走向2030：中國空間天文的發(fā)展與展望

方陶陶

【摘要】天文是人類認識太空、探索宇宙的一門科學，而空間天文則側重于利用空間觀測設備來對太空和宇宙進行科學研究。本文首先介紹了國際上天文的發(fā)展，以及現代天文學科學研究的主要方向和核心問題。其次，側重于介紹我國空間天文的發(fā)展，并以搜索失蹤的重子問題為例介紹若干空間天文研究的重點方向。最后，介紹我國天文機構對空間天文的研究和支持，以及對今后發(fā)展的展望。

【關鍵詞】空間天文 宇宙 重子問題

【中圖分類號】 P17 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.001

國際天文學的發(fā)展

人類近代對太空的探索經歷了五次飛躍。大約在400多年前歐洲的文藝復興時期，意大利物理學家、天文學家伽利略發(fā)明了第一臺口徑只有2.6厘米、放大倍數為14倍的望遠鏡，并用它觀測天空，看到了月球的丘壑和木星的衛(wèi)星。這是人類探索宇宙的第一次飛躍。

1931年，美國貝爾實驗室的工作人員楊斯基，在鑒別電話干擾信號時，偶然發(fā)現了來自銀河系的射電輻射，從此開創(chuàng)了用射電研究天體的新紀元，同時也讓人類首次在可見光波段以外探索宇宙。這是第二次飛躍。

20世紀60年代，美國的天體物理學家賈克尼利用火箭發(fā)現了太陽系外的第一批X射線源，之后又建造專門的X射線衛(wèi)星，發(fā)現宇宙劇烈變化的一面，同時也讓人類首次能夠在地球大氣層以外探索宇宙。這是第三次飛躍。

在1987年，當大麥哲倫星云中的超新星爆發(fā)之時，美國的戴維斯和日本的小柴昌俊同時觀測到了超新星爆發(fā)的中微子信號，這是人類第一次觀測到來自太陽之外的中微子信號。由于此發(fā)現，也開創(chuàng)了一門新的天文學科——中微子天文學。這可以算是第四次飛躍，人類首次能夠利用電磁波以外的信號探索宇宙。

2016年引力波的發(fā)現，可以算是人類探索宇宙的第五次飛躍了。美國LIGO探測器，分別位于華盛頓州的Hanford和路易斯安那州的Livingston，與2015年9月14號同時探測到一個振動一致的信號，并且和引力波理論預言一致，正式開啟了引力波天文的時代。

在最近幾十年，天文學蓬勃發(fā)展。進入21世紀后，天文領域更是進入一個高速發(fā)展期間，已經產生四次諾貝爾物理獎，包括2002年關于宇宙中微子的測量和宇宙X射線源的探測、2006年宇宙微波背景輻射及其各向異性的測量、2011年暗能量的發(fā)現，以及2015年中微子震蕩的測量。而引力波的探測和系外行星的發(fā)現也極有可能在未來幾年獲獎。

空間天文研究方向

天文和天體物理的研究方向是什么？我國科學家通俗地歸納為：“兩暗一黑三起源”。

“兩暗”是指暗物質和暗能量。最新的天體物理觀測證據表明，我們在宇宙中能夠觀測到的普通物質總量（包括質子、中子等，泛稱為“重子物質”）只占總量的5%左右。宇宙里還存在著大量的、看不見的物質，和重子物質只通過引力發(fā)生相互作用的“暗物質”。這些暗物質占宇宙總量的27%左右。我們只能通過一些間接方式了解到暗物質的存在，比如對星系外圍天體繞星系中心旋轉速度的測量，以及對宇宙微波背景的測量等。剩下的68%左右則是更為神秘的、以能量形式存在的“暗能量”①。通過對超新星的觀測和分析，Saul Perlmutter，Adam Riess和Brian Schmidt等人發(fā)現宇宙在加速膨脹，間接證實暗能量的存在，并因此獲得2011年的諾貝爾物理學獎。然而，對于暗物質和暗能量的本質，我們迄今為止所知甚少。

