天文學未來 10 年的 3 大目標：探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告

• 作者／林彥興｜EASY 總編輯，現就讀清大天文所，努力在陰溝中仰望繁星

經過三年的漫長等待，Astro2020 終於在台灣時間 11/5 凌晨公布了結果報告。這場十年一次的大型天文會議，產出了一份 600 多頁的報告書，對美國國家天文發展策略提出建議。這份報告，將影響未來數十年美國乃至於全世界的天文物理發展。

這項「十年調查」為何至關重要？

Astro2020 的全稱為「天文學和天體物理學十年調查 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020」。正如其名，這是美國國家學院大約每十年會召開一次的超大型會議。會中將蒐集來自各方天文學家的觀點，回顧過去十年間天文物理的重大突破，鎖定未來十年美國最應該優先投資的研究領域，並且研擬達成這些科學目標所需要的方法與技術，最終將這一連串的構想整理後，向政府機構（如 NASA、NSF）提出建議，成為它們規劃預算的重要參考。換言之，這場會議將會左右未來十年數十億甚至上百億美金的預算分配，重要性可想而知。

Decadal Survey 的歷史相當悠久，第一屆舉辦於 1964 年，之後大約每隔十年開一次，一路進行到今天。歷史上多個重要的天文計畫，比如：

• 甚大天線陣列 VLA（1960s / 1970s）：著名的美國無線電陣列望遠鏡。
• 哈伯太空望遠鏡 HST（1970s）：NASA 的大型軌道天文台（Great Observatories）之一，無人不知的光學太空望遠鏡。
• 錢卓 X 射線太空望遠鏡 Chandra（1980s）：大型軌道天文台之一，軌道上最頂級的 X 射線天文台之一。
• 史匹哲太空望遠鏡 Spitzer（1990s）：大型軌道天文台之一，觀測中紅外線波段的太空望遠鏡。
• ALMA（2000s）：當代最頂尖的次毫米波陣列望遠鏡。
• 韋伯太空望遠鏡 JWST（2000s）：即將於今年底升空，新一代的旗艦級紅外線望遠鏡。
• 羅曼太空望遠鏡 Roman（2010s）：下一代近紅外太空望遠鏡，在不犧牲解析度的前提下，擁有比哈伯大 100 倍的視野。
• 薇拉．魯賓天文台 Rubin（2010s）：預計兩年內落成的革命性巡天望遠鏡。

它們都曾是 Decadal Survey 推薦優先執行的重要計畫。

天文學未來 10 年的 3 大目標

Astro2020 提出，2020 年代天文物理的三個優先領域分別是：

1. 通往適居世界之路 Pathways to Habitable Worlds
   以高對比度（high contrast）的探索系外行星與其中可能存在的生命跡象。
2. 動態宇宙的新窗口 New Windows on the Dynamic Universe
   以重力波、微中子等多個資訊信使研究超新星爆炸、中子星合併等劇烈事件。
3. 揭密星系演化推手 Unveiling the Drivers of Galaxy Growth
   研究宇宙一百多億年來的星系演化。

綜合上述三個領域的需求之後，Astro2020 提出未來美國應該優先投資的幾項重大計畫分別如下。

首先，Astro2020 對太空望遠鏡計畫的建議可能是最令人驚喜的。報告建議，美國應該啟動一系列「大型軌道天文台技術成熟計畫 Great Observatories Mission and Technology Maturation Program」，為 20 至 30 年後天文物理需要的天文台計畫鋪路。

其中最高優先度的計畫，是建造一座六米級的光學（從紫外線到近紅外線）望遠鏡，預計成本 110 億美元。從觀測的波段來看，它可以看成是現役哈伯太空望遠鏡的超級強化版；又或者，從 NASA 在 2019 年提供的四座「The New Great Observatories」概念研究來看，可以看成是縮小版的 LUVOIR-B，或是增強版的 HabEx。

Astro2020 認為，這樣的規格才有機會同時讓望遠鏡有辦法達成前述三大優先領域的需求（尤其是直接拍攝類似太陽－地球系統的系外行星大氣光譜），且有希望在 2040 年代前期升空。另外兩個應當在 2020 年代後半開始發展的計畫，分別是下一代 X 射線與遠紅外線的任務（分別可以看成 Lynx 和 Origin 的縮小版）。

在地面望遠鏡方面，當務之急是繼續興建美國的兩座下一代巨型望遠鏡：三十米望遠鏡（TMT）與巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）。在使用自適應光學的情況下，這個等級的望遠鏡將能達到 0.01 – 0.02 角秒等級的超高解析度，龐大的集光面積也將使它們能夠擁有非常高的靈敏度（sensitivity）。這樣的能力幾乎對天文物理的所有領域都能有革命性的幫助，比如它將能夠偵測、拍攝、甚至取得類地行星的大氣光譜。

但是，相比起另一個類似定位的歐洲計畫「歐洲極大望遠鏡 EELT」，GMT 與 TMT 的進度目前都嚴重落後。尤其原定要建造在夏威夷的 TMT，因為與當地原住民的衝突，自 2015 年開始就難以施工。Astro2020 建議，政府應該提供更多援助，幫忙解決兩個計畫預算不足的情況。但如果兩個計畫進度持續落後，Astro2020 也提供一套標準讓政府決定是否要放棄其中之一。

除了光學之外，報告也建議在智利與南極建立下一代的微波望遠鏡，在宇宙微波背景（CMB）中尋找暴漲等宇宙學事件的證據，並且能夠提供前所未有的大面積、高靈敏度次毫米波天圖。下一代的甚大陣列望遠鏡（ngVLA）的先期研究也是重點之一，為其在 2030 年代的建造鋪路。此外下一代微中子探測器（IceCube-2）、重力波探測器（LIGO）等中等大小的計畫也要持續推進。

讓天文研究者更平等，也是重要議題

除了上述科學/科技相關的主題之外，Astro2020 也是 Decadal Survey 首次提到天文物理領域中存在的性別／種族等社會與倫理問題，以及許多對於「人」相關的建議。

報告中強調了美國天文學界的性別／種族倫理問題依舊嚴重，並且建議應將多元性納入獎項的評審機制，增加對學生、新進研究人員的資源投注，以及強化對各種不平等現象的資料收集，以更準確的將資源提供給需要的人。最後，報告也指出 Starlink、5G 等人類活動對天文研究產生的干擾。

結語

Decadal Survey 是美國天文物理界十年一遇的盛事。它回顧過去十年的天文物理成果，並為未來十年的發展劃下藍圖。Astro2020 建議，美國應該繼續建造兩座三十米級的地面光學望遠鏡（TMT、GMT），讓它們能在 2030 年代投入觀測。並且為 2040 年代的六米級大型光學太空望遠鏡的開發鋪路。除了科學與科技上的規劃，報告也指出天文物理界仍存在許多性別、種族等與「人」相關的問題有待改善。

整體來說，Astro2020 為 2020 年代的天文物理描述了令人興奮的未來。接下來，就讓我們一同期待，這些斑斕的夢是否能夠成為現實吧！

參考資料

1. Interactive Overview: Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s
2. Astro2020 Science White Papers · Bulletin of the AAS
3. The New Great Observatories
4. US astronomy’s 10-year plan is super-ambitious
5. Influential U.S. astronomy wish list calls for giant space telescope to spot an Earth analog

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