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走向2030:中国空间天文的发展与展望

 tangaolus 2017-06-03

国际天文学的发展

人类近代对太空的探索经历了五次飞跃。大约在400多年前欧洲的文艺复兴时期,意大利物理学家、天文学家伽利略发明了第一台口径只有2.6厘米、放大倍数为14倍的望远镜,并用它观测天空,看到了月球的丘壑和木星的卫星。这是人类探索宇宙的第一次飞跃。

1931年,美国贝尔实验室的工作人员杨斯基,在鉴别电话干扰信号时,偶然发现了来自银河系的射电辐射,从此开创了用射电研究天体的新纪元,同时也让人类首次在可见光波段以外探索宇宙。这是第二次飞跃。

20世纪60年代,美国的天体物理学家贾克尼利用火箭发现了太阳系外的第一批X射线源,之后又建造专门的X射线卫星,发现宇宙剧烈变化的一面,同时也让人类首次能够在地球大气层以外探索宇宙。这是第三次飞跃。

在1987年,当大麦哲伦星云中的超新星爆发之时,美国的戴维斯和日本的小柴昌俊同时观测到了超新星爆发的中微子信号,这是人类第一次观测到来自太阳之外的中微子信号。由于此发现,也开创了一门新的天文学科——中微子天文学。这可以算是第四次飞跃,人类首次能够利用电磁波以外的信号探索宇宙。

2016年引力波的发现,可以算是人类探索宇宙的第五次飞跃了。美国LIGO探测器,分别位于华盛顿州的Hanford和路易斯安那州的Livingston,与2015年9月14号同时探测到一个振动一致的信号,并且和引力波理论预言一致,正式开启了引力波天文的时代。

在最近几十年,天文学蓬勃发展。进入21世纪后,天文领域更是进入一个高速发展期间,已经产生四次诺贝尔物理奖,包括2002年关于宇宙中微子的测量和宇宙X射线源的探测、2006年宇宙微波背景辐射及其各向异性的测量、2011年暗能量的发现,以及2015年中微子震荡的测量。而引力波的探测和系外行星的发现也极有可能在未来几年获奖。

空间天文研究方向

天文和天体物理的研究方向是什么?我国科学家通俗地归纳为:“两暗一黑三起源”。

“两暗”是指暗物质和暗能量。最新的天体物理观测证据表明,我们在宇宙中能够观测到的普通物质总量(包括质子、中子等,泛称为“重子物质”)只占总量的5%左右。宇宙里还存在着大量的、看不见的物质,和重子物质只通过引力发生相互作用的“暗物质”。这些暗物质占宇宙总量的27%左右。我们只能通过一些间接方式了解到暗物质的存在,比如对星系外围天体绕星系中心旋转速度的测量,以及对宇宙微波背景的测量等。剩下的68%左右则是更为神秘的、以能量形式存在的“暗能量”①。通过对超新星的观测和分析,Saul Perlmutter,Adam Riess和Brian Schmidt等人发现宇宙在加速膨胀,间接证实暗能量的存在,并因此获得2011年的诺贝尔物理学奖。然而,对于暗物质和暗能量的本质,我们迄今为止所知甚少。

“一黑”是指黑洞。黑洞是天文学里最吸引人、也最令人困惑的现象之一。目前天体物理观测中发现的黑洞大概分为两类。一类是恒星级的黑洞,其质量大约为太阳质量的数倍到几十倍之间。这类黑洞是大质量恒星在演化的晚期爆发并塌缩的结果。另一类黑洞则存在于星系的中心,其质量为太阳质量的数百万倍到千万倍,称为“超大质量黑洞”。超大质量黑洞的成因和起源目前还是一个谜。黑洞研究里存在着大量的未解之谜。除了上述的超大质量黑洞的成因,还有比如是否存在中等质量的黑洞(介于恒星级和超大质量黑洞之间),超大质量黑洞是如何和星系一起成长和演化的,黑洞的视界内究竟是怎么回事(物理定律还有效吗),等等。

