一場關乎美國天文學未來的戰(zhàn)爭已打響，且賭注極高。

（圖源：Getty Images）

要是問天文學家們最喜歡解答哪些問題，那答案一定五花八門。第一批恒星、星系、黑洞是如何形成的？暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么？人類在宇宙中是孤獨的嗎？

要回答這些問題，人們必須依賴大型的天文望遠鏡。然而，一臺能夠收集宇宙中每一種光線的萬能儀器是不存在。例如，黑洞有時會釋放x射線，但是類地行星最好在自然光和紅外波段進行研究。因此，這樣的項目使分配給天文學的公共和私人的基金份額變得非常緊張，以至于每次只有少數(shù)——也許只有一個——可以優(yōu)先被考慮。至此，失敗的提案堆積如山，研究人員正焦急地等待一個難得的機會重新探索宇宙。

在美國的科學界，有一個天文學和天體物理學的“十年計劃”足以讓所有天文學家燃起斗志，即每10年推舉出優(yōu)秀的科研項目來尋求聯(lián)邦政府的資助。像美國宇航局（NASA）的哈勃太空望遠鏡這樣的項目之所以能夠存在，一定程度上要歸功于過去十年間來自政府的認可。目前，這種做法已經(jīng)蔓延到其他幾個學科，各學科的“十年計劃”都在如火如荼地進行著。

自20世紀60年代以來，由美國國家科學院、工程院和醫(yī)學院組織的“十年計劃”已確定了6次美國天文界的研究大方向。去年11月，經(jīng)過20名委員長達兩年的討論后，第七次美國天文學“十年計劃”報告公布，題目為《2020年代天文學和天體物理學發(fā)現(xiàn)之路》（Astro2020）。如同以往的研究，Astro2020將為重大投資和科學研究指明方向。此外，它還將揭示那些可能會影響未來幾代人發(fā)展的，被人們忽略的，甚至被人們懼怕的地方。

Astro2020指導委員會、小組主席和研究人員。左14和左16分別是指導委員會的聯(lián)合主席，天文學家羅伯特·肯尼卡特和菲奧娜·哈里森。（圖源：美國國家科學院、工程院和醫(yī)學院）

很少有人比喬爾·帕里奧特更了解這個計劃所帶來的力量。20多年前，他在美國國家科學院任職，開始了政治生涯。在那里，他最初的任務就是協(xié)助科學家們起草新千年的第一個天文學“十年計劃”。之后，他在白宮管理和預算辦公室（OMB）工作了10年，為聯(lián)邦科學機構(gòu)權衡并實施“十年計劃”相關的建議。如今，他是美國天文學會的主任，該學會是美國天文愛好者的主要組織。在OMB時，由于國家的政策目標常與財政現(xiàn)實違背，“十年計劃”反倒成為了帕里奧特和他的同事們拒絕一些經(jīng)費申請的擋箭牌。他說：“如果一個項目的排名不高，我們就知道它沒有得到充分認可。這對在國會和白宮里需要做出艱難選擇的人來說真的很有幫助?！?/p>

然而對不少天文學家而言，“十年計劃”并沒有完全左右他們的科研歷程，但他們都認為Astro2020發(fā)布的時間節(jié)點是比較危險的。

位于夏威夷W·M·凱克天文臺的首席科學家約翰·奧米拉說:“我們正在危險的邊緣試探。我相信‘十年計劃’對于美國天文學而言是十分必要的。這些計劃將影響美國天文學在全球范圍內(nèi)的領先地位。當各聯(lián)邦機構(gòu)和國會收到‘十年計劃’報告時，他們將擁有美國是否在這一科學領域占據(jù)領導地位的決定權?！?/p>

