几乎我们所知宇宙中的一切都来自于对天上无线电波至γ射线大致横跨波长16个数量级的电磁辐射的研究。然而大部分辐射都完全被地球大气层吸收了——只有无线电波和可见光波能透射到地表，即使这些波也存在变形或受到干扰。空间天文学则能避免地球大气的影响，在天上打开新的窗口，通过这些窗口、我们窥探到了比原先所知的更遥远的宇宙以及有关宇宙结构和宇宙演化方面更加丰富多彩的信息。

空间天文学和天体物理学调查委员会的报告认为，空间天文学在天体物理学更进一步的发现以及提出基本问题方面——从大爆炸的核合成到行星体系的探测——具有惊人的潜力。委员会选择“空间红外望远镜设备”是由于它是最早制造的大型设备，通过一个中小型项目的加速方案，以及提出方案的平衡、基本结构以及策略性问题，从而显示良机。

欢欣鼓舞继而遭受挫折的10年

对于美国国家航空和宇宙航行局（NASA）以及空间天文学来说，70年代的10年是令人兴奋的时期。在60年代的试探基础上，天文学家们发射了带有更加灵敏仪器的一系列卫星。一系列小型天文卫星以及高能天体物理天文卫星的X射线和γ射线的观测发现了如下这些现象的证据：双星系统附近正在吸积的中子星和黑洞，超新星爆发后的余热，炎热的恒星内部以及星团内的等离子体，类星体周围普遍存在的高能作用，各种普通恒星附近的日冕活动，以及未知源中高能光子的突然爆发。“轨道天文观测卫星”及“国际紫外探险者”上的紫外线摄谱仪探测了所有类型恒星所发出的紫外性质，完成了恒星内外气体的物化分析，并且探测到活动星系核的能量。“太阳极大”号上一组X射线和紫外仪器在太阳活动周期的高峰进行了详尽探测。

与此相对的是80年代的一段受挫期。因“红外天文卫星”和新近更多“宇宙背景探险者”的发射而打开了红外窗口是令人瞩目的成功。然而，这些仅仅是80年代发射的美国天文卫星，其中10颗是在70年代发射的。虽然某些领域的活动移到了欧洲或日本，但是科学的活力在总体上呈衰退状已明显可见。许多困难可以追溯到NASA对作为其基本发射工具的航天飞机的信心上。由“挑战者”号灾难所导致的这种策略的后果将继续缠绕着我们走过最近10年的大部分时光。

在过去的18个月中，NASA已发射了COBE、哈勃空间望远镜、德 - 英 - 美X射线望远镜ROSAT以及载荷宇宙飞船γ射线天文台也已于今年春天列入计划。虽然这些工作只是80年代长期规划的一部分，但是它们已经建立了新科学成果的顶峰，并最终将推翻对于它们发展迟缓的斥责。

大型、中型、小型的项目

吸取80年代的教训以及哈勃空间望远镜（以下简称HST）的主要教训：在技术发展和理论及数据分析方面的持续努力的同时，大中小型项目的平衡规划这一点是最最重要的。80年代期间要使规划取得平衡事实上是不可能的。大型和中型项目由于费用昂贵而搁浅，只有极少数小型项目可由航天飞机来完成。

美国空间天体物理学规划的成功取决于得到一个规模大小适当的项目，关于这一点，该调查委员会的结论是，这实质上是美国空间科学及应用NASA办公室的1988 ~ 1989年战略计划有关部分的认可，这些部分被认为可以在项目内、在项目交叉处以及在规划预算内取得平衡。该项计划以及该委员会的建议要求完成70年代和80年代天文学组织所推荐的项目。该调查委员会有意强调需要指定追加财力和物力用于中小型项目，并且促进NASA继续吸取80年代出现事故的教训，以完成这项计划。

调查委员会赞同完成NASA“大观测卫星”规划，它具有惊人的能力，是与较小项目不可比拟的四项大型项目。这些大项目可以在成像和分光镜灵敏度方面提高星的光度，这些对于在我们的学科前沿提出问题、作出新的发现，以及仔细回答由过去较小而较多考察项目所提出的许多问题是十分必要的。虽然大型项目十分昂贵，但是它们可以直接生效，当它们一旦完成以后，还是十分值得的。大型项目需要许多科研人员创造新的仪器，支持广大同行参与前沿观测，吸引学生并引起公众的想象。大型项目允许许多小组进行尖端方面的研究。举例来说，调查人员所收集的哈勃空间望远镜第一年的观测资料来自200个协会，每一个典型的研究小组仅有4名成员。

与此同时，中小型项目给NASA的空间科学规划增添了生机勃勃的一面。这些项目提供了通往空间相对较快的机会，对科学和技术的发展作出较为迅速的反应，促进技术的进步，并且为年轻的工具主义者提供了领先的机会。以往许多著名的天文项目在规模上都是适中的。该调查委员会建议NASA“继续开发复杂程度有限、进展时期较短的中小型项目的充满生机的规划，这样有利于提高所使用的运载火箭的利用率。”尤其它要求有更多的中小型“探险者”级别的项目为关键的科学难题指出一个粗略的范围。

