11 项美國宇航局天体物理学使命面临取消的风险

給了我们哈勃、詹姆斯韋伯太空望遠鏡和如此更多的美國宇航局天体物理学面临它的历史中最大的预算削减。所有未来的使命处在風險上。

Ethan Siegel

为了解星系如何在宇宙时间上生长和演化，包括一個了解气体如何从星系落下和被驅逐我们將需要來开发一套多波长天文台、使命和设施。所有这些都在被 Astro2020 十年勘察擺出的计划中是可能的。然而，所有这些都依赖美國宇航局天体物理学和國家科學基金會的地面设施在整个 2020 年代及以后被充分资助。Credit: National Academies/Astro2020 decadal survey

关键要点

除了太空飞行，美国宇航局跨四个学科進行一些世界上最伟大、最深奥的基於太空的科学：地球科学、日光物理学、行星科学和天体物理学。

美国宇航局從超越地球大气层的約束帶宇宙進入焦點，天体物理学以各种光的波长观測天空，吹捧一個宏大套的过去和现在的天文台。

然而由于前所未有的、病態动机的预算削减，下一代使命现在面临砧板。這裏是面临最大风险的11 个使命。

美国宇航局的使命不只是太空探索;它包括科学发现。

这张“舰队图”編目跨 2024 年 7 月是活跃的四个主要分支——地球科学、日光物理学、行星科学和天体物理学——的每一项美国宇航局科学使命。更多的被计划，未来使命处于不同的发展阶段。Credit: NASA Science Fleet Chart

美国宇航局科学包括地球科学、日光物理学、行星科学和天体物理学

这张要麽由美国宇航局天体物理学执行要麽共同赞助的使命的彩色编码地图显示几个过去、许多现在和大量未来的使命，这些使命被预计将變成美国宇航局天体物理艦隊的部分，假设它不必在 2025 年及以后承受超过50% 的预算削减。Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

美国宇航局天体物理学观測各种形式的光、粒子和甚至引力波。

與只能观测部分电磁波谱的基於地面设施一道，基於太空的天文台注入有由美国宇航局的科学使命理事会天体物理学分部发射和维护的多波长天文台舰队，能以壮观的時尚揭示宇宙，往往是前所未有的。Credit: eCUIP/University of Chicago

它现在面临着從来最大的预算削减。

哈勃望远镜（上图）和詹姆斯韋伯太空望遠鏡（下图）都是反射望远镜。来自遙遠天体的光线进入望远镜，从大型主镜反射掉将它发送到更小的次镜。次镜通过一个在主镜中的孔将光线反射回来，它來到一個聚焦并进入位于主镜后面的望远镜的许多仪器中的每一个。望远镜图不是按比例的，但詹姆斯韋伯太空望遠鏡的位置距离地球 150 万公里，相對哈勃距离地球約500-600 公里，代表天文台能运行在的温度上的一個巨大差异。Credit: NASA-GSFC, STScI

所有未来的天体物理学使命都面临取消，包括 11 项頂重要的。

COSI 使命被設計來测量电磁波谱的低能伽马射线部分，非常适合對测量银河系中心附近反物质形成、恒星的爆炸性死亡以及所有被合成的重元素的地方是理想的。截至 2025 年初，它计划于2027 年發射。Credit: UC Berkeley; NASA; NRL; Northrup Grumman

11.) COSI使命

这個映射显示來自美国宇航局的费米卫星整个伽马射线天空的 1 年觀望。作为對费米的一個补充和继任者，COSI 将在低能伽马射线波段（从 0.2-5 MeV）勘测整个天空，提供银河系中物质和反物质碰撞和湮灭的位置的最佳映射，以及約束伽马射线源的几何形状。Credit: NASA’s Marshall Space Flight Center/Daniel Kocevski

测量伽马射线和偏振将揭示宇宙元素形成的地方。

美国宇航局的係外行星氣候紅外望遠鏡（EXCITE）使命将研究圍繞系外行星的大气层，并于 2024 年 8 月成功完成了一個气球飞行试飞。目标是來研究热木星的大气层和成分：以非常近紧密繞著它們的母星的气态巨行星。Credit: NASA/Jeanette Kazmierczak

10.) 係外行星氣候紅外望遠鏡（EXCITE） 使命

这位艺术家的描畫显示一颗热木星的系外行星在一個非常近的轨道中围绕着它的更亮、更热、更大质量的母星。像热木星这样的行星是在 1990 年代最早发现的系外行星之一，不是因为它们是最常见的，而是因为它们是最容易來探测类型的系外行星。Credit: NASA, ESA and L. Hustak (STScI)

