美国国家科学院发布天文学和天体物理学十年调查报告

2022-03-14 15:26

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2021年11月4日，美国国家科学院（NASEM）发布题为《21世纪20年代天文学和天体物理学的发现之路》的十年调查报告（以下简称“十年调查”），确定了2022~2032年美国在天文学和天体物理学领域的科学主题、科学愿景以及优先资助建议^[1]。在美国国家航空航天局（NASA）、美国国家科学基金会（NSF）、美国能源部（DOE）等机构的资助下，美国国家科学院于2018年年底牵头组织开展天文学和天体物理学领域第七期十年调查工作。经过为期3年的广泛意见征集和研究，新版十年调查报告正式出炉。

一、科学机遇

天文学和天体物理学目前正处于蓬勃发展的时期，仅过去十年就有6项诺贝尔物理学奖被授予基于天文观测的科学发现（暗能量、引力波、中微子振荡、系外行星、宇宙学、超大质量黑洞）。美国国家科学院上一个十年调查报告规划的多个宏大科学愿景正在成为现实。

1、三大科学主题。本期“十年调查”围绕3个广泛的科学主题展开，这些主题包含了自本世纪初以来的一系列最令人兴奋的新发现和新进展，有望解决探索宇宙过程中最根本和最深刻的问题。

主题一：系外行星系统，基于对系外行星及其母恒星观测的革命性进展，旨在了解系外行星系统的形成、演变和相互作用，同时表征其宜居性等特性。

主题二：新信使和新物理学，充分利用引力波、粒子，跨电磁频谱的天空动态监测，以及从紫外线和光学到微波和射频的广域巡天等新观测工具和手段，探测宇宙中若干高能过程，并探讨暗物质、暗能量和宇宙膨胀的性质。

主题三：宇宙系统，将对恒星、星系以及与它们的形成、演化和命运相关联的气体和高能过程的观测与建模联系起来，开展系统研究。

2、三大科学愿景。在这些广泛而丰富的科学主题中，“十年调查”提出三大科学愿景，建议决策者在未来十年进行优先资助。

愿景一：开辟通往宜居世界的道路，旨在持续开展类地系外行星的识别和表征等工作，最终获得潜在宜居世界的图像和光谱。

愿景二：打开研究动力学宇宙的新窗口，旨在将天基和地基的时间分辨多波长电磁观测与非电磁信号相结合，研究黑洞、中子星等致密天体的性质及与其成因相关的爆发和并合事件，同时利用其引力波特征来了解宇宙诞生之初发生了什么。

愿景三：揭示星系增长的驱动力，通过研究可以演化为星系的脆弱宇宙气体网络的性质以及气体如何聚集和驱动恒星形成，从而彻底改变对星系起源和演变的理解。

二、主要建议

新投入运行的大型望远镜和任务将实现观测能力的重大飞跃。展望未来，“十年调查”给出了对天文学和天体物理学领域政府投资的系列建议，旨在为从专业基础到科学前沿铺平道路。

1、开拓前沿的大型项目。针对三大科学愿景，“十年调查”给出了需要在未来十年内开始设计和建造的大型天基项目（表1）和地基项目（表2）的投资建议。

（1）“大型天文台计划”和“技术成熟计划”将为任务概念和技术的共同成熟提供大量的早期经费资助，并在执行过程中进行检查和动态调整。

（2）受到寻找系外行星生命迹象技术的启发，以及望远镜技术为天体物理学带来的系统性变革能力，报告建议纳入该计划的首个任务是一台大型（约6米口径）红外/光学/紫外空间望远镜。这项任务有望深刻改变人类看待自身在宇宙中位置的方式。

表1  新建天基大中型计划建议

（3）对前沿地基天文台的优先对象考虑包括“巨型麦哲伦望远镜”（GMT）和“30米望远镜”（TMT）项目，并作为美国“极大望远镜”（ELT）协调计划的重要组成部分。

（4）地基宇宙微波背景研究有望在未来十年迈出一大步。在美国国家科学基金会和能源部的支持下，“宇宙微波背景天文台第四阶段”（CMBS4）任务将对宇宙学和天体物理学产生广泛影响。

（5）未来，一直保持世界领先水平的“卡尔·扬斯基甚大阵列”（JVLA）和“甚长基线阵列”（VLBA）射电天文台也必须由灵敏度水平提高约一个数量级的天文台取代。“下一代甚大阵列”（ngVLA）将采用分阶段方法实现这一目标，在开始建设之前完成设计、原型开发和成本研究，并开展多轮评审。

（6）中微子观测对于理解宇宙中的一些极高能量过程非常重要，“第二代冰立方中微子天文台”（IceCube-Gen2）有望在重要的天体物理学问题上取得进展。

表2  新建地基大中型计划建议

2、继续发展和平衡投资中小型科学计划

中等规模的任务和项目涉及更广泛的科学主题，“十年调查”建议持续开展若干基本项目。

（1）在空间方面，最高优先级的持续活动是天基“时域和多信使跟踪计划”下的小型和中型任务。此外，报告还建议在被确定为对实现科学目标非常重要的广泛领域中开展新的系列探测任务竞争。在未来十年，一项远红外任务或一项为补充ESA“先进高能天体物理望远镜”（ATHENA）任务而设计的X射线任务，将提供“探索者”（Explorers）级任务无法提供的强大能力。这一级别的任务成本上限为15亿美元，与大型战略任务相比科学目标更加聚焦，约每十年开展一次探测任务。

（2）地面项目方面，最优先的维持活动是大幅增加和扩大中型计划，包括增加战略性项目征求以支持报告提出的关键优先事项。报告还强烈建议对先进引力波干涉仪的技术开发予以资助，以升级NSF的“激光干涉仪引力波天文台”（LIGO），为未来的大型设施做好准备。

3、基础活动

“十年调查”同样关注构成天文学和天体物理学研究基础的重要因素，并建议有针对性地开展资助或提供政策支持。

（1）建议开展多项重要计划以支持处于职业生涯早期的人才，重点强调扩大机会、消除参与障碍、创造避免骚扰和歧视的环境、关注政策可持续性和建立问责机制、建立并维护关于资助结果的准确数据等问题。

（2）加强对科研人员的稳定支持。加强NSF天文学和天体物理学资助项目是培育研究基础系列建议中最优先事项。同时，大型巡天和共享公共数据集、大团队研究、机器学习、数值模拟等发挥着日益重要的作用，计算革命将不断改变天文学和天体物理学的研究范式，需要对该领域的投资方式进行调整以适应环境的变化。

（3）对空间和地面设施的运行费用提供充足支持，并在其运行期内开展定期审查，同时维护地面观测设施，使其成为拥有现代化先进仪器设备的一流设施。

（4）加强对中小型项目的资助。推荐主题包括：扩大“天体物理研究和分析计划”（APRA）；继续开展“天体物理学战略技术”（SAT）计划，以提升“探索者”（Explorers）和“探测器”（Probe）计划相关任务的开发能力；扩大“先进技术和仪器”（ATI）计划；评估NASA气球计划以获得最佳平衡。                               （王海名）

[1] Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s. https://www.nap.edu/catalog/26141/pathways-to-discovery-in-astronomy-and-astrophysics-for-the-2020s