本文刊载于 2020 年 9 月/10 月的《Discover》杂志，标题为“A Census for the Stars”（星辰普查）订阅 以获取更多此类文章。
每 10 年，美国人都会进行一次熟悉的仪式：美国人口普查。表格会邮寄到家中，工作人员会敲门，所有这些都是为了准确统计美国人口。收集的数据提供了国家的快照，使官员能够了解人口结构的变化，从而更好地分配资源——以及分配给国会的代表——遍布全国。
天文学领域也发生了类似的过程：每 10 年，研究人员都会对该领域进行一次普查，以规划未来。这项工作被称为“天文学与天体物理学十年调查”，或简称“十年调查”，由国会授权，旨在确定该学科的首要任务。（受美国天文学十年调查的启发，其他国家和美国的一些其他科学领域也进行自己的定期调查。）
最终成果是在对天文学界进行广泛的委员会审查和征求意见后形成的，它列出了未来十年太空和地面望远镜的首要目标。利害攸关：在即将进行的名为 Astro2020 的调查中，一项位列天文学愿望清单榜首的项目很可能会被优先快速完成，而排名较低的项目可能会被搁置。
由于天文学家撰写最终报告，NASA、国家科学基金会（NSF）和能源部等资助机构都会予以关注。Astro2020 的联合主席、加州理工学院天文学家 Fiona Harrison 表示：“归根结底，这是这个领域最重要的工作之一。”
而且，由于十年调查的定义就是最轰动的研究和最前沿的技术可能性清单，它也是对天文学未来的一份引人入胜的快照。“这对整个社区来说是一个非常令人振奋的过程，”位于亚利桑那大学和德克萨斯农工大学的天文学家、Astro2020 的另一位联合主席 Rob Kennicutt 说。“确实有一种轰动效应和兴奋感。”
选择未来
那么，这一切是如何运作的呢？这个过程始于所谓的“白皮书”，这是由天文学界的任何成员撰写的文档，涵盖了该领域正在发展的领域。Astro2020 收到了数百份此类文件。
所有白皮书都由三个层级的委员会和小组委员会进行阅读和评估，这些委员会由几十位在其专业领域处于领先地位的天文学家组成。成员们会考虑过去十年的进展以及未来十年（及以后）需要回答的重大问题，然后才能最终确定优先顺序。通常，他们的最终决定将侧重于太空和地球上的主要项目，同时也会突出一些较小的项目。
Kennicutt 说：“看到社区的状况在这十年里发生了怎样的变化，这真的很有意思。”例如，数据科学在十年前的天文学领域几乎没有被考虑过。现在，这个主题已经有几十篇白皮书专门讨论了。
其他主题，如望远镜的资助，一直是热门话题。天文学中许多革命性的望远镜都归功于在过去的十年调查中获得最高优先级的支持。2010 年，排名第一的地面望远镜是 Vera C. Rubin 天文台（当时称为 Large Synoptic Survey Telescope），它计划安装一面巨大的 330 英寸镜面，每隔几天就能扫描整个天空。当望远镜投入使用后，每天都会有新的数据公开，使天文学家和感兴趣的公众能够几乎立即发现新的瞬态天体，从超新星到引力波合并信号。Rubin 天文台还将寻找小行星，目标是发现可能有一天对地球构成威胁的大型小行星。在天文台在 2010 年十年调查中获得最高优先级后，NSF 拨款 2750 万美元给一个天文学家合作项目开始建造它；建造始于 2014 年。该望远镜的首次使用，称为“首次光照”，计划于 2021 年进行。天文学家预计该仪器将彻底改变天文学。
然而，从选择到实现的这个过程并非总是那么顺利。詹姆斯·韦伯空间望远镜在 2001 年的十年调查中是最高优先事项，但由于建造延误和意外费用，它直到 2021 年才发射。
十年前的另一项重要太空任务是 Nancy Grace Roman 空间望远镜（以前称为 Wide Field Infrared Survey Telescope），这是一个轨道天文台，其清晰度堪比哈勃空间望远镜，但视场比其大 100 倍。Roman 空间望远镜有助于回答从暗能量的本质到系外行星上生命可能性的问题。但它面临过几次预算危机，直到 2020 年代中期才能发射。NASA 已要求 Astro2020 委员会重新审视 Roman 空间望远镜和另外两项尚未完全实现的任务。
渲染图显示了目前正在智利建造的 Vera C. Rubin 天文台的内部。它将每隔几天扫描一次整个天空。（来源：Todd Mason，Mason Productions Inc./LSST Corporation）
Todd Mason, Mason Productions Inc./LSST Corporation
明日的仪器
不幸的是，如果缺乏资金支持，再多的科学兴奋也毫无意义。这次的想法比以往更多，但自上次调查以来，资金一直不稳定。
对于 Astro2020，为十年调查中的空间科学建议提供资金的 NASA，正在比以往的调查更深入地研究规划阶段的细节。该机构已委托十年调查委员会评估四个空间望远镜概念，并就哪个应获得最高资助优先权提出建议，因为很可能只有一个能建造。这是一个艰难的选择。Large UV/Optical/Infrared Surveyor 可以成为一个近 50 英尺宽的望远镜，其集光能力是哈勃望远镜的 40 倍，能够回溯宇宙的第一个星系。Habitable Exoplanet Observatory 将更近距离地寻找和分析类地系外行星在恒星宜居带中的大气层，甚至可能回答我们是否是宇宙中唯一生命的疑问。Lynx X-ray Observatory 将研究无法到达地球表面的 X 射线辐射，以探测宇宙中第一个黑洞的形成。Origins Space Telescope 将观察红外波段，研究形成行星的气体云和尘埃盘。
Astro2020 的潜在地面仪器领域也竞争激烈。射电天文学家们正在争取 Next Generation Very Large Array (ngVLA)，因为最初的 Very Large Array 已经进入了其运行的第四个十年。宇宙学家们正在热切呼吁新的仪器来研究宇宙微波背景辐射，即年轻宇宙的辐射，以揭开宇宙大爆炸后快速膨胀称为暴胀的神秘时期。委员会还将重新审视 Thirty Meter Telescope 项目的进展和价值，这是一个巨大的光学望远镜，由于其计划建在对夏威夷原住民神圣的 Mauna Kea 山上，因此面临了许多障碍。
新考虑
Astro2020 还将评估天文学领域的运作方式，考察教育、培训、多样性和包容性等指标——这是十年调查中的一项创举。尽管 2010 年的调查在这些方面做出了一些非官方的建议，但这将是这些问题首次拥有专门的小组委员会。
例如，一个日益受到讨论的话题是如何在大型合作项目中分配功劳。Kennicutt 说：“很多年轻人都在对参与了千人合作项目的首席作者等问题发出警告。”天文学将越来越多地需要数百甚至数千名天文学家进行合作，因此公平分配功劳是一个大问题，希望十年调查能够提供指导。
这些指导以及新项目的指导方针将为天文学指明方向。最终报告将于 2021 年发布。尽管天文学家选择的望远镜可能需要多年才能看到“首次光照”，但现在是梦想和规划的时候了。