“一黑”是指黑洞。黑洞是天文學里最吸引人、也最令人困惑的現象之一。目前天體物理觀測中發(fā)現的黑洞大概分為兩類。一類是恒星級的黑洞，其質量大約為太陽質量的數倍到幾十倍之間。這類黑洞是大質量恒星在演化的晚期爆發(fā)并塌縮的結果。另一類黑洞則存在于星系的中心，其質量為太陽質量的數百萬倍到千萬倍，稱為“超大質量黑洞”。超大質量黑洞的成因和起源目前還是一個謎。黑洞研究里存在著大量的未解之謎。除了上述的超大質量黑洞的成因，還有比如是否存在中等質量的黑洞（介于恒星級和超大質量黑洞之間），超大質量黑洞是如何和星系一起成長和演化的，黑洞的視界內究竟是怎么回事（物理定律還有效嗎），等等。

而“三起源”則是指宇宙的起源和演化，天體的（包括恒星、星系等）起源和演化，以及地外生命起源。

自從美國天文學家哈勃在上個世紀初發(fā)現星系在高速地遠離我們后，物理學家咖莫夫等人在上個世紀中葉提出了宇宙起源于一次大爆炸，并預言了大爆炸后殘余的宇宙背景輻射溫度。令人震驚的是，這個宇宙背景輻射（主要是在微波波段，因此又稱為宇宙微波背景輻射）在六十年代，居然被美國貝爾實驗室的兩位科學家偶然之間探測到。自此，宇宙大爆炸理論就成為宇宙起源最主要的理論，并被越來越多的觀測所證實。

目前的主流理論認為，宇宙誕生于約137億年以前的一次大爆炸，在大爆炸后宇宙經歷了一個快速暴漲的過程。隨后，處于極高溫的宇宙隨著膨脹開始冷卻。在冷卻的不同階段，質子、中子等物質開始形成。在宇宙誕生約5億年后，由于受引力左右，物質開始收縮、塌縮，形成第一代恒星、星系等結構。恒星、星系的形成在宇宙誕生30億年后達到高峰，并開始慢慢停止。殘留在星系和星系之間的物質，即所謂的星系際介質（intergalactic medium，或IGM），構成了一個網狀結構，稱為“宇宙網”結構。

而地外生命的探索在最近二、三十年才開始興起。人類自古以來就對于地球外是否有生命充滿興趣，由于探索的手段有限，在地球文明發(fā)展以來一直處于幻想階段。然而，隨著天文技術高速發(fā)展，在上世紀90年代，瑞士天文學家Michel Mayor和他的同事首次探測到太陽系外圍繞著一個主序星飛馬座51的一顆行星，這正式拉開了系外行星和系外生命搜索的序幕。

到目前為止，人類一共發(fā)現了約3000多顆系外行星，其中有不少和我們地球一樣處在所謂的“habitable zone”（宜居住區(qū)）。宜居住區(qū)是指在一顆恒星周圍行星上可以有大氣和液態(tài)水存在的區(qū)域，通常我們認為位于這個區(qū)域的行星最有可能有生命出現。而尋找系外生命在其大氣層上留下的所謂的“bio-marker”（生物標志物）是目前國際上正在建造的下一代大型望遠鏡最主要的科學目標之一。

我國空間天文的發(fā)展

自從人類對太空天體開展研究以來，一直是在地面用人眼或地面望遠鏡展開觀測。然而由于地球大氣的屏蔽作用，使用這種方式觀測到的電磁波范圍有限，只是在可見光、射電，以及部分近紅外區(qū)域。在一些海拔極高、氣候干燥的地方，也可進行毫米和亞毫米波的觀測。對于大部分的高能光子波段，比如紫外線、X射線，以及伽馬射線，對其觀測的唯一方式是使用位于太空的望遠鏡。

