這份報告可能決定未來30年美國天文學的興衰

問問天文學家他們最想回答的問題是什麼，你會得到各種各樣的答案：第一批恆星、星系和黑洞是如何形成的？暗物質和暗能量的本質是什麼？我們是孤獨的嗎？

每個問題都需要其自身的大型望遠鏡：永遠不會存在最終的、萬能的儀器，因為沒有哪種儀器可以被製造成收集每一種宇宙光。例如，黑洞有時會發出X射線，而類地系外行星最好在可見光和紅外光下進行研究。然而，這些專案如此消耗分配給天文學的公共和私人資金，以至於一次只能優先考慮少數幾個——也許只有一個——導致了大量落選的提案和焦慮的研究人員等待著一個罕見的機會來開啟通往宇宙的新視窗。

在美國，天文學家們透過設計一個已成為科學界羨慕的過程來管理這些相互競爭的雄心：天文學和天體物理學十年調查，這是一項每10年一次的活動，它推薦並排列了未來十年社群的優先事項——最終體現在地面和太空中的主要新的聯邦政府資助的觀測站中。諸如NASA的哈勃太空望遠鏡之類的專案，部分歸功於往屆十年調查令人垂涎的認可，這種做法已經擴充套件到其他幾個學科，它們現在也開展了自己的十年調查。

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自1960年代開始以來，由美國國家科學、工程和醫學院組織的六次十年調查已經確定了美國天文學的路線。第七次調查的結果，被稱為Astro2020，將在經過為期兩年的詳盡審議後很快公佈，這次審議由一個20人組成的指導委員會領導。就像它的前輩一樣，Astro2020將揭示主要的新投資和發現最有可能在哪裡取得——以及忽視、不感興趣甚至恐懼可能阻礙未來幾代人進步的地方。

很少有人比喬爾·帕里奧特更瞭解這些調查的力量。20多年前，他開始了他的聯邦政治生涯，當時他在國家科學院擔任工作人員，他的最初任務是協助科學家們制定新千年的第一個天文學十年調查。然後，他在白宮管理和預算辦公室（OMB）工作了10年，在那裡他權衡並實施了聯邦科學機構的十年調查建議。如今，他是美國天文學會（美國觀星者的主要倡導團體）的公共政策主管。在OMB，國家的政策目標經常與財政現實殘酷地交匯，十年調查為帕里奧特和他的同事們提供了一種萬無一失的方法來駁回過於殷勤的天文學家。“如果一個專案沒有得到高度評價，我們就知道它沒有得到社群的認可，”他說。“這對國會山和白宮需要做出艱難選擇的人們來說真的很有幫助。”

對於不少天文學家來說，像“十年調查”這樣枯燥的名字並不能恰當地捕捉到這個對其命運具有如此大影響力的過程。相反，他們有時只是稱之為“上帝的聲音”。在未來的幾周內，當Astro2020的最終報告發布時，那個聲音——那個所謂的共同的聲音——將再次響起。然而，除了少數被要求保密的被選者之外，社群中沒有人事先知道它會說什麼。不過，每個人都同意Astro2020的結論是在一個危險時期到來的。

“我們現在正處於刀刃上，”位於夏威夷莫納克亞的W. M. 凱克天文臺的首席科學家約翰·奧梅拉說。“我確實相信這次十年調查對於美國的天文學來說是生死攸關的。當您考慮正在討論的設施和科學主題時，它將影響我們是否會成為全球天文學的二流角色……當[聯邦]機構和國會收到十年調查報告時，他們將掌握決定我們是否希望在這個科學領域保持領導地位的決定。”

暮色中的美國望遠鏡

從外部來看，人們不會意識到美國天文學事業正處於危機邊緣。幾架新的地面望遠鏡最近已投入使用，每架都帶來了大量的宇宙發現——甚至更雄心勃勃的專案也在醞釀之中。考慮一下維拉·C·魯賓天文臺，這是過去兩次十年調查（自然而然地被稱為Astro2000和Astro2010）的高度優先事項。魯賓天文臺位於智利的一座山上，預計將於2023年末開始執行，以生成整個頭頂天空的高畫質、跨越十年的延時電影。

