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《优化美国陆基光学和红外天文学系统》节选

发布时间: 2015-06-18 14:08:18   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

前言

       美国的陆基光学和红外天文学长期获得世界领先成果。在20世纪50年代末和60年代初,建成了现属美国国家光学天文台(NOAO)的基特峰国家天文台(KPNO)及托洛洛山美洲际天文台(CTIO)并运行着可供公众使用的世界级望远镜设施。这些望远镜是对一些大学和研究机构私有望远镜的补充,如帕洛马山天文台于1948年建成的200英寸口径的海尔望远镜。在近几十年里,许多功能更强大的公共和私有望远镜设备已经建成。这些设备变得愈加庞大和复杂的同时,其建设和运行成本也越来越高。人们认为这种趋势还将继续保持下去。这些发展变化促成了公共、私人及国际间的伙伴合作。建立一个综合性的美国光学和红外天文学系统(以下简称“OIR系统”),以使公众可以使用公共和私有望远镜及相关设备的想法最初始于1995年国家研究委员会(NRC)的一篇报告《陆基光学天文学和红外天文学战略》(以下简称“麦克雷报告”)。该报告强调了建设一个高效的配有一系列口径和功能的OIR系统设施的需求。第一次使用“OIR系统”这一术语见于2001年国家研究委员会的十年报告《新千年中的天文学和天体物理学》(AANM)中。今天,美国OIR系统已扩展职能,允许公众查看数据档案了,特别是一些大型观测的数据。而在《新千年中的天文学和天体物理学》整份报告中,“OIR系统”这一术语仅仅指的是陆基光学和红外天文学的设备和资源。

       联邦政府对天文学的投资方向通常由国家研究委员会十年研究的共识报告中确定的科学重点所引导。天文学与天体物理学的十年研究报告具有前瞻性,会重点提出一些新设施的建设意见以实现报告确定的科学重点。这份报告通常不对提议建设的新设施和现存的或正在建设的设施进行优势比较。为解决这一问题,《新千年中的天文学和天体物理学》(AANM)这份十年报告推动成立了2006年高级审查委员会,以平衡普遍支持国家科学基金会(NSF)的当前项目而反对建设新项目的局面。与此类似,2010年《天文学和天体物理学的新世界和新地平线》(NWNH)这份十年报告表明:国家科学基金会天文科学部(AST)会进行内部评议,决定对哪些设备进行撤资淘汰,以支持新的设施建设和新的科学分析。然后,国家科学基金会天文科学部(NSF AST)会组建投资审查委员会(PRC),在综合调研设备的补助计划,当前和未来的望远镜套件以及任何可能存在的撤资后作出推荐。他们2012年的报告是《未来十年推动天文学研究:机遇与挑战》。

      在2013年的年度报告中,天文学和天体物理学咨询委员会(AAAC)推荐了国家科学基金会天文科学部的建议“国家研究委员会下的天文学和天体物理学会(CAA)作了一份报告,定义了调整后的国家OIR系统,并重点探讨了在大型综合巡天望远镜(LSST)时代所需的设备、望远镜以及公共使用政策,以获得最好的科学研究和最广泛的社会参与。”这样一份研究报告的细节会在天文学和天体物理学会(CAA)内部进行讨论。该委员会是由国家研究委员会下物理学和天文学会(BPA)以空间研究委员会(SSB)联合组成。国家科学基金会天文科学部(NSF AST)然后会通过物理学和天文学会(BPA)和空间研究委员会(SSB)来赞助当前的研究,在充分考虑投资审查委员会(PRC)的建议和十年报告确定的科学重点后提出优化夜间(无阳光环境下)下陆基光学和红外天文学的战略性建议。国家科学基金会(NSF)、国家研究委员会(NRC)和天文学和天体物理学会(CAA)间的讨论引出了如下的陈述:

        任务申明:为了定位好美国光学/红外天文学系统中的观测、仪器操作、数据管理和支持等各项能力,最好地实现2010年《天文学和天体物理学的新世界和新地平线》和《2013年-2022年十年间的行星科学的愿景与旅程》两份报告中提出的科学目标,使国家科学基金会在未来10年-15年内对光学/红外天文学系统的投资取得最佳科学回报,国家研究委员会将会组成一支委员会,发表简短的报告,提出并推荐美国陆基光学/红外天文学系统的优先调整方案,给予该系统更好的定位,实现《新世界和新地平线》提出的未来十年-十五年的科学目标。委员会将考虑系统中相互关联的要素需求和战略:现有和计划中的焦平面仪器;焦平面仪器的使用和科技开发以及数据的管理、加工、挖掘和归档。委员会也会在组织架构、项目平衡和资金供给等方面经过相关的讨论,作出推荐或提出建议。

