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。