但在即將到來的美國大型專案中，魯賓是一個罕見的、健康的例外。Astro2000和Astro2010提出的另一個最高級別的地面建議——建造一個鏡面尺寸約為30米的 оптический 極端大型望遠鏡（ELT）——仍然懸而未決。ELT的眾多賣點之一是，它們為從地面研究類地系外行星提供了最好的希望。Astro2020可能會決定美國的ELT努力是沉是浮——或者其他專案，例如“下一代”美國甚大天線陣射電望遠鏡的升級或引力波天文臺的擴建，是否會優先考慮。

在尋求ELT的過程中，美國設法產生了兩個相互競爭的專案，三十米望遠鏡（TMT）和巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）。兩者都資金短缺，並且似乎都不太可能在本十年結束前開始執行，每個專案都阻礙了另一個專案。而TMT在夏威夷火山莫納克亞山的早期建設階段——該地點在觀測北半球天空方面無與倫比——引發了活動人士的抗議，他們認為在那裡的望遠鏡是對這座山的侵犯，這座山被夏威夷原住民視為神聖之地。在抗議者多次封鎖通往山頂的道路後，TMT的建設停止了；衝突仍然陷入僵局。“如果[Astro2020]說，‘忘記ELT；讓我們優先考慮其他事情，’那麼TMT和GMT都很可能會死，”一位熟悉情況的地面天文學資深人士說。

相比之下，歐洲多年前就在地面光學天文學領域領先於美國，並且正在智利建造自己的ELT。歐洲極大望遠鏡擁有40米鏡面——預計將於2027年投入使用。

中國也在突飛猛進。證據就在美國標誌性的、國家科學基金會資助的阿雷西博射電望遠鏡，它位於波多黎各：曾經是世界上最大的射電望遠鏡，但由於預算忽視，災難性地倒塌了，但這發生在中國的五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在尺寸上超越它之前。而且，沒有美國，歐洲、中國和許多其他國際合作夥伴正在共同建造平方公里陣列（SKA），這是一個令人歎為觀止的強大射電望遠鏡集合，預計最早將於2030年在澳大利亞和南非的站點全面投入執行。

飢餓的巨人與科學怪人的怪物

對於國家在太空天文學方面的展望也同樣喜憂參半。目前，美國仍然處於地外觀測的前沿，但在NASA在1990年至2003年間發射的四座“偉大天文臺”中，只有哈勃和錢德拉X射線天文臺仍在執行，而且都已接近尾聲，沒有替代品出現。“哈勃可能無法再持續十年，也許我們還能從錢德拉那裡再獲得五年。但那樣就結束了——它們就消失了，”太空望遠鏡科學研究所社群任務辦公室負責人傑森·圖姆林森說。“我們可能會在太空中光學、紫外線或X射線能力方面出現很長的空白期。現在是決定我們如何以及何時將其恢復的時候了。”

Astro2000排名最高的太空專案，NASA的旗艦級詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，是一項技術奇蹟：一個低溫冷卻的紅外天文臺，帶有一個分段式的、6.5米的光線收集鏡，像摺紙一樣摺疊起來，以適應火箭。早期，韋伯預計耗資約15億美元，並可能在2011年發射，以研究早期宇宙中恆星和星系的出現。如今，這些預測似乎天真得無可救藥。在經歷了驚人的成本超支和延誤，阻礙了其他專案的規劃之後，目前最好的情況是，該望遠鏡最早將在今年11月中旬到達太空，執行十年，專案總成本約為100億美元。不太理想的情況（有很多）幾乎令人不忍卒睹。“我們不能在不承擔風險的情況下進行如此大規模的科學研究——我對我們成功的機會充滿信心——但如果韋伯失敗了，那將是一場徹底的災難，”該專案的望遠鏡科學家、大學天文研究協會主席馬特·芒廷說。“它必須成功。因為如果它不成功，我猜我們未來二十年都不會再進行另一個雄心勃勃的旗艦專案了。”

