这份报告可能决定未来30年美国天文学的兴衰

问问天文学家他们最想回答的问题是什么，你会得到各种各样的答案：第一批恒星、星系和黑洞是如何形成的？暗物质和暗能量的本质是什么？我们是孤独的吗？

每个问题都需要其自身的大型望远镜：永远不会存在最终的、万能的仪器，因为没有哪种仪器可以被制造成收集每一种宇宙光。例如，黑洞有时会发出X射线，而类地系外行星最好在可见光和红外光下进行研究。然而，这些项目如此消耗分配给天文学的公共和私人资金，以至于一次只能优先考虑少数几个——也许只有一个——导致了大量落选的提案和焦虑的研究人员等待着一个罕见的机会来打开通往宇宙的新窗口。

在美国，天文学家们通过设计一个已成为科学界羡慕的过程来管理这些相互竞争的雄心：天文学和天体物理学十年调查，这是一项每10年一次的活动，它推荐并排列了未来十年社区的优先事项——最终体现在地面和太空中的主要新的联邦政府资助的观测站中。诸如NASA的哈勃太空望远镜之类的项目，部分归功于往届十年调查令人垂涎的认可，这种做法已经扩展到其他几个学科，它们现在也开展了自己的十年调查。

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自1960年代开始以来，由美国国家科学、工程和医学院组织的六次十年调查已经确定了美国天文学的路线。第七次调查的结果，被称为Astro2020，将在经过为期两年的详尽审议后很快公布，这次审议由一个20人组成的指导委员会领导。就像它的前辈一样，Astro2020将揭示主要的新投资和发现最有可能在哪里取得——以及忽视、不感兴趣甚至恐惧可能阻碍未来几代人进步的地方。

很少有人比乔尔·帕里奥特更了解这些调查的力量。20多年前，他开始了他的联邦政治生涯，当时他在国家科学院担任工作人员，他的最初任务是协助科学家们制定新千年的第一个天文学十年调查。然后，他在白宫管理和预算办公室（OMB）工作了10年，在那里他权衡并实施了联邦科学机构的十年调查建议。如今，他是美国天文学会（美国观星者的主要倡导团体）的公共政策主管。在OMB，国家的政策目标经常与财政现实残酷地交汇，十年调查为帕里奥特和他的同事们提供了一种万无一失的方法来驳回过于殷勤的天文学家。“如果一个项目没有得到高度评价，我们就知道它没有得到社区的认可，”他说。“这对国会山和白宫需要做出艰难选择的人们来说真的很有帮助。”

对于不少天文学家来说，像“十年调查”这样枯燥的名字并不能恰当地捕捉到这个对其命运具有如此大影响力的过程。相反，他们有时只是称之为“上帝的声音”。在未来的几周内，当Astro2020的最终报告发布时，那个声音——那个所谓的共同的声音——将再次响起。然而，除了少数被要求保密的被选者之外，社区中没有人事先知道它会说什么。不过，每个人都同意Astro2020的结论是在一个危险时期到来的。

“我们现在正处于刀刃上，”位于夏威夷莫纳克亚的W. M. 凯克天文台的首席科学家约翰·奥梅拉说。“我确实相信这次十年调查对于美国的天文学来说是生死攸关的。当您考虑正在讨论的设施和科学主题时，它将影响我们是否会成为全球天文学的二流角色……当[联邦]机构和国会收到十年调查报告时，他们将掌握决定我们是否希望在这个科学领域保持领导地位的决定。”

暮色中的美国望远镜

从外部来看，人们不会意识到美国天文学事业正处于危机边缘。几架新的地面望远镜最近已投入使用，每架都带来了大量的宇宙发现——甚至更雄心勃勃的项目也在酝酿之中。考虑一下维拉·C·鲁宾天文台，这是过去两次十年调查（自然而然地被称为Astro2000和Astro2010）的高度优先事项。鲁宾天文台位于智利的一座山上，预计将于2023年末开始运行，以生成整个头顶天空的高清、跨越十年的延时电影。

但在即将到来的美国大型项目中，鲁宾是一个罕见的、健康的例外。Astro2000和Astro2010提出的另一个最高级别的地面建议——建造一个镜面尺寸约为30米的 оптический 极端大型望远镜（ELT）——仍然悬而未决。ELT的众多卖点之一是，它们为从地面研究类地系外行星提供了最好的希望。Astro2020可能会决定美国的ELT努力是沉是浮——或者其他项目，例如“下一代”美国甚大天线阵射电望远镜的升级或引力波天文台的扩建，是否会优先考虑。

