在美国国家科学院对天文学和天体物理学进行了最新的十年调查之后，天文学家将目光转向了未来，该调查推荐了新一代太空望远镜。 基思·库珀 探讨了它们的前景，以及从詹姆斯·韦伯太空望远镜的困难发展中吸取的教训
2021 年圣诞节对世界上大多数天文学家来说是一个快乐的日子，因为 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 终于推出了。 然而，围绕它在下个月在太空展开的大张旗鼓，以及随后对其第一张图片的欢呼，掩盖了观测天文学中一个令人不安的问题——这是美国宇航局其余大部分天基轨道天文台正在老化。 这 哈勃太空望远镜 自 1990 年以来一直在工作，而 钱德拉X射线天文台 将近十年后推出。 与此同时，他们的红外同胞， 斯必泽太空望远镜，于 2003 年推出，已于 2020 年关闭，不再运营。
这就是为什么天文学家担心，如果这些越来越摇摇欲坠的望远镜中的一个或多个发生问题，它们可能会被切断整个电磁波谱范围。 随着 Spitzer 的关闭，远红外线（160 微米) 已经遥不可及，因为 JWST 仅冒险进入 26 的中红外 微米。 相似地， JWST 并未像哈勃望远镜那样针对观察可见光或紫外线波长进行优化。 当然，即将到来的 南希·格雷斯·罗马太空望远镜 – 以前的广域红外巡天望远镜 (WFIRST) – 是一种光学和近红外望远镜，但它的视场比哈勃望远镜宽得多，这意味着它不适合进行近距离、详细的工作； 它也没有哈勃的紫外线覆盖范围。
伟大的天文台
为了确保我们在整个光谱范围内对宇宙的看法保持明亮，美国天文学家目前正在挑选和选择下一批太空望远镜。 美国国家科学院、工程院和医学院最新天文年代际调查的主要推荐——614页的报告 2020 年代天文学和天体物理学的发现之路 (Astro2020) – 用于制定计划，以便在 2040 年代开始发射新一代“大天文台”。 这与钱德拉、哈勃、斯皮策和 康普顿伽马射线天文台 （在 1991 年至 2000 年间运行，并于 2008 年由费米太空望远镜继承）正在开发中，被誉为“伟大的天文台”。
这些望远镜相互配合研究宇宙，几十年来一直引领着 NASA 的天体物理学研究。 该调查的联合主席说，在新的十年调查中重复使用“伟大的天文台”这个词是有意的， 加州理工学院的 Fiona Harrison. “这是为了说明从 X 射线到红外线的全色观测对于现代天体物理学来说确实必不可少，”她说。 “[原始] 伟大天文台的很多成功在于它们是一个接一个地开发和发射的，具有重叠的观测。”
建造一架成功的太空望远镜是一个漫长的过程，从开发开始到发射通常需要 25 年。 哈勃的概念工作始于 1960 年代，而 JWST 的计划于 1995 年首次形成，之后 哈勃深场图像 表明第一个星系在更大的望远镜的范围内。 因此，下一代此类天基探测器最早要到 2040 年代才会发射。 但它们将包括该调查的头号建议：一项取代哈勃的旗舰任务，从两个概念中汲取灵感—— 宜居系外行星天文台 (HabEx) 和 大型紫外线、光学和红外线 (LUVOIR) 望远镜。 绘图板上还有一个 X 射线任务和一个可以在远红外线中观察的望远镜。
但考虑到我们目前的太空望远镜的健康状况不稳定，并且知道新的任务要再过 20 年才能发射，天文学家不应该在多年前就开始规划新的大型天文台吗？ “当然，”说 斯坦福大学的 Steven Kahn，他主持了十年调查中的一个小组，该调查着眼于未来的太空望远镜。 他引用了 Constellation-X 天文台——一种 X 射线太空探测器，在 2000 年的十年调查中被推荐作为钱德拉的后续行动，但由于 JWST 的长期发展而从未实现，它吸收了所有天体物理学预算。 “JWST 基本上主导了 NASA 的伟大天文台计划长达两年半，”卡恩解释道。 “因此，没有空间进行后续的 X 射线任务，或者我们设想的那种开创性的远红外任务。”
