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天文学界的水晶球

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发表于 2016-11-10 21:58:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
  最近的一份报告将为未来十年的美国天文学研究设定议程。在过去的半个世纪里,美国天文学界沉浸在建造非凡的地面和空间望远镜所取得的显著成功中。这些望远镜中的一些身价数十亿美元,另一些则牵涉到数百名科学家的协同合作。所有这些都需要极易失败的尖端技术。


  Robert Zimmerman 文 Shea 编译


  在这些实际的困难之上,天文学家们还不得不说服大部分对天文学所知甚少且不感兴趣的国会议员来为这些风险大、成本高的项目出资。虽然有这些障碍,但他们依然建造了这些望远镜,革命了我们对宇宙的认识。

  天文学家们是如何做到这一点的呢?他们的努力总是始于华盛顿的一个智囊团。每过十年左右,美国国家科学院就会委托一个天文学家委员会来组织一次“十年调查”。它会预测未来十年的天文学研究以及这些研究将需要什么类型的新望远镜。美国政府则会努力遵循这些建议,满足天文学家提出的大部分要求。

  经过两年的努力,2010年8月公布了第6次十年调查报告,它要求建造大型的地面望远镜和强大的红外空间望远镜以及其他设备。
  然而,这份最近的十年调查是否会取得如前几次的成功仍需拭目以待。“天体物理学预算不会上涨,”美国宇航局(NASA)主管科学的副局长Edward Weiler说,“我们并没有居住在一个NASA可以自己印钞票的星球上。”更糟糕的是,建造詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)中出现的连续成本大幅度超支已经不仅影响到了这个十年而且还波及到了下一个十年。

天文学界的水晶球

天文学界的水晶球

  过去的十年调查


  虽然第一份“十年”报告成文于1964年,但十年调查的历史真正始于1972年。1964年的报告仅针对地面天文学,而随着20世纪60年代太空竞赛的不断白热化以及空间天文学的可能性很快变得明显,天文学家们马上意识到需要一份新的调查报告,它应该包括地面和空间的提案。

  随后由Jesse Greenstein(美国加州理工学院)领导的一个委员会撰写了1972年的报告,题为《20世纪70年代的天文学和天体物理学》,它是全美国几乎最重要的天文学家经过4年讨论的结果。其对于20世纪后半叶天文学的重要性决不会被夸大其词。它的建议不仅导致了诸如甚大天线阵(VLA)、NASA的3米红外望远镜、爱因斯坦X射线天文台和其他2个高能空间天文台等重要天文台的建造,它的成功还巩固了未来四十年里十年调查的这一模式。

  随后在1982年、19991年和2001年的三次十年调查对于天文学都有各自特定的影响。例如,1982年的报告建议建造一架高新在轨X射线望远镜、一台在轨远紫外摄谱仪以及拓展VLA使之与世界上的其他射电望远镜相连。所有这三样都实现了:钱德拉X射线天文台、远紫外分光探测器(FUSE)和甚长基线射电望远镜阵(VLBA)。
  类似地,1991年十年调查的头号建议空间红外望远镜(SIRTF)成为了NASA于2003年发射的斯皮策空间望远镜。1991年的调查还奋力争取建成SOFIA飞行天文台(刚开始完全运转)和参与在南、北半球建造8米望远镜的国际合作。这两架望远镜——北双子和南双子——正在做出重大的贡献。

  这些十年调查非常成功以致于其他科学领域目前也正在效仿,为的是更好地影响美国国会的财政决策。例如,地球科学界就在2007年编写了自己的十年调查,建议NASA与美国海洋和大气管理局(NOAA)不惜任何代价维持他们对地球大气以及会对其产生影响的不同因素的研究能力。这个评估小组为未来十年的对地观测提出了一揽子的建议,这其中包括了14个NASA任务和3个NOAA任务,它们中的许多已经被接受。


  撰写2010年调查报告


  最近的一次天文学十年调查委员会由美国斯坦福大学卡维里粒子天体物理和宇宙学研究所的所长Roger Blandford领导。由来自20个不同研究机构的23位科学家组成的这个委员会首先调查了美国天文学界,了解未来十年天文学家的想法都聚焦在什么地方。委员会成员不仅在两年的时间里参加了遍及美国的多次会议,他们还采纳了由美国国家研究委员会指定的另外9个子评估小组的建议。天文学家们则向该委员会递交了近450份白皮书,极为详细地描述了各种各样的研究目标以及众多的地面和空间望远镜提案。