在寻求ELT的过程中，美国设法产生了两个相互竞争的项目，三十米望远镜（TMT）和巨型麦哲伦望远镜（GMT）。两者都资金短缺，并且似乎都不太可能在本十年结束前开始运行，每个项目都阻碍了另一个项目。而TMT在夏威夷火山莫纳克亚山的早期建设阶段——该地点在观测北半球天空方面无与伦比——引发了活动人士的抗议，他们认为在那里的望远镜是对这座山的侵犯，这座山被夏威夷原住民视为神圣之地。在抗议者多次封锁通往山顶的道路后，TMT的建设停止了；冲突仍然陷入僵局。“如果[Astro2020]说，‘忘记ELT；让我们优先考虑其他事情，’那么TMT和GMT都很可能会死，”一位熟悉情况的地面天文学资深人士说。

相比之下，欧洲多年前就在地面光学天文学领域领先于美国，并且正在智利建造自己的ELT。欧洲极大望远镜拥有40米镜面——预计将于2027年投入使用。

中国也在突飞猛进。证据就在美国标志性的、国家科学基金会资助的阿雷西博射电望远镜，它位于波多黎各：曾经是世界上最大的射电望远镜，但由于预算忽视，灾难性地倒塌了，但这发生在中国的五百米口径球面射电望远镜（FAST）在尺寸上超越它之前。而且，没有美国，欧洲、中国和许多其他国际合作伙伴正在共同建造平方公里阵列（SKA），这是一个令人叹为观止的强大射电望远镜集合，预计最早将于2030年在澳大利亚和南非的站点全面投入运行。

饥饿的巨人与科学怪人的怪物

对于国家在太空天文学方面的展望也同样喜忧参半。目前，美国仍然处于地外观测的前沿，但在NASA在1990年至2003年间发射的四座“伟大天文台”中，只有哈勃和钱德拉X射线天文台仍在运行，而且都已接近尾声，没有替代品出现。“哈勃可能无法再持续十年，也许我们还能从钱德拉那里再获得五年。但那样就结束了——它们就消失了，”太空望远镜科学研究所社区任务办公室负责人杰森·图姆林森说。“我们可能会在太空中光学、紫外线或X射线能力方面出现很长的空白期。现在是决定我们如何以及何时将其恢复的时候了。”

Astro2000排名最高的太空项目，NASA的旗舰级詹姆斯·韦伯太空望远镜，是一项技术奇迹：一个低温冷却的红外天文台，带有一个分段式的、6.5米的光线收集镜，像折纸一样折叠起来，以适应火箭。早期，韦伯预计耗资约15亿美元，并可能在2011年发射，以研究早期宇宙中恒星和星系的出现。如今，这些预测似乎天真得无可救药。在经历了惊人的成本超支和延误，阻碍了其他项目的规划之后，目前最好的情况是，该望远镜最早将在今年11月中旬到达太空，运行十年，项目总成本约为100亿美元。不太理想的情况（有很多）几乎令人不忍卒睹。“我们不能在不承担风险的情况下进行如此大规模的科学研究——我对我们成功的机会充满信心——但如果韦伯失败了，那将是一场彻底的灾难，”该项目的望远镜科学家、大学天文研究协会主席马特·芒廷说。“它必须成功。因为如果它不成功，我猜我们未来二十年都不会再进行另一个雄心勃勃的旗舰项目了。”

如果说韦伯是Astro2000及其前辈释放出的饥饿巨人，他们贪多嚼不烂，那么Astro2010的最高旗舰建议，NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，则完全是另一种野兽——一个廉价的科学怪人的怪物，十年调查委员会从多个相互竞争的任务概念的残骸中拼凑而成。委员会曾希望避免再次发生像罗曼（最初名为广域红外巡天望远镜，或WFIRST）那样的韦伯式灾难——而且确实如此。但相反，罗曼的存在本身就威胁着从内部撕裂社区。“你知道WFIRST对我们大多数人来说真正代表什么吗？”一位主要天文学家说。“它代表‘这到底是什么荒谬的太空望远镜？’”

最初设想用一个简陋的仪器包和一个镜面（只有哈勃镜面的一半大小）来研究暗能量，罗曼预计最早在2020年发射，预算相对较少，不到20亿美元。在许多专家眼中，这样一个项目几乎不符合其所谓的“旗舰”地位。美国宇航局在国会两党的祝福下，最终增加了更多仪器，并将罗曼的镜面升级到与哈勃相同的尺寸，从而增强了其科学目标并消除了许多批评——但也使其估计价格几乎翻了一番，并将其发射推迟到不早于2025年。与此同时，欧洲和中国都各自推进了自己的以暗能量为重点的太空望远镜，可能会抢走一些曾被用来证明罗曼存在合理性的科学发现。