赢家拿走一切
事实上，JWST 的开发遇到了很多问题，包括成本和开发时间的巨大超支，几乎导致项目被取消。 这些错误的记忆在新的十年调查中显得尤为突出，影响了为恢复美国天体物理学平衡而提出的一些建议。 但它并不总是这样。 卡恩感叹，在 2000 年调查之前，仅仅在十年调查中获得建议列表就足以保证你的项目或任务会发生。 但在价值 10 亿美元的望远镜的现代时代，“你必须成为第一，否则你将无法完成它”，卡恩说。 “问题在于，在这个赢家通吃的环境中，每个人都想把所有的花里胡哨的东西都投入到一个项目中，因为如果你认为你在未来 50 年内只有一次机会完成一项重大任务，你想让它算数。
正是这种思维方式可能导致 JWST 面临和造成的问题。 任务设计变得越复杂，您希望它具有的仪器和功能就越多，以使其变得有价值——这意味着它变得更加昂贵并且需要更长的开发时间。 “所有这些都让我们重新陷入赢家通吃的恶性循环，”卡恩继续说道。
哈里森对此表示同意，并强调这项新的十年调查是试图改变美国天文学的方法。 “对于一项十年期调查来说，这是头等大事，我们无论如何都需要这样做，无论最终成本如何，这不是一种负责任的做法，”她说。 为了解决这个问题，最近的调查提出了一些新建议。 其中的一个想法是任务的设计应该与特定的科学优先事项保持一致，而不是让任务概念与所有的“花里胡哨”一起跑掉，引用卡恩的话。
例如，卡恩小组研究的关键科学问题之一是遥远尘埃星系中活跃的超大质量黑洞影响恒星形成的方式。 高角分辨率 X 射线望远镜可以探测到物质在此类黑洞上的吸积，而远红外光谱任务将能够穿透尘埃并探测与恒星形成和反馈有关的特定光谱线黑洞风。 希望这两项任务能够在几年内相继启动，并协同运作。 然而，这些任务将采取什么样的形式仍然悬而未决。
在十年调查之前有两个任务概念—— 山猫X射线天文台 和 起源太空望远镜 – 它将在中到远红外波长下运行，望远镜镜面直径在 6 到 9 米之间。 每个项目的成本估计约为 5 亿美元，但十年调查得出的结论是，这些成本被低估了，而且它们的科学能力并不完全符合专家组所寻求的要求。
旗舰任务
十年调查的其他创新之一——即称为“探测器级”的新型太空望远镜，其预算为数十亿美元。 “我们必须承认，如果一切都像 JWST 一样昂贵，那么就很难让所有伟大的天文台同时运作，”说 亚利桑那大学的 Marcia Rieke，他领导了第二个太空望远镜小组，重点关注光学和近红外领域。 “相反，最好的方法可能是执行一项旗舰任务，然后让探测任务覆盖电磁频谱的其他部分。”
事实上，任何可能的 X 射线和远红外探测器级任务也可以通过探测器级紫外线望远镜加入。 在过去的几十年里，反射镜涂层和探测器的改进意味着 1.5 米的望远镜实际上在紫外线波长上可能比哈勃更灵敏。 “这将为哈勃彻底失败提供一些鲁棒性，”Rieke 说。
为了帮助开发这些未来的太空望远镜，无论它们是作为价值 10 亿美元的庞然大物还是作为更温和（但仍然雄心勃勃）的探测任务继续前进，十年调查建议 NASA 创建一个新的 大天文台任务和技术成熟计划. 哈里森说，它不仅会发展技术，还会“使任务概念成熟”。 作为这项新计划的一部分，美国宇航局已经举办了研讨会，并制定了探测任务的征集草案。
如果 X 射线和远红外任务（目前绰号为“火”和“烟”）是探测器级的，那么旗舰大天文台将成为期待已久的哈勃太空望远镜的直接替代品。 引领潮流的概念是 LUVOIR，并且已经提出了两种版本的望远镜：要么是雄心勃勃的 15 米望远镜，要么是 8 米望远镜，后者仍将是有史以来发射的最大的太空望远镜。
其他地球
出于成本和实用性原因，十年调查建议放弃 15 m 版本，最终设计融合了 LUVOIR 和 HabEx 的最佳部分。 Rieke 解释说，这台望远镜的关键科学目标是它必须能够探测恒星宜居带中的地球质量行星。 为此，Rieke 的小组与系外行星社区进行了讨论，讨论了根据望远镜的大小可以检测到多少可能适合居住的行星。
