1990 年 4 月 24 日，哈勃太空望远镜搭乘航天飞机进入近地轨道，成为历史上最多产的天文台。四分之一个世纪过去了，宇宙可能依旧，但我们对宇宙的理解却已截然不同，哈勃望远镜 2.4 米的镜面在地球大气层上方揭示了原始的紫外线、可见光和近红外景象，永远地改变了我们对宇宙的认知。哈勃望远镜观测宇宙，绘制了暗物质地图，并帮助发现了暗能量，这种神秘的力量正在驱动我们宇宙的加速膨胀。在离我们更近的地方，它拍摄了环绕其他恒星运行的巨型系外行星的照片，在冥王星周围发现了新的卫星，并探测到木星卫星木卫二地下海洋喷发出的水柱。几乎在它所观测的每一个地方，哈勃望远镜都取得了重大发现。它成为 NASA 首屈一指的“旗舰”天文台，该机构通过在五次航天飞机维修任务期间更换和升级过时的组件来支持它。
但是哈勃望远镜的时间不多了；航天飞机不再飞行，也没有计划进行更多的维修任务。迟早，哈勃望远镜的关键组件会退化和失效。最终，它的轨道会衰减，将这个价值数十亿美元的望远镜变成在 атмосферу 中燃烧并在海洋中溅落的翻滚的炉渣块。天文学家们始终充满希望，计划在未来几年，甚至可能到 2020 年代，继续使用哈勃望远镜，但也非常清楚它的日子屈指可数。
“当哈勃望远镜退役时，就真的退役了，”NASA 戈达德太空飞行中心的诺贝尔奖获得者天体物理学家约翰·马瑟说。“而且我们没有任何其他在研项目可以替代它的功能。” 尤其是哈勃望远镜的紫外线观测至关重要，因为地球大气层过滤掉了大部分这些波长——只有从太空才能观测到它们。
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马瑟也是经常被称为哈勃望远镜继任者的项目——NASA 的下一个旗舰天文台，詹姆斯·韦伯太空望远镜的高级项目科学家。一旦发射，韦伯望远镜将飞到距离地球约 150 万公里的地方，展开一个巨大的 6.5 米分段镜面。该望远镜在低温下运行，并使用大量新开发的技术，将以极其灵敏的红外眼睛凝视宇宙，旨在研究最早的星系和恒星。然而，庞大的尺寸和技术复杂性付出了高昂的代价。韦伯望远镜最初计划于 2011 年发射，估计成本为 16 亿美元，但其价格标签已膨胀至近 90 亿美元，发射时间定于不早于 2018 年 10 月。2011 年，由于国会中沮丧的成员威胁要终止其资金，该天文台险些被取消。
部分是为了应对这些麻烦，NASA 在韦伯望远镜之后的计划是在 2020 年代发射一个远不如雄心勃勃的天文台，一个名为 WFIRST 的再利用红外间谍卫星。虽然 WFIRST 的尺寸与哈勃望远镜相当，但它的视场是哈勃望远镜的 100 倍，并且将勘测几乎整个天空以研究暗能量。
马瑟说，这两台望远镜都将是卓越的发现工具，并将开辟“天文学的全新领域”，但由于它们不会在紫外线或大部分可见光谱中进行观测，因此不能被认为是哈勃望远镜真正的继任者或替代品。此外，韦伯望远镜和 WFIRST 都不是为了直接解决天文学中最广泛吸引人且发展最快的研究领域之一——在类地系外行星上寻找生命而设计的。
根据马瑟和其他主要天文学家的说法，他们现在正在撰写一份报告，该报告将于今年夏天由大学天文研究协会 (AURA) 发布，这项探索和其他探索需要更大的空间望远镜，该望远镜将像哈勃望远镜一样，在光学、紫外线和近红外波长下进行观测。这个暂定名为“高清晰度太空望远镜”或 HDST 的拟议超大型继任者将拥有直径为 10 到 12 米的镜面，是哈勃望远镜的四到五倍，大约是韦伯望远镜的两倍。尽管韦伯望远镜和 WFIRST 尚未升空，但规划旗舰级空间望远镜所需的十年跨度时间表正迫使具有前瞻性的天文学家将这些未来项目视为过去。
与韦伯望远镜非常相似，HDST 也将是分段式和可展开式的，以便可以折叠起来并装入火箭的狭小空间中。然而，与韦伯望远镜不同，它不需要在低温下运行，这可能会减轻其部分成本和复杂性。AURA 委员会表示，该天文台最早可能在 2030 年代初期发射，但前提是 NASA 和美国天文学界现在开始为此进行规划。