30米望遠鏡（左）和巨型麥哲倫望遠鏡（右）的概念圖，這是兩個美國大型地面天文臺項目。（圖源：TMT國際天文臺（左），GMTO公司和M3工程公司（右））

步入黃昏的美國天文望遠鏡

外界來看，人們不會意識到美國天文事業(yè)正處于危機的邊緣。去年，幾臺新的地面望遠鏡上線，并且每臺都帶來了大量的天體發(fā)現(xiàn)。當然，野心勃勃的項目也不少，以維拉C.魯賓天文臺為例，它在過去的兩個“十年計劃”（Astro2020和Astro2010）中排名都很高。這座位于智利山上的天文臺將于2030年底開始運營，它會拍攝其頭頂?shù)恼炜?，最終制成一部橫跨10年的高清延時影像。

然而，在即將進行的美國大型項目中，魯賓天文臺只是少見的優(yōu)秀案例。曾于Astro2000和Astro2010提出的一項引人注目的地面大型建設提議——建造一個鏡面大小約為30米的光學超大望遠鏡（ELT）——至今還是個未知數(shù)。它的最大特點是可以為從地面研究系外類地行星提供巨大幫助。如今，Astro2020可能會決定美國ELT項目的成敗，當然還有其他項目的優(yōu)先權，如升級國家巨大射電望遠鏡陣列或擴展引力波天文臺。

該照片拍攝于2019年7月，反對人士封鎖了通往夏威夷莫納克亞山山頂?shù)牡缆?，試圖停止在這座神圣火山上建造30米望遠鏡（圖源：Ronit Fahl, ZUMA Wire和Alamy Live News）

在完成ELT項目之前，美國已自相矛盾地建造了兩個別的項目，即30米望遠鏡（TMT）和巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）。由于兩家敵對公司都存在資金困擾，所以近十年這兩個大型設備都無法投入使用。30米望遠鏡（TMT）于夏威夷莫納克亞火山的建設在一開始就引發(fā)了當?shù)厝说目棺h。莫納克亞火山是北半球星空的絕佳觀賞地。由于夏威夷原住民將此火山視為神山，所以他們認為在那里建造大型望遠鏡無疑是對這座神山的侵占。在抗議者多次封鎖通往山頂?shù)牡缆泛螅琓MT的建設被叫停，且至今仍處于僵局。一位知曉相關情況的資深天文學家認為，如果Astro2020中不再包含ELT項目，那么TMT和GMT都只能成為爛尾樓。

相比之下，歐洲在多年前就在地面光學天文學方面領先美國，并且在智利建設了自己的ELT。歐洲超大型望遠鏡擁有一個40米長的反射鏡，預計將于2027年投入使用。

中國也在迎頭趕上。中國建造的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）早已取代了由美國國家科學基金會資助的波多黎各阿雷西博射電望遠鏡。這臺望遠鏡曾是世界之最，但由于預算無法支撐日常維護，已于2020年不幸轟然倒塌。此外，歐洲、中國和許多其他國際成員正在共同建設平方公里陣列（SKA），這是一個由數(shù)千臺射電望遠鏡組成的驚人的強大集合，在澳大利亞和南非的站點最早將于2030年全面投入使用。

饑餓的巨人和科學怪人

美國天基天文學的前景也同樣喜憂參半。目前，美國在太空觀測領域仍處前沿，但在NASA于1990年至2003年建造的四個大型天文臺中，只有哈勃和錢德拉x射線天文臺還在運營，但它們都已接近暮年，且仍然沒有新秀可以來替代。太空望遠鏡科學研究所社區(qū)項目辦公室負責人、天文學家杰森·圖姆林森說：“哈勃望遠鏡的使用期限應該在十年內(nèi)。如果沒有替代品，那我們可能會有很長一段時間無法研究來自太空的光、紫外線或x射線。”

技術人員正在檢查詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的6.5米分段主鏡和可展開的遮陽罩。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是NASA耗資100億美元建造的“旗艦”觀測器，已于2021年12月發(fā)射。（圖源：Chris Gunn/NASA）

NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是Astro2000的頂級太空項目，更是一個科學奇跡：一個低溫冷卻的紅外天文臺，帶有一個6.5米長可折疊聚光鏡，它可以像折紙一樣被放入火箭中。此前，韋伯望遠鏡的發(fā)射預計耗資約15億美元，并原計劃在2011年發(fā)射，用以研究早期宇宙中恒星和星系的誕生。如今看來，這點預算似乎太過天真。在經(jīng)歷了大量的成本超支和延期之后，這臺望遠鏡于2021年12月25日抵達太空，計劃運行10年，項目總成本約為100億美元。該項目的望遠鏡科學家、大學天文學研究協(xié)會主席馬特·芒廷說：“我們無法在不冒險的情況下進行如此大規(guī)模的科學研究。我對該項目很有信心，韋伯望遠鏡項目一旦失敗，將會是一場徹底的災難，因為我們可能在二十年內(nèi)都不太會推出另一款同類產(chǎn)品了?！?/p>

如果說韋伯望遠鏡是被Astro2000釋放出來的一個饑餓的巨人，那么Astro2010的頂級項目，NASA的南?！じ窭姿埂ち_曼太空望遠鏡，就是一個完全不同的怪獸——一個被削弱的科學怪人，因為它是“十年計劃”委員會從多個項目中拼湊出來的。委員會曾希望避免羅曼望遠鏡（最初命名為廣域紅外巡天望遠鏡，簡稱WFIRST）重蹈韋伯望遠鏡的覆轍，當然它也成功避免了。然而，羅曼望遠鏡的存在擾亂了業(yè)內(nèi)的安寧。有一位著名的天文學家認為，羅曼望遠鏡項目東拼西湊而成，十分可笑。

羅曼望遠鏡曾預計最早在2020年發(fā)射，預算相對較少，不到20億美元。其最初的設想是用一組簡陋的儀器和一個不到哈勃望遠鏡一半大小的鏡子來研究宇宙中的暗能量。在許多專家看來，這樣一個項目幾乎不符合其所謂的“旗艦”地位。在官方的支持下，NASA最終增加了更多的儀器，并將羅曼望遠鏡的反射鏡升級到與哈勃望遠鏡的大小相同，增強了其科學能力，這才使業(yè)內(nèi)氣氛緩和下來——但這也導致該項目的花費提高了近一倍，并推遲到2025年之前才能完工。與此同時，歐洲和中國也各自在發(fā)展自己的聚焦暗能量的太空望遠鏡，它們的科學發(fā)現(xiàn)可能有望證明羅曼望遠鏡存在的必要性。

NASA南?！じ窭姿埂ち_曼太空望遠鏡的2.4米主鏡，這是繼韋伯望遠鏡之后的新一代旗艦望遠鏡。（圖源：L3Harris Technologies, Inc.）

盡管韋伯和羅曼望遠鏡最終都可能取得意料之外的收獲，但一些人擔心，這些項目對該領域帶來的巨大影響將會大幅削弱Astro2020的影響力。圖姆林森說:“這是第一個兩項頂級太空項目仍未執(zhí)行的十年。如果Astro2020委員會因此認為我們此時應該去做些小項目來等待旗艦天文臺的升空，那我覺得這將是個無法彌補的錯誤?？紤]到美國政府的運作模式，等待十年的想法基本是不可能的?！?/p>

圖姆林森認為，大多數(shù)天文學家似乎都誤解了“十年計劃”的“驅(qū)動力”到底是什么。一份“十年計劃”報告是科學界、NASA、航空航天承包商、國會和白宮之間的多方、多年談判的開始。這就是為什么一開始就把目標定得很高，且符合天文學家的最大利益。圖姆林森說:“我希望，通過Astro2020，我們可以平緩地降低風險和削減成本，這是所有人的希望?！?/p>

