学科发展2035 | 空间天文学发展规律

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发展阶段

探索试验

1912 年，一位气球飞行的业余爱好者，奥地利物理学家赫斯将高压电离室带到高空，发现大气的电离度随高度的上升持续增加。研究认定这是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，后来人们称为“宇宙射线”。赫斯发现“宇宙射线”是空间多信使天文探测研究的开端，赫斯于 1936 年获得了诺贝尔物理学奖。


第二次世界大战后到 20 世纪 60 年代初是空间天文的探索试验阶段。传统意义上的基于电磁辐射的空间天文发展则晚得多，通常认为它发源于第二次世界大战后利用 V-2 火箭和科学气球开展的大气外天文观测。运载工具是高空科学气球和探空火箭，观测对象主要是离地球最近的太阳和地球大气中的辐射本底，探测仪器是简单的核物理探测器，如光子计数器、电离室、盖革 - 米勒计数器和碘化钠闪烁计数器等。早期的观测条件虽然简陋，但取得了重要科学成果。例如，应用光栅频谱仪进行太阳软 X 射线和紫外线的低分辨率能谱测量，发现了其波长基本上集中在2～8 Å、 8～20 Å和44～60 Å 三个波段，表明太阳软 X 射线稳定成分的流量基本不变，辐射强度随波长增加而增加；太阳在某些紫外谱线上出现短时间的突然增亮，暗示太阳上存在紫外爆发，这一重要发现为后来的卫星观测所证实；用气球探测到太阳耀斑硬X 射线辐射；1948 年，用气球载电离室探测到了 γ 射线在宇宙线中的比例，开创了 γ 射线空间探测的先河。人造地球卫星发射后，虽然探空火箭和科学气球仍在开展探索和试验任务，但卫星逐步成为空间天文的主力。在 20 世纪60 年代初，空间天文观测还没有或很少有专用的卫星，大多数天文观测是搭载别的卫星进行的。之后规划并发射了初期的天文卫星系列，如轨道天文台、太阳辐射监测卫星和轨道太阳观测站系列卫星。
这一时期的代表性成就如下。
1）发现了宇宙 X 射线源和弥漫 X 射线背景。
2） 1969 年首次发现了蟹状星云射电脉冲星 NP0532 的 X 射线脉冲的短波辐射。
3）发现了河外 X 射线源。
4）发现了来自地球以外的 γ 射线辐射。
5）进行了空间红外天文测量。
6）盖革 - 米勒计数器、电离室、正比计数器、闪烁计数器、布拉格晶体频谱仪和光栅频谱仪、掠射式成像望远镜等新的观测方法和技术得到运用，获得了很多有价值的资料，为以后空间天文学的全面发展奠定了坚实基础。

全面发展

第三阶段是从 20 世纪 70 年代起到今天，世界各国相继发展空间观测技术，发射了各类专用天文观测卫星和设施，开辟了全电磁谱段天文研究的新时代。以上专用天文观测卫星和设施包括 γ 射线卫星、 X 射线卫星、紫外卫星、光学卫星、红外和亚毫米波卫星、空间长波射电观测设施等。除了基于电磁波探测的天文卫星，还发射了基于其他天文信使的卫星，如空间宇宙线探测卫星等。


美国除早期开拓性的天文卫星外，还取得巨大成功的是美国国家航空航天局的“大型轨道天文台计划”。该计划包括哈勃空间望远镜、康普顿 γ 射线天文台、钱德拉 X 射线天文台、斯皮策红外空间望远镜四个重达十几吨的大卫星，使空间天文观测和科学产出达到了一个高峰。此外，还有宇宙背景探测器、威尔金森微波各向异性探测器、 γ 射线暴快速探测器（也称为雨燕 γ 射线暴探测器）、广域红外巡天探测者卫星、核分光望远镜阵列，以及阿尔法磁谱仪等。欧洲航天局的主要天文卫星有 γ 射线 COS-B 天文卫星、欧洲 X 射线天文卫星，测量恒星位置和运动的依巴谷卫星、红外空间天文台、多镜面 X射线空间望远镜、欧美合作的国际 γ 射线天体物理学实验室等。