尽管韦伯和罗曼最终都可能取得超出天文学家最疯狂想象的成功，但有些人担心这些项目对该领域最初的最大影响将是严重限制Astro2020规划繁荣未来的能力。“我认为，这是第一次十年调查，前两次十年调查中排名最高的两个太空项目——韦伯和罗曼——仍然在地面上，”图姆林森说。“如果Astro2020委员会说，‘我们已经积压了两个旗舰项目；队列太长了；让我们暂停一段时间，做一些较小的任务，稍后再赶上，’那将是一个错误。当你考虑到我们的政府实际上是如何运作的时候，认为你可以从雄心勃勃的事情中抽出十年时间，然后再回来做，这种想法是无效的。”

图姆林森说，大多数天文学家似乎误解了十年调查的“支配性动态”实际上是什么。“十年调查报告是科学界、NASA、航空航天承包商、国会和白宫之间多年多方谈判的开始，”他解释说——这就是为什么一开始就目标高远符合天文学家的最佳利益。“我希望，通过Astro2020，我们能够抑制我们减轻风险和削减成本的自然愿望，”图姆林森说，“因为这个系统中的所有其他力量都会为我们做这件事。”

无论是由于COVID-19大流行、飙升的赤字支出还是日益严峻的全球气候紧急情况，有些人可能会质疑美国天文学家在天空似乎即将坠落之际伸手摘星的智慧。然而，另一种回应是，基于2020年代的困境来限制2040年代或2050年代的科学，这有什么智慧可言？“归根结底，拨款者仍然会花钱，”一位曾处理联邦科学机构高级别拨款的前国会工作人员说。“他们将获得拨款，他们的工作将是明智地使用它。如果这笔钱不用于天文学，也许它将用于NASA行星科学部门的新旗舰任务——或者也许它将用于新建一座FBI大楼。但是，无论天文学家做什么，这笔钱都会被花掉。”

主菜单

为了应对韦伯和罗曼带来的困境，NASA多年前开始改进其未来旗舰项目的方法，要求对技术挑战和成本有更大的确定性。2016年，该机构组建了四个科学和技术定义团队（STDT），每个团队都在审查Astro2020考虑的单独任务概念。四个概念中的两个——大型紫外光学红外巡天仪（LUVOIR）和宜居系外行星天文台（HabEx）——将专注于探索更多关于围绕其他恒星运行的行星的知识，重点是研究潜在的宜居世界。第三个，超冷和远红外起源太空望远镜，也将进行一些系外行星研究，作为对星系、恒星和行星系统形成更广泛调查的一部分。第四个概念，猞猁X射线天文台，将是有史以来最强大的X射线天文学设施，提供跨越宇宙时间的黑洞、活动星系和剧烈超新星的近距离视图。每个项目都具有巨大的潜力——但也都有一个或多个让天文学家感到不安的致命弱点。

LUVOIR的优势——和劣势——一直是其分段镜面的巨大尺寸。如果以皮米级稳定性（这非常困难）部署和维护，这个镜面将使天文学家能够发现和研究数百颗系外行星，同时还能对广泛的普通天体物理学进行革命性的观测。假设在太阳的邻近恒星周围存在任何真正的蓝色类地世界，LUVOIR应该提供找到它们的最佳机会。但是，无论是考虑15米的“豪华型号”还是8米的“预算尺寸”型号，将如此苛刻的可展开镜面送入太空都意味着天文数字的成本。“当我开始研究这个时，我闭上眼睛说，‘它将是每米10亿美元。但如果LUVOIR实现其愿景，那将是一笔划算的买卖，”奥梅拉说，他是这个任务概念的STDT的领导者之一。NASA戈达德太空飞行中心的两个独立小组的估计得出了稍高的数字，将豪华型LUVOIR的价格定在150亿或200亿美元左右，预算型则在120亿或150亿美元之间。