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

自从美国天文学家哈勃在上个世纪初发现星系在高速地远离我们后,物理学家咖莫夫等人在上个世纪中叶提出了宇宙起源于一次大爆炸,并预言了大爆炸后残余的宇宙背景辐射温度。令人震惊的是,这个宇宙背景辐射(主要是在微波波段,因此又称为宇宙微波背景辐射)在六十年代,居然被美国贝尔实验室的两位科学家偶然之间探测到。自此,宇宙大爆炸理论就成为宇宙起源最主要的理论,并被越来越多的观测所证实。

目前的主流理论认为,宇宙诞生于约137亿年以前的一次大爆炸,在大爆炸后宇宙经历了一个快速暴涨的过程。随后,处于极高温的宇宙随着膨胀开始冷却。在冷却的不同阶段,质子、中子等物质开始形成。在宇宙诞生约5亿年后,由于受引力左右,物质开始收缩、塌缩,形成第一代恒星、星系等结构。恒星、星系的形成在宇宙诞生30亿年后达到高峰,并开始慢慢停止。残留在星系和星系之间的物质,即所谓的星系际介质(intergalactic medium,或IGM),构成了一个网状结构,称为“宇宙网”结构。

而地外生命的探索在最近二、三十年才开始兴起。人类自古以来就对于地球外是否有生命充满兴趣,由于探索的手段有限,在地球文明发展以来一直处于幻想阶段。然而,随着天文技术高速发展,在上世纪90年代,瑞士天文学家Michel Mayor和他的同事首次探测到太阳系外围绕着一个主序星飞马座51的一颗行星,这正式拉开了系外行星和系外生命搜索的序幕。

到目前为止,人类一共发现了约3000多颗系外行星,其中有不少和我们地球一样处在所谓的“habitable zone”(宜居住区)。宜居住区是指在一颗恒星周围行星上可以有大气和液态水存在的区域,通常我们认为位于这个区域的行星最有可能有生命出现。而寻找系外生命在其大气层上留下的所谓的“bio-marker”(生物标志物)是目前国际上正在建造的下一代大型望远镜最主要的科学目标之一。

我国空间天文的发展

自从人类对太空天体开展研究以来,一直是在地面用人眼或地面望远镜展开观测。然而由于地球大气的屏蔽作用,使用这种方式观测到的电磁波范围有限,只是在可见光、射电,以及部分近红外区域。在一些海拔极高、气候干燥的地方,也可进行毫米和亚毫米波的观测。对于大部分的高能光子波段,比如紫外线、X射线,以及伽马射线,对其观测的唯一方式是使用位于太空的望远镜。

最早的空间观测是在第二次世界大战以后开始兴起的。由于火箭技术的发展,美国海军实验室首先开始利用火箭对太阳进行观测。1946年,美国海军实验室的Richard Tousey利用在二战中缴获的德国V2火箭装载一台紫外相机,首次对外太空天体进行紫外观测,拉开了利用太空进行天体观测的序幕。

早期的火箭观测是在火箭上装载探测设备,利用火箭飞出大气层外极短的时间进行观测。在1957年人造卫星上天后,人们便设计出围绕地球转动的空间望远镜,以便长时间进行观测。在半个世纪以来,空间望远镜的技术不断发展,能力也越来越强大,目前几乎覆盖了整个电磁波段,同时也开始向暗物质和引力波探测方面发展②③。

我国的空间观测起步较晚,最早是在1978年之后,以中科院高能物理研究所为主,开展了一些利用高空气球进行宇宙线探测的实验。自从进入21世纪后,空间探测的脚步明显加快,特别是和我国载人航天工程、探月工程密切结合,呈现出跳跃性的发展。

我国在空间飞船上最早搭乘天文观测仪器的是“神舟二号”。2001年,在神舟二号上搭载了三台科学仪器:超软X射线探测器、X射线探测器和γ射线探测器,用于监测太阳和宇宙天体的高能辐射。随后,搭载探测器的工作先后在多个飞行器上实现,在这里比较突出的是嫦娥二号。嫦娥二号上搭载的高分辨率相机不仅获得了迄今为止最为清晰的月球表面照片,而且在其后的实验中近距离地完成了对小行星4179的观测(最近距离仅为3.2公里),这是我国首次对小行星进行探测④。嫦娥二号在完成探月任务后即飞往在天文研究中有极其重要意义的、距离地球约150万公里的地球—太阳系统的第二拉格朗日点,进行科学考察任务。

