2021年11月，美国国家科学院发布了最新的“十年规划”。这对美国宇航局(NASA)和美国国家科学基金会(NSF)都有极大影响，因为这份规划直接决定这两个机构未来获得多少拨款的可能性。这两个机构不仅是美国天文学研究的最主要资助者，其动向也深受全世界天文学界的关注。

最新版的“十年规划”凸显了一些优先的科研事项，包括研究星系和系外恒星系的形成和演化。它也提出，我们若要获得那些研究所需的数据，需要有哪些硬件设施。这个例子中涉及的便是NASA的新一代“大型轨道天文台计划”：一台韦布太空望远镜级别的望远镜，对从紫外线到红外线的波长都很灵敏。

十年规划”所呼吁建设的一些硬件设备远远超出未来十年之期

应该关注什么?

“十年规划”表示，在未来十年里，有三个领域应该成为天文学的主要焦点。

第一个领域是星系的形成和演化。

这个领域很可能从韦布太空望远镜中获益匪浅。韦布太空望远镜经过专门设计，收集特定波长的数据，从而能为宇宙中一些最早出现的星系成像。

预计在未来十年中的晚些时候发射升空的罗曼太空望远镜也会提供星系的宝贵观测数据。

基于我们宇宙中暗物质的视含量(apparentcontent)而建立的模型表明，最早出现的第一批星系是沿着由暗物质构成的纤维网形成的，接着通过合并和碰撞而不断壮大，变成我们如今看到的成熟星系。在星系演化过程中，延续不断的大尺度相互作用帮助生成星系团之类的结构。

各种证据都支持这些模型的不同特征，譬如说，我们早已清晰观察到星系碰撞及衍生结果，而且我们也许已经为一些暗物质纤维成像。但这个过程的早期阶段有一些关键性的缺口，有许多细节尚待补充。

第二个焦点领域与上面的目标不同，区别主要在于尺度。

我们有许多建模来指明系外恒星系随着时间流逝能够如何形成和演化，但是对于这些恒星系及它们所包含的行星目前是什么样子，我们仅仅掌握寥寥无几的数据。

造成这个局面的部分原因是开普勒太空望远镜遇到设备故障，使得它无法发现那些没有相对紧挨母恒星做轨道运行的行星。

这个领域也有许多天文学研究工作要做，韦布太空望远镜和罗曼太空望远镜对于某些波长很灵敏，而那些波长下的观测结果能帮助解开部分谜团。但我们也需要对于其他波长的天文观测，以便理解太阳之外其他恒星活动中的要素（譬如表面亮度起伏）。

或许，这些望远镜将做出的最大贡献会是对系外行星大气层的研究提供一些系外行星成分的指示，进而有可能指明该系外行星是否孕育生命——或者是否显示出当前有生命存在的证据。显然，后一项探究会是天文观测的一个关键焦点。

名单中的第三个焦点领域是所谓的“多信使天文学”。

多亏了冰立方中微子天文台和日益增多的引力波探测器，我们如今能利用光的波长、空间结构的变化、事件产生的亚原子粒子来同时观测天文事件。多信使天文学技术潜力无穷，能针对宇宙中从大质量恒星的消亡到黑洞合并的最高能事件，提供完整得多的图景。

这类研究工作刚刚开始，具有扩展硬件设备阵容的潜力，譬如第一时间通知天文学家某个天文事件的出现，或者让硬件设备对这些通知迅速做出响应，提供天文观测。

建造哪些设备?

将要建造的设备名单中，最重磅的一项是建造一台灵敏波长范围十分宽的大型天基望远镜，从而能对系外行星大气层更好地进行表征分析。

这个例子中的“大型”是指尺寸与韦布太空望远镜大致相当，也就是说比哈勃空间望远镜大出一截。

新建的太空望远镜会对极其宽的波长范围都很灵敏，与韦布太空望远镜和哈勃空间望远镜的联合波长范围大幅重叠。

这是一个大规模项目，要到21世纪40年代才会被实际送入太空——而那已经是在本次“十年规划”所对应的时期之后。

本次“十年规划”转而建议的是，在未来十年里建立大型项目开发的新程序，也被称为“大型轨道天文台任务和技术成熟计划”。该计划的主要目标：抢在项目深入开展、任何问题都可能带来无法解决的复杂性之前，在筹划阶段的早期，管理好技术风险。

“十年规划”建议，用中端硬件设备来处理一些技术问题，那些中端设备既可用来进行天文观测，也可测试新硬件。到未来10年的末期，先发射两台中型天基望远镜，一台进行红外线观测，一台进行X射线观测。

“十年规划”的作者也建议NASA执行一类介于中等价格“探索者”任务和“大型轨道天文台”之类大型项目之间的太空任务。这类任务被冠名为“探测器级任务”，我们若要将两台中型望远镜送入太空，这些任务能作为练习，提供必需的经验，并且能为未来的大型轨道天文台开发提供模板。

对于地球上的天文学研究，“十年规划”呼吁美国支持下一代极大望远镜“巨型麦哲伦望远镜”和“30米望远镜”的研发工作。美国对这两台望远镜建造所做的贡献会确保这些项目于21世纪30年代中期完工之后，美国天文学家能获取观测时间。按照计划，美国还会新建或升级一处射电望远镜阵列，相比于现有的“卡尔·央斯基甚大无线阵”和“超长基线阵列”，它的灵敏度会提高一个数量级。

多信使天文学应该通过持续拨款获得推动，研发用于下一代引力波天文台的技术。

还应该得到优待的是“冰立方2”项目的拨款，“冰立方2”是当前部署在南极的冰立方设施的一个扩展版本。

还有一项提议是资助下一代研究宇宙微波背景的硬件设施。宇宙微波背景是宇宙早期生成的能量，捕捉了关于宇宙大爆炸的信息。

最终，NASA应当确保我们在太空中拥有需要的硬件，使得多信使观测成为可能。

展 望

谁也无法保证科研资金会流向“十年规划”中列出的目标，一些科研项目所需要的国际协议也不一定能够落实到位。但“十年规划”广泛听取天文学界的意见，纳入所有主要资助机构的情报，确保他们的建议事项在合理的预算预期之内。

显而易见的是，未来会出现各种出其不意的情况——技术上的，财政上的，科学上的情况——重新指导天文研究的优先顺序。然而，以上列举的这些目标很可能会继续保持其重大的影响力。

审校：王乔琦、张瑞山

责编：游文娟

资料来源：

New astronomy roadmap calls for huge, broad-spectrum space telescope

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