15米LUVOIR任务在太空中部署的时间加速可视化。

由于其较小的4米镜面，HabEx将比任何版本的LUVOIR都便宜，估计成本接近100亿美元。但它产生的系外行星将少得多——可能只提供约10颗潜在的类地行星的细节，而不是几十颗。它代表着对一项新技术的全力押注：一种称为“星罩”的二级向日葵形航天器，它将展开至50多米宽，并在4米镜面前方75,000多公里处飞行，以遮挡目标恒星的光线，从而显露出相对较暗的伴随世界。“星罩概念虽然可能非常强大，但吓坏了很多认为这是一个相对较新想法的人，”俄亥俄州立大学的天文学家斯科特·高迪说，他曾担任HabEx STDT的联合主席。但他坚持认为，科学家们有一个现实的计划来管理风险并在预算内开发星罩。

HabEx任务的旁白概述。

在大多数方面，起源是一个“安全”的选择：它具有一个大的但非分段的镜面，接近6米，并且主要基于现有技术，估计成本约为70亿美元。冷却到绝对零度以上不到5开尔文，该望远镜将比以前的任务提供1000倍的远红外灵敏度，使天文学家能够绘制整个可观测宇宙中星系的内部运作图，同时还可以研究少数小型系外行星以及附近恒星周围的原行星盘中的水。但是，起源的久经考验的方法使其相对平淡：它不会回答LUVOIR或HabEx可能提出的关于类地世界的迫切问题。它的红外光学器件不会提供哈勃望远镜清晰、色彩鲜艳的图像。而Astro2020的最高排名将使其成为继韦伯和罗曼之后，连续第三个推荐给NASA的红外旗舰项目。有些人可能会称起源为只有天文学家才会喜欢的太空望远镜。“我们在红外方面存在真正的公关问题，”康涅狄格大学的天文学家卡拉·巴特斯比说，她曾在起源STDT任职。“但是，如果你查看每个[STDT]概念的规格以及它们共同的科学问题，例如行星和黑洞与星系的共同演化，我敢说你不会得出起源是所有概念中最全面和最安全的结论。”

起源太空望远镜部署的时间加速可视化。

猞猁是四个项目中的另类，其预计价格略低于起源，但设计和目标却截然不同。它的“镜面”将是一个首创的3米宽的组件，由近460个抛光硅的嵌套壳组成，所有这些壳都密集地堆叠并成一定角度，以反射和聚焦高能X射线。这种设计将提供比钱德拉或其他早期X射线望远镜更好的性能，使猞猁能够揭示宇宙中最古老和最大的黑洞的新细节。一些天文学家担心制造猞猁的奇异镜面可能会遇到预算超支的困难，但大多数人反而担心重复一项类似的、已经批准的项目的工作：欧洲航天局的高能天体物理学高级望远镜（Athena），该望远镜计划于2031年发射。“对于许多人来说，雅典娜的存在是反对猞猁的不可逾越的论据，”哈佛大学史密森天体物理中心的天文学家和猞猁STDT的贡献者格兰特·特伦布莱说。“但我真诚地相信，有一个非常有说服力的论点可以解释为什么这两个任务在科学上是互补的。”

猞猁X射线天文台的组件详细可视化。

总的来说，这四个STDT概念构成了Astro2020指导委员会最有可能选择的旗舰选项的主菜单——前提是委员会选择其中一个。所有四个项目都受到Astro2020的技术风险和成本评估（TRACE）流程的约束，这是航空航天公司对每个STDT概念的估算进行的一项全新的、闭门检查。如果TRACE认为所有四个概念都比STDT的内部估算贵得多，则指导委员会可以选择一个都不选。

新一代伟大天文台

天文学家已经命名了Astro2020审议的四个最可能的结果：“情景一，我们称之为‘糟糕的三明治’，如果他们不推荐任何旗舰项目，”一位资深科学家说。“我们大多数人认为那将是灾难性的。‘带酸黄瓜的糟糕的三明治’是指他们不选择任何旗舰项目，但会推荐未来可能出现的技术开发——这与Astro2010的情况类似。‘美味的午餐’是指如果我们选择一个真正的旗舰项目，我们会得到什么。‘完美的晚餐’是指他们选择一个旗舰项目并设定技术开发的优先事项，以便能够再实现几个。”

目前，STDT的大多数成员都在排队等待“完美的晚餐”。值得注意的是，在花费数年时间赞美他们选择的任务的优点之后，他们几乎一致地得出结论，美国在太空天文学领域的理想未来是，他们的任何一个心爱的项目都不会战胜一切，而是以某种方式快速连续地建造和发射多个旗舰项目。这种方法将有效地为21世纪创建一个“新一代伟大天文台”计划，就像产生哈勃及其划时代同类产品的计划一样。“我保证了——我的许多同事也保证了——如果十年调查选择任何旗舰项目，那么那将是我欢呼的对象，”奥梅拉说。“只有当我们停止互相拆台时，新一代伟大天文台这样的事情才有可能发生。”