  这些信息帮助Blandford的小组组织并撰写了这份报告。“最初,这件事情看上去就像不可能的任务,”该委员会成员Jonathan Lunnie(目前正在意大利罗马大学进行学术休假)回忆说,“但事实上,有了子评估小组,有了他们的结论,有了真实反映业内所想的白皮书,让整个过程变得容易得多。”
  这个委员会召开了许多次会议来仔细研究这些信息,有时还会因成员有新的想法而重新考虑之前的决定。“此间有许多的辩论,”Lunine说,“在前一次会议决定了某些事情之后,当你参加下一次会议时,你会发现又不得不回到这件事情上。”

  “我们为我们的结果感到高兴,但得到这些结果却并不容易,”委员会成员Lynne Hillenbrand(美国加州理工学院)补充说。

  最终,这个委员会达成了一致,下个十年的天文学将会围绕三个主题展开:研究第一代星系的形成、寻找最近的宜居外星行星以及解决暗能量、暗物质和基本物理学中的其他各种问题。
  该委员会随后转向为所需望远镜提供资金的不同美国政府机构(NASA、美国国家自然科学基金会和美国能源部),要他们进行大致的预算估计。同时他们还请了一个外部的小组来为将要研发的不同项目提供独立的成本估算,这将有助于避免提议建造的望远镜在未来可能出现的大幅成本超支。不幸的是,未来十年预计的天文学预算基本会持平,仅有微小的上涨。这个委员会清楚地写道,“这份报告写作之时正逢美国金融遭到重创。”

  最后的报告于2010年8月13日公布,题为《天文学和天体物理学中的新世界和新视野》,包括了对未来空间和地面项目的一些建议——以优先级排列。

  在太空中,这份调查的头号建议是建造一架直径1.5米的红外巡天望远镜——大视场红外巡天望远镜(WFIRST),估计成本大约为16亿美元。这一空间望远镜的概念其实综合了由天文学家提交给这个委员会的三个类似的近红外提案:联合暗能量任务/奥米茄、微引力透镜行星探测器和近红外巡天探测器。虽然这三者有着不同的科学目标,但他们的硬件却极为相似,使得它们能够相对容易地合并成一个项目。“我们所做的就是扩大科学目标,”Hillenbrand解释说,“如果你要发射这样一个任务,它不应该只做微引力透镜,或者只做巡天,又或者只做暗能量。我们想要它这三样都做。”

  对于地面研究,该委员会把最优先权给了大口径全天巡视望远镜(LSST)。这架8.4米的光学望远镜目前正在建造,预计成本为大约4.65亿美元,计划在2016年完成。和其他大型的地面望远镜不同,LSST将具有9.6度的宽大视场,使得它每三天就能够对整个可见的天空进行一次成像观测。从每个类型的变星到发现新的彗星和小行星,这些数据能让天文学家追踪夜空中从未被追踪过的变化。“LSST被视为是科学的领航者,可行且业已就绪,”Hillenbrand说。

  这份报告还要求美国联邦政府成为目前正在规划阶段的地面巨型光学望远镜24.5米的巨麦哲伦望远镜或者是三十米望远镜的合作者。
  该报告建议增加NASA在激光干涉空间天线(LISA)计划——设计来探测引力波的空间任务——中的参与度并且为开始设计一个国际大型高分辨率X射线空间望远镜拨款。但是参与这两个项目的科学家们却无法将其视为“胜利者”。由于它们都没有被列入最优先发展的大型空间项目,这个委员会可能已经把它们的发射时间推迟了至少十年。   这个委员会还研究了未来将要发射的昂贵任务,例如类地行星搜寻者和空间干涉任务,建议为它们提供适度的资金用以继续技术研发。

  这份报告还包括了许多其他一系列的建议。例如,它要求NASA增加对建造和发射中型空间望远镜——类似于雨燕γ射线天文台和星系演化探测器等已有的中低成本、但却高回报的天文台——的支持。


  业界的反应


  自公布以后,虽然声音不大,不过美国天文学界的回应总体是支持的。但许多天文学家对报告中缺少长远的提案(尤其是在外星行星研究领域)表示遗憾。“鉴于他们已经提到了外星行星,我认为他们会描绘一幅宏大的画卷,”美国空间望远镜研究所的所长Matt Mountain指出。

  “他们就外星行星写了很多很多字,但程序却不明确,”Shrinivas Kulkarni(美国加州理工学院)说,“没有钱来做许多的事情。这不是一个突出的领域。”与WFIRST使用微引力透镜来获得银河系核球中外星行星的统计数据不同,Kulkarni更希望能确切地观测并确定近距外星行星的特征。“我们应该去寻找近距恒星周围的外星行星,因为那才是下一个前沿,”Kulkarni说。
  这个委员会的建议也没有为从事尖端光谱学研究的天文学家提供许多的支持,尤其是只能从太空才能观测的紫外波段。正如Mountain所指出的,“如果你关注某些领域——紫外光谱和星际介质,这些领域的科学家并没有得到他们一直希望的后续任务。”