嫦娥三号则更进一步。由于可以登陆月球,我国首次利用登月着陆器装置了两台月基望远镜。一台是口径约为15厘米的天文月基光学望远镜,在近紫外和光学波段展开对天体光变的连续监测,以及对低轨道带附件的巡天观测。另外一台为极紫外相机,主要是对地球周围的等离子体层实施大视场成像,研究太阳风等对地球周围空间环境的影响。

在2015年我国空间探测取得了重大突破。2015年12月我国首个空间望远镜卫星,暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particle Explorer,简称DAMPE),于甘肃酒泉发射上天。这个卫星携带了一系列探测器,用于寻找暗物质粒子,研究高能宇宙射线和高能伽马射线。目前卫星运行状况良好,已取得了一些初步结果。

我国目前还另外有一批空间望远镜项目,处于研发的不同阶段,其中最接近发射的是空间硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,简称HXMT)。其主要科学目标是在硬X射线波段展开宽波段(1~200千电子伏特)巡天,以期发现大量被尘埃所遮挡的黑洞和其他未知天体。

我国空间探测下一步最重要的目标之一是空间站的建设。中国载人航天远期目标是建立一个永久性的空间实验室,以供航天员、科学家在太空长期使用,为人类和平开发太空做出贡献。空间站的工程目前已在有条不紊地进行。继2011年天宫一号发射成功后,2016年9月天宫二号也顺利进入运行轨道,10月两名宇航员通过神舟十一号飞船首次进入天宫二号。最终,我国预期将在2020年前后建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。

我国的空间站上将搭载若干进行天文观测的仪器,包括用于探测伽马射线暴偏正的POLAR、寻找暗物质粒子和探测宇宙线的HERD,以及用于巡天的大型光学望远镜(口径约为2米)。

伽马射线暴是宇宙中最剧烈的现象之一,一般认为它来自于大质量恒星的塌缩,或两个致密天体的并合。目前对伽马射线暴的测量大部分集中于测量入射光子的能量、来自方位,以及到达时间等信息。而POLAR探测器将重点测量伽马光子的偏振,这将会提供伽马射线暴发生时其周边环境比如磁场等方面的信息,从而进一步解开伽马射线暴之谜。

计划在2022年左右安装到中国空间站的2米光学望远镜的主要科学目标是研究宇宙学和星系的形成与演化。在建成后它的巡天项目将成为世界上最大的巡天项目之一,在光学和近紫外波段将以超高的空间分辨率观测超过上万平方度的天区。这将对暗能量和暗物质的研究、检验广义相对论和其他引力理论、宇宙结构的等级成团和星系形成、近场星系与银河系的结构等领域的研究产生深远的影响。

空间科学研究方向介绍:寻找失踪的重子物质

这里,我们将以科学问题“寻找失踪的重子物质”为例来介绍一个我国的空间科学研究方向。

如前所述,我们在宇宙中能够观测到的普通物质总量(泛称为“重子物质”)只占总量的5%左右。这是基于我们对于早期宇宙的一系列观测所得出的结论。这些观测包括宇宙大爆炸后的核合成、宇宙微波背景辐射,以及对于早期宇宙的所谓莱曼森林吸收线(存在于星系际介质内的中性氢在遥远类星体的光谱上所产生的吸收线)观测。

然而,在1998年的一篇经典论文里,美国普林斯顿高等学术研究所和日本东京大学的Fukugita以及Hogan和Peebles发现,将所有能观测到的重子物质加在一起,所观测的重子物质只有早期宇宙的一半左右⑤。这就是著名的“失踪的重子”问题,也是在最近一二十年国际天文的研究热点之一。

近年来,一系列的理论研究和数值模拟计算表明,除了少部分组成星系和星系团介质的重子,绝大多数宇宙中的重子存在于星系际介质中。星系际介质追踪了冷暗物质的大尺度结构,是星系、恒星、行星,以及最终所有生命的形成的最原始材料。

