2020年時,天文學要看什麼?

49太歲

　　美國國家科學院(NAS)上週五公佈,未來10年,天文學家準備蓋什麼類型的望遠鏡。這份按重要順序排序的推薦名單,好像太空天文領域的奧斯卡金像獎,評審委員是美國頂尖的研究人員,10年頒獎一次,提供美國國會、NASA和NSF(美國國家科學基金會)當做未來10年天文發展藍圖參考。令人詫異的是,十年前擠不上榜的奧秘宇宙學,如今已名列前三大天文學最新挑戰。

　　回顧2001年版的美國國科院十年風雲榜,當時的熱門問題如下:宇宙的年齡、歷史和宇宙的擴張?大大小小的不同黑洞如何形成?如何演化?星系和其行星系統如何形成?宇宙大環境如何影響地球?其中部分領域,迄今已有長足進步,有些或藉由新生代望遠鏡的興建,正展開更進一步探索。

　　展望下一個世代頂尖的科學探索目標,即將佔據舞台正中央重要位置的主角人物是誰?答案似乎是:宇宙的基礎物理學。

　　首先,領銜主角是一項太空望遠鏡任務。(暫稱)為「寬視野紅外線巡天望遠鏡」計畫(Wide Field Infrared Survey Telescope:WFIRST)。它將以三種不同觀測方法來描繪暗能量特性。暗能量是一種出於想像的弱能量場,在太空的真空狀態中,它正拉扯著宇宙,速度越來越快。預測這種「黑暗勢力」極度的困難,以致於芝加哥大學特納教授說它是「當今物理學中,最教人為難的一個數字」,而下一個十年,現代科學要共同面對的就是,關於暗能量極其令人費解的複雜現象。

　　解答極深極遠的這項奧祕,要付出多少代價?科學家當然樂意之致,不計代價將觀測誤差值越縮越小,但如果花費15億美金發射這台望遠鏡的話,頂多,我們能知道的答案不過是:「暗能量不是什麼」。它可以幫助物理學家排除一些不能解釋暗能量的理論,但所得到的數據,或許仍然無法完整解釋,暗物質到底是什麼。

　　此外,WFIRST望遠鏡計畫,也將運用微透鏡技術,特別是在遙遠的星系中,尋找類地球行星,建立起一個知識基礎,可以幫助我們了解,在太空中有多少與地球大小相近的行星。不過,醜話先講,這個數據庫只能提供統計資料,誤差仍在所難免。不過,就算WFIRST發現新的類地行星,新發現的類地行星和地球的距離將會相當遙遠,沒辦法近距離觀測它,是否具備「適合人類居住」的條件。雖然說到底我們最後真正最想知道的是:「它,到底能不能住人?」可是很抱歉, WFIRST並非為要直接回答這個問題而設計。且這個計畫背後所需要的技術,恐怕要花10年才能更加成熟。

　　未來幾年,還有一個可能會較引人注意的新興領域是:重力波,一個聽來好空幽的境界。

　　黑洞碰撞和超新星內核內爆,在時空場中,是否像鐘鳴一樣發出聲響呢?雖然目前為止在地面上尚未直接偵測到重力波,但NAS強力推薦LISA(Laser Interferometer Space Antenna:雷射干涉太空天線)計畫,或許因為,它有可能偵測到超大質量物體間劇烈碰撞時,所發出的微小呻吟和波動,這或許也將帶領我們朝向太空深處再跨前一步。不過,前提是,必須要有人願意從腰包裡掏出大約30億美元來贊助LISA計畫。歐洲航天局ESA計劃在 2012年發射的LISA Pathfinder (LISA探路者),將從一架單一小型太空站開始,進行一系列超高精度的技術測試。這個探路者計畫可作為LISA計畫的前導任務,做技術說明之用。

　　在新型地面望遠鏡的建議名單上排名較領先的是LSST(Large Synoptic Survey Telescope:「大型綜合巡天望遠鏡」,這個計畫在上一次10年推薦時已經榜上有名,列在代辦事項中。這台機器對天文領域將有明顯貢獻,將會以每四天完成半個天空的巡天調查的速度,幾乎每週完成一次完整巡天調查,可以捕捉到行蹤不定的流星和彗星,爆發的恆星,和所有一切其他在夜空中會動的或會閃爍的東西,或許還有些從來沒聽過的東西,透過這台巡天望遠鏡都有可能會被發現。由此產生一個近1000兆位元的超大資料庫, 將名符其實堪稱為一座「宇宙影像的寶山」。

　　令高能物理學者感到失望的是,預估價值50億的IXO 計劃(國際X光望遠鏡)的排名下降了。在十年前的推荐榜上,它排名曾經高過LISA計畫。IXO計畫預備要探索的是一些「極限對象」的重力現象,譬如,距離遙遠的黑洞;並且能夠從觀測中發現一些和暗物質與暗能量相關的獨特現象。Uhuru是X射線觀測領域第一座望遠鏡,1970年開始運營,1970年代時設計有一系列高能觀測計畫,但是能提供X射線領域較多觀測資料的錢卓X射線望遠鏡,在1999年才發射,X射線的天文學家必須再等久一點。

　　根據先前的歷史經驗,下一次十年推薦的風雲榜上,又會出現什麼令人意外的新秀呢?屆時,詹姆斯‧韋伯天文望遠鏡應該已經撐起半邊天,帶領我們走向大霹靂之後約2億年或宇宙更早的星系和恆星形成時期,並且類地行星的發現應該已經進入高峰成熟期,成果輝煌。屆時探索的話題可能更加偏重於「可居住的外星球世界」如何。LSST可能也會發現一些很了不起的奇異現象,足以讓天文觀測學家有很多新計畫,忙不完。