穩紮穩打:天文學諮詢報告為系外行星科學規劃了漫長道路

這份頗具影響力的十年調查報告支援探索潛在宜居世界,但對近期發展提供的細節不多


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太陽系外行星的研究是2000年代科學界最熱門的領域之一,這十年裡,已知系外行星的數量增加了十倍以上。到2009年底,這個新興的研究領域已發現了400多個世界,而美國宇航局(NASA)開普勒行星探測任務的科學家們正準備宣佈他們最近發射的航天器的首次發現。

8月13日釋出的一份旨在指導天文學和天體物理學領域在2010年代發展的報告,讓系外行星科學家對未來十年的發展有了一些更清晰的瞭解。這份所謂的十年調查報告,由國家研究委員會每10年召集的專家委員會編寫,對美國宇航局、國家科學基金會和能源部應遵循的資助優先事項進行排名。

該報告《新世界,天文學和天體物理學新視野》將發現附近潛在宜居系外行星列為未來十年的三個主要科學目標之一。但該委員會沒有支援立即開展開普勒後續任務(現在看來,開普勒將在未來幾年內發現數百顆系外行星),而是建議將系外行星探索活動納入一項擬議的暗能量研究任務中,並將專門的旗艦系外行星任務推遲到下一次十年調查中。這種推遲意味著系外行星科學的首要目標之一——找到一個潛在宜居的世界並檢查其是否存在生命跡象——似乎仍然遙遙無期。

新調查報告給系外行星搜尋者帶來的另一個具體打擊是,建議不要推進空間干涉測量任務(SIM),這是一項可能在本十年末發射的空間天文臺。SIM的任務是對恆星位置進行精確測量,這是一項被稱為天體測量的任務,並利用這些恆星在行星引力影響下的運動來尋找附近的類地行星。該任務,當時被稱為天體測量干涉測量任務,在1990年十年調查中得到推薦,並在2000年再次獲得認可,但新報告認為該任務過於昂貴且過於單一,不具有競爭力。

德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家弗裡茨·本尼迪克特說:“就我個人而言,作為一名天體測量工作者,我發現(SIM)的結果既不出人意料,又令人惱火。”“為什麼不出人意料?天體測量很難推銷。我們不製作漂亮的圖片。為什麼令人惱火?我們本可能在附近的類太陽恆星周圍發現類地質量的行星,它們的軌道也像地球。開普勒應該足夠敏感以探測到類地世界,但該航天器的重點是調查大量的遙遠恆星,而不是少數附近的恆星,這些恆星的近距離將允許更詳細地研究任何行星伴星。”

一旦發現這些類地世界,諸如陸地行星探測器(TPF)之類的擬議任務就可以掃描這些行星,尋找諸如氧氣和甲烷之類的化學特徵,這些特徵可能表明存在生命。這是美國宇航局和其他政府機構的諮詢機構——天文學和天體物理學諮詢委員會的系外行星工作組推薦的順序。該工作組2008年的報告認可空間天體測量任務是探測可能存在生命的行星的最可行第一步。但新的十年調查報告的結論是,TPF類似任務的目標世界可以從地面觀測臺識別出來,從而消除了對SIM的需求,即使這些望遠鏡的靈敏度目前還遠遠不足以進行此類調查。

新報告幾乎沒有提到TPF的名稱,但其目標在委員會的建議中佔據重要地位。賓夕法尼亞州立大學的詹姆斯·卡斯廷曾參與TPF的擬議設計之一,他說:“中型任務的首要優先事項是系外行星成像任務的技術開發,也就是TPF。” “該任務可能沒有被明確提及,但這個概念是有的。”

主持十年調查小組的斯坦福大學天體物理學家羅傑·布蘭德福德說,委員會認為按原計劃提出的TPF為時過早且過於雄心勃勃。但他補充說,“TPF的科學原理——尋找宜居的類地行星——是我們報告的主要目標之一。”經過進一步研究,可以在本世紀中葉勾勒出TPF級別的綜合任務。“預計將在下一次十年調查中提出旗艦任務,”布蘭德福德說。

但該報告建議美國宇航局最初每年只花費400萬美元來確定該任務的要求和技術里程碑,在為該任務選擇可行的技術後,在本世紀晚些時候可能會再花費1億美元。“如果2020年陸地行星探測器成為頭號建議,那就太棒了,但他們沒有投入足夠的資金在下次調查之前實際開發它,”麻省理工學院的天體物理學家薩拉·西格說。“如果沒有像SIM或陸地行星探測器這樣的大型專案,你就無法在附近的恆星周圍找到類地行星。”

儘管十年調查報告取消了SIM,並基本上將TPF送回了繪圖板,但系外行星科學在委員會評選的最高等級空間任務中取得了驚人的成功。委員會強烈支援一個名為寬視場紅外巡天望遠鏡(WFIRST)的天文臺,該望遠鏡將採用美國宇航局和能源部提出的聯合暗能量任務,並在銀河系的中心隆起處增加一項系外行星普查。WFIRST將透過微透鏡效應探測行星,在這種現象中,遙遠世界的引力場會彎曲背景恆星的光線。

與開普勒一樣,WFIRST將進行相當廣泛的調查,確定遙遠行星系統的統計資訊,而不是附近行星的精細細節。但將微透鏡任務納入最高等級的任務,這對該技術的支持者來說是個好訊息。俄亥俄州立大學的斯科特·高迪在微透鏡後續網路(MicroFUN)工作,他說,WFIRST與開普勒和其他巡天任務相結合,將有助於建立整個星系中各種行星的普查。“這可以用探索暗能量所需的基本上相同的儀器來完成,這是一個極好的巧合和獨特的機會,而且很高興小組認識到這一點,”高迪說。

該報告將如何塑造未來十年還有待觀察。正如西格指出的那樣,即使沒有引人注目的旗艦任務,也有足夠多的事情讓系外行星研究人員忙碌起來。未來幾年的一項重大發現可能會顛覆該領域,並取代十年調查的建議。

在新十年中,不太可能發生巨大變化的一件事是資金。美國宇航局及其天文學和天體物理學合作機構的預算有限,可以開展工作,新調查中支援的一些專案註定會半途而廢,就像過去SIM這樣的建議現在已經這樣了。儘管SIM被否決,本尼迪克特說他完全支援十年審查過程。“這是對殘酷現實的真正理性回應,”本尼迪克特說。“我與我的同事們所想象的許多令人興奮和有用的未來專案並沒有無限的資金可以投入。”

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