無論是因為COVID-19大流行、飆升的財政赤字還是日益嚴峻的全球氣候，一些人可能會質(zhì)疑美國天文學家主次不分。當然，有人會這么回答，現(xiàn)在的科學要拖累二三十年后的科學發(fā)展是不可取的。一位曾處理過聯(lián)邦科學機構(gòu)撥款工作的前國會工作人員說道，不管怎么說，資方還是會出錢的。他們會得到一份分配表，如果資金不分配給天文學，那也許它會去支持NASA行星科學部的一個新旗艦任務，或者它會流向美國聯(lián)邦調(diào)查局的一棟新大樓。不管做什么，這些錢都會花出去的。

由藝術家繪制的Astro2020四個備選旗艦項目示意圖。從左下順時針方向依次是宜居系外行星天文臺（HabEx）、大型紫外光學紅外探測器（LUVOIR）、起源空間望遠鏡（Origins）和林克斯x射線天文臺（Lynx）。（圖源：G. Tremblay and the New Great Observatories）

“候選人”

為了應對韋伯和羅曼望遠鏡的困境，多年前，NASA開始改進其未來旗艦飛船的設計，要求明確其技術挑戰(zhàn)和成本預算。2016年，NASA召集了四個科研小組（STDTs），每個小組都研究一個獨立的任務，供Astro2020考慮。其中兩個——大型紫外光學紅外探測器（LUVOIR）和宜居系外行星天文臺（HabEx）——將專注于了解更多圍繞其他恒星運行的行星，重點是研究地球外潛在的宜居星球。作為更廣泛的星系、恒星和行星系形成研究的一部分，系外行星始終是天文學研究的重要方向，超冷遠紅外起源空間望遠鏡的研究對象正是它們。最后，林克斯x射線天文臺，它將是有史以來最強大的x射線天文學設施，可以對橫跨宇宙時間的黑洞、活躍星系和劇烈超新星進行近距離觀測。每個項目都有巨大的潛力，但也都有一個或多個讓天文學家坐立不安的致命弱點。

LUVOIR的優(yōu)勢和劣勢一直都在于它那巨大的分割鏡。如果它的精度穩(wěn)定在皮米級（這是非常困難的），那這面鏡子將允許天文學家發(fā)現(xiàn)和研究數(shù)百顆系外行星，同時還可以在一般天體物理學領域進行革命性的觀測。假設在太陽的鄰近恒星周圍真的存在藍色類地行星，LUVOIR應該能提供找到它們的最佳機會。但無論是15米的“豪華模型”還是8米的“預算尺寸”，將這樣一個高要求的、可展開的鏡子送入太空，都意味著成本將達到天文數(shù)字。該任務小組負責人之一的奧米拉說：“當我開始著手這項工作時，我閉上眼睛對自己說，每米建材將耗資10億美元。但如果LUVOIR取得了成功，那么其收益將不可估量?！?NASA戈達德太空飛行中心的兩個不同小組預估的成本則略高，豪華版LUVOIR大約花費150億-200億美元，預算版大約花費120億-150億美元。

由于宜居系外行星天文臺（HabEx）的反射鏡較小，它會比LUVOIR望遠鏡的任何一個版本都要便宜，估計成本接近100億美元，但也因此，它能觀測到的系外類地行星將會少很多。此外，HabEx上運用了一個新設備，即一個名為“遮星罩”的花瓣型航天器，它展開后有50多米寬，可以飛行7.5萬公里來第一時間阻止目標恒星的光被HabEx那4米長的分隔鏡捕捉，以此來突顯出相對較暗的伴星世界。俄亥俄州立大學的天文學家，HabEx研究小組負責人之一的斯科特·高迪說：“遮星概念對很多人來說還是一個相對較新的想法。目前，科學家們已有一個比較現(xiàn)實的計劃來管理風險，并在預算內(nèi)開發(fā)遮星罩?！?/p>

