天文學家奮力拯救X射線望遠鏡,因NASA大幅削減預算

錢德拉X射線天文臺面臨因NASA提議的新資金削減而提前結束的命運——天文學家對此感到不滿

An illustration of NASA's Chandra X-ray Observatory in Earth orbit

美國宇航局錢德拉X射線天文臺在地球高軌道的插圖。錢德拉於1999年發射升空,仍然是X射線天文學的關鍵工具——但預算削減可能很快會結束其任務。

James Vaughan/科學圖片庫/Getty Images

美國宇航局的又一個“偉大天文臺”正面臨終結。在1990年至2003年間,該航天機構向地球軌道發射了四臺宏偉的機器,用不同的“眼睛”觀察宇宙,為我們提供了對宇宙現象和景象前所未有的深刻視角。“康普頓伽馬射線天文臺”用伽馬射線進行觀測,但壽命最短;其任務於2000年結束。“斯皮策太空望遠鏡”在紅外線下觀測宇宙,直到2020年。“哈勃太空望遠鏡”——“偉大天文臺”計劃的開篇之作——至今仍在以其主要在可見光波段對宇宙的變革性觀測而蓬勃發展。“錢德拉X射線天文臺”也用其X射線“眼睛”做了同樣的事情——但也許不會持續太久。在美國宇航局本月早些時候向國會提交的最新預算申請中,錢德拉的預算不足。美國宇航局官員表示,該望遠鏡及其科學價值正在下降;鑑於目前臨時預算協議和相應的財政緊縮,該機構已選擇加速望遠鏡的退役,以便在未來五年內釋放目前每年花費在其上的6800萬美元中的大部分資金。隨著錢德拉的退役,只有哈勃將作為“偉大天文臺”計劃的第一個也是最後一個倖存者。

但一些天文學家表示,這個決定過於倉促,他們已聯合起來發起“拯救錢德拉”運動,以延長望遠鏡的壽命。他們說,為望遠鏡退役提供的理由是有缺陷的——望遠鏡的狀況並沒有美國宇航局所暗示的那麼糟糕。“航天器是否存在問題?是的,”位於馬薩諸塞州的錢德拉X射線中心主任帕特里克·斯萊恩說,該中心負責執行該望遠鏡。“這些問題是否需要採取這種行動?不需要。”更重要的是,讓望遠鏡退役將在美國(和全球)天文學中留下一個相當大的X射線盲區,目前沒有在役或正在積極開發的望遠鏡可以複製或擴充套件錢德拉的能力。“X射線界的規模已經大大增長,”歐洲XMM-牛頓X射線望遠鏡的前專案科學家弗雷德·詹森說。“這種成功現在也成為了問題。你們培養了大批瞭解X射線的年輕天體物理學家。剝奪他們的資料意味著,等到下一個X射線任務升空時,你們將不得不再次重建這個社群。”詹森說,這種損失將是“一種浪費”。

錢德拉於1999年發射升空,當時的成本約為16.5億美元,它一直是X射線天文學的一項重大突破。該望遠鏡在地球軌道上執行,軌道呈寬橢圓形,延伸超過地球上方13萬公里,它使用安裝在長管上的四對反射鏡來捕獲入射的高能X射線。太空中還有其他X射線望遠鏡,這是觀測X射線的唯一地點,因為它們會被我們的大氣層吸收——其中最著名的是XMM-牛頓和日本的X射線成像和光譜任務(XRISM)——但沒有一臺望遠鏡具有錢德拉的特定能力。“它與其他望遠鏡的不同之處在於,它具有極高的X射線望遠鏡成像解析度能力,”斯坦福大學的天文學家丹·威爾金斯說。這意味著錢德拉可以“極其精確地在天空中精確定位X射線發射源”,並“將它們與背景中的任何其他物體區分開來”。


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錢德拉敏銳的觀測視野對於我們研究各種宇宙事件非常重要,例如星系中心吞噬物質的超大質量黑洞、中子星碰撞以及巨型星系團之間稀薄氣體流動的“星系際介質”。錢德拉對於功能極其強大(且價格令人咋舌)的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)也具有極強的互補性,後者於2021年末發射升空。如果將JWST比作汽車,它仍然會散發出“新車”的氣味——而錢德拉的觀測就像油箱中的高辛烷值燃料。