        大型综合巡天望远镜(LSST)时代的美国光学/红外天文学系统优化战略委员会将规划配备一支专业的人才队伍,在地理选址和机构设置上做到多样化。该委员会有过三次见面会议:分别于2014年7月31日至8月1日,12月2日至3日在华盛顿特区国家科学院的凯克中心及2014年10月12日至13日在加利福尼亚州尔湾市的阿诺德和梅布尔贝克曼中心举行。在2014年7月至2015年1月间大约举行了20场电话会议。社会输入是该项研究的重要组成部分。委员会会征集各种白皮书回应涉及优化美国光学/红外光学系统获得最高科学回报的有关主题,或者会回答任意10个常见问题。委员会共从318位合著者手中收到了39份论文以及4份评论意见。白皮书主要着力探讨大型综合巡天望远镜的后续工作、OIR系统和设备使用,包括软件与数据的使用。委员会还收到来自22位设备操作者有关设备使用这类主题的集体评论意见。在委员会的见面会议中,也有来自国家科学基金会(NSF)、科学技术政策局(OSTP)、美国国家航空航天局(NASA)、欧洲南方天文台(ESO)、 美国国家射电天文台(NRAO)、天文学大学研究协会(AURA)、天文台台长、数据和档案专家以及自适应光学专家在公众开放环节的报告和讨论。当前的研究重点是由《天文学和天体物理学的新世界和新地平线》、2011年国家研究委员会行星科学十年研究报告《2013年-2022年十年间的行星科学的愿景与旅程》、国家科学基金会投资审查委员会报告以及《麦克雷报告》、美国国家光学天文台(NOAO)的系统路线图、大型综合巡天望远镜(LSST)科学书及类似的报告中确定的科学重点、所得结论和推荐方案所共同决定的。太阳和空间物理学优化战略已超出该委员会的研究范围,不是报告强调的重点。

       《新世界和新地平线》这份报告大篇幅探讨了光学/红外天文学及设备使用,而《愿景与旅程》则主要探讨太空计划。后者认为前者在太阳系中的近地物研究上,在柯伊伯带天体和卫星研究上起了重要作用并提到美国国家航空航天局通过“望远镜系统设备使用计划”(TSIP)可以使用红外望远镜装置(IRTF)和W·M·凯克天文台,还有凯克望远镜、麦哲伦望远镜及多镜面望远镜(MMT)等设备获得行星研究中的重要观测数据,一定程度上支持了以太空为基础的行星任务。《愿景与旅程》支持了《新世界和新地平线》中有关优先建设大型综合巡天望远镜和未来巨型望远镜的建议。

       通过与国家科学基金会天文科学部官员的沟通,委员会对任务声明中的陈述和国家科学基金会项目说明书的标题进行了阐释。因此,大型综合巡天望远镜(LSST)建设被视为该研究的中心组成部分。报告还包括了所有其他与美国陆基光学/红外天文学有关的要素。“大型综合巡天望远镜时代”被认为强调了具有前沿性质的天文学的大众化。这需要通过让全体美国天文学的组织机构互相合作,齐心协力以可行的方式进行大规模研究来实现,并需要巨型(TMT,GMT)望远镜和其他光学/红外光学系统的支持。

        国家科学基金明确要求委员会认真考虑南方天文物理研究望远镜(SOAR)在未来对于后续观测的角色定位。委员会确定了美国光学/红外天文学设备中孔径大于等于2米的望远镜的留存数量,对这一级别的望远镜加以完备,尽管在很多地方人们也常提及孔径小于这一级别的望远镜的重要性。国家科学基金会还要求委员会考虑统筹使用联邦政府下的望远镜所能产生的科学优势,但同时指出这样的统筹协调工作不应该涉及对当前管理工作或任何整合管理工作是否高效的讨论。所有主题讨论的中心都应在科学驱动力上。 国家科学基金会在基金资助上给出的指导方针是:当前的时代实质上是一个预算受到压缩的时代,但委员会不会按照预算开展工作(尽管新的中型设备建设项目的建议已被采纳)。因此,具体的成本评估并没有在该份报告中出现,报告也没有给出对特定推荐项目的资助办法。然而,委员会已认识到那些耗资巨大的推荐项目将没有可行性。报告的结语处也给出了这些推荐项目大致的耗资总额。在维护设备和技术开发的背景下,人们认为通过大型设施建设和人才储备十年科学目标外,项目平衡也是一个小重点。国家科学基金会明确要求委员会不要去讨论天文学和天体物理学的奖金计划。报告中讨论了在与陆基光学/红外天文学观测设备协同工作的背景下的太空任务和无光学及红外天文学系统的陆基设施,但报告认为只需要对光学/红外天文学操作系统进行优化,正如委员会陈述的那样。 委员会沿袭了国家研究委员会的风格,即结语会呈现一个新高度而不是总结各个部分的内容,同时也限制了推荐数量,主要集中在几个高级项目上。委员会的结论是基于报告材料而做出的,并向作为研究资助者的国家科学基金会作项目推荐。 值得高兴的是许多个人和组织为这份报告的产生做出了贡献(略)。 (作者:大型综合巡天望远镜时代下的美国光学/红外系统优化战略委员会主席黛布拉·梅洛伊·埃门格林)