欧洲在空间天文发展领域也取得了丰硕的成果。欧洲航天局于 2009 年发射了赫歇尔空间天文台，这是当时最大的远红外和亚毫米波空间观测设备；2013 年发射了专为天体测量设计的盖亚探测器，它以前所未有的精度测量恒星的位置、距离和运动。这两台空间设备成为空间天文学发展的新里程碑。欧洲各国还发射了一批天文卫星，如早期英国研制的主要用于 X 射线观测的羚羊系列卫星、以德国为主研制的伦琴 X 射线卫星、意大利和荷兰共同研制的贝波 X 射线天文卫星、法国国家太空研究中心研制的用于系外行星探测的柯罗号天文卫星等。欧洲航天局在国际空间站的哥伦布实验舱上安装了太阳变化与辐射监测仪、太阳光谱辐射测量仪、自校准极紫外与紫外光谱仪等设备。很多其他国家也在空间天文发展中做出重要贡献。日本的天文卫星系列包括首次采用准直器调制成像的火鸟号太阳探测器，以及天马号 X 射线天文卫星、银河号 X 射线天文卫星、首次使用 CCD 作为 X 射线成像探测器的先进宇宙学和天体物理学号卫星、朱雀卫星等。此外，还研制了高新通信和天文实验室，国际空间站上的全天候 X 射线监视装置及探测宇宙线和暗物质的量能器电子望远镜等。俄罗斯发射了“石榴号”高能天文卫星等，阿根廷、澳大利亚、印度、印度尼西亚等也发射了天文卫星。我国于 2015 年成功发射暗物质探测卫星——“悟空号”，标志着我国正式加入了“国际空间天文探测的俱乐部”。


在宇宙微波背景辐射研究方面，美国 1989 年发射了专用的宇宙背景探测器。它在 0.05～1 厘米波长范围内获得了 43 个宇宙微波背景辐射强度的精确测量数据，结果与温度为 2.73K 的黑体辐射能谱完美符合，精度为 0.25%，该结果强烈支持宇宙大爆炸理论。宇宙探测器团队的领导者约翰· 马瑟和乔治· 斯穆特因此荣获了 2006 年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评委会的公报说，他们的工作使宇宙学进入“精确研究”时代。1998 年美国在南极实施了高空科学气球“微波背景不均匀性探测”任务，证明宇宙是“平直”的。之后，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器以更高精度的数据证实这一结论；2009 年以欧洲航天局为主、美国国家航空航天局参加的“普朗克”宇宙辐射探测器证实宇宙微波背景有约十万分之一的各向非均匀性。


空间观测发现了数以千万计的红外、 X/γ 射线源，还开创了寻找宇宙中生命的活动，在空间发现了 30 多种有机分子，发现并定义了大量的宜居带“类地”系外行星。总结如下。
1）发现了辐射 X 射线的黑洞和中子星等致密天体，证实了类星体是大质量黑洞的吸积过程，并且深入认识了类星体对于星系和宇宙结构起源和演化的作用。
2）发现了宇宙 γ 射线暴及其多样性，确认其主要来源于超新星爆发和中子星并合，空间天文及相关研究建立了宇宙演化和宇宙重子物质循环基本物理图象，对于恒星结构演化和宇宙大爆炸模型两大理论框架的建立和完善起到了不可替代的作用。
3）精细测定了宇宙微波背景辐射和宇宙年龄，有力支持了大爆炸宇宙学理论并对宇宙加速膨胀的发现起到重要作用。
4）凸显了宇宙暗物质、暗能量问题是当今对物理学基本理论的巨大挑战，成为整个科学界关注和集中研究的热点。