最早的空間觀測是在第二次世界大戰(zhàn)以后開始興起的。由于火箭技術的發(fā)展，美國海軍實驗室首先開始利用火箭對太陽進行觀測。1946年，美國海軍實驗室的Richard Tousey利用在二戰(zhàn)中繳獲的德國V2火箭裝載一臺紫外相機，首次對外太空天體進行紫外觀測，拉開了利用太空進行天體觀測的序幕。

早期的火箭觀測是在火箭上裝載探測設備，利用火箭飛出大氣層外極短的時間進行觀測。在1957年人造衛(wèi)星上天后，人們便設計出圍繞地球轉動的空間望遠鏡，以便長時間進行觀測。在半個世紀以來，空間望遠鏡的技術不斷發(fā)展，能力也越來越強大，目前幾乎覆蓋了整個電磁波段，同時也開始向暗物質和引力波探測方面發(fā)展②③。

我國的空間觀測起步較晚，最早是在1978年之后，以中科院高能物理研究所為主，開展了一些利用高空氣球進行宇宙線探測的實驗。自從進入21世紀后，空間探測的腳步明顯加快，特別是和我國載人航天工程、探月工程密切結合，呈現出跳躍性的發(fā)展。

我國在空間飛船上最早搭乘天文觀測儀器的是“神舟二號”。2001年，在神舟二號上搭載了三臺科學儀器：超軟X射線探測器、X射線探測器和γ射線探測器，用于監(jiān)測太陽和宇宙天體的高能輻射。隨后，搭載探測器的工作先后在多個飛行器上實現，在這里比較突出的是嫦娥二號。嫦娥二號上搭載的高分辨率相機不僅獲得了迄今為止最為清晰的月球表面照片，而且在其后的實驗中近距離地完成了對小行星4179的觀測（最近距離僅為3.2公里），這是我國首次對小行星進行探測④。嫦娥二號在完成探月任務后即飛往在天文研究中有極其重要意義的、距離地球約150萬公里的地球—太陽系統的第二拉格朗日點，進行科學考察任務。

嫦娥三號則更進一步。由于可以登陸月球，我國首次利用登月著陸器裝置了兩臺月基望遠鏡。一臺是口徑約為15厘米的天文月基光學望遠鏡，在近紫外和光學波段展開對天體光變的連續(xù)監(jiān)測，以及對低軌道帶附件的巡天觀測。另外一臺為極紫外相機，主要是對地球周圍的等離子體層實施大視場成像，研究太陽風等對地球周圍空間環(huán)境的影響。

在2015年我國空間探測取得了重大突破。2015年12月我國首個空間望遠鏡衛(wèi)星，暗物質粒子探測衛(wèi)星（Dark Matter Particle Explorer，簡稱DAMPE），于甘肅酒泉發(fā)射上天。這個衛(wèi)星攜帶了一系列探測器，用于尋找暗物質粒子，研究高能宇宙射線和高能伽馬射線。目前衛(wèi)星運行狀況良好，已取得了一些初步結果。

我國目前還另外有一批空間望遠鏡項目，處于研發(fā)的不同階段，其中最接近發(fā)射的是空間硬X射線調制望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，簡稱HXMT）。其主要科學目標是在硬X射線波段展開寬波段（1～200千電子伏特）巡天，以期發(fā)現大量被塵埃所遮擋的黑洞和其他未知天體。

我國空間探測下一步最重要的目標之一是空間站的建設。中國載人航天遠期目標是建立一個永久性的空間實驗室，以供航天員、科學家在太空長期使用，為人類和平開發(fā)太空做出貢獻?？臻g站的工程目前已在有條不紊地進行。繼2011年天宮一號發(fā)射成功后，2016年9月天宮二號也順利進入運行軌道，10月兩名宇航員通過神舟十一號飛船首次進入天宮二號。最終，我國預期將在2020年前后建成規(guī)模較大、長期有人參與的國家級太空實驗室。