“自从我们启动韦伯望远镜项目以来，NASA 变得更加保守了，”马瑟说。“在望远镜几乎因成本超支而被扼杀之后，没有人再想做大事了。但另一方面，如果每个人都过于胆怯和害怕大型项目，那么我们将永远找不到那些新的世界去探索。哥伦布不是乘坐一队划艇横渡大西洋的。有时，你需要更大的东西。”
一劳永逸
这并非天文学家首次游说建造如此大型的空间望远镜。自 1990 年代初期首次发现系外行星以来，各种呼吁建造 10 米级天基天文台的提案不断在天文学界流传。今天，二十年后，天文学家的呼声越来越高，部分原因是现在已知数千颗系外行星，并且据信有更多系外行星围绕着天空中几乎每一颗恒星运行，只是尚未被观测到。在太空中使用 10 米巨型镜面有很多可能的用途，但拍摄岩石状、可能适宜居住的世界的照片——用天文学家的话来说是“直接成像”——是杀手级应用。
从地球附近观察，一颗十几光年外的类地行星可能大约像火星表面 40 瓦的灯泡那么亮，但它也会紧邻比它亮 100 亿倍的恒星。HDST 等望远镜上的 10 米镜面将提供足够的表面积，以有效地收集数十颗此类系外行星的微弱光线，并提供更高的分辨率，以便在空间上将它们与恒星的眩光区分开来。HDST 还将配备一种称为日冕仪的星光阻挡装置，使其更容易收集来自其行星目标的微弱光子。然后，天文学家可以检查每个目标世界，寻找水蒸气、温室气体和“生物特征”（如地球上由光合作用植物产生的 атмосферный кислород）的光谱特征。
对 HDST 等雄心勃勃的提案的批评者指出，规模较小、更适度的空间天文台可以更快、更省钱地在少数潜在的可居住系外行星上寻找生命迹象。未来几年，NASA 的韦伯望远镜和 WFIRST 望远镜可能会尝试对少数最接近、最亮的有希望的系外行星进行此类观测，新一代正在建设中的 30 米级地面天文台也将如此。
但太空望远镜科学研究所的天文学家和 HDST 报告的合著者马克·波斯特曼说，这些更适度的方法不太可能提供每个人都想要的答案。地面天文台被困在地球空气海洋之下，将受到星光扭曲湍流和气辉（大气化学反应发出的微弱光线，会破坏精细的观测）的阻碍。此外，它们和韦伯望远镜都无法直接成像和研究大量潜在的可居住系外行星。“你真的想测量数十个候选者，而不仅仅是两三个，甚至不仅仅是 10 个，”波斯特曼说。“如果你观察 10 颗类地行星，但没有看到水或生物特征的证据，你就说不了什么。也许你运气不好。但是，如果你观察 50 颗，即使你什么也没发现，这个零结果仍然说明了一些非常有趣的事情，即生命是否在宇宙中很稀有……为了跨越这个门槛，你需要一台高稳定性、高动态范围的 10 米级空间望远镜。”
然而，专注于类地系外行星并没有为之前提出的巨型空间望远镜带来回报。这些提案因其估计的巨额成本而被否决，再加上人们认为它们是精品项目，只服务于一小部分科学家，而不是整个天文学界。报告的作者说，HDST 将有所不同。
在 1 月份举行的美国天文学会会议上，AURA 委员会提出了 一个宏伟的愿景，将 HDST 定位为一个具有广泛吸引力的革命性通用天文台。除了对系外行星进行成像外，该天文台还擅长研究我们太阳系中的行星以及遥远的星系和环绕并穿过它们的稀薄气体网络。与其“高清晰度”的名称相符，HDST 巨大的镜面可以捕捉到木星云层中曼哈顿大小的特征，并跟踪远达 3000 万光年的星系中单个类太阳恒星的运动。事实上，它可以分辨出可见宇宙另一侧星系中约 300 光年大小的结构——这对于理解恒星形成的历程以及暗物质和暗能量的本质非常有用。
AURA 团队表示，所有这些功能都将与韦伯望远镜、WFIRST 和下一代 30 米地面天文台的观测结果协同作用。而且它们只能通过建造大型望远镜来实现。
打破范式——和银行
参与 AURA 的 HDST 报告的任何人都不会公开猜测能够实现所有这些功能的望远镜究竟要花费多少钱——只知道它将是昂贵的。最困难的技术挑战将是建造一个比韦伯望远镜更大、更轻、分段式的镜面，该镜面针对观测紫外线、可见光和近红外光中的各种目标进行了优化。一些天文学家对 HDST 的财务可行性持怀疑态度，他们建议建造一个较小的、韦伯望远镜大小的宽带望远镜，甚至是一系列哈勃望远镜大小的望远镜，可能更好地为天文学界服务。
