天文学家将宜居系外行星、黑洞和包容性作为未来十年的首要任务

11月4日，美国国家科学院、工程院和医学院发布了一项“十年调查”，列出了未来 10 年天文学和天体物理学研究的科学重点和资金建议。

这份名为“2020 年代天文学和天体物理学发现途径”的文件确定了学科应重点关注的三个顶级项目：发现和研究宜居系外行星，探索黑洞和中子星作为早期发现的窗口。宇宙，并更好地了解星系的起源和演化。它还强调了使天文学成为一个更具包容性和多样性的领域的重要性。

“这份报告为未来十年的天文学和天体物理学设定了一个雄心勃勃、鼓舞人心和有抱负的愿景，”美国国家科学院调查指导委员会联合主席菲奥娜·哈里森在一份声明中说。

“在改变我们为最雄心勃勃的战略太空项目计划的方式时，我们可以开发广泛的任务组合来追求有远见的目标，例如在我们银河系附近围绕恒星运行的行星上寻找生命——同时利用丰富的21 世纪的天体物理学通过全色舰队，”哈里森补充道，他是帕萨迪纳市加州理工学院物理、数学和天文学系主任。

有影响力的文件

美国国家科学院为包括行星科学和地球科学在内的各个领域准备了十年调查。顾名思义，它们每 10 年左右出现一次；上一个天文学和天体物理学十年——“天文学和天体物理学的新世界、新视野”——于 2010 年发布。

大量工作涉及这些文件，这些文件是由它们所涵盖领域的杰出研究人员起草的。例如，新发布的调查长达 614 页。

“‘2020 年代天文学和天体物理学的发现之路’通过数百份白皮书、市政厅会议和 13 个小组多年来的建议从天文学界汲取了意见，以提出建议，”美国国家科学院代表在报告中写道。

十年调查具有难以置信的影响力；NASA 和美国国家科学基金会 (NSF) 等政府机构依靠它们来决定如何分配资金和其他资源。例如，2001 年天文学和天体物理学十年将下一代太空望远镜确定为未来 10 年发展的最高优先任务。这个雄心勃勃的天文 台，现在被称为詹姆斯韦伯太空望远镜，计划于 12 月 18 日从法属圭亚那发射升空。

2010年，“新世界，新视野”将广域红外巡天望远镜（WFIRST）和大型天气巡天望远镜（LSST）列为特别重要的项目。两者现在都在向运营迈进，尽管并非没有一些戏剧性。WFIRST，现在被称为南希格雷斯罗马太空望远镜，计划不迟于 2027 年 5 月升空，地面 LSST，现在称为维拉 C.鲁宾天文台，将在 2022 年或 2023 年睁开眼睛，如果所有的话按计划进行。

三个重点领域和一个新的“伟大的天文台”计划

新发布的调查确定了未来十年应受到特别关注和投资的三个“优先领域”。

其中一个名为“通往宜居世界的途径”，是一项旨在帮助发现和描述类地系外行星特征的程序，其目标是最终捕捉这些世界的照片并分析它们的大气成分。

第二个是“动态宇宙的新窗口”，描述了在地面和太空中使用各种仪器（包括检测引力波的装置）研究黑洞和中子星的努力。该报告的作者写道，更好地了解这些奇异的、超高密度的物体可以为早期宇宙提供相当多的线索。

第三个重点领域，“揭示星系增长的驱动因素”，旨在彻底改变科学家对星系形成和演化的理解，“从供给它们的脆弱的宇宙气体网的性质，到这种气体如何冷凝和驱动恒星的形成，”十年调查指出。

为了帮助实现这些和其他雄心勃勃的目标，该调查建议建立一个“大天文台任务和技术成熟计划”——这是对美国宇航局大天文台计划的回调，该计划从 1990 年到 2003 年发射了四台强大的太空望远镜，从标志性的哈勃望远镜开始太空望远镜。

根据新的十年计划，新的大天文台努力“将为任务概念和技术的共同成熟提供重要的早期投资，对范围进行适当的十年调查投入，并在此过程中进行检查和路线修正”。

该调查还建议该计划的第一个任务应该是一个红外/光学/紫外（IR/O/UV）空间望远镜，主镜直径约为 19.7 英尺（6 米）。这比哈勃的镜子宽大约 2.5 倍，与韦伯的镜子大致相同，韦伯的镜子经过优化，可以在红外光下观察宇宙。

调查确定，这种设想中的太空望远镜可以在大约 25 颗可能宜居的系外行星的大气中寻找生物特征，并准备在 2040 年代初发射。如果一切顺利，它的任务可以花费大约 110 亿美元——与韦伯大致相同的价格标签，其总成本约为 100 亿美元。

这个提议的 IR/O/UV 空间望远镜的目标与 NASA 自 2016 年以来一直在开发的两个概念任务——大型紫外光学红外测量仪 (LUVOIR) 和宜居系外行星天文台 (HabEx) 的目标大体相似。

有两种潜在的LUVOIR变体，它们的主镜分别为 49.2 英尺（15 m）和 26.2 英尺（8 m）宽。HabEx 的主镜宽 13 英尺（4 m）。

该文件称，十年间推荐的 IR/O/UV 空间望远镜是这些选项之间的中间地带：它比 HabEx 功能更强大，并且可以比 LUVOIR 版本更快、更经济地开发。

如果新十年中制定的愿景成真，其他大型天文台将相对快速地接替新的 IR/O/UV 太空望远镜。在第一个范围的工作开始五年后，“调查建议开始远红外和 X 射线大型战略任务的任务和技术成熟，这两个任务的实施成本都在 30 亿至 50 亿美元之间， "新报告指出。

十年调查还建议对大型地面望远镜进行重点投资——特别是目前正在智利安第斯山脉建造的巨型麦哲伦望远镜和计划在夏威夷建造但遭到反对的三十米望远镜在状态。

调查指出，理想情况下，此类投资将“作为协调的美国超大望远镜计划 (ELT) 计划的组成部分”进行。“这些天文台将为未来几十年乃至以后的科学进步创造巨大的机会，它们将解决所有三个优先科学领域的几乎所有重要科学问题。”

使天文学和天体物理学更具包容性

该十年还强调需要更多投资来支持研究设施、早期职业科学家和数据存档等重要活动。

天文学和天体物理学都是男性主导的领域，少数群体的代表性低于整个社会——新报告希望帮助改变这种情况。

调查指出：“应该增加资助大学天文学和天体物理学课程的不同教职员工。”

“在其他步骤中，报告建议 NASA、NSF 和美国能源部 (DOE) 确保他们的政策将骚扰和歧视视为科学不端行为的形式，并在部门和董事会层面投资于劳动力多元化——并考虑包括项目团队和参与者的多样性作为授予资金时的标准，”它补充道。“NSF 和 NASA 应该为培训和博士后奖学金提供资金，以发展多样化和包容性的卓越。”

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