“作为一个群体，你会问：关键的科学目标是什么？ 需要什么级别的灵敏度？ 能完成这项工作的最小望远镜是多少？” 里克说。 她得到的答复是，如果你想找到可能适合居住的系外行星，6-8 米口径的望远镜就够小了。
不过，成功不仅仅与望远镜的大小有关； 它的仪器也必须达到标准。 成功地成像地球大小的行星靠近它们的恒星将需要日冕仪作为其设计的一部分。 像地球那么大的系外行星通常无法成像，因为它们恒星的眩光太过强烈。 日冕仪会阻挡恒星的光线，从而更容易看到任何行星。 几十年来，它们一直是太阳研究的主要内容——它们的名字来源于阻挡太阳的圆盘，这样天文学家就可以看到日冕。 但是设计一个日冕仪可以精确地阻挡恒星的强光，它看起来基本上是一个点光源，同时通过将恒星的眩光和行星的光之间的对比度降低到 10，让距离恒星只有几毫秒的行星可见 - 10，是“远远超出我们之前所做的任何一步”，Rieke 说。
太空之外，地面上的望远镜
并非十年调查的所有建议都与太空中的巨型望远镜有关。 事实上，其中一些是牢牢扎根在地球上的巨型望远镜。 例如，备受争议的 三十米望远镜 将建在夏威夷的莫纳克亚山上，不顾一些夏威夷原住民的抗议，继续向前推进。 也是如此 大麦哲伦望远镜，正在智利建造，将配备七台 8.4 米望远镜，有效直径为 24.5 米。
该调查还建议， 下一代甚大阵列 – 分布在美国西南部的 244 个直径为 18 米的无线电天线和 19 个直径为 6 米的无线电天线应该在本世纪末开始建造。 它将取代新墨西哥州老化的甚大阵列和美国各地的超长基线阵列。 升级到 大型干涉引力波天文台 (LIGO) 和最终继任者的计划也被推荐。
与此同时，宇宙学家将很高兴听到这项调查还要求建立一个新的地面天文台，称为 CMB Stage 4 天文台，以检测宇宙微波背景辐射中的极化，以寻找宇宙膨胀产生的原始引力波的证据在宇宙最早的时刻。
最后，回到太空，中等规模任务的最高优先级是快速响应时域和多信使程序，以取代 NASA 的 Swift 航天器并探测超新星、伽马射线暴、千新星和各种其他类型的天文瞬变。 至关重要的是，这个新计划中的任务需要能够与 LIGO 的地面观测一起工作并提供支持， 切伦科夫望远镜阵列 和 冰块 中微子探测器，还推荐了“第二代”探测器。
资金充足？
对十年期调查建议的总体反应大多是积极的，美国国家航空航天局 (NASA) 国家光学-红外天文研究实验室（NOIRLab） 和 国家射电天文台 (NRAO) 所有人都对此表示认可。 Harrison 说，下一步是说服政治家放弃建造大型天文台所需的资金。
下一步是说服政治家放弃建造大型天文台所需的资金
Fiona Harrison，加州理工学院
“对于我自己和 Robert Kennicutt [Harrison 来自亚利桑那大学和得克萨斯 A&M 大学的联合主席] 来说，现在的重点当然是尝试向国会表达调查推荐的令人兴奋的项目，”她说。 “这是 NASA 的积极回应，它希望提出建议，但必须有预算。”
如果这笔钱到位，Rieke 估计光学望远镜技术成熟所需的资金约为 XNUMX 亿美元。 “然后，我们将做好准备，在这个十年即将结束时，让所有的技术鸭子坐在一排，我们将能够进入建设阶段，”她说。
所涉及的时间尺度是惊人的。 如果哈勃望远镜和钱德拉望远镜可以作为参考，那么 2040 年代发射的下一代望远镜在 2070 年代或更长时间后仍可运行。 因此，十年调查的建议不仅对未来 10 年的天文学很重要，而且对它们对本世纪大部分时间的影响也很重要。 因此，调查面临着巨大的压力，以使其正确无误。
“这就是选择雄心勃勃的目标很重要的地方，”Rieke 说。 “你必须确定一件如此重要以至于每个人都同意的事情，并且足以向前迈出一步，以至于在你这样做的时候其他事情不会超越你。” 历史将评判这项十年调查的关键决定是否正确，但从今天的角度来看，天体物理学的未来有望成为一个令人兴奋的未来。
