真正的革命很少是瞬間發生的。它們改變世界的影響——就像印刷機的發明或放射性的發現一樣——通常需要幾代人才能顯現出來。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的首次亮相可能標誌著人類歷史上一個類似的劃時代事件。但是，JWST 的革命是被證明是短暫的，還是會持續並擴充套件到未來許多代人，現在取決於我們如何選擇追逐它剛剛開始揭示的新的宇宙景象。
JWST 專為尋找和研究最早的星系而定製，其前所未有的強大紅外凝視已經提供了來自宇宙歷史各個方面的見解，無論是關於宇宙的早期演化還是附近系外行星的大氣化學。鑑於其目前無與倫比的能力——以及超過 100 億美元的價格標籤——有些人可能會認為 JWST 是“一統天下的望遠鏡”，是我們真正需要的最偉大和最後的軌道天文臺。但是，僅靠 JWST 無法解決天文學家和宇宙學家的所有問題。事實上，它反而揭示了新的謎團，每個謎團都會產生額外的疑問，需要新一代天文臺——以及觀測者——來解答。長期來看，如果後續工作缺乏跟進，將有效地削弱導致首先建造、發射和執行 JWST 的巨大經濟和科學努力。值得慶幸的是，科學家和政策制定者正試圖在“後 JWST”時代為此類事情制定計劃，而此時已經出現了令人興奮的驚人科學成果跡象。
一些問題在於 JWST 現在正在打破以前認為無法達到的觀測記錄的地方：遙遠的宇宙，那裡是它要尋找的第一批恆星和星系居住的地方。JWST 最深、最遠的影像揭示了出乎意料的大量星系，這些星系如此巨大和明亮，以至於難以理解。解釋它們是如何形成的可能會導致對我們早期宇宙模型以及對這些模型所概括的基本物理定律進行重大修訂。
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例如，考慮一下 GN-z11 的案例。這是 JWST 的前身哈勃太空望遠鏡首次瞥見的星系，它是迄今為止觀測到的最早、最遙遠的星系之一。迄今為止，JWST 至少花費了 20 個小時密切研究 GN-z11——這對望遠鏡寶貴的觀測時間是一項巨大的投資，但仍然懸而未決的是，這個遙遠的星系是否擁有一箇中央超大質量黑洞。哈勃望遠鏡在我們宇宙中較近的大多數大型星系中都發現了潛伏著這樣的黑洞，這對宇宙學家提出了一個“先有雞還是先有蛋”的問題：先有巨大的黑洞，還是先有它們所佔據的星系？解開這個謎團可能會揭示最早的黑洞和星系是如何在大爆炸後誕生的。
當天文學家可以協同使用在廣泛的電磁頻譜範圍內執行的多個望遠鏡時，天體物理學就會蓬勃發展。一次又一次，這種寬頻視野對於瞭解天空中神秘天體的真實性質至關重要。為了更好地瞭解宇宙中黑洞的數量，現在需要的是X 射線觀測。雖然不如光學對應物那樣令人歎為觀止，但 X 射線影像揭示了最極端的宇宙事件——例如超大質量黑洞吞噬星系體積的氣體和塵埃——這些事件會發出大量高能 X 射線。即使從 GN-z11 或其同類星系中探測到少量雜散 X 射線光子，也強烈表明那裡存在超大質量黑洞，為宇宙演化的時間和機制提供了寶貴的資料點。
但是，目前還沒有設施可以執行這些要求苛刻的觀測。當前的 X 射線主要望遠鏡錢德拉和 XMM-牛頓自 20 多年前發射以來都已明顯退化，而且靈敏度都不足以探測到 JWST 正在探索的遙遠宇宙區域中小於約一百萬個太陽質量的黑洞。如果沒有更強大的最先進的 X 射線天文臺，我們可能會錯過了解黑洞如何在空間和時間中演化的機會——這是人類一代又一代最好的、最珍愛的太空望遠鏡所揭示的謎團。
這有助於解釋為什麼許多天文學家現在已經將目光投向 JWST 及其預測的 20 年壽命之外，以設想一系列雄心勃勃的“新大型天文臺”，每個天文臺都對不同型別的光敏感。理想情況下，所有天文臺都必須在 JWST 任務結束前後相對快速地連續發射，透過它們重疊的執行時間範圍最大限度地提高科學回報。最初的大型天文臺計劃於 1990 年隨著 NASA 發射哈勃望遠鏡而首次亮相，其中包括錢德拉和另外兩架現已報廢的太空望遠鏡，最後一架於 2003 年送入軌道。
正如美國天文學家的國會授權十年調查在 2021 年建議的那樣，該計劃呼籲建立三個新的太空天文臺。第一個天文臺現在被命名為宜居世界天文臺，將於 2040 年代初發射，以研究潛在的類地系外行星（以及更多更多）的光學、紫外線和紅外線。另外兩個——一個用於 X 射線，另一個用於遠紅外線——可能會在該十年末或 2050 年代發射。它們加在一起可以創造一個資訊量更大、色彩更豐富的宇宙景象，在哈勃望遠鏡發射大約半個世紀後，開創太空天文學的新黃金時代。例如，擬議中的 X 射線天文臺可以探測到 JWST 觀測到的神秘早期星系中，小至 1 萬個太陽質量的正在增長的黑洞——比錢德拉的能力提高了 100 倍。
然而，無論是由於政治支援的動搖、未預料到的技術挑戰，還是僅僅是 NASA 負擔過重的投資組合的嚴酷現實，這些十年計劃很可能無法以最佳速度進行。較慢的開發和資助步伐可能會導致三個新大型天文臺的發射之間出現更長的滯後時間，從而降低它們同時執行的可能性，以及它們的整體科學回報。根據一項分析，到 2045 年使所有三個設施投入執行將需要在 2020 年代剩餘時間和 2030 年代將 NASA 的天體物理學預算增加一倍。目前，這種增長成為現實的證據與來自這些遙遠星系的 X 射線光子一樣多——一個都沒有。與大幅增加資金相反，政府最新的預算提案在 2024 財年僅將 NASA 天體物理學部門的支出增加 3%。
憑藉其對 JWST、哈勃及其望遠鏡同類產品的連續數十億美元投資，美國及其國際合作夥伴引發了一場持續的科學革命，代表著人類瞭解我們最深刻的起源、背景和命運的最大希望。充分發揮這種深遠的潛力並保持在太空科學領域的領先地位，需要對下一代天文臺提供強有力、持續的支援。否則，我們可能無法完全回答不僅是當前的一系列懸而未決的問題，還有我們在劃時代的宇宙理解探索中出現的任何新問題。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。