如果說韋伯是Astro2000及其前輩釋放出的飢餓巨人，他們貪多嚼不爛，那麼Astro2010的最高旗艦建議，NASA的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，則完全是另一種野獸——一個廉價的科學怪人的怪物，十年調查委員會從多個相互競爭的任務概念的殘骸中拼湊而成。委員會曾希望避免再次發生像羅曼（最初名為廣域紅外巡天望遠鏡，或WFIRST）那樣的韋伯式災難——而且確實如此。但相反，羅曼的存在本身就威脅著從內部撕裂社群。“你知道WFIRST對我們大多數人來說真正代表什麼嗎？”一位主要天文學家說。“它代表‘這到底是什麼荒謬的太空望遠鏡？’”

最初設想用一個簡陋的儀器包和一個鏡面（只有哈勃鏡面的一半大小）來研究暗能量，羅曼預計最早在2020年發射，預算相對較少，不到20億美元。在許多專家眼中，這樣一個專案幾乎不符合其所謂的“旗艦”地位。美國宇航局在國會兩黨的祝福下，最終增加了更多儀器，並將羅曼的鏡面升級到與哈勃相同的尺寸，從而增強了其科學目標並消除了許多批評——但也使其估計價格幾乎翻了一番，並將其發射推遲到不早於2025年。與此同時，歐洲和中國都各自推進了自己的以暗能量為重點的太空望遠鏡，可能會搶走一些曾被用來證明羅曼存在合理性的科學發現。

儘管韋伯和羅曼最終都可能取得超出天文學家最瘋狂想象的成功，但有些人擔心這些專案對該領域最初的最大影響將是嚴重限制Astro2020規劃繁榮未來的能力。“我認為，這是第一次十年調查，前兩次十年調查中排名最高的兩個太空專案——韋伯和羅曼——仍然在地面上，”圖姆林森說。“如果Astro2020委員會說，‘我們已經積壓了兩個旗艦專案；佇列太長了；讓我們暫停一段時間，做一些較小的任務，稍後再趕上，’那將是一個錯誤。當你考慮到我們的政府實際上是如何運作的時候，認為你可以從雄心勃勃的事情中抽出十年時間，然後再回來做，這種想法是無效的。”

圖姆林森說，大多數天文學家似乎誤解了十年調查的“支配性動態”實際上是什麼。“十年調查報告是科學界、NASA、航空航天承包商、國會和白宮之間多年多方談判的開始，”他解釋說——這就是為什麼一開始就目標高遠符合天文學家的最佳利益。“我希望，透過Astro2020，我們能夠抑制我們減輕風險和削減成本的自然願望，”圖姆林森說，“因為這個系統中的所有其他力量都會為我們做這件事。”

無論是由於COVID-19大流行、飆升的赤字支出還是日益嚴峻的全球氣候緊急情況，有些人可能會質疑美國天文學家在天空似乎即將墜落之際伸手摘星的智慧。然而，另一種回應是，基於2020年代的困境來限制2040年代或2050年代的科學，這有什麼智慧可言？“歸根結底，撥款者仍然會花錢，”一位曾處理聯邦科學機構高級別撥款的前國會工作人員說。“他們將獲得撥款，他們的工作將是明智地使用它。如果這筆錢不用於天文學，也許它將用於NASA行星科學部門的新旗艦任務——或者也許它將用於新建一座FBI大樓。但是，無論天文學家做什麼，這筆錢都會被花掉。”