或者更确切地说，只有当天文学家在对待高迪所说的“天体政治”方面变得更加精明时，新一代伟大天文台才有可能实现。“我完全相信，拥有猞猁、起源和LUVOIR或HabEx——即所谓的‘LuvEx’——的‘新一代伟大天文台’计划可以通过给合适的人打一个电话来完成，”特伦布莱说。“因为在国会山，重要的不是总成本——而是年度拨款。在NASA的天体物理学预算中增加每年数亿美元就足够了。”

这种充满希望的猜测不一定只是异想天开。“我们正在讨论在NASA的预算中增加1%或2%的实际资金，以启动另一个伟大天文台计划，”一位贝尔特韦内部人士说。“这些是协调一致的倡导可以产生的扰动。只有大约30名参议员真正参与拨款，联邦政府的年度可自由支配预算约为2万亿美元。因此，将2万亿美元除以30，然后考虑为每位参议员工作的工作人员。你可能会惊讶地发现，任何远低于每年5亿美元的东西基本上都留给了工作人员，并在边际中消失了。”特伦布莱更直言不讳地说。“NASA实际上不是为总统行政办公室工作的，”他说。“它为那些在拨款委员会任职的、刚毕业几年、25岁的年轻人工作。一项旗舰任务——或一系列全新的伟大天文台——可能会在一些低级别工作人员吃墨西哥卷饼时被批准。”

一个问题

为了确保多旗舰的未来，天文学家可能需要一个总体目标，这个目标不仅能引起专业科学家的共鸣，也能引起他们所服务的政策制定者和公众（包括吃墨西哥卷饼的国会工作人员）的共鸣。为此，可以说，没有什么主题比人类长期以来对地外生命的探索更具吸引力了。

“如果十年调查想要获得最多的公众支持，他们应该将未来30年的美国天文学提炼成一个问题：宇宙如何孕育生命？”奥梅拉说。“想想获得答案需要什么。这不仅仅是走出去拍摄小型、温带系外行星的照片。你需要追踪从宇宙大爆炸到行星生物特征的原子和分子的产生，你需要了解星系和恒星是如何产生的，以便宇宙能够首先制造行星。你还需要了解生命可以在哪里存在和不能在哪里存在，这意味着更深入地探索太阳系，甚至可能将宇航员送往火星。解决这个单一的、根本性的问题可以与NASA的所有部门对话，同时也可以吸引NSF和国际合作伙伴。”

“这是考虑Astro2020‘特别’的另一个原因，”图姆林森说。“这是我们第一次可以理直气壮地说，我们正在概念性地设计任务，并合理预期在太阳系外的行星上找到生命。当你有机会这样做时，却不做——嗯，这在我看来有点疯狂。”

然而，许多天文学家也对承诺超出他们可能交付的能力感到不安。“这种心态，即我们都必须支持一件大事，而且这件大事必须足够大才能证明我们所有人都支持它是完全我们以前陷入困境的方式，”麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格说，她与高迪一起担任HabEx STDT的联合主席。“当然，寻找其他地球会得到公众的支持！但如果你给它标上一个美元数字——如果你告诉公众，每颗行星可能花费5亿或10亿美元，你认为他们会怎么说？碰巧的是，我们生活在一个非常难以找到的行星上——地球很小而且很暗淡，而且它们就在又大又亮的恒星旁边。这使得看到它们——或在它们上面寻找生命迹象——几乎不可能。”

至少，如果天文学家试图在现有预算和十年调查的十年时间框架内实现这些目标，情况就是这样。“对于我们来说，根据某个任意的时间长度（恰好是我们手指的数量）来决定天文学的未来，可能不是最好的方式，”高迪说。“也许我们应该决定一个不同的、更长的时间跨度，这个跨度实际上与我们正在考虑的任务相对应——这些任务随着时间的推移变得更加雄心勃勃、复杂和技术挑战性。这些真的不再是‘十年’调查了，而且已经有一段时间不是了。它们是多十年调查，我们只需要开始诚实地面对这一点。”

帕里奥特曾在国家科学院、白宫以及现在美国天文学家最大的倡导团体中亲身经历了这一过程及其不完善之处，因此他提出了一个简单的建议。“我们需要支持十年规划，因为这可能是我们在规划和执行一项对我们所有人都有益的计划时所能期望的最佳方式，”他说。“你知道那句关于民主的老话吗？也许它也适用于十年规划：它是最糟糕的做事方式——除了所有其他方式之外。”