在早期宇宙中,星系际介质分布比较均匀;随着时间的演化,形成了大尺度结构的“宇宙网”(Cosmic Web)。由细条状结构的引力塌缩所释放的能量将气体加热到比较高的温度(从几十万度到几千万度)。原来在早期宇宙里占重子主导的莱曼森林线迅速变薄,星系际介质中的热成分变得重要起来。在红移为零处有30%~50%的星系际介质是高温的,略少些的(大概30%~40%)存留在被光致电离的莱曼吸收线丛气体中。在如此高温下,气体的辐射性质决定了这些物质只可能在紫外和X射线波段被观测到,由此也决定了探测失踪的重子物质只可能由空间望远镜来实现。

另外一个失踪的重子问题存在于较小的、星系的尺度上,又称为“失踪的星系重子”问题。

在过去三十年中,由标准的宇宙学常数加冷暗物质模型框架下构建的星系演化理论取得了极大的成功。它很好地解释了诸如星系光度函数演化等问题。在这个模型下,大尺度结构呈等级式成团演化(hierarchical structure formation),在成团(clustering)的每一个阶段,暗物质会首先塌缩形成晕(halo)结构,被暗物质晕引力势场所约束的气体会随后收缩、冷却,形成星系、恒星等结构。可是,随着最新观测的发展,这个理论也面临着一系列严重的挑战。其中最重要的问题之一就是“过度冷却”(over-cooling)。

在最早、也是目前标准的星系模型预言中,从星系际介质中吸积的气体被激波加热后会迅速冷却,形成可观测的恒星以及星际介质等物资。可是当前对银河系及邻近星系的观测表明,这些可探测的物质最多只有星系模型预言的一半,构成了所谓的“过度冷却”。这个模型同时也过高预言了星系的X射线光度。搜寻这些“失踪”的气体是当前星系演化研究最前沿的课题之一。因为这些气体主要是由重子组成,所以又称之为“失踪的星系重子之谜”。

一种有可能的解决方案是在星系形成和演化过程中,获得星系核反馈或恒星反馈作用会产生强烈的星系风(galactic wind)。在星系风的作用下,一半左右的星系内的气体会被吹出星系,成为星系际介质。虽然星系风在观测中已被证实,但它们的作用究竟有多大还有待观测。这个方案的一个较为明显的困难就是它很难解释在银河系等星系中恒星的持续形成。目前的观测表明,在银河系中恒星形成速率大约是每年一个太阳质量。如果星系中约一半左右的气体被吹出,剩余的气体是无法保持目前这种恒星形成速率的。另外一个问题就是最近的数值模拟表明,较强的星系风会阻碍形成星系盘的结构。

另外一个方案是多相气体冷却模型(multi-phase cooling)。在这个模型中,有大量的热气体存在于星系晕中。这些热气体由于热不稳定性会分离(fragmentation)从而快速冷却,形成高密度的气体云,落入银盘来提供目前观测到的银河系中恒星的持续形成。而剩余的热气体由于密度很低,它们冷却时标会长于哈勃时标,所以不会过度冷却。在这个方案下,大量低密度、高温气体(约为几百万度)存在于星系的外围。同样,这些热气体也只可能在紫外和X射线波段被观测到,由此也决定了探测失踪的星系重子物质只可能由空间望远镜来实现。

为了搜索这些失踪的重子物质,以及验证目前标准宇宙学模型所预言的“宇宙网”结构,我国以南京紫金山天文台为主的科研人员正在研制一台空间紫外望远镜,来探测这些重子物质的光谱信号。国内包括厦门大学、中国科技大学等在内的一批高校和中科院科研机构也参与研制工作。该望远镜将包括若干个大视场、高空间分辨率的窄波段成像相机,同时对位于宇宙网内的氢原子和氧离子谱线成像。预期在2020~2025年之间发射上天并开展工作。

我国天文机构对空间天文的研究和支持

我国目前的天文研究主要集中在中国科学院国家天文台及其下属单位,以及其组成单位紫金山天文台和上海天文台。另外,近年来在国内各大高校天文学的研究也蓬勃发展,除了早期的南京大学、北京大学、北京师范大学、中国科技大学外,广州大学、厦门大学、上海交通大学、云南大学、广西大学、中山大学等都先后成立了天文系或相应的天文研究单位。