主選單

為了應對韋伯和羅曼帶來的困境，NASA多年前開始改進其未來旗艦專案的方法，要求對技術挑戰和成本有更大的確定性。2016年，該機構組建了四個科學和技術定義團隊（STDT），每個團隊都在審查Astro2020考慮的單獨任務概念。四個概念中的兩個——大型紫外光學紅外巡天儀（LUVOIR）和宜居系外行星天文臺（HabEx）——將專注於探索更多關於圍繞其他恆星執行的行星的知識，重點是研究潛在的宜居世界。第三個，超冷和遠紅外起源太空望遠鏡，也將進行一些系外行星研究，作為對星系、恆星和行星系統形成更廣泛調查的一部分。第四個概念，猞猁X射線天文臺，將是有史以來最強大的X射線天文學設施，提供跨越宇宙時間的黑洞、活動星系和劇烈超新星的近距離檢視。每個專案都具有巨大的潛力——但也都有一個或多個讓天文學家感到不安的致命弱點。

LUVOIR的優勢——和劣勢——一直是其分段鏡面的巨大尺寸。如果以皮米級穩定性（這非常困難）部署和維護，這個鏡面將使天文學家能夠發現和研究數百顆系外行星，同時還能對廣泛的普通天體物理學進行革命性的觀測。假設在太陽的鄰近恆星周圍存在任何真正的藍色類地世界，LUVOIR應該提供找到它們的最佳機會。但是，無論是考慮15米的“豪華型號”還是8米的“預算尺寸”型號，將如此苛刻的可展開鏡面送入太空都意味著天文數字的成本。“當我開始研究這個時，我閉上眼睛說，‘它將是每米10億美元。但如果LUVOIR實現其願景，那將是一筆劃算的買賣，”奧梅拉說，他是這個任務概念的STDT的領導者之一。NASA戈達德太空飛行中心的兩個獨立小組的估計得出了稍高的數字，將豪華型LUVOIR的價格定在150億或200億美元左右，預算型則在120億或150億美元之間。

15米LUVOIR任務在太空中部署的時間加速視覺化。

由於其較小的4米鏡面，HabEx將比任何版本的LUVOIR都便宜，估計成本接近100億美元。但它產生的系外行星將少得多——可能只提供約10顆潛在的類地行星的細節，而不是幾十顆。它代表著對一項新技術的全力押注：一種稱為“星罩”的二級向日葵形航天器，它將展開至50多米寬，並在4米鏡面前方75,000多公里處飛行，以遮擋目標恆星的光線，從而顯露出相對較暗的伴隨世界。“星罩概念雖然可能非常強大，但嚇壞了很多認為這是一個相對較新想法的人，”俄亥俄州立大學的天文學家斯科特·高迪說，他曾擔任HabEx STDT的聯合主席。但他堅持認為，科學家們有一個現實的計劃來管理風險並在預算內開發星罩。

HabEx任務的旁白概述。

在大多數方面，起源是一個“安全”的選擇：它具有一個大的但非分段的鏡面，接近6米，並且主要基於現有技術，估計成本約為70億美元。冷卻到絕對零度以上不到5開爾文，該望遠鏡將比以前的任務提供1000倍的遠紅外靈敏度，使天文學家能夠繪製整個可觀測宇宙中星系的內部運作圖，同時還可以研究少數小型系外行星以及附近恆星周圍的原行星盤中的水。但是，起源的久經考驗的方法使其相對平淡：它不會回答LUVOIR或HabEx可能提出的關於類地世界的迫切問題。它的紅外光學器件不會提供哈勃望遠鏡清晰、色彩鮮豔的影像。而Astro2020的最高排名將使其成為繼韋伯和羅曼之後，連續第三個推薦給NASA的紅外旗艦專案。有些人可能會稱起源為只有天文學家才會喜歡的太空望遠鏡。“我們在紅外方面存在真正的公關問題，”康涅狄格大學的天文學家卡拉·巴特斯比說，她曾在起源STDT任職。“但是，如果你檢視每個[STDT]概念的規格以及它們共同的科學問題，例如行星和黑洞與星系的共同演化，我敢說你不會得出起源是所有概念中最全面和最安全的結論。”

