哈勃太空望远镜（左）是天体物理学史上最伟大的天文台，但它比即将到来的詹姆斯·韦伯（中）要小得多，也没有那么强大。在21世纪30年代提出的四项任务中，卢瓦伊尔（右）是迄今为止最雄心勃勃的。当我们探索宇宙，试图了解它是由什么构成的，如何形成的，以及它最终的命运是什么时，没有哪个天文台比哈勃太空望远镜贡献得更多。这是美国国家航空航天局天体物理学的第一个任务，也是美国国家航空航天局在任何类型的任务中投入的最具革命性的一类任务。美国国家航空航天局天体物理学的任务是在21世纪30年代到来。这张图是4月25日哈勃太空望远镜的照片。年，由安装在发现号航天飞机上的IMAX货舱照相机拍摄，它已经运行了29年。哈勃太空望远镜一开始就极具争议。尽管很少有人讨论建造和发射哈勃望远镜作为世界上第一个主要的太空天文台计划，但由于这是迄今为止最昂贵的科学任务，因此遇到了很多阻力。就初始成本而言，哈勃是天体物理学史上最昂贵的一次任务，在成功部署之前耗资50亿美元。在它的生命周期中，包括持续的操作、维护和四次服务任务，花费了人类亿到亿美元。一个大型团队用哈勃太空望远镜20年的数据拼出了这幅美丽的马赛克。一组非可视的数据可能具有更多的科学信息，这样的图像可以激发即使没有受过科学训练的人的想象力，同时还能描绘出哈勃太空望远镜对天文学的革命性作用。最初设计的主要目的是测量宇宙膨胀率——哈勃常数，因此得名。由于哈勃望远镜的直接作用，我们不仅成功地以比以往更高的精度测量了膨胀的宇宙，还：发现了史上最早、最远的星系。了解星系是如何进化和成长的。发现了冥王星的四颗新卫星。拍摄了太阳系外行星的第一张直接照片。测量了热大爆炸后的时间。这只是哈勃望远镜带给我们世界的数千项发现中的一小部分。使用哈勃数据发表的科学论文比历史上任何科学仪器发表的论文都多。左边的图片显示了哈勃前沿场计划对MACSJ.5+星系群进行的深场观测的一部分。圆圈表示超新星最新出现的预测位置。右下角是年末的爱因斯坦交叉事件。右上角的图片显示的是哈勃望远镜年10月的观测结果，它拍摄于观测项目开始时，目的是探测超新星的最新外观。右下角的图片显示了年12月11日Refsdal超新星的发现，这是由几个不同的模型预测的。当哈勃第一次被提出的时候，没有人想到它会做这样的事情，这展示了天文台的持续威力。科学从天体物理学的任务中获益，美国宇航局的托马斯·祖布臣称之为“文明科学”。通过建立一个功能强大的天文台，优化后的天文台可以更好地结合特定波长的分辨率和聚光能力来测量宇宙，它可以实现其他任务无法实现的科学目标。通过建造一套最先进的仪器，它变得异常多才多艺，适应性强，能够测量宇宙的各个方面以及其中的物体，这些人类在发射时甚至都不知道。各种长时间曝光的运动，如上图所示的哈勃极深场，已经揭示了宇宙中数千个星系的体积，这些星系只占天空的百万分之一。但即使有哈勃的所有力量，所有的引力透镜放大，仍然有一些星系在那里，超出了我们所能看到的范围。对于人类来说，很难想象有什么比理解宇宙中最大的奥秘、了解其中的含义以及人类在宇宙中的位置更伟大的目标了。然而，这正是这些任务所能做的。三个最重要的天体物理学任务是：哈勃，20世纪90年代的任务，向我们展示了宇宙的样子。在本世纪前十年，出现了一系列中等预算的天文台，涵盖了各种波长，包括斯皮策和钱德拉。詹姆斯·韦伯，年代出现，将告诉人类宇宙是如何成长的，以及最早的恒星和星系是什么样子的。WFIRST是21世纪20年代的天体任务，它将向我们揭示宇宙的最终命运，并探索太阳系以外的类地世界，这是前所未有的。哈勃望远镜的观察区域（左上与WFIRST望远镜能够在相同深度、相同时间内观察到的区域相比。WFIRST的广域视野将使人类能够捕捉到比以往更多的遥远超新星，并将使我们能够在以前从未探测过的宇宙尺度上对星系进行深入、广泛的勘测。无论它发现了什么，它都将给科学带来一场革命。为了揭开当今宇宙中最具开放性的问题的答案，人类需要建造一些天文台，以应对技术上的挑战，这些挑战超越了当前天文学的前沿要求。提交提案的前沿团队已经联合起来，确定了四种巨大的方法，可以让人类以一种深刻的方式扩展对宇宙的认识。它们包括以下四个领域：系外行星科学。X射线天文学。红外天文学。光学天文学。所有这四个计划中的任务都是远大梦想的结果，每一个都将展示天文学任务。系外行星科学离我们的太阳系和宇宙很遥远。宜居系外行星天文台的最终目标很简单，直接在其他类太阳恒星周围成像类地行星。