我國的空間站上將搭載若干進行天文觀測的儀器，包括用于探測伽馬射線暴偏正的POLAR、尋找暗物質粒子和探測宇宙線的HERD，以及用于巡天的大型光學望遠鏡（口徑約為2米）。

伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的現象之一，一般認為它來自于大質量恒星的塌縮，或兩個致密天體的并合。目前對伽馬射線暴的測量大部分集中于測量入射光子的能量、來自方位，以及到達時間等信息。而POLAR探測器將重點測量伽馬光子的偏振，這將會提供伽馬射線暴發(fā)生時其周邊環(huán)境比如磁場等方面的信息，從而進一步解開伽馬射線暴之謎。

計劃在2022年左右安裝到中國空間站的2米光學望遠鏡的主要科學目標是研究宇宙學和星系的形成與演化。在建成后它的巡天項目將成為世界上最大的巡天項目之一，在光學和近紫外波段將以超高的空間分辨率觀測超過上萬平方度的天區(qū)。這將對暗能量和暗物質的研究、檢驗廣義相對論和其他引力理論、宇宙結構的等級成團和星系形成、近場星系與銀河系的結構等領域的研究產生深遠的影響。

空間科學研究方向介紹：尋找失蹤的重子物質

這里，我們將以科學問題“尋找失蹤的重子物質”為例來介紹一個我國的空間科學研究方向。

如前所述，我們在宇宙中能夠觀測到的普通物質總量（泛稱為“重子物質”）只占總量的5%左右。這是基于我們對于早期宇宙的一系列觀測所得出的結論。這些觀測包括宇宙大爆炸后的核合成、宇宙微波背景輻射，以及對于早期宇宙的所謂萊曼森林吸收線（存在于星系際介質內的中性氫在遙遠類星體的光譜上所產生的吸收線）觀測。

然而，在1998年的一篇經典論文里，美國普林斯頓高等學術研究所和日本東京大學的Fukugita以及Hogan和Peebles發(fā)現，將所有能觀測到的重子物質加在一起，所觀測的重子物質只有早期宇宙的一半左右⑤。這就是著名的“失蹤的重子”問題，也是在最近一二十年國際天文的研究熱點之一。

近年來，一系列的理論研究和數值模擬計算表明，除了少部分組成星系和星系團介質的重子，絕大多數宇宙中的重子存在于星系際介質中。星系際介質追蹤了冷暗物質的大尺度結構，是星系、恒星、行星，以及最終所有生命的形成的最原始材料。

在早期宇宙中，星系際介質分布比較均勻；隨著時間的演化，形成了大尺度結構的“宇宙網”（Cosmic Web）。由細條狀結構的引力塌縮所釋放的能量將氣體加熱到比較高的溫度（從幾十萬度到幾千萬度）。原來在早期宇宙里占重子主導的萊曼森林線迅速變薄，星系際介質中的熱成分變得重要起來。在紅移為零處有30%～50%的星系際介質是高溫的，略少些的（大概30%～40%）存留在被光致電離的萊曼吸收線叢氣體中。在如此高溫下，氣體的輻射性質決定了這些物質只可能在紫外和X射線波段被觀測到，由此也決定了探測失蹤的重子物質只可能由空間望遠鏡來實現。

另外一個失蹤的重子問題存在于較小的、星系的尺度上，又稱為“失蹤的星系重子”問題。

在過去三十年中，由標準的宇宙學常數加冷暗物質模型框架下構建的星系演化理論取得了極大的成功。它很好地解釋了諸如星系光度函數演化等問題。在這個模型下，大尺度結構呈等級式成團演化（hierarchical structure formation），在成團（clustering）的每一個階段，暗物質會首先塌縮形成暈（halo）結構，被暗物質暈引力勢場所約束的氣體會隨后收縮、冷卻，形成星系、恒星等結構。可是，隨著最新觀測的發(fā)展，這個理論也面臨著一系列嚴重的挑戰(zhàn)。其中最重要的問題之一就是“過度冷卻”（over-cooling）。