调查委员会和它的专门小组还考虑了NASA规划得以完成的方法。尤其值得提出的是，该委员会相信，大多数任何规模计划的成功和具有实际价值的规划往往在大学、NASA以及工业的研究人员间具有一种亲密的伙伴关系。对大型规划而言，它要求NASA和非NASA的科学家两者在科研地位上都积极参与，并具相同权威。小型规划要求更直接的科学管理，这又回归到有限的、科学目标明确的项目，仔细注重技术上的准备工作、成本以及可靠性和质量的恰当标准。一旦一个项目开始以后，最重要的应该是及时地完成；甚至中等卫星的发射时间也拖得太久，导致坐失科学良机和科学活力——总的成本却明显提高。

“大观测卫星”

90年代将是“大观测卫星”的10年：哈勃空间望远镜、V射线观测卫星（1991年发射）、先进的X射线天体物理设备（安排在1998年）以及空间红外望远镜设备。这些长久的项目将给地面天文学家提供更多的电磁波谱。

“哈勃空间望远镜”（HST）的主镜缺陷是在天文学黄金时代的愉快宣告中发现的，它将该委员会投入到一个类似大肆夸张的绝望时期。毫无疑问，这种缺陷没有在得到修正以前将使HST不能对微弱的物体形成分辨率最高的图像。然而，HST已经送回了具有重要科学价值的图像：行星、星团、超新星1987 A的残片、星系核心以及具有引力透镜效应的类星体。虽然摄谱仪由于减低效力而受阻碍，但它仍将发现令人兴奋的目标，尤其在紫外辐射源方面。高分辨图像将于1993年得到恢复，那时宇航员将重新安装一个镜片经过矫正了的宽视行星摄像机。NASA还考虑在1993年飞船会合时更换一个称为COSTAR的装置。COSTAR将会把经过矫正的镜片安装在微弱物体摄像机和两个摄谱仪的入口孔径上。另外两个更换设备现正在设计经过矫正的镜片，那就是空间望远成像摄谱仪和近红外摄像机兼多体分光仪。该调查委员会认为这个为哈勃空间望远镜而产生的先进科学设备规划对空间天文学是极为重要的。

“γ射线观测卫星”（以下简称GRO）载有4种仪器用以观测跨越3个数量级能量（从29 keV至30 GeV）的宇宙源。该GRO的灵敏度和角分辨率（对强点源约为5弧分，对爆发源近1度）比70年代的γ射线项目高一个数量级。该GRO将研究爆发现象，中子星与黑洞附近的粒子加速现象，银河系中宇宙射线和星际气体的分布现象、近银河系中心511 - keV正负电子湮灭产生辐射的奇异源现象以及活动星系核和类星体的高能现象。尽管适合于发射线的光谱并不理想，但是GRO将仍有能力测量一些来自超新星中放射性元素直接核合成所产生的谱线，包括在超新星中长寿命S7℃o的0.122 - MeV的谱线。

“先进的X射线天体物理设备”（以下简称AXAF）的直径为1.2 m，它是一种擦地入射X射线望远镜，由若干具有亚弧秒成像能力和在0.1 - 10 keV范围的高分辨光谱仪等仪器构成。该调查委员会“再一次肯定以往调查关于80年代的天文学和天体物理学的结果，认为AXAF为该10年中最重要的大项目，应尽快地对所有的天文学领域显示AXAF的重要性”。（不幸的是，从该讲话起草到其公开发表之时，整个AXAF计划由于预算原因延迟了11个月。）一旦AXAF进入运行轨道，它将使美国重现在X射线天文学领域的杰出地位（这一领域是由NASA发射的最早的探测火箭和卫星而领先的），并将在几乎所有的天文学领域产生一种强烈的冲击。举例来说将研究恒星在非活动期和活动期的日冕；AXAF将实施在我们银河系内以及附近星系内超新星残骸的化学分析；AXAF将摄下活动星系核以及类星体；AXAF将解决以往很少了解的宇宙X射线背景上的点源组成问题；并对宇宙学作出重要的贡献。“爱因斯坦观测卫星”是AXAF的前任，它在两年半的飞行中产生了1000多份公开发表的论文，几乎遍及天文学和天体物理学的每一个分支。AXAF的服务期为15年。