报告内容摘要

      随着建设中的大型综合巡天望远镜,计划下的30米口径级别的望远镜和现有光学/红外望远镜系统拟增添的新设备都相继完成建设,许多革命性的发现毫无疑问将会接踵而至。现在面临的挑战是在联邦政府可能缩减必要的设备建设和研究资助的预算的情况下,如何从这些天文观测设备中获得最佳的科学数据。在2010年及接下来的十年间,科学机会将逐渐增多但相关的购买力却逐渐削弱。该份报告描述了一份有关美国夜间OIR系统的愿景,其中包括了为望远镜设计一套时间切换装置,增加不同组织机构对望远镜的使用率,从而提高科学回报,还包括了一项持续计划让下一代能够了解并参与,以实现十年科学重点以及参与近期为进入大型综合巡天望远镜和巨型望远镜时代所需的重要协调工作、计划、培训和设备操作。

       国家研究委员会在大型综合巡天望远镜时代下优化美国OIR系统的战略中使用的指导原则,经过审议,公布如下:

• 当一大批天文学家为追求多样化的科学数据和科学方法,使用完整的OIR系统将可以获得最佳的科学结论。

• 联邦对于大型综合巡天望远镜的后续投资能力以及社会对OIR系统设备的优先投资方案将会帮助科学产出最大化。

• 联邦很有必要在科技、设备和软件开发及这些领域的人才建设上做出支持,以优化未来的科学回报。

       该份报告首先强调了在国家研究委员会十年报告 《天文学和天体物理学的新世界和新地平线》和《2013年-2022年十年间的行星科学的愿景与旅程》中提出的几项科学问题上取得的成就,以及构成美国OIR天文计划的现有设备、能力及人力资源。报告接着谈到了新仪器设备下可能实现的科学成果,强调了配置OIR设备的必要性,以在近期达到十年目标,实现研究创新以及通过后续观测扩大大型综合巡天望远镜的作用。接着报告重点讨论了如何通过公有和私有的天文台间的相互合作,获得资源,优化科学回报。

       委员会的几项首要建议根据优先顺序所列如下。优先顺序则参考任务声明(见前言)和前文所述的指导原则生成。委员会没有关于资助的预算或指导方针;这些建议是基于几项科学意见,以建议的形式向国家科学基金会作出的。资助者也要求以报告形式展示。建议的附带描述和理由在第三章中呈现。 委员会的最优建议是协调良好、为更多组织和个人提供获得最佳科学成果便利的美国OIR系统。非联邦资金支持的望远镜的广泛使用可以通过多种创新形式来实现,包括且不局限于,如在一定期限内在望远镜、相关仪器和数据上开展伙伴合作活动;将一台设施的使用时间交换至另一台设施使用;以及交换使用仪器等。

建议1:国家科学基金会应该指导国家光学天文台对加入OIR系统的各天文台开展新的望远镜交换使用时间的活动进行管理。天文台的代表将交换设备和仪器,或代表相应的选区参加一定时限的望远镜使用时间或数据访问方面的伙伴活动。国家科学基金会将对望远镜时间或数据访问进行交换或参加一定时限的伙伴活动,提出经系统时间分配委员会同意的方案。(第六章) 当社会拥有所需能力可以完成十年科学重点,联邦投资将会获得最大投资回报。这些能力不仅仅包括现有能力,还包括随科学进步而发展起来的能力。十年研究报告为社会设施的建设确立了长期目标,但短期目标中所需的能力,特别是迅速发展起来的研究领域所需要的能力将在更短的时间内获得。这些在协调或伙伴关系中获得的能力可以通过建立国家级的持续计划来实现,使全体OIR系统的使用者启动和完成是十年或五年的中小型项目。