在最早、也是目前標準的星系模型預言中，從星系際介質中吸積的氣體被激波加熱后會迅速冷卻，形成可觀測的恒星以及星際介質等物資?？墒钱斍皩︺y河系及鄰近星系的觀測表明，這些可探測的物質最多只有星系模型預言的一半，構成了所謂的“過度冷卻”。這個模型同時也過高預言了星系的X射線光度。搜尋這些“失蹤”的氣體是當前星系演化研究最前沿的課題之一。因為這些氣體主要是由重子組成，所以又稱之為“失蹤的星系重子之謎”。

一種有可能的解決方案是在星系形成和演化過程中，獲得星系核反饋或恒星反饋作用會產生強烈的星系風（galactic wind）。在星系風的作用下，一半左右的星系內的氣體會被吹出星系，成為星系際介質。雖然星系風在觀測中已被證實，但它們的作用究竟有多大還有待觀測。這個方案的一個較為明顯的困難就是它很難解釋在銀河系等星系中恒星的持續(xù)形成。目前的觀測表明，在銀河系中恒星形成速率大約是每年一個太陽質量。如果星系中約一半左右的氣體被吹出，剩余的氣體是無法保持目前這種恒星形成速率的。另外一個問題就是最近的數值模擬表明，較強的星系風會阻礙形成星系盤的結構。

另外一個方案是多相氣體冷卻模型（multi-phase cooling）。在這個模型中，有大量的熱氣體存在于星系暈中。這些熱氣體由于熱不穩(wěn)定性會分離（fragmentation）從而快速冷卻，形成高密度的氣體云，落入銀盤來提供目前觀測到的銀河系中恒星的持續(xù)形成。而剩余的熱氣體由于密度很低，它們冷卻時標會長于哈勃時標，所以不會過度冷卻。在這個方案下，大量低密度、高溫氣體（約為幾百萬度）存在于星系的外圍。同樣，這些熱氣體也只可能在紫外和X射線波段被觀測到，由此也決定了探測失蹤的星系重子物質只可能由空間望遠鏡來實現。

為了搜索這些失蹤的重子物質，以及驗證目前標準宇宙學模型所預言的“宇宙網”結構，我國以南京紫金山天文臺為主的科研人員正在研制一臺空間紫外望遠鏡，來探測這些重子物質的光譜信號。國內包括廈門大學、中國科技大學等在內的一批高校和中科院科研機構也參與研制工作。該望遠鏡將包括若干個大視場、高空間分辨率的窄波段成像相機，同時對位于宇宙網內的氫原子和氧離子譜線成像。預期在2020～2025年之間發(fā)射上天并開展工作。

我國天文機構對空間天文的研究和支持

我國目前的天文研究主要集中在中國科學院國家天文臺及其下屬單位，以及其組成單位紫金山天文臺和上海天文臺。另外，近年來在國內各大高校天文學的研究也蓬勃發(fā)展，除了早期的南京大學、北京大學、北京師范大學、中國科技大學外，廣州大學、廈門大學、上海交通大學、云南大學、廣西大學、中山大學等都先后成立了天文系或相應的天文研究單位。

國家天文臺的總體戰(zhàn)略發(fā)展方向除了從事天文觀測、理論，以及天文高技術的研究外，還“在面向國家戰(zhàn)略需求方面，成為國家空天安全等領域不可替代的重要方面軍”⑥。具體而言，國家天文臺對我國太空戰(zhàn)略的支持包括依托探月、深空探測、地面太陽觀測裝置研究太陽和太陽系，以及面向國家空天安全的應用天文研究和體系建設。

國家天文臺在深空探索方面最主要負責的部門是月球與深空探測研究部。該部門的職責之一是進行以探月工程為主的深空研究，包括深空科學探測運行、深空探測科學數據處理等。另一方面，該部門也對太陽系內其他行星和天體展開多方面研究，包括射電、遙感、地質與天體化學研究等。