国家天文台的总体战略发展方向除了从事天文观测、理论,以及天文高技术的研究外,还“在面向国家战略需求方面,成为国家空天安全等领域不可替代的重要方面军”⑥。具体而言,国家天文台对我国太空战略的支持包括依托探月、深空探测、地面太阳观测装置研究太阳和太阳系,以及面向国家空天安全的应用天文研究和体系建设。

国家天文台在深空探索方面最主要负责的部门是月球与深空探测研究部。该部门的职责之一是进行以探月工程为主的深空研究,包括深空科学探测运行、深空探测科学数据处理等。另一方面,该部门也对太阳系内其他行星和天体展开多方面研究,包括射电、遥感、地质与天体化学研究等。

国家天文台的组成单位上海天文台也在支持我国太空战略方面发挥了巨大的作用。其下属的天文地球动力学研究中心以及射电天文科学与技术研究室运用现代天文和卫星技术(包括甚长基线观测等)来测量地球的整体性和大尺度运动变化。该方向对我国空间飞行器包括嫦娥卫星等精密定轨理论和应用的研究、卫星激光测距及新技术研发等有重要意义。同时,时间频率技术研究室展开主动、被动型氢原子钟的研究,以及时间频率技术等课题,这些方向对核物理、通讯、导航和测绘等科技应用领域起着不可或缺的作用。

国家天文台的另一组成单位紫金山天文台位于南京,主要在下列方向上支持我国的太空战略:空间天文探测,特别是由近期发射的暗物质卫星进行暗物质粒子探测;建立南极天文研究基地,在太赫兹探测技术方面展开研究;建立面向国家战略需求的空间目标和碎片观测研究中心;以及面向深空探测的行星科学研究中心。

我国空间天文发展展望

近年来,我国各部门包括国防科工(委)局、中国科学院、国家自然科学基金委等先后组织专家讨论并撰写了我国空间天文的中长期规划并确定了我国空间天文领域中长期科学发展目标:有选择地开展针对重大科学问题的前沿探索与研究,在黑洞、暗物质和暗能量以及地外生命的探索等方面取得突破性进展②③,并确定了在2015至2030年间的一系列计划③⑥。

“黑洞探针”计划:研究宇宙中的黑洞、伽马射线暴等高能天体物理现象,并理解在极端物理条件下的物理规律;

“天体号脉”计划:对宇宙中各类天体的光变现象进行研究;

“天体肖像”计划:对宇宙中各类天体进行成像观测;

“天体光谱”计划:对宇宙中各类天体进行光谱观测;

“系外行星”计划:寻找系外行星,特别是类地球、类木星的行星;

“暗物质探测”计划:利用空间探测器来搜寻暗物质;

“宇宙灯塔”计划:使用中国即将建成的空间站作为天文观测和物理实验平台,对各类天体现象进行观测,并研究探索X射线脉冲星导航等实用问题。

这七个计划涵盖了空间天文的各个方向,总共包括了19个空间卫星或空间站探测器项目。

纵观世界各国空间天文的发展,无一不经过长期坚持不懈的努力。而空间研究本身就是一个高风险的领域,欧美及日本都有不少卫星失败的教训。我们国家的空间研究还处在刚刚起步的阶段,但我们相信,我国研究人员能充分认识到挑战和机遇,遵循科学发展规律,在空间研究领域为人类做出更多贡献。

注释

①关于宇宙学参数的最新数值,参见欧洲普朗克卫星最新数据结果:Planck Collaboration,"Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters," Astronomy and Astrophysics, 2016, p. 594。

②张双南:《我国空间天文发展的现状和展望》,《中国科学:物理学 力学 天文学》,2012年第42期,第1308~1320页。

③吴伯冰、张双南:《中国空间天文展望》,《中国科学:技术科学》,2015年第45期,第779~795页。

④Jiangchuan 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.

⑤Fukugita, Hogan,and Peebles, "The Cosmic Baryon Budget", 1998, Astrophysical Journal, p.503.

⑥参考国家天文台台况简介:http://www.nao.cas.cn/gkjj/jgjj/。 

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