建议2:国家科学基金会应该指导国家光学天文台管理实施一项持续的社会计划,使社会能够了解到近期OIR系统在实现十年科学重点上表现的能力。国家光学天文台可以为系统组织委员会会议提供便利。该委员会将会提出优先计划。然后国家科学基金会在一定的资助资金下征集、评估和选取方案,满足实现相应的能力。(第六章) 正如声明中所述,在OIR系统规划的前期,委员会在该报告中就已确立了许多设备建设和协调上的要求,如加强中型(3.5米—5米)和大型(6米—12米)望远镜的科学输出,包括扩大大型综合巡天望远镜的数据上网。

建议3:国家科学基金会应该支持位于南半球的中口径或高口径望远镜上宽场多路复用光谱技术的开发,以获得多样科学成果,包括大型综合巡天望远镜对天体的后续光谱观测。这些可能得到的科学成果来自对宇宙学、星系演化、类星体和银河的研究。(第五章) 大型综合巡天望远镜是《新世界和新地平线》中推荐排名最前的大型陆基设施,在《愿景与旅程》中也排名靠前。该望远镜可以开展广泛的科学研究。通过其他设施的补充和辅助,将可以得到更大的科学回报。

       建议4A和建议4B主要着重探讨大型综合巡天望远镜所得数据的优化。很多暂现事件将可在夜间通过大型综合巡天望远镜观测得到,这就需要一个软件事件代理系统来确立重要天体物,进行后续的光谱和更高频率的光度观测。联邦统筹支持的南半球设施将会使人们对这些事件做出快速反应,继而推动最大的科学生产力。

建议4A:国家科学基金会应该协助支持使用标准协议和格式的“事件代理”的开发,最大限度扩大大型综合巡天望远镜的暂现事件研究的后续工作。(第五章)

建议4B:国家科学基金会应该在双子座望远镜上进行伙伴合作,以确保南双子座望远镜在大型综合巡天望远镜时代的早期可以保持良好的定位,获取暗天体的光谱。例如,支持建设可快速配置,拥有高流通量、中分辨率和宽波段覆盖的光谱仪。(第五章)

建议4C:国家科学基金会应该通过构建一个有力的美国OIR系统来保证该系统的一部分观测时间可以分配至由大型综合巡天望远镜事件代理系统优先确立的对暗天体的快速暂现观测上,以使优先级别越高的事件可以快速有效地进行观测。(第五章)

建议4D:国家科学基金会应该指导其下的管理机构加强对联邦参与投资的位于南半球的中型和大型孔径望远镜的协调工作,包括南双子座望远镜、布兰柯望远镜、南方天文物理研究望远镜和大型综合巡天望远镜;优化大型综合巡天望远镜一系列的后续研究工作。(第五章)

展望未来,国家科学基金会和相关机构若能充分开发能带来最大科学投资回报的设施和技术,将会受益良多。最大的巨型拼接镜面望远镜正在由私人和国际共同合作建设。通过联邦投资,美国社会可以直接使用巨型拼接镜面望远镜获得最好的科学成果,这一点是很重要的。

建议5:国家科学基金会应该计划投资一至两个巨型拼接镜面望远镜,以充分利用这些天文台在大型综合望远镜时代展现的特殊功能。例如,通过共享运营成本,仪器开发或在一定期限内在望远镜或数据获得或科学项目上进行合作。(第四章) 许多技术都处在不同的发展阶段。例如自适应光学(AO) 已经成为望远镜技术的基本组成部分,但仍需要更多的投资使应用自适应光学技术的望远镜设备用最佳解决方案获得更稳定的成像;探测器技术也在不断进步。保持美国设备与软件领域的技术开发和人才储备对于在OIR天文学研究快速发展的阶段保证良好的竞争力有着非常重要的作用。

建议6:国家科学基金会应该对关键仪器技术的开发继续进行投资,包括探测器、自适应/主动光学和高精度径向速度测试。国家科学基金会也应该利用现有仪器和研究项目支持那些拥有发展变革技术潜力的小型勘测项目。(第四章) 建议7:国家科学基金会应该支持由学校、研讨会和专家运营的培训网络等构成的协调组织,培养未来一代的天文学家和仪器维护,软件和数据分析方面的专家人才。这类培训最好要进行规划,使相关主题能后前后衔接。国家科学基金会应该利用现有的仪器和研究项目支持仪器开发方面的培训。(第三章)

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