测量热木星系外大气層揭示一顆行星的 3D 温度和成分。

此剖面图显示冷凍大孔径强度映射实验 （EXCLAIM） 远红外实验的不同组成部分，该实验目前正在开发中，作为美國宇航局天体物理学分部的部分。Credit: P.A.R. Ade et al., Journal of Low Temperature Physics, 2020

9.) 冷凍大孔径强度映射实验（EXCLAIM）使命

这个由大约 20 个独立恒星形成区域组成的复合体是在 3 度跨度内，在银河系的星系平面内。用远红外赫歇尔宇宙飞船拍摄的，这个Westerhout 43区域位于我们的中央星系棒和我们的一个旋臂的交汇处。赫歇尔宇宙飞船自 2013 年用盡它的冷却剂后就已经失去功能，此后没有远红外太空望远镜從來匹配它的能力。Credit: ESA/Herschel/PACS, SPIRE/Hi-GAL Project. Acknowledgement: UNIMAP / L. Piazzo, La Sapienza – Università di Roma; E. Schisano / G. Li Causi, IAPS/INAF, Italy

这台远红外望远镜将映射跨宇宙历史恒星的形成。

美国宇航局的潘多拉卫星是一项小型卫星使命，它用一种新颖的全铝 45 厘米（17 英寸）望远镜同时的捕获每颗目标恒星的可见光和近红外光谱，同时工作将來自母星的光与过滤穿过任何過境系外行星大气层的光分解开。这里展示了没有保护航天器的热毯的潘多拉。Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

8.) 潘多拉（Pandora）使命

当星光穿过一個過境系外行星的大气层时签名被印在之上。根据发射和吸收特征的波长和强度，在一顆系外行星大气層内各种原子和分子物种是否存在能被通過過境光谱技术揭示。虽然许多過境光谱使命存在，但将大气層成分与母星的屬性分开仍然是这个难题的一個重要组成部分。Credit: ESA/David Sing/PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) mission

这颗多波长卫星将解开来自它們的母星的系外行星大气層信号。

相对论天体物理 X 射线源偏振仪或PRAXyS是一个小型探险家/机会使命，它用 X 射线望远镜来探索太空的形状已經多被黑洞和中子星及其附近相关的磁场扭曲。Credit: NASA

7.) 相对论天体物理 X 射线源偏振仪（ PRAXyS）使命

这个一顆中子星的计算机仿真显示带电粒子被一個中子星的异常强电场和磁场鞭打。用偏振仪如 PRAXyS的 X 射线使命既能探测圍繞致密天体尤其是黑洞的空间畸变，也能研究圍繞致密天体尤其是中子星的强磁场屬性。Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

这项 X 射线使命将测量圍繞致密天体的空间畸变和磁场。

国际空间站跨铁银河元素记录仪（TIGERISS）使命被設計來测量超重银河系宇宙射线的丰度，包括在元素周期表上一路到铅（元素 82）的元素。Credit: NASA/Roskosmos

6.) 国际空间站跨铁银河元素记录仪（TIGERISS）使命

在它们中发现的各种原子核的宇宙射线光谱。在现存的所有宇宙射线中，99% 是原子核。在原子核中，大约 90% 是氢，9% 是氦，約1% 加起来是其他所有东西。铁是被发现的重、高能原子核的一个低丰度但重要的例子，它可能构成所有最高能量的宇宙射线。Credit: M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D, 2019

这项綁定在国际空间站上的使命将测量最重的宇宙粒子。

天体物理学探測远红外使命（PRIMA）（右）和高级 X 射线成像卫星（AXIS）（左）已經都进入最后阶段，考虑在 2032 年一项耗资10 亿美元的全面宇宙探索使命。只要资助原封不動，这些概念将被开发并将在 2026 年选出唯一的获胜者。Credit: Christopher Reynolds & Alberto Bolatto

5.) 天体物理学探測远红外使命和高级X 射线成像卫星（PRIMA/AXIS）使命

这张猎户座星云的尘埃映射被用三台天基望远镜构建：Spitzer、WISE 和 Herschel。这里看不到星星，但在这些觀望中揭示不同温度的尘埃。Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Hershel

21 世纪最先进的远红外 （PRIMA） 和 X 射线 （AXIS） 使命都在开发中。

在经过一個成本审查和缩小规模后，欧洲航天局最初的高级高能天体物理学望远镜（Athena）使命已被重新设计并更名为 NewAthena，并计划變成21 世纪的最强大的 X 射线天文台：现在计划于 2036-7 年发射。Credit: Athena Community Office-ACO