起源空間望遠鏡（Origins）則妥當許多，它擁有一塊近6米長的完整鏡片，基于現(xiàn)在的技術，凈成本大約在70億美元左右。當溫度在絕對零度與絕對零度以上5開爾文之間，Origins的遠紅外靈敏度將提高1000倍，使天文學家能夠在可觀測宇宙中繪制星系的內(nèi)部情況，同時還能研究少數(shù)小型系外行星以及附近恒星周圍原行星盤中的水分。不同于LUVOIR和HabEx，Origins無法帶領人們探索類地行星，尋找適合居住的新世界，它的紅外光學系統(tǒng)無法提供像哈勃望遠鏡那樣清晰的彩色圖像。繼韋伯和羅曼望遠鏡之后，Astro2020將它排為NASA連續(xù)推薦的第三個紅外旗艦天文裝置。康涅狄格大學的天文學家卡拉·巴特比說：“有些人可能認為天文學家會喜歡Origins，但如果你看了每個項目的概念及其背后共同的科學問題，如行星、星系與黑洞的共同進化等，我敢說你不會認為這個空間望遠鏡是其中最完美和最安全的?！?/p>

林克斯x射線天文臺（Lynx）的造價要略低于Origins，但它們的設計和研究目的卻截然不同。它那3米寬的鏡片是同類中第一個由460個拋光硅殼組成的。這些硅殼排列密集，通過一定角度來反射和聚焦高能x射線。這種設計將提供比錢德拉望遠鏡或其他早期x射線望遠鏡更好的性能，使Lynx能夠揭示宇宙中古老黑洞的秘密。一些天文學家擔心Lynx的反射鏡可能會超出預算，且多數(shù)人擔心會和一個已有項目重復，即歐洲航天局（European Space Agency）的高能天體物理高級望遠鏡（Athena），該設備將于2031年發(fā)射。哈佛大學和史密森學會天體物理中心Lynx項目小組成員、天文學家格蘭特·特倫布萊說：“對于許多人而言，Athena的存在是用來反對Lynx項目的最佳論點，但我認為兩個項目其實是互補的。”

總的來說，以上四個項目構(gòu)成了Astro2020指導委員會的最佳候選名單。所有四個項目都要服從Astro2020的技術風險和成本評估（TRACE）流程，這是航天公司對每個項目評估的全新檢查。如果TRACE認為所有項目都遠超預算，那么指導委員會可以一個都不選擇。（當然從結(jié)果來看，LUVOIR和HabEx兩個項目已經(jīng)結(jié)合，它們的結(jié)合體“LuvEx”成為了Astro2020優(yōu)先級最高的項目。）

全新大型天文臺

天文學家們已經(jīng)列出了Astro2020最終可能宣布的四種結(jié)果，一位資深學者說：“第一種情況，如果委員會不推出任何一個旗艦項目，而是像Astro2010那樣只給出技術建議，那我們就稱之為‘爛三明治’計劃。反之，如果委員會順利推出旗艦項目，且為技術發(fā)展設定優(yōu)先級，來努力實現(xiàn)更多的項目，那我們就稱之為‘完美的一餐’?！?/p>

多數(shù)項目組的成員認為，美國天文學理想的未來不是一家獨大，而是合作共贏。這樣一來，一個“全新大型天文臺”很有可能在本世紀落成，就像哈勃望遠鏡和其他劃時代的項目那樣。天文學家奧米拉說：“委員會選中了任何一款旗艦項目，我和我的同事都會歡呼。唯有合作，才能將大型天文臺項目推進下去。”

換句話說，只有當天文學家們對天緣政治更有悟性，全新的大型天文臺才能落成。天文學家特倫布萊說:“我完全相信，一個由Lynx、Origins、LUVOIR或HabEx或LuvEx組成的‘全新大型天文臺’項目是可以被實現(xiàn)的。在國會，這與總成本無關，而是與年度撥款有關。每年給NASA的天體物理學項目增加幾億美元就足夠了。”

