美国天文学最新的十年计划为何侧重于外星地球

　　美国国家科学院最新的十年调查中最长期的建议是下一代甚大阵列（NGVLA）。上图是新墨西哥州索科罗以西的 Karl G. Jansky 超大型阵列。NGVLA 将用覆盖美国大陆大部分地区的新阵列取代它，利用现代计算将其组合成一个跨越数千英里的望远镜。（图片来源：NRAO/AUI/NSF，Jeff Hellerman）
　　通过对比每十年，美国国家科学院、工程院和医学院都会发布一份报告，帮助确定未来十年天文学和天体物理学界的研究重点。
　　今年早些时候，发布的第七次也是最新一次的＂十年调查＂，推荐了一些新的和雄心勃勃的地面和太空观测站和任务，以发现太阳系外的行星——类似于地球的太阳系外行星；研究碰撞黑洞和其他宇宙灾难；并了解星系的起源和演化。它还概述了新举措，以帮助确保按时、按预算开发对这些任务至关重要的工具和技术。与过去的十年调查不同，这份最新报告还关注影响天文学和天体物理学界的更广泛问题，包括其从业者的多样性和心理健康以及他们与整个社会的关系。
　　斯坦福天文学家布鲁斯·麦金托什（Macintosh）是美国国家科学院委员会的成员，该委员会发布了这份长达 614 页的报告，题为＂2020 年代天文学和天体物理学的发现之路＂。Macintosh 的研究重点是直接对太阳系外行星进行成像，他向斯坦福新闻讲述了该报告的结论和建议。十年调查建议 NASA 和美国国家科学基金会 (NSF) 分别建造几个新的空间和地面观测站。这些天文台将有何不同，它们将研究什么？
　　在实地，对 NSF 提出了三大建议。最高优先级是在一个或两个＂超大望远镜＂项目合作中发挥联邦政府的作用——在巨型麦哲伦望远镜和三十米望远镜中各占 25%。这些是通用设施，几乎可以进行任何类型的天体物理学，从绘制附近的小行星到数十亿光年外的第一个星系，以及研究系外行星。
　　最长期的推荐是下一代超大阵列 (NGVLA)。目前的 VLA 是新墨西哥州的一个射电望远镜天线网络，它们组合成一个 20 英里宽的望远镜——我们称之为＂射电干涉仪＂。NGVLA 将用覆盖美国大陆大部分地区的新阵列取代它，利用现代计算将其组合成一个跨越数千英里的望远镜。它还将执行许多不同的科学任务。
　　美国国家科学基金会和能源部联合提出的第三项地面建议是建造一个更专业的射电望远镜阵列来观察宇宙微波背景（CMB）——大爆炸留下的辐射。重要的是，Decadal 不仅仅推荐它用于宇宙学和早期宇宙——望远镜将测量整个天空，并能够看到星系团、恒星爆炸等，该项目必须提供数据给大家。
　　在太空中，最大的建议是为研究类地行星而优化的大型光学/红外/紫外线望远镜，以及大天文台计划——更多内容见下文。在这些项目的开发过程中，将会有一个定期计划，用于执行一种称为＂探测＂的新型任务。关于 [6.9 亿美元] 斯坦福领导的费米宇宙飞船的成本，这些是强大但专业的任务；团队将竞争，看谁能领导哪个任务。迄今为止提出的两个探测任务是远红外望远镜，可以研究早期星系中的尘埃或在行星形成时追踪水，或者是具有极其精确光学的 X 射线望远镜，可以拍摄黑洞等物体的超清晰图像。
　　根据调查，系外行星应该是未来十年该领域的主要研究重点。这是为什么？在过去的十年中，我们一直在研究系外行星，但主要是通过计算它们——弄清楚存在多少不同大小的行星。我们不知道他们中的许多人到底是什么样的。现在我们开始详细研究它们并测量它们的大气。使用我们现在拥有的望远镜，我们可以对离它们的恒星非常近或非常远的巨行星（海王星或木星大小）做到这一点。
　　在接下来的十年中，我们将测量新型行星的光谱或光。即使是本月晚些时候发射的新詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）仍将仅限于靠近恒星的行星——比水星离我们的太阳更近——但足够敏感，可以测量地球大小行星的大气。大多数会过热，但有些靠近最小和最冷的恒星运行，可能具有类似地球的条件，例如其表面的液态水。超大望远镜也将发挥作用，探测像我们自己的气态巨行星这样的行星，并帮助综合了解行星如何形成和演化，并可能接近生命的条件。
　　委员会建议天文学和天体物理学界在未来十年关注除了恒星和行星，委员会还确定了另外两个主要研究主题和其中的优先领域。数千年来，天文学家一直在用光研究宇宙——无论是可见光、X 射线光还是射电光。但是宇宙向我们抛出了很多其他的东西——宇宙射线、中微子和我们称之为引力波的空间涟漪。这些＂新信使＂来自充满活力和奇异的物理学。新的信使项目将专注于动态宇宙，我主要认为它是＂爆炸的东西＂——爆炸的恒星、相互碰撞的黑洞。
　　第三个主题是＂宇宙生态系统＂。宇宙是由三种事物构成的。中等神秘的是＂暗物质＂——一种无形无形的东西，它仍然贡献了宇宙中大部分的质量和引力。最神秘的是＂暗能量＂，一种加速宇宙分裂的力量。第三种是普通物质——气体、尘埃和恒星。
　　虽然普通物质似乎最不神秘，但在某些方面它是最难用我们的计算机建模的，因为物质可以通过多种方式与自身相互作用。这个主题的重点是星系的成长。感谢像Risa Weschler这样的人，我们开始了解暗物质是如何凝结形成星系的引力井的。2020 年代的设施通过观察受其影响的恒星光来绘制暗物质图。新设施将研究气体和尘埃以及来自引力井的反馈——气体变成恒星，然后爆炸并将气体吹出星系——以及星系如何形成和制造恒星和行星的细节。
　　委员会建议 NASA 制定一项新计划，称为大天文台任务和技术成熟计划 (GOMTMP)，这将代表 NASA 计划和开发大型天文学项目的方式发生根本性转变。该倡议的一些关键方面是什么？大型太空望远镜非常昂贵——从钱德拉 X 射线天文台的 30 亿美元到哈勃和 JWST 的 100 亿美元不等。这些在科学上令人惊叹，但也有复杂的记录。例如，自从上一个 Decadal 推荐以来，JWST 的成本已经大幅增长。
　　GOMTMP 应该减少不确定性。在一项新的太空任务真正开始之前，美国宇航局将在早期开发技术和任务设计方面进行重大投资，这样当一项任务最终获准启动时，美国宇航局、科学家和国会就能准确估计其成本并知道它是否可行。
　　那么问题来了，最近几年疯狂马斯克疯狂的制造星链是为了什么？是为了科技还是为了政治，或者是为了梦想？下回聊。
　　本文章部分数据引用
　　美国国家科学院杂志
　　美国国家工程院杂志