HDST 的支持者表示，这些想法是短视的——太适度和渐进，以至于在二三十年后，当这些拟议的望远镜中的任何一个升空时，都无法保持相关性。“有人曾经告诉我，对于任何超过 10 亿美元的任务，科学是一个必要条件，但不是充分条件，”波斯特曼说。“你需要科学家、政策制定者、公众和行业都支持如此规模的任务。如果国会不喜欢它，如果 NASA 不支持，如果公众觉得它缺乏启发性，如果行业认为它无法建造——好吧，任何一个都会是一个大问题……这就是为什么你必须胸怀大志，并考虑 2030 年及以后将存在的景象……你不会通过采取小的渐进步骤来彻底改变我们对宇宙的理解。”
因此，提出像 HDST 这样的巨型空间望远镜，就像走钢丝一样，在控制成本和做出雄心勃勃的科学和技术承诺之间取得平衡。解决的大问题太少，每个问题都需要自己的一套先进技术，你来自科学家和公众的支持可能会枯竭。承诺太多，你的政治和行业主管会对预计的成本和难度望而却步，或者你的望远镜会大大超出预算。
卡内基科学研究所的天文学家艾伦·德雷斯勒对这种困境很熟悉。在 1990 年代初期，德雷斯勒领导了一个有影响力的委员会，该委员会展望了哈勃望远镜之后，设想了它的继任者，“下一代太空望远镜”，它将成为韦伯望远镜。德雷斯勒和他的团队提议建造一个带有 4 米镜面的红外天文台，这种天文台可以舒适地装入火箭，而无需折叠起来。NASA 的领导层坚持要更大胆、更大规模，推动建造 8 米镜面；韦伯望远镜的分段式 6.5 米镜面应运而生，作为一种折衷方案，尽管它仍然比以往任何在太空中飞行的镜面都更大、更复杂。韦伯望远镜将需要一系列全新的技术，以及前所未有的、详尽的测试，以确保它在到达太空的寒冷真空中后能够按计划工作。
德雷斯勒回忆说，当时，一位 NASA 高级官员解释说，该机构“宁愿建造下一代望远镜中的第一个，而不是上一代望远镜中的最后一个。” 但现在，由于韦伯望远镜比计划晚了多年，并且超出了数十亿美元的预算，德雷斯勒说，为一个已经雄心勃勃的低温望远镜选择如此庞大、复杂的镜面是“步子迈得太大了”，是“试图在一步之内进行太多的创新”造成的。借助韦伯望远镜，NASA 打破了空间望远镜的设计、建造和测试范式，但也耗尽了资金。
德雷斯勒说，韦伯望远镜的遗产对 HDST 具有复杂的意义。一方面，HDST 提案吸收了韦伯望远镜的许多创新，可能会减少开发新技术的所需投资。另一方面，对韦伯望远镜困境的记忆可能会阻止 HDST 项目寻求建造如此大型空间望远镜所需的新范式。德雷斯勒推测，与其在地面上建造和测试如此巨大的天文台，不如以模块化组件发射 HDST，以便由宇航员或机器人在太空中组装。
“问题是，没有人愿意等待那么长时间才能让这台特定的望远镜实现，”德雷斯勒说。“他们都有些急于尽早完成这件事，在他们作为科学家的有生之年完成这件事。”
然而，华盛顿大学的天文学家、AURA 委员会的联合主席朱莉安·达尔坎顿表示，无论哈勃望远镜的超大型继任者未来如何诞生，更重要的是科学家和政策制定者要认识到它对天文学的未来有多么重要。“这是显而易见的下一步，”达尔坎顿说。“而且它将继续是显而易见的下一步。随着时间的推移，科学不会变得那么引人注目。你无法绕过物理规律。天文学家想要看到的东西是微弱的，他们想要分辨率。他们想要进入紫外线波段，这是你在地面上无法获得的。所有这些都将你送入太空，并让你建造大型望远镜。建造大型望远镜的理由在 20 年后与现在一样具有现实意义。那么，为什么不开始管理和规划这件事，并找出在哪里进行投资并最大限度地减少困难呢？”
当然，达尔坎顿承认，除了物理规律之外，还有另一件事在驱动着 HDST。“为了发射另一台空间望远镜，需要做很多工作——无休止的委员会会议、撰写报告。如果我要做这些，我希望结果真的令人兴奋。我希望拥有一堆像哈勃望远镜这样的小型望远镜，我肯定会使用它们，但我认为我们被允许考虑比这更大的事情。而且我们应该这样做。”