虽然其他天文台将间接地探测到这样的世界，或拍摄离较小恒星更远的大行星，但宜居系外行星天文台计划填补这一终极空白：拍摄一个像地球这样的行星，它围绕着一颗像太阳这样的恒星。直径4米的天基光学望远镜，加上遮阳板，将使天文学实现这一伟大的飞跃。宜居系外行星天文台的仪器将使我们能够描述类地和非类地世界的大气层，寻找水、氧、臭氧和其他可能是那个世界上生命的真实标志的分子的迹象。它也可以作为一个通用的天文台，类似于今天哈勃望远镜的升级版本。宜居系外行星天文台最大的缺点是，它几乎在所有方面都不如光学天文台，而对于普通天文学来说，它比WFIRST略有提升。X射线天文台将作为地面30米级光学望远镜以及詹姆斯·韦伯和WFIRST等太空天文台的最终补充。X射线天文台将不得不与欧洲航天局的雅典娜任务竞争，后者拥有更好的视野，但X射线天文台在角度分辨率和灵敏度方面确实很出色。现在，人类观测高能宇宙最好的窗口是像美国国家航空航天局钱德拉天文台这样的天文台，它到今天已经有20年的历史了。为了建立一个更好的X射线天文台，人类需要改进四种不同的技术：光学组件，它提供分辨率、灵敏度和视野。一个量热计，它允许你在一个特定的能量范围内确定每一个入射X射线的能量。高清晰度成像仪，它允许我们覆盖一个大的视野与高成像帧率，理想的成像快速变化或瞬态源。还有光栅光谱仪，它能让你在高分辨率下探测碳、铁、氧等元素的特征和位置。虽然钱德拉的分辨率只有0.20米的望远镜那么高，但X射线天文台的分辨率将有很大的飞跃，根据X射线的能量和16倍的视野，它的灵敏度将提高50到倍。对X射线天文台最大的打击是欧洲航天局的雅典娜号的存在。雅典娜号也有类似的视野，但灵敏度较低。X射线天文台，如提议的那样，将有10倍的成像分辨率和更好的低能量X射线光谱能力，这对于识别电离氧的天文信号至关重要。艺术家对于起源太空望远镜的概念图。在探测光谱的远红外部分方面，起源太空望远镜比斯皮策、赫歇尔或索非亚提供了一个巨大的升级，但这足以让它被选中吗？虽然詹姆斯·韦伯太空望远镜将探测部分红外光谱——近红外和中红外，但美国国家航空航天局发射过的唯一一个远红外天文台是斯皮策望远镜，它已经过时16年，运行超出了其安全能力。它由一面9.1米的主镜设计，仪器在液氦温度下工作，灵敏度将超过赫歇尔或索非亚天文台的0倍，这是唯一两个在光谱上覆盖与起源太空望远镜相同波长的天文台。它将配备5个独立的科学仪器，研究黑洞和星系的生长、行星和太阳系的形成、宇宙中重元素和尘埃的丰度和生长，并确定整个宇宙中生命的成分。没有美国宇航局或欧洲航天局的对手与起源太空望远镜竞争，它的最大缺点是它与詹姆斯韦伯太空望远镜（短波长）和阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（长波长）的部分重叠。但它仍将探索一个大的波长范围，这是任何其他任务，无论是现有的还是提议的，都无法比拟的。大型紫外光学和红外望远镜的概念设计将把它放置在拉格朗日点，一个15.1米的主镜将在那里展开并开始观测宇宙，给人类带来数不清的科学和天文财富。该计划将自身屏蔽在太阳之外，以便更好地将其与广谱电磁信号隔离开来。大型紫外光学和红外望远镜。这是一个伟大的梦想：哈勃望远镜的最终继承者。据称，这颗卫星的直径高达15米，其聚光能力是哈勃望远镜的40倍，分辨率也达到了前所未有的高。无论把银河系放在可观测宇宙的任何地方，大型紫外光学和红外望远镜都能看到它，而且无论它在哪里，都能将它分解成多个像素。大型紫外光学和红外望远镜将能够执行以下科学任务：直接成像木星和土星卫星上的间歇泉和火山喷发。直接成像距离地球光年以内的类地行星。测量3亿光年以外星系中的单个恒星。描述宇宙中每个星系的恒星类型，包括数十亿颗太暗、太小或太远而哈勃无法看到的恒星。绘制出每个星系周围的气体。以及测量任何星系的暗物质剖面，比如旋转曲线。用哈勃望远镜（左）和大型紫外光学和红外望远镜（右）在相同的观测时间内模拟同一区域的天空。选择这些任务中的哪一个来建造和飞行，在很多方面，将为人类未来30年或更长时间的天文学计划提供信息。美国宇航局是世界上最杰出的航天机构。这就是科学、研究、发展、发现和创新都聚集在一起的地方。这是哈勃望远镜对一个遥远的、正在形成恒星的星系的模拟图像（左），以及像大型紫外光学和红外望远镜这样的10-15米望远镜对同一个星系的模拟图像（右）。