起源太空望遠鏡部署的時間加速視覺化。

猞猁是四個專案中的另類，其預計價格略低於起源，但設計和目標卻截然不同。它的“鏡面”將是一個首創的3米寬的元件，由近460個拋光矽的巢狀殼組成，所有這些殼都密集地堆疊併成一定角度，以反射和聚焦高能X射線。這種設計將提供比錢德拉或其他早期X射線望遠鏡更好的效能，使猞猁能夠揭示宇宙中最古老和最大的黑洞的新細節。一些天文學家擔心製造猞猁的奇異鏡面可能會遇到預算超支的困難，但大多數人反而擔心重複一項類似的、已經批准的專案的工作：歐洲航天局的高能天體物理學高階望遠鏡（Athena），該望遠鏡計劃於2031年發射。“對於許多人來說，雅典娜的存在是反對猞猁的不可逾越的論據，”哈佛大學史密森天體物理中心的天文學家和猞猁STDT的貢獻者格蘭特·特倫布萊說。“但我真誠地相信，有一個非常有說服力的論點可以解釋為什麼這兩個任務在科學上是互補的。”

猞猁X射線天文臺的元件詳細視覺化。

總的來說，這四個STDT概念構成了Astro2020指導委員會最有可能選擇的旗艦選項的主選單——前提是委員會選擇其中一個。所有四個專案都受到Astro2020的技術風險和成本評估（TRACE）流程的約束，這是航空航天公司對每個STDT概念的估算進行的一項全新的、閉門檢查。如果TRACE認為所有四個概念都比STDT的內部估算貴得多，則指導委員會可以選擇一個都不選。

新一代偉大天文臺

天文學家已經命名了Astro2020審議的四個最可能的結果：“情景一，我們稱之為‘糟糕的三明治’，如果他們不推薦任何旗艦專案，”一位資深科學家說。“我們大多數人認為那將是災難性的。‘帶酸黃瓜的糟糕的三明治’是指他們不選擇任何旗艦專案，但會推薦未來可能出現的技術開發——這與Astro2010的情況類似。‘美味的午餐’是指如果我們選擇一個真正的旗艦專案，我們會得到什麼。‘完美的晚餐’是指他們選擇一個旗艦專案並設定技術開發的優先事項，以便能夠再實現幾個。”

目前，STDT的大多數成員都在排隊等待“完美的晚餐”。值得注意的是，在花費數年時間讚美他們選擇的任務的優點之後，他們幾乎一致地得出結論，美國在太空天文學領域的理想未來是，他們的任何一個心愛的專案都不會戰勝一切，而是以某種方式快速連續地建造和發射多個旗艦專案。這種方法將有效地為21世紀建立一個“新一代偉大天文臺”計劃，就像產生哈勃及其劃時代同類產品的計劃一樣。“我保證了——我的許多同事也保證了——如果十年調查選擇任何旗艦專案，那麼那將是我歡呼的物件，”奧梅拉說。“只有當我們停止互相拆臺時，新一代偉大天文臺這樣的事情才有可能發生。”

或者更確切地說，只有當天文學家在對待高迪所說的“天體政治”方面變得更加精明時，新一代偉大天文臺才有可能實現。“我完全相信，擁有猞猁、起源和LUVOIR或HabEx——即所謂的‘LuvEx’——的‘新一代偉大天文臺’計劃可以透過給合適的人打一個電話來完成，”特倫布萊說。“因為在國會山，重要的不是總成本——而是年度撥款。在NASA的天體物理學預算中增加每年數億美元就足夠了。”