发展规律

空间天文项目往往技术复杂、耗资巨大、研发及运行的周期长，因此总结并遵循历史上成功项目的发展规律对于空间天文学的持续健康发展具有重要意义。考虑到我国空间天文尚处于起步阶段，下面的规律主要来自对国外空间天文发展历程的观察。
1）做好战略规划。美国国家航空航天局自 20 世纪开始，每十年开展一次“十年巡查”。欧洲航天局 2005 年提出《宇宙憧憬（ 2015—2025）》计划，有计划有步骤地征集和遴选项目，对空间科学的现状、未来科学需求、技术需求、科学优先级、技术优先级等进行系统调研和咨询，同时对未来 10～30年的空间项目进行规划。美国和欧洲的空间规划和计划方法，标志着空间天文进入到了以重大科学目标为驱动的成熟期。我国也分别于 2012 年以及 2019年出版了《未来 10 年中国学科发展战略· 空间科学》和《中国学科发展战略· 空间科学》，对包括空间天文在内的空间科学进行了战略规划。
2）加强技术预研。美国哈勃空间望远镜研制了十几年，欧洲赫歇尔望远镜从 1985 年提出概念到 2009 年发射历经 20 多年，韦布空间望远镜为攻克技术困难不遗余力，研制了 20 余年。欧洲航天局规划引力波空间探测已经 10 余年， 2015 年发射了激光干涉空间天线——丽莎探路者号，验证了空间引力波关键技术，为正式项目进行技术储备。美国国家航空航天局近几年已经开展了未来大型项目“山猫” X 射线天文台、工作在远红外波段的起源空间望远镜、大型紫外 / 可见光 / 红外探测卫星的概念研究以及关键技术攻关。
3）扩大研究范围，夯实项目基础。国外的空间天文发展的经验和教训都表明，仅仅通过实验室研发和环境模拟实验并不能全部和彻底解决所有的关键技术和降低风险。基于高空科学气球和探空火箭等的亚轨道实验在相当大程度上扩大了研究范围，是培养人才、夯实空间项目基础的重要途径。亚轨道实验在对低成本科学和技术进行验证的同时，还能够取得重大的科学发现。例如，南极气球“毫米波段气球观天计划”宇宙微波背景辐射观测实验提供了宇宙平坦性的最强烈证据，支持了利用超新星发现宇宙暗能量的结果，为后续的空间宇宙微波背景观测实验打下了良好的基础。先进薄电离量能器南极气球宇宙线观测实验发现了电子的总能谱超出，推动了各种暗物质探测实验，也促进了日本的量能器电子望远镜和中国的暗物质粒子探测卫星等重要项目的立项。美国的南极粒子天体物理和非粒子天体物理计划支持了近 30 项有创新潜力的空间天文项目，有些已经选为空间站项目，对活跃和发展空间天文发挥了显著作用。
4）关注“计划外”的新现象，形成新的研究方向。纵观空间天文学的研究历史，重大科学现象的发现往往有偶然性（如γ射线暴、宇宙背景辐射等）。后续观测则会形成聚焦，通过很长时间、全天文界和所有观测设备的协同攻关，最终得到深入理解（如 γ 射线暴）。
5）重视新探测窗口、新探测方法和新技术应用。空间天文技术开创了地球大气之外的电磁波段探测窗口，近年引力波探测新窗口的开辟将为探索宇宙未知带来新机遇。虽然目前空间天文项目以重大科学目标为驱动，但新的研究窗口、新的技术突破或方法仍然将对未来空间天文起到重要的作用。得益于计算机能力的日新月异，设计和模拟达到了接近实际情况的程度，大大降低了望远镜研制、发射以及运行的风险。

研究特点

空间天文学强烈地依赖于尖端观测仪器和先进的航天技术，是各国展示科技实力的舞台，更是引领世界科技发展的重要驱动力。2002 年的诺贝尔物理学奖特别关注开辟了空间 X 射线天文这一探测宇宙新窗口科学家的贡献。2006 年诺贝尔物理学奖授予了宇宙背景辐射卫星的两位负责人。哈勃空间望远镜的观测也对获得 2011 年诺贝尔物理学奖的宇宙加速膨胀的发现做出了决定性的贡献，标志着空间天文从技术突破开辟新窗口的起步时期进入到了以重大科学目标驱动的成熟期。目前，不但所有的发达国家，而且一些较小国家（如韩国）和发展中国家（如印度和巴西）都有了实质的空间天文项目。


