张双南:空间天文学——亟待补上的短板

[ 录入者:zhangms | 时间:2014-12-24 08:24:44 | 作者:张双南 | 来源:中科院网站 | 浏览:1865次 ]

2013年12月,NASA广域红外巡天探测器发现了由两个黑洞组成的天体系统。这一天体系统距离地球大约38亿光年。

已经立项将于近期发射运行的空间天文项目。资料图片

电影《星际穿越》阐释了一个科学研究的逻辑:无论理论学家的计算多么精密,决定性的证据和关键因素必须要得到第一手观测资料。空间天文学就是获取第 一手资料的重要学科。改革开放以后,我们国家发射了很多卫星,在空间技术方面已经跻身国际先进行列。可是在空间科学方面,始终存在短板。中科院院士顾逸东 等科学家一直在呼吁,应该加强空间科学的研究。而空间天文学,就是其中最重要的内容之一。

  一黑两暗三起源:我国空间天文研究发展的重点

天文学的研究奠定了自然科学两大理论体系——经典力学和量子力学的观测和理论基础。空间天文学是利用空间平台,在空间进行天体观测和研究天体的形态、结 构、组成、运动、物理状态、演化规律的学科。在天文学发展史上,空间天文学的兴起是天文观测继可见光和射电观测的第三个里程碑,是人类认识宇宙的重大飞 跃。空间天文的发展极大地拓展了人类对于宇宙和自然规律的认识,促进了天文学再一次成了新现象和新知识的源泉,成了现代自然科学发展的主要原动力之一。

空间天文领域核心科学问题是宇宙是如何起源和演化的,包括:宇宙是由什么构成及如何演化的?宇宙中不同尺度的结构和天体是如何起源和演化的?是否存在超越现有基本物理理论的新物理规律?

围绕这些基本问题,今后我国的空间天文研究发展重点是:瞄准一黑(黑洞)、两暗(暗物质、暗能量)前沿重大基础科学问题,为揭示三起源(宇宙起源和演化、天体起源和演化、地外生命起源)和发展物理科学作出创新贡献。

“一黑”主要研究从恒星级质量到星系中央超大质量黑洞的形成、物质吸积、喷流、外流物理过程和物质循环,在极强引力场中严格检验引力理论;“两暗”指通 过对超新星、星系、星系团、星系际介质、宇宙背景辐射等宇宙探针的观测和统计,以及空间高能伽玛射线和带电粒子的直接探测,研究挑战近代物理基本框架的宇 宙暗能量、暗物质的(表观)物理本质,进而深入理解星系及可观测宇宙的起源、演化历史和物理规律。此外,在星系、恒星和行星层次,研究重点为银河系结构、 子结构和形成历史,大质量恒星的形成,超新星爆发、伽玛射线暴、中等质量黑洞以及致密天体,搜寻系外类地行星和生命存在的可能性;引力波是广义相对论的最 重要预言之一,时空结构剧烈改变会产生相应的几何曲率振荡即引力波,是空间天文学重要的新观测手段。

我国空间天文的观测依然处于起步的阶段,但是在今后的几年将获得突破性的发展,将彻底改变我国学者长期依赖国外观测结果开展研究的被动局面,实现历史性的突破。

  我国空间天文学有望进入多信使和多平台时代

针对空间天文学研究的需求和我国的现状与特色,以中国科学院空间科学先导专项为标志,我国启动并规划了若干空间天文研究计划。空间天文学科规划的基本思 路是:瞄准前沿科学问题,加强优势领域,适当扩大规模;以高能天体物理观测为重点,兼顾空间光学、射电、引力波以及旨在搜索宇宙暗物质的高能粒子探测;在 天文卫星的发射数量、主导和实质性参与国际空间天文卫星计划以及形成完整的空间天文研究体系方面,均有大幅度提升。同时,通过空间天文观测计划的实施,将 牵引和带动若干航天和空间关键技术的发展,将满足国家重大战略需求与发展空间天文结合起来。

