真正的革命很少是瞬间发生的。它们改变世界的影响——就像印刷机的发明或放射性的发现一样——通常需要几代人才能显现出来。詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的首次亮相可能标志着人类历史上一个类似的划时代事件。但是，JWST 的革命是被证明是短暂的，还是会持续并扩展到未来许多代人，现在取决于我们如何选择追逐它刚刚开始揭示的新的宇宙景象。
JWST 专为寻找和研究最早的星系而定制，其前所未有的强大红外凝视已经提供了来自宇宙历史各个方面的见解，无论是关于宇宙的早期演化还是附近系外行星的大气化学。鉴于其目前无与伦比的能力——以及超过 100 亿美元的价格标签——有些人可能会认为 JWST 是“一统天下的望远镜”，是我们真正需要的最伟大和最后的轨道天文台。但是，仅靠 JWST 无法解决天文学家和宇宙学家的所有问题。事实上，它反而揭示了新的谜团，每个谜团都会产生额外的疑问，需要新一代天文台——以及观测者——来解答。长期来看，如果后续工作缺乏跟进，将有效地削弱导致首先建造、发射和运行 JWST 的巨大经济和科学努力。值得庆幸的是，科学家和政策制定者正试图在“后 JWST”时代为此类事情制定计划，而此时已经出现了令人兴奋的惊人科学成果迹象。
一些问题在于 JWST 现在正在打破以前认为无法达到的观测记录的地方：遥远的宇宙，那里是它要寻找的第一批恒星和星系居住的地方。JWST 最深、最远的图像揭示了出乎意料的大量星系，这些星系如此巨大和明亮，以至于难以理解。解释它们是如何形成的可能会导致对我们早期宇宙模型以及对这些模型所概括的基本物理定律进行重大修订。
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例如，考虑一下 GN-z11 的案例。这是 JWST 的前身哈勃太空望远镜首次瞥见的星系，它是迄今为止观测到的最早、最遥远的星系之一。迄今为止，JWST 至少花费了 20 个小时密切研究 GN-z11——这对望远镜宝贵的观测时间是一项巨大的投资，但仍然悬而未决的是，这个遥远的星系是否拥有一个中央超大质量黑洞。哈勃望远镜在我们宇宙中较近的大多数大型星系中都发现了潜伏着这样的黑洞，这对宇宙学家提出了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：先有巨大的黑洞，还是先有它们所占据的星系？解开这个谜团可能会揭示最早的黑洞和星系是如何在大爆炸后诞生的。
当天文学家可以协同使用在广泛的电磁频谱范围内运行的多个望远镜时，天体物理学就会蓬勃发展。一次又一次，这种宽带视野对于了解天空中神秘天体的真实性质至关重要。为了更好地了解宇宙中黑洞的数量，现在需要的是X 射线观测。虽然不如光学对应物那样令人叹为观止，但 X 射线图像揭示了最极端的宇宙事件——例如超大质量黑洞吞噬星系体积的气体和尘埃——这些事件会发出大量高能 X 射线。即使从 GN-z11 或其同类星系中探测到少量杂散 X 射线光子，也强烈表明那里存在超大质量黑洞，为宇宙演化的时间和机制提供了宝贵的数据点。
但是，目前还没有设施可以执行这些要求苛刻的观测。当前的 X 射线主要望远镜钱德拉和 XMM-牛顿自 20 多年前发射以来都已明显退化，而且灵敏度都不足以探测到 JWST 正在探索的遥远宇宙区域中小于约一百万个太阳质量的黑洞。如果没有更强大的最先进的 X 射线天文台，我们可能会错过了解黑洞如何在空间和时间中演化的机会——这是人类一代又一代最好的、最珍爱的太空望远镜所揭示的谜团。
这有助于解释为什么许多天文学家现在已经将目光投向 JWST 及其预测的 20 年寿命之外，以设想一系列雄心勃勃的“新大型天文台”，每个天文台都对不同类型的光敏感。理想情况下，所有天文台都必须在 JWST 任务结束前后相对快速地连续发射，通过它们重叠的运行时间范围最大限度地提高科学回报。最初的大型天文台计划于 1990 年随着 NASA 发射哈勃望远镜而首次亮相，其中包括钱德拉和另外两架现已报废的太空望远镜，最后一架于 2003 年送入轨道。
正如美国天文学家的国会授权十年调查在 2021 年建议的那样，该计划呼吁建立三个新的太空天文台。第一个天文台现在被命名为宜居世界天文台，将于 2040 年代初发射，以研究潜在的类地系外行星（以及更多更多）的光学、紫外线和红外线。另外两个——一个用于 X 射线，另一个用于远红外线——可能会在该十年末或 2050 年代发射。它们加在一起可以创造一个信息量更大、色彩更丰富的宇宙景象，在哈勃望远镜发射大约半个世纪后，开创太空天文学的新黄金时代。例如，拟议中的 X 射线天文台可以探测到 JWST 观测到的神秘早期星系中，小至 1 万个太阳质量的正在增长的黑洞——比钱德拉的能力提高了 100 倍。
然而，无论是由于政治支持的动摇、未预料到的技术挑战，还是仅仅是 NASA 负担过重的投资组合的严酷现实，这些十年计划很可能无法以最佳速度进行。较慢的开发和资助步伐可能会导致三个新大型天文台的发射之间出现更长的滞后时间，从而降低它们同时运行的可能性，以及它们的整体科学回报。根据一项分析，到 2045 年使所有三个设施投入运行将需要在 2020 年代剩余时间和 2030 年代将 NASA 的天体物理学预算增加一倍。目前，这种增长成为现实的证据与来自这些遥远星系的 X 射线光子一样多——一个都没有。与大幅增加资金相反，政府最新的预算提案在 2024 财年仅将 NASA 天体物理学部门的支出增加 3%。
凭借其对 JWST、哈勃及其望远镜同类产品的连续数十亿美元投资，美国及其国际合作伙伴引发了一场持续的科学革命，代表着人类了解我们最深刻的起源、背景和命运的最大希望。充分发挥这种深远的潜力并保持在太空科学领域的领先地位，需要对下一代天文台提供强有力、持续的支持。否则，我们可能无法完全回答不仅是当前的一系列悬而未决的问题，还有我们在划时代的宇宙理解探索中出现的任何新问题。
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