這種充滿希望的猜測并非一廂情愿。一位內(nèi)部人士說：“我們正在考慮給NASA提高1%至2%的撥款以實現(xiàn)‘大型天文臺’項目。真正參與撥款的參議員只有30名左右，而聯(lián)邦政府的年度自由支配預算約為2萬億美元。2萬億美元除以30，然后把為每個參議員工作的員工也算進去。你會發(fā)現(xiàn)，任何低于每年5億美元的項目基本上都留給了員工，并在利潤中流失?！?特倫布萊說得更直白。他說:“NASA實際上并不為總統(tǒng)執(zhí)行辦公室工作。它更像是為那些剛從大學畢業(yè)幾年后在撥款委員會任職的二十幾歲的年輕人效力。一項旗艦任務或‘大型天文臺’項目可能會在一些低級職員吃午餐時就被批準了。”

一顆系外類地行星正圍繞著一顆類似太陽的恒星運行。何時以及是否會發(fā)現(xiàn)這樣的行星，并能否詳細研究其宜居性和生命跡象，在很大程度上取決于Astro2020的結(jié)果。（圖源：NASA Ames, JPL-Caltech and T. Pyle）

千言萬語匯成一個問題

為了確保旗艦項目的順利進行，天文學家們可能不僅要想方設法引起更多科學家的共鳴，還要得到政策制定者和公眾的認同（包括無所事事的國會工作人員）。就這一點而言，沒有什么話題比對外星生命的無盡探索更具吸引力的了。

天文學家奧米拉說：“如果‘十年計劃’想要獲得公眾的支持，那他們應該把美國未來30年的天文學濃縮為一個問題，即宇宙是如何使生物學成為可能的？想想我們需要什么才能得到答案。它不僅僅是在外太空拍攝小型類地行星的照片。我們還需要追蹤原子和分子的誕生，從宇宙大爆炸一直到行星的生物特征，了解星系和恒星在宇宙初期是如何誕生的。此外，我們還需要了解哪里可能存在生命，哪里不可能，這意味著要對太陽系進行更深入的探索，甚至可能要把宇航員送上火星。為解決這一個問題，需要凝結(jié)NASA所有人，同時也可以吸引一些非盈利的非政府組織和國際合作伙伴?！?/p>

天文學家圖姆林森則說：“這是Astro2020之所以‘特別’的另一個原因。這是第一次，我們可以板著臉說，我們對系外行星上發(fā)現(xiàn)生命有合理預期，并以此來設計任務。當你有機會卻不這么做的時候，我覺得有點不能理解?！?/p>

然而，也有許多天文學家對他們可能無法兌現(xiàn)承諾而感到不安。麻省理工學院的天體物理學家、和高迪一起擔任HabEx項目小組聯(lián)合主席的薩拉·西格爾說：“我們都必須支持一件大事，而且這件事必須大到足以讓我們都支持它，這種心態(tài)正是我們以前陷入麻煩的原因。當然，尋找其他宜居星球是有公眾支持的，但是如果你告訴公眾每探索一顆行星可能要花費5億或10億美元，你認為他們會怎么說？我們居住在一顆難以被發(fā)現(xiàn)的星球上，類地行星都又小又暗，且它們都靠近又大又亮的恒星。這就使我們尋找它們蹤跡的可能性變得十分渺茫?！?至少，近十年來看，這就是事實。天文學家高迪卻認為，只用十年來判定天文學的未來，可能不是最好的方式。也許更長的時間跨度才能與我們想進行的項目相匹配，因為這些項目會隨著時間的推移，變得更復雜、更具挑戰(zhàn)?！笆暧媱潯辈蛔阋钥蚨ㄋ鼈?，幾十年才有可能。

在就職于美國國家科學院、白宮以及現(xiàn)在美國最大的天文學家倡導組織之后，帕里奧特提出了一個簡單的提議：“我們需要支持‘十年計劃’，這是對所有人都利好的。畢竟我們別無選擇?！?/p>

BY: Lee Billings

FY: 忙碌的北門

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