠鏡大小的寬頻望遠鏡，甚至是一系列哈勃望遠鏡大小的望遠鏡，可能更好地為天文學界服務。
HDST 的支持者表示，這些想法是短視的——太適度和漸進，以至於在二三十年後，當這些擬議的望遠鏡中的任何一個升空時，都無法保持相關性。“有人曾經告訴我，對於任何超過 10 億美元的任務，科學是一個必要條件，但不是充分條件，”波斯特曼說。“你需要科學家、政策制定者、公眾和行業都支援如此規模的任務。如果國會不喜歡它，如果 NASA 不支援，如果公眾覺得它缺乏啟發性，如果行業認為它無法建造——好吧，任何一個都會是一個大問題……這就是為什麼你必須胸懷大志，並考慮 2030 年及以後將存在的景象……你不會透過採取小的漸進步驟來徹底改變我們對宇宙的理解。”
因此，提出像 HDST 這樣的巨型空間望遠鏡，就像走鋼絲一樣，在控制成本和做出雄心勃勃的科學和技術承諾之間取得平衡。解決的大問題太少，每個問題都需要自己的一套先進技術，你來自科學家和公眾的支援可能會枯竭。承諾太多，你的政治和行業主管會對預計的成本和難度望而卻步，或者你的望遠鏡會大大超出預算。
卡內基科學研究所的天文學家艾倫·德雷斯勒對這種困境很熟悉。在 1990 年代初期，德雷斯勒領導了一個有影響力的委員會，該委員會展望了哈勃望遠鏡之後，設想了它的繼任者，“下一代太空望遠鏡”，它將成為韋伯望遠鏡。德雷斯勒和他的團隊提議建造一個帶有 4 米鏡面的紅外天文臺，這種天文臺可以舒適地裝入火箭，而無需摺疊起來。NASA 的領導層堅持要更大膽、更大規模，推動建造 8 米鏡面；韋伯望遠鏡的分段式 6.5 米鏡面應運而生，作為一種折衷方案，儘管它仍然比以往任何在太空中飛行的鏡面都更大、更復雜。韋伯望遠鏡將需要一系列全新的技術，以及前所未有的、詳盡的測試，以確保它在到達太空的寒冷真空中後能夠按計劃工作。
德雷斯勒回憶說，當時，一位 NASA 高階官員解釋說，該機構“寧願建造下一代望遠鏡中的第一個，而不是上一代望遠鏡中的最後一個。” 但現在，由於韋伯望遠鏡比計劃晚了多年，並且超出了數十億美元的預算，德雷斯勒說，為一個已經雄心勃勃的低溫望遠鏡選擇如此龐大、複雜的鏡面是“步子邁得太大了”，是“試圖在一步之內進行太多的創新”造成的。藉助韋伯望遠鏡，NASA 打破了空間望遠鏡的設計、建造和測試正規化，但也耗盡了資金。
德雷斯勒說，韋伯望遠鏡的遺產對 HDST 具有複雜的意義。一方面，HDST 提案吸收了韋伯望遠鏡的許多創新，可能會減少開發新技術的所需投資。另一方面，對韋伯望遠鏡困境的記憶可能會阻止 HDST 專案尋求建造如此大型空間望遠鏡所需的新正規化。德雷斯勒推測，與其在地面上建造和測試如此巨大的天文臺，不如以模組化元件發射 HDST，以便由宇航員或機器人在太空中組裝。
“問題是，沒有人願意等待那麼長時間才能讓這臺特定的望遠鏡實現，”德雷斯勒說。“他們都有些急於儘早完成這件事，在他們作為科學家的有生之年完成這件事。”
然而，華盛頓大學的天文學家、AURA 委員會的聯合主席朱莉安·達爾坎頓表示，無論哈勃望遠鏡的超大型繼任者未來如何誕生，更重要的是科學家和政策制定者要認識到它對天文學的未來有多麼重要。“這是顯而易見的下一步，”達爾坎頓說。“而且它將繼續是顯而易見的下一步。隨著時間的推移，科學不會變得那麼引人注目。你無法繞過物理規律。天文學家想要看到的東西是微弱的，他們想要解析度。他們想要進入紫外線波段，這是你在地面上無法獲得的。所有這些都將你送入太空，並讓你建造大型望遠鏡。建造大型望遠鏡的理由在 20 年後與現在一樣具有現實意義。那麼，為什麼不開始管理和規劃這件事，並找出在哪裡進行投資並最大限度地減少困難呢？”
當然，達爾坎頓承認，除了物理規律之外，還有另一件事在驅動著 HDST。“為了發射另一臺空間望遠鏡，需要做很多工作——無休止的委員會會議、撰寫報告。如果我要做這些，我希望結果真的令人興奮。我希望擁有一堆像哈勃望遠鏡這樣的小型望遠鏡，我肯定會使用它們，但我認為我們被允許考慮比這更大的事情。而且我們應該這樣做。”