我国空间天文将以空间高能天文作为突破点并 逐渐发展成为优势领域,从“黑洞探针”的主题出发,通过“天体号脉”计划,揭示各种天体的内部结构及其和周围物质的相互作用过程;通过“天体肖像”计划, 拍摄到各种天体及活动的照片;通过天体光谱计划,对天体的各种波段(主要频段:光学、射电和X射线)的光谱进行高分辨的测量。

另外,还 将通过“暗物质探测”计划确定暗物质的性质;通过中国引力波计划直接探测引力波,并将黑洞天文学的触角延伸至高红移的早期宇宙,并更好覆盖天文学中最神秘 的中等质量黑洞波源。“宇宙灯塔”计划拟使用中国的空间站作为天文观测和物理实验平台,研究X射线脉冲星导航的基础科学问题和验证演示其关键技术,捕捉宇 宙中各种天体的快速变化的信号,研究宇宙中剧烈和极端物理过程,研究暗物质、暗能量、宇宙起源和演化等。

“黑洞探针”和“暗物质探测” 计划的几个空间天文项目将在今后几年陆续发射运行,包括硬X射线调制望远镜HXMT,暗物质粒子探测卫星DAMPE中法合作伽玛暴天文卫星SVOM,以及 置于我国空间实验室天宫二号上的伽玛射线暴偏振仪POLAR。中国空间站“宇宙灯塔”计划中以暗能量为主要科学目标的大型光学巡天项目已经立项启动,其他 几个重要项目也在进行立项评估。“天体号脉”“天体肖像”和“系外行星探测”研究计划的X射线时变和偏振天文台XTP、爱因斯坦探针EP、空间(亚)毫米 波VLBI、系外地球搜寻卫星STEP已经入选背景型号开展关键技术攻关。此外,“天体光谱”和“宇宙灯塔”计划的若干候选项目已经开始深化论证和关键技 术预先研究。

通过这一系列空间天文计划的实施,我国空间天文学有望进入多信使和多平台时代,将取得重大科学发现和成果,在若干研究领域进入国际前沿并引领部分研究方向的未来发展。

  加强战略规划

我国空间天文学的长期发展仍然面临很多困难,主要问题包括管理体制条块分割严重,没有国家层面的统一规划、立项和资助,“一事一议”和“上层路线”仍然 是常态,严重缺乏立项前的科学目标论证和载荷技术研究的稳定经费支持,尚未建立天地一体化以及项目科学运行和数据分析研究的支持体系等。

就规划而言,空间天文学项目多需要大工程建设,重要性高、耗资大、技术牵引性强、执行周期长、公众的关注度高,而且探索性以及不可预知性都很强,制定合 理的长期战略规划就显得尤为重要。长期战略规划必须要经过长期论证和规划,并分阶段实施。首先,可以保证优先的科学目标是当前科学前沿最重要的科学问题而 且技术上具有可实现性。第二,能根据规划开展的项目遴选和论证则可以确保项目设计具有新科学发现能力。最后,组织好项目承担团队则可以抓住无法准确预测的 科学发现机会,也就是做好“事后诸葛亮”,产生重大原创性成果。因此世界各国尤其是美欧日等空间科学强国极为重视空间科学战略规划的制定和实施。我国应加 强空间科学战略规划,抓住机遇,力求在空间科学领域对世界科学作出贡献。

从经费使用上看,在总经费的约束下,合理的经费预算是一个领域 的平衡和长期可持续发展的关键。目前我国对于大型科研设施的经费支持普遍存在重中间、轻两头的问题,也就是重视设施的建设,但是忽略支撑体系、前期的研 发、后期的运行和科学研究。其实这个问题国外也是存在的,但是其决策过程中科学家的咨询意见会对这些问题进行一定的修正。以NASA在2008年做的天体 物理领域预算为例,经过科学家修正后,对于支撑体系和技术研发等项目立项前的投入大大增加,项目的立项放到了较晚的阶段,降低了项目本身的建造和运行的费 用,对于数据分析和理论以及实验室天体物理的研究有了较大的增加,值得我国有关部门参考。

(作者为中国科学院高能物理研究所研究员,记者齐芳整理)

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