這種充滿希望的猜測不一定只是異想天開。“我們正在討論在NASA的預算中增加1%或2%的實際資金，以啟動另一個偉大天文臺計劃，”一位貝爾特韋內部人士說。“這些是協調一致的倡導可以產生的擾動。只有大約30名參議員真正參與撥款，聯邦政府的年度可自由支配預算約為2萬億美元。因此，將2萬億美元除以30，然後考慮為每位參議員工作的工作人員。你可能會驚訝地發現，任何遠低於每年5億美元的東西基本上都留給了工作人員，並在邊際中消失了。”特倫布萊更直言不諱地說。“NASA實際上不是為總統行政辦公室工作的，”他說。“它為那些在撥款委員會任職的、剛畢業幾年、25歲的年輕人工作。一項旗艦任務——或一系列全新的偉大天文臺——可能會在一些低級別工作人員吃墨西哥捲餅時被批准。”

一個問題

為了確保多旗艦的未來，天文學家可能需要一個總體目標，這個目標不僅能引起專業科學家的共鳴，也能引起他們所服務的政策制定者和公眾（包括吃墨西哥捲餅的國會工作人員）的共鳴。為此，可以說，沒有什麼主題比人類長期以來對地外生命的探索更具吸引力了。

“如果十年調查想要獲得最多的公眾支援，他們應該將未來30年的美國天文學提煉成一個問題：宇宙如何孕育生命？”奧梅拉說。“想想獲得答案需要什麼。這不僅僅是走出去拍攝小型、溫帶系外行星的照片。你需要追蹤從宇宙大爆炸到行星生物特徵的原子和分子的產生，你需要了解星系和恆星是如何產生的，以便宇宙能夠首先製造行星。你還需要了解生命可以在哪裡存在和不能在哪裡存在，這意味著更深入地探索太陽系，甚至可能將宇航員送往火星。解決這個單一的、根本性的問題可以與NASA的所有部門對話，同時也可以吸引NSF和國際合作夥伴。”

“這是考慮Astro2020‘特別’的另一個原因，”圖姆林森說。“這是我們第一次可以理直氣壯地說，我們正在概念性地設計任務，併合理預期在太陽系外的行星上找到生命。當你有機會這樣做時，卻不做——嗯，這在我看來有點瘋狂。”

然而，許多天文學家也對承諾超出他們可能交付的能力感到不安。“這種心態，即我們都必須支援一件大事，而且這件大事必須足夠大才能證明我們所有人都支援它是完全我們以前陷入困境的方式，”麻省理工學院的天體物理學家薩拉·西格說，她與高迪一起擔任HabEx STDT的聯合主席。“當然，尋找其他地球會得到公眾的支援！但如果你給它標上一個美元數字——如果你告訴公眾，每顆行星可能花費5億或10億美元，你認為他們會怎麼說？碰巧的是，我們生活在一個非常難以找到的行星上——地球很小而且很暗淡，而且它們就在又大又亮的恆星旁邊。這使得看到它們——或在它們上面尋找生命跡象——幾乎不可能。”

至少，如果天文學家試圖在現有預算和十年調查的十年時間框架內實現這些目標，情況就是這樣。“對於我們來說，根據某個任意的時間長度（恰好是我們手指的數量）來決定天文學的未來，可能不是最好的方式，”高迪說。“也許我們應該決定一個不同的、更長的時間跨度，這個跨度實際上與我們正在考慮的任務相對應——這些任務隨著時間的推移變得更加雄心勃勃、複雜和技術挑戰性。這些真的不再是‘十年’調查了，而且已經有一段時間不是了。它們是多十年調查，我們只需要開始誠實地面對這一點。”

帕里奧特曾在國家科學院、白宮以及現在美國天文學家最大的倡導團體中親身經歷了這一過程及其不完善之處，因此他提出了一個簡單的建議。“我們需要支援十年規劃，因為這可能是我們在規劃和執行一項對我們所有人都有益的計劃時所能期望的最佳方式，”他說。“你知道那句關於民主的老話嗎？也許它也適用於十年規劃：它是最糟糕的做事方式——除了所有其他方式之外。”