  类似地,虽然许多科学家希望这个调查会建议建造一架新的光学/紫外空间望远镜来更换老化的哈勃空间望远镜,但委员会拒绝这么做。委员会成员、宇宙学家Michael Turner(美国芝加哥大学)指出,“目前的技术还无法以可承受的成本来建造4或者8米的光学/紫外望远镜。”

  相反,这次的十年调查则建议NASA在10年的时间里花4千万美元来研发能使这样一架光学/紫外空间望远镜在未来十年成为可能的技术。“希望有了未来十年的投入,我们会在2020年蓄势待发,”Turner说。

  “这比钱并没有我们希望的那么多,至少差了3倍,”身为提出多个不同大型光学/紫外空间望远镜来更换“哈勃”的一个团组成员的Marc Postman(美国空间望远镜研究所)反驳说。然而,他补充到:“考虑到十年调查委员会手中的预算受到极强的限制,因此还不清楚任何其他的十年调查委员会是否会有什么大的不同。”


  未来?


  事实上,每一个对十年调查做出评论的科学家,无论赞成还是反对,都意识到预算是套在他们所有建议头上的核心限制。而所有限制中最大的则是JWST的状态。最近的一份报告指出,JWST将需要额外的15亿美元(把它的总成本抬升到至少65亿美元),其最早的发射时间则推迟到了2015年9月。“由于过去的超支,这次的十年调查被夹在了狭缝中,”Kulkarni说,“像JWST这样失控的任务使得没有多少钱剩下来了。JWST在这个十年里正在使得银行破产。”
  例如,直到JWST发射,对于NASA来说不可能真正为WFIRST注资。虽然NASA立即为WFIRST的最初设计研究分配了资金,但Weiler说:“按照真正资金的标准,在JWST发射前都不会开始雇佣数百名工程师并切割金属。”

  由于资金短缺,许多科学家甚至质疑是否该建造WFIRST。正如一位(不希望公开姓名的)天文学家所指出的,“我从中间人处听说,NASA总部说WFIRST会拖他们的后腿,说它可能发射的时间是2023年、2024年、2025年……希望它消失。”

  Weiler激烈地反对,他说:“我们的剧本就是美国科学院的十年调查。我不打算另辟蹊径。它是地球上最受尊重的科学实体。”

  然而,美国国会2010年选举的重大变化又使得预算的困难被进一步复杂化。美国联邦政府13.8万亿美元的债务以及美国国会可能采取的更紧缩的财政政策表明,为十年调查的建议提供资金将会非常困难,即便该委员会力图把提案建立在相对持平的联邦天体物理学预算上也是如此。Weiler提醒说:“告诉我国会会走哪条路。新的国会会喜欢NASA还是不喜欢NASA?”
  空间天文学面临着危险的未来。所建议的高成本空间计划都需要比所能提供的还要多得多的资金。更糟糕的是,正如十年调查所指出的,“有了JWST和SOFIA这样可能的意外,今天启动的项目中没有一个会在这个十年末投入运转。”因此,如果美国国会决定不给2010年的这次调查所提出的高成本项目提供资金的话,那么到2020年NASA可能就会没有任何一个大型的空间望远镜在运转了。

  使得问题更复杂的是十年调查中缺少能激起人们兴趣、俘获公众和美国国会想象力的空间项目,例如替换“哈勃”的更大、更先进的光学望远镜或者是能获得近距外星行星图像的空间望远镜。也许WFIRST也会是有趣而令人兴奋的,但它总是缺少空间光学望远镜或者是拍摄第一幅外星类地行星望远镜的那份“性感”,因为它无法获得我们自己的肉眼就能看到的图像。要说服美国国会和公众为WFIRST斥资16亿美元并非易事。

  幸运的是,地面天文学的未来似乎没有这么悲惨。其他国家以及私人机构正在出资建造被建议的地面望远镜,例如LSST和其他几个巨型拼接镜面望远镜,因此总成本会显著下降。此外,巨大的体格、在可见光波段对天空快速而频繁的扫视使得它们能更容易得让公众为之兴奋。

  在8月13日发布2010年调查报告的新闻发布会上,委员会成员Neil deGrasse Tyson(美国海顿天文馆)总结了所有天文学十年调查的重要性:“非常奢华地,我们可以排定科学的先后,知晓我们发现的结果是否以及何时会到来,它们将会是报告中众多故事中的一个。”随后他补充说:“我们作为一个共同体创立了十年调查这一概念。它已经成为了协调一致的关键步骤。”
  然而,这一协调一致是否会在下一个十年带来更大、更好的望远镜此刻仍是一个未解的问题。

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