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天文学的黄金时代即将要终结了吗?

admin  发表于 2020年01月13日


 

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图片来源:Anton Jankovoy,盖蒂图片社

 

在天文学家眼中,过去的几十年简直就是天文学发展的黄金时代。自上世纪60年代起,该领域就连续诞生了一系列令人惊异的发现。不过,好日子可能就要到头了,因为黄金时代不会永存于世。我们有理由为天文学辉煌的陨落而担心。

我为何如此忧心?天文学领域早期的一系列重大发现均源于观测,范围涵盖可见光波至不可见光波。当我们使用小巧的望远镜首次接触到无线电、X射线、紫外线以及外红线时,一个新鲜而神秘的世界便开启了它的大门。此后,随着新一代望远镜的性能的不断提升,中子星、黑洞、大爆炸遗留的辐射、暗物质、暗能量、系外行星等均逐一现身。

但与之相应的便是高额的建造及维护成本。而新一代望远镜的造价也早已是过去的好几倍。如今,单台大型望远镜的开销就足以占据美国宇航局(NASA)“大型天文学”项目十年的预算。例如,计划于明年发射的詹姆斯•韦伯太空望远镜(JWST)的造价就约为80亿美元。

在黄金时代,实现电磁频谱的全频段开发利用更是助力辉煌。从两颗中子星的合并中发现引力波就是一个绝佳的例子:地面探测器在时空中发现了因空间变化所致的涟漪,不过利用伽玛射线、x射线和可见光望远镜的后续观测,我们对此有了更全面的了解。理想状况下,我们仍需要几款与JWST相当的高灵敏“旗舰”望远镜,以便同时运行。

然而,如此顶级的天文望远镜却只能正常工作五年左右(尽管通常会延长至10年)。当太空红外望远镜JWST运行时,它的探测能力可要比前辈哈勃和斯皮策太空望远镜强10100倍。但是,直逼JWST高额造价的现状可能会推迟新一代太空望远镜的问世,至少需要10年时间。而那时JWST可能已“老态龙钟”。难以想象,JWST所取得的每一项新发现都要耗费至少10年的时间来跟进,届时,或许我们早已忘却了最初的目标。长久以往,天文学的进步将慢如蜗牛。

在这关口,抉择异常关键。倘若维持现状,容忍辉煌事业的逐步陨落,这将是危险的做法。其实,我们大可不必消极地接受现状,因为尚有两种积极的应对方式。

首先,不要沉浸于“大而不倒”这一观念。下一个天文十年规划将在2020年制订。遵照惯例,由委员会编撰的“十年调研报告”或权威报告将罗列出天文学领域的重大科学问题,顶级太空望远镜势必会成为探索答案的重要工具。“倾心相倚,不计成本”的后果便是造价暴涨。以JWST为例,其价格早已从十几亿美元猛窜至80亿美元,几乎占用了其他所有项目的经费。而这也正是引发长久争论的原因所在。不过,一旦取消JWST,项目本身必将落入俗套。既然毫无选择,那么唯一的解决办法就是向这项技术投入更多的资金。

为避开这一困境,“Astro2020”计划应创建多项新任务。以研制造价更低的太空望远镜为例,目前至少已有六个新思路,包括用于探测中子星合并的伽马射线望远镜,用于探索星系际空间的X射线和紫外望远镜,以及用于探清恒星和行星诞生奥秘的远红外望远镜,每一方面都独具特色,远胜于先前的太空望远镜。整套装置一旦在太空中部署展开,它们将足以胜任十年内的天文任务。

这一方法虽然可操作性强,但其成本仍过于昂贵。因此,唯有寻求第二种积极有效的解决方案,才能避免旗舰项目被搁置。太空探索商业化就是一个新的发展方向。目前,SpaceX公司发射卫星的成本是传统成本的三分之一,或许不久后将缩减至五分之一。这无疑能带来巨大的成本节约,并减轻工程师的重担,因为他们被要求尽可能地使用重量最轻的零件,而这一做法会严重影响到望远镜的质量。倘若限制解除,成本将削减三分之二。一旦成本降低,那么旗舰项目的执行率也能随之翻倍。趁着这股商业革命的势头,未来或许将有更多的太空旗舰项目不断涌现。

倘若这两类措施均能加以施行,那么天文学的春天将永驻。


 作者:Martin Elvis

翻译:刘师垚

审校:许伟凡

原文链接:

https://blogs.scientificamerican.com/observations/is-the-golden-age-of-astronomy-nearly-over/

 


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