在JWST拍攝的宇宙深空影像中,錢德拉可以透過觀察年輕星系飢餓黑洞發出的X射線來證實它們的存在。“這對於JWST正在進行的深場影像來說至關重要,”德國萊布尼茨天體物理研究所波茨坦分部的天文學家坦婭·烏魯蒂亞說。沒有錢德拉,這種關鍵的夥伴關係將會結束。“這有點令人傷感,”烏魯蒂亞說。俄亥俄州立大學的天體物理學家勞拉·洛佩茲表示,對錢德拉的興趣和超額申請仍然“非常高”;望遠鏡最新一輪的時間分配收到的提案數量是可接受提案數量的五倍多。殘酷的是,這些提案的截止日期是3月14日星期四——在美國宇航局釋出其削減錢德拉預算提案的幾天後。“得知望遠鏡的命運不明,還要致力於提案工作,這真是令人心碎,”洛佩茲說,她補充說,擬議的削減“完全出乎意料”。

儘管錢德拉可能仍然具有很高的效用,但不可否認的是,這臺望遠鏡已經風光不再。它的技術在1999年發射時可能是最先進的,但該望遠鏡已經在太空中度過了四分之一個世紀,並且確實顯示出它的老化跡象。熱調節是一個重大挑戰,需要地面進行仔細的持續管理,以抵消其老化硬體引起的溫度峰值。美國宇航局在其預算提案中為削減錢德拉資金這一有爭議的選擇辯解時指出,這“使得排程和資料後處理更加複雜,從而使任務管理成本增加到美國宇航局目前無法承受的程度”。因此,該機構在2025年僅為該望遠鏡申請了4110萬美元,低於2023年的6830萬美元,預算將在2029年降至僅520萬美元。“削減錢德拉的預算將啟動有序的任務縮減至最低限度的執行,”美國宇航局在其預算提案中表示。然而,斯萊恩說,實際上,這將使望遠鏡在不到三年後的時間內提前結束。“如果這些數字成立,那麼意味著錢德拉將不得不逐步減少科學觀測並結束任務,”他說。最終,國會將決定是否同意美國宇航局的建議,還是指示該機構改變方向。

美國宇航局總部天體物理學部主任馬克·克拉姆平表示,這是一個“充滿挑戰的預算環境,這意味著我們需要做出艱難的決定”。克拉姆平說,雖然錢德拉仍在“進行重要的X射線觀測”,但重要的是要用新任務“平衡投資組合”。“錢德拉航天器的熱管理在其任務壽命期間一直在退化,需要積極管理以將溫度保持在航天器執行的可接受範圍內,”他說。他補充說,2022年的一項審查建議將執行持續到2025年,“但當時指出,這些問題正在增加排程和資料處理的複雜性。”

俄亥俄州立大學的天體物理學家大衛·溫伯格也參與了那次審查,他說,這項建議已被誤解。他說:“我們小組在建議中做出的判斷是,理想情況下,美國宇航局應該嘗試進行一些投資,尤其是在資助人員方面,以幫助天文臺更有效地執行。”“但在任何情況下,即使他們做不到這一點,這也不是讓天文臺失去科學重要性的原因。”溫伯格說,在沒有進一步徵求社群意見的情況下結束望遠鏡“似乎是諮詢過程中的一個漏洞”。與此同時,斯萊恩指出,錢德拉的熱挑戰並不像美國宇航局所暗示的那麼成問題。“自2005年以來,溫度一直在升高,”他說,該團隊已經透過每週將望遠鏡偏離太陽來降低溫度,從而解決了這個問題。“我們已經找到了解決辦法,”他說。(克拉姆平回應說,即使沒有溫度問題,美國宇航局預算降低的可能性迫在眉睫也是“我們做出決定的重要驅動因素”。)

如果資金恢復,錢德拉還能在太空中執行多久尚不確定。“我的理解是它可以繼續執行八到十年,”洛佩茲說。“沒有明顯的跡象表明它將無法執行。”斯萊恩說,最初,任務已獲得從2024年到2027年的三年延期,屆時將進行另一次審查,並可能再延期三年。美國宇航局最新的預算將取消該計劃,並使望遠鏡提前結束。任何合法的下一代繼任者,例如擬議的Lynx X射線天文臺,不太可能在未來幾年內發射升空,這將在美國乃至全球的X射線天文學中留下一個巨大的空白。“如果你關閉錢德拉,對美國X射線天文學的打擊將是巨大的,”溫伯格說。克拉姆平表示,將在春季再次對望遠鏡進行半年度審查,屆時無疑會提出其中一些不滿。但美國宇航局與美國所有機構一樣,仍然必須應對資金減少的前景——使得結束錢德拉等選項擺在桌面上。“也許天文學界會有足夠的強烈抗議,以至於美國宇航局會決定我們應該做些其他事情,”溫伯格說。“我認為這一步是錯誤的。但替代方案也可能非常痛苦。”

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