当前空间天文的前沿领域是开展小尺度精细结构和大尺度物理规律的科学探索。空间天文探索加深对宇宙和主宰其行为的物理过程的认识，试图回答宇宙是如何起源的、黑洞的形成及演化、恒星和星系是如何形成及演化的等重要问题。此外，空间天文还研究暗物质与暗能量的物理本质和在宇宙中的分布、寻找类地行星系统、探测暗物质和引力波，涵盖了当代以及未来天文学与基础物理中最重要的研究领域。目前，基于卫星的观测数据所开展的天文学研究构成了研究主体，而后续的天文卫星计划则决定着未来若干年天文学研究的发展趋势。


随着人类对自然规律研究需求的发展，空间天文探测已经能够全面利用空间优良的天文观测条件，以及构建长基线望远镜所需要的大尺度空间，进入从 γ 射线到射电波段的全电磁波波段时代，已经在空间通过探测宇宙线粒子研究宇宙暗物质。2016 年 2 月激光干涉引力波天文台第一次探测到引力波，开辟了人类观测宇宙的新窗口。2017 年 8 月的引力波事件 GW170817 观测到光学对应体和多谱段信号，开创了引力波与广阔电磁谱段的多信使、全波段、全天时、全方位、高分辨率、高灵敏度和宽视场探测的新纪元。对宇宙观测的广度、深度和细节大大提高，将极大丰富人类对宇宙的认识。对当代物理学、宇宙学和天体物理学共同关注的暗物质、暗能量本质问题的空间研究，将持续成为空间天文研究的热点。此外，利用各种天文手段（包括地基和空间观测设备）在多个电磁波波段寻找类日 - 地系统的行星系统，也成为天文学研究和观测的热点。空间天文学将带动自然科学发展，并为人类认识宇宙和自然规律做出重大贡献。空间天文学的发展同样依赖于新的探测器件、探测系统技术、分析手段和能力。新技术方法将带来天文观测的进步甚至革命，可能开辟新的观测窗口。在探测手段和分析能力方面，当前国际上天文学的发展趋势如下。
1）大面积空间巡天和更高的空间、时间和光谱分辨率。大天区时变和运动天体的观测。全波段探测和研究，包括紫外、可见光、红外以及 X 射线和γ 射线。
2）开辟并发展电磁波外新的观测窗口，包括引力波天文学、中微子天文学、宇宙射线天文学，并与电磁波观测深入融合。
3）天地一体化观测。空间望远镜和地面天文或其他仪器对同一天区或目标进行观测，充分利用各自观测独特的优势。例如，对引力波及其电磁对应体的观测，地面光学望远镜对 γ 射线暴的后随观测等。
4）发展新的大数据和海量数据处理方法（含智能算法），发展计算天体物理学和天文信息学，并建立资料更完善、使用更方便的数据库。


而纵观空间天文的发展历程，我们可以发现如下特点。
1）运载能力和飞行器技术是基础，载荷水平是科学产出的关键，光机设计和工艺水平、传感器或探测器器件水平是决定载荷能力的关键。哈勃空间望远镜、钱德拉 X 射线天文台、核光谱望远镜阵列、多镜片 X 射线观测卫星、“阿尔法磁谱仪 2 号”以及韦布空间望远镜和欧洲航天局的“欧几里得”等未来要实施的一些中大型项目，都体现了当代高精尖技术与航天技术的结合。
2）不可重复性和继承性。天文卫星的研制、发射以及运行维护费用都十分昂贵，一般情况下不太可能发射同一类观测能力相近的卫星。
3）广泛的国际合作是空间天文发展的趋势。空间天文观测设备的规模越来越大，技术复杂且必须优势互补，巨大的投资规模使得任何一个国家在有限的时间内都难以单独完成，因此目前几乎所有的空间天文项目都有不同程度的国际合作。