國家天文臺的組成單位上海天文臺也在支持我國太空戰(zhàn)略方面發(fā)揮了巨大的作用。其下屬的天文地球動力學研究中心以及射電天文科學與技術研究室運用現代天文和衛(wèi)星技術（包括甚長基線觀測等）來測量地球的整體性和大尺度運動變化。該方向對我國空間飛行器包括嫦娥衛(wèi)星等精密定軌理論和應用的研究、衛(wèi)星激光測距及新技術研發(fā)等有重要意義。同時，時間頻率技術研究室展開主動、被動型氫原子鐘的研究，以及時間頻率技術等課題，這些方向對核物理、通訊、導航和測繪等科技應用領域起著不可或缺的作用。

國家天文臺的另一組成單位紫金山天文臺位于南京，主要在下列方向上支持我國的太空戰(zhàn)略：空間天文探測，特別是由近期發(fā)射的暗物質衛(wèi)星進行暗物質粒子探測；建立南極天文研究基地，在太赫茲探測技術方面展開研究；建立面向國家戰(zhàn)略需求的空間目標和碎片觀測研究中心；以及面向深空探測的行星科學研究中心。

我國空間天文發(fā)展展望

近年來，我國各部門包括國防科工（委）局、中國科學院、國家自然科學基金委等先后組織專家討論并撰寫了我國空間天文的中長期規(guī)劃并確定了我國空間天文領域中長期科學發(fā)展目標：有選擇地開展針對重大科學問題的前沿探索與研究，在黑洞、暗物質和暗能量以及地外生命的探索等方面取得突破性進展②③，并確定了在2015至2030年間的一系列計劃③⑥。

“黑洞探針”計劃：研究宇宙中的黑洞、伽馬射線暴等高能天體物理現象，并理解在極端物理條件下的物理規(guī)律；

“天體號脈”計劃：對宇宙中各類天體的光變現象進行研究；

“天體肖像”計劃：對宇宙中各類天體進行成像觀測；

“天體光譜”計劃：對宇宙中各類天體進行光譜觀測；

“系外行星”計劃：尋找系外行星，特別是類地球、類木星的行星；

“暗物質探測”計劃：利用空間探測器來搜尋暗物質；

“宇宙燈塔”計劃：使用中國即將建成的空間站作為天文觀測和物理實驗平臺，對各類天體現象進行觀測，并研究探索X射線脈沖星導航等實用問題。

這七個計劃涵蓋了空間天文的各個方向，總共包括了19個空間衛(wèi)星或空間站探測器項目。

縱觀世界各國空間天文的發(fā)展，無一不經過長期堅持不懈的努力。而空間研究本身就是一個高風險的領域，歐美及日本都有不少衛(wèi)星失敗的教訓。我們國家的空間研究還處在剛剛起步的階段，但我們相信，我國研究人員能充分認識到挑戰(zhàn)和機遇，遵循科學發(fā)展規(guī)律，在空間研究領域為人類做出更多貢獻。

注釋

關于宇宙學參數的最新數值，參見歐洲普朗克衛(wèi)星最新數據結果：Planck Collaboration，"Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters，" Astronomy and Astrophysics， 2016， p. 594。

張雙南：《我國空間天文發(fā)展的現狀和展望》，《中國科學：物理學 力學 天文學》，2012年第42期，第1308～1320頁。

吳伯冰、張雙南：《中國空間天文展望》，《中國科學：技術科學》，2015年第45期，第779～795頁。

Jiangchuan Huang et al.， "The Ginger-shaped Asteroid 4179 Toutatis： New Observations from a Successful Flyby of Chang'e-2"， 2013， Scientific Reports 3， Article number： 3411.

Fukugita， Hogan，and Peebles， "The Cosmic Baryon Budget"， 1998， Astrophysical Journal， p.503.

參加國家天文臺臺況簡介：http：//www.nao.cas.cn/gkjj/jgjj/。

責 編∕楊昀赟