AXAF对星系构成的星系团的测量说明了它具有提出天体物理学基础问题的能力，一个星系团可能包含有成百上千个星系，这些星系正在具有大约温度的一个漫射体中移动，该漫射体为发射X射线的等离子体。星系和气体被一个“第三者”、看不见的暗物质的引力所吸引，这些暗物质使宇宙学家和粒子物理学家具有极大的兴趣。对于暗物质的质量和分布进行精确的计算将有助于确定它的特性和其宇宙学上的意义，然而事实证明获得这些精确的测量是十分困难的，AXAF因具有成像和光谱双重功能，将使测量星系团各处气体的密度和温度成为可能。平衡方程便能用来确定聚合物质的数量。当星系团内部气体穿过星系团时，对其性质的认识也能用以预言微波背景辐射温度的明显移动，这种微波背景辐射是由热电子引起的康普顿散射。将该预言与微波测量相比较，我们可以得出结论：该星系团的距离——由此哈勃常数亦如此——与所有宇宙尺度的传统标准无关。

由于AXAF的规模以及它与HST表面的相似（两者都具有30英尺长的圆筒容纳望远镜和探测器），因此，人们担心HST的毛病重现是合乎情理的。事实上，两者是截然不同的。AXAF从以前的X射线项目中继承了强大的科技力量，在许多方面它是10多年前发射并取得成功的“爱因斯坦观测卫星”的放大翻版。此外，AXAF将由杰出的、第一流的承包者建造，并由经验丰富的NASA和非NASA科学家组成的杰出的NASA科研项目管理中心加以管理。所有这些因素以及列入计划的环环相扣的试验意味着，AXAF将避免在HST项目中遇到的各种问题。NASA的Allen委员会重温了HST主镜缺陷的原因，并在Hughes Danbury光学系统方面检查了AXAF主镜的质量控制和装配过程。我们断言AXAF主镜项目不会出现HST所出现的问题。然而，NASA和科学委员会必须继续努力工作，以确保AXAF避免延迟发射时间并增加与过去10年有关的成本。

完成“大观测卫星”是90年代的一项实际的目标。该调查委员会感到对相同规模的、需经过一段时间再继续的项目作出详细的介绍还为时过早，但是要求适用的技术发展将在本世纪末对几个可能冒险的新项目之一作出选择。

下个世纪的技术

90年代所实现的技术发展将决定21世纪早期在空间方面可进行的科学研究。早期的注意力对空间应用尤其重要，对空间应用而言，所要求的更多时间是为了通过广泛试验而取得合适的可靠性。

调查委员会认为，空间技术研究和发展必须在如下的领域内进行：空间可见光和红外干涉仪方面，大型空间望远镜技术、亚毫米接收器和望远镜技术、高能天体物理学的反射镜技术和探测器技术。值得注意的技术领域的具体事例如下：性能高、重量轻以及灵敏的光学仪器；轻量而灵敏的望远镜支架结构；新颖的X射线光学仪器；物体跟踪和指示；望远镜的无源冷却和有源冷却；各种类型的探测器技术；反射镜表面技术和涂层技术；对干涉仪的低推力测站协调系统以及高度控制推进系统；发展稳定的空间适用的激光用于调准干涉仪的元件。许多其他要求研究和发展的技术的实例，调查委员会在个别小组的报告中加以讨论。

技术研究应成为90年代下半期第二代空间天文学项目开始进行研究的先决条件。紧随“大观测卫星”的项目应该在本世纪末加以选择，那时其技术便易于理解。现在已有可能被认为是具有强大的科学识辨力的激动人心的候选者，诸如大型空间望远镜，它具有一面质轻、直径为6米的反射镜，它能将最大的他面望远镜的聚光能力与在空间能获得的最佳图像质量、紫外线的灵敏度，以及降低百万倍的红外线背景结合起来；小型光学望远镜阵，其作用如一架干涉仪；轨道射电望远镜阵；大型X射线望远镜，它具有轻质反射镜，配备下一代的探测器，能形成高度灵敏的图像和波谱。

一项重要的空间探测首创项目在下一世纪的早期可使人类重返月球。调查委员会推断，在月球上，一个具有实际价值、需要科学技术生产的天文学项目将要求较早的技术发展，包括具有重大科学成果的导航项目。将月球作为空间天文学研究的一个场所的主要优点是它提供了一个广大而坚固的基地，在它上面可以建造互相远离的设备，例如干涉仪，委员会认为，将一部分适当的资金投向月球上首创的项目，专用于广泛要求的基础科学计划、支持科学项目犹如他们从地面仪器发展到中型轨道实验，再发展到月球上的设备。

乐观的原因

空间天文学项目从困难重重的10年中幸免于难。目前的几件令人失望的事提醒我们，过去遗留下来的所有不足之处需要我们去加以改正，尤其是在财政紧缩的情况下。然而，也存在许多对空间天文学有利的一面，显而易见的是，它对我们人类认识宇宙作出了杰出的贡献，目前发射项目的数量和质量，以及至今仍在发展的现况。调查委员会的报告是一个合理的项目，它能使空间天文学和天体物理学重振雄风。一个大型的乐于奉献的个人组成的团体——包括NASA内外——正将他们的毕生精力献给这一目标。他们的动机是大大地发现已经获得和尚未获得的惊人的科学成就。

[Physics Today，1991年4月]