科學網—《科學》:美國天文物理學前途未卜

2020-12-04 科學網
獨自發展還是合作研究
《科學》:美國天文物理學前途未卜
文章認為美天文物理學將在未來10年中被邊緣化

 

廣域紅外線巡天望遠鏡示意圖。

 

(圖片提供:NASA)

 

從暗能量到太陽系外行星的發現,20世紀90年代銘刻著美國天文學家的光榮和輝煌。他們說,藉助於最先進的儀器,比如廣域紅外線巡天望遠鏡(WFIRST),他們仍然會保持在暗能量等天文物理學研究領域的前沿陣地;但美國政府表示,這些儀器過於昂貴。與此同時,一個被稱為「歐幾裡德」的歐洲版暗能量探索計劃正在制定之中。天文學家擔心:美國是否正在放棄它在天文物理學研究領域的領導地位。

 

WFIRST根據美國宇航局(NASA)和能源部(DOE)建議的暗能量聯合任務而制定。經過10年的調查和辯論,2010年8月,美國國家研究委員會將WFIRST列為美國未來10年天文學發展的最優先計劃。該委員會認為,耗資16億美元的WFIRST是提升黑洞研究和尋找太陽系外行星的最佳途徑,NASA應該在2020年前讓這架望遠鏡升空。但是,最近出版的《科學》雜誌發表文章指出,實現這一目標的希望日漸渺茫。

 

用太空望遠鏡探索宇宙

 

太空望遠鏡的概念最初出現在20世紀40年代,因為地球大氣層對許多波段的天文觀測有影響,天文學家們設想將望遠鏡放置到太空,但直到20世紀90年代哈勃望遠鏡正式升空發射,人類才開始對宇宙深空的探索。

 

哈勃空間望遠鏡以天文學家愛德溫·哈勃的名字命名,1990年4月24日,由太空梭發送至地球大氣層之上的太空軌道,用於從紫外到近紅外的宇宙目標探測。在服役20多年後,NASA決定讓哈勃望遠鏡於2013年退休,並計劃於2014年發射新一代空間望遠鏡接替哈勃的天文觀察任務,該望遠鏡以NASA第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名,目標是尋找宇宙有史以來第一代恆星和星系;WFIRST則是美國暗能量探索計劃之一,旨在尋找並精確測量暗能量、尋找太陽系外行星。

 

暗能量是最近10年的最新發現,它是一種使宇宙膨脹加速的物質,普通常識或宇宙重力都不能局限它,物理學家們對暗能量現象有一種現成的解釋,但並不令人滿意,為此,需要對暗能量進行測量。1999年,美國加州大學伯克利分校的天文學家索爾·珀爾瑪特第一個提出了暗能量測量計劃,2003年,白宮要求DOE與NASA就暗能量測量項目進行合作,但合作並不順利,之後,暗能量探測任務轉到國家科學院,國家研究委員會將暗能量探測任務綜合為WFIRST計劃。

 

然而,2010年11月,NASA宣布:詹姆斯·韋伯望遠鏡將推遲發射。詹姆斯·韋伯望遠鏡的最初費用估計為65億美元,發射期是2017年,現在這兩個數字分別變成80億美元和2020年。這意味著WFIRST也不得不因此推遲發射期,美國的暗能量研究受到影響。

 

與此同時,歐洲版暗能量任務「歐幾裡德」計劃於2018年升空。「歐幾裡德」將耗資約10億美元,是歐洲空間局提出的三大方案之一。該局將於今年秋天最後決定是否對其投資。

 

獨立還是合作

 

2010年2月,歐洲人向美國NASA提議,讓NASA擁有20%的「歐幾裡德」股權,並在科學家工作小組中佔有兩個席位。2010年12月,NASA向有意加入「歐幾裡德」的美國天文學家徵求科學研究提案,但該計劃遭到部分天文學家的反對,他們認為,如果現在投資「歐幾裡德」計劃會分散資源,美國未來還能有自己的暗能量計劃嗎?2011年3月,NASA宣布:拒絕在歐洲暗能量任務中佔20%份額的支持性計劃。

 

鑑於詹姆斯·韋伯望遠鏡的麻煩,美國科學院委員會選擇從事暗能量探測的WFIRST作為優先事項。今年1月,委員會認為,與歐洲空間局建立20%的夥伴關係不明智,委員會表示,如果在未來10年中WFIRST得不到資助或在任何合作項目中不能起領導作用,那麼它希望NASA投資委員會用10年調查所建議的其他項目。

 

《科學》雜誌的文章認為,這一系列的變化顯示,美國天文物理學將在未來10年中被邊緣化。

 

在巴拉克·歐巴馬總統2012年的預算提案中,NASA有400萬美元用於WFIRST的概念發展。但有關官員指出,對WFIRST的任何承諾都必須等到NASA在今年夏天完成了對詹姆斯·韋伯望遠鏡的內部評估之後。

 

羅傑·布蘭福德是史丹福大學的天文學家,他領導了國家科學研究委員會的一項為期10年的研究。他表示,如果NASA不能在最近10年內資助WFIRST,自己將為整個學術界痛苦地感到失望,因為大家作了如此之多的艱苦努力,才選擇出這樣一個可執行的項目;政府的決策預示了美國科學領袖的糟糕未來,挫傷了願意從事暗能量和太陽系外行星探測的傑出青年人的士氣。WFIRST是否會輸給歐洲暗能量計劃,美國是否將屈居第二,布蘭福德和其他天文學家感到擔心。

 

儘管美國和歐洲的這兩個空間望遠鏡都用於暗能量研究,但它們各有不同。WFIRST是一個直徑為1.5米的紅外望遠鏡,它主要探測三個方面:弱引力透鏡效應、重子聲學振動和超新星。「歐幾裡德」望遠鏡的直徑只有1.2米,主要集中在弱引力透鏡效應和重子聲學振動研究。

 

詹森·羅茲是美國噴氣推進實驗室的天文學家,他作為「歐幾裡德」計劃國際聯盟成員幫助設計了這個項目,他說:「如果能影響『歐幾裡德』的設計和執行,這將是一個足夠大的股份。」

 

詹姆斯·格林是科羅拉多大學的天體物理學家、WFIRST科學定義小組的共同主席,他解釋說,部分天文學家反對與「歐幾裡德」合作是出於這樣的擔心,即將天體物理學的領導權讓給歐洲是一個災難性下降的開始,正如美國放棄粒子物理學的領導權一樣。他問道:「問題是,美國經得起一無所有嗎?」

 

但格林相信,合作並非完全不可能。如果在今年10月份,歐洲空間局選擇不資助「歐幾裡德」,那麼他和其他人推測,歐洲的項目締造者們將會歡迎NASA以50%的份額入股合作。

 

《科學》的文章認為,也許現在談論WFIRST的命運或是否與「歐幾裡德」合作為時過早,只有在NASA完成詹姆斯·韋伯望遠鏡的新計劃和歐洲空間局決定是否資助「歐幾裡德」之後,才可看見美國未來10年的天文學之路。

 

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