4.) 高级高能天体物理学望远镜（ATHENA）使命

与詹姆斯韋伯太空望遠鏡協調，下一代 X 射线天文台如Lynx（为 NASA 提议）或高级高能天体物理学望远镜（正在 ESA 开发并由美國宇航局支持）可以服務為了解宇宙的终极补充。没有它们中的任何一个，X 射綫社区将持续得不到充分的服务，仍然依赖錢德拉的现在古老的能力。Credit: NASA Decadal Survey/Lynx interim report

这项旗舰级歐洲航天機構X 射线使命依赖于多项美國宇航局的贡献。

以太空中三个等距探测器被激光臂连接，在它们的间隔距离中的周期性变化能揭示适当波长的引力波的通过。激光干涉空間天綫（LISA ）将是人类的第一个能够探测來自超大质量黑洞和落入它們的天体的空时涟漪的探测器，从高质量双黑洞伴星到低质量天体，如恒星质量黑洞火甚至中子星，可能还有白矮星。Credit: NASA/JPL-Caltech/NASAEA/ESA/CXC/STScl/GSFCSVS/S.Barke (CC BY 4.0)

3.) 激光干涉空間天綫（ LISA）使命

与地基 激光干涉儀引力波天文臺、處女座和 KAGRA 等引力波探测器或脉冲星計时阵列不同，天基引力波探测器将对新类别的引力波事件是敏感的，包括那些涉及白矮星和超大质量黑洞的事件。激光干涉仪空閒天线被擺姿態成为人类的第一个成功的天基引力波天文台。Credit: NASA/ESA/LISA collaboration

人类的第一个天基引力波探测器将揭示数百个新的黑洞。.

以蓝色的e哈勃超深场是迄今为止由人类进行的最大、最深、最长曝光活动，甚至在詹姆斯韋伯太空望遠鏡 时代也是如此。對相同的观测时间量，南希·格雷斯·罗曼望远镜将能够对橙色区域剛好成像到完全相同的深度，揭示的天体数量是同类哈勃图像中的100多倍。Credit: NASA, ESA, and A. Koekemoer (STScI), Acknowledgement: Digitized Sky Survey

2.) 南希·格雷斯·罗曼望远镜（ Nancy Roman Telescope）使命

这幅插图比较被两项勘測覆盖的天空区域的相对尺寸：即将到来的南希·罗曼望远镜的高纬度广域勘測以蓝色轮廓和被哈勃领导的最大马赛克宇宙演化勘測 （COSMOS）以红色显示。在目前的计划中，罗曼勘測将比哈勃的更宽 1000 倍以上，揭示前所未有的跨时间和空间星系如何聚集，对演化的暗能量放上最严格的約束，并揭示比以往任何时候更多的微透镜事件，包括可能的極端近的黑洞。歐幾里得比羅曼场更宽，但深度、分辨率和波长覆盖范围较差。Credit: NASA/GSFC

这个已经构建的超级哈勃望远镜将前所未有的映射大而深的宇宙场。

理想情况下，新的太空望远镜宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory）有介于之前提出的 HabEx 和LUVOIR（如图所示）之间的能力，将足够大可以直接的对大量地球一樣系外行星成像，同时仍然有願望的屬性，使其保持在预算范围内，并且不需要开发全新的、未经测试的技术。这个被称为宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory）的天文台将是美国宇航局的继南希·罗曼太空望远镜之后的下一个旗舰使命。Credit: NASA/GSFC, LUVOIR concept

1.) 宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory）使命

如果太阳位于半人马座阿尔法星的距离，未来的宜居世界天文台，无论用一個星罩还是一個足够先进的日冕仪，將不仅能够直接成像木星和地球，包括拍摄它们的光谱，而且甚至還成像金星。更远的巨行星，包括土星、天王星和海王星也都是可感知到的。Credit: L. Pueyo, M. N’Diaye (STScI)

這個未来尋求外星人生命的旗舰使命可能永远不会被建成。

探测和特徵化一個真正的地球一樣行星的大气层的前景，即在它的恒星宜居带中的地球大小的行星，包括红矮星和更多的太阳一樣恒星，是我们触手可及的。借助下一代日冕仪，大型紫外-光学-红外使命可以找到数十个甚至数百个地球大小的世界來测量。Credit: National Academies/Astro2020 decadal survey

大多寂寞的星期一以图像、视觉效果和不超过 200 字告訴一个天文故事。

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