我國(guó)空間天文的發(fā)展

自從人類(lèi)對(duì)太空天體開(kāi)展研究以來(lái)，一直是在地面用人眼或地面望遠(yuǎn)鏡展開(kāi)觀測(cè)。然而由于地球大氣的屏蔽作用，使用這種方式觀測(cè)到的電磁波范圍有限，只是在可見(jiàn)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(jìn)行毫米和亞毫米波的觀測(cè)。對(duì)于大部分的高能光子波段，比如紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)，以及伽馬射線(xiàn)，對(duì)其觀測(cè)的唯一方式是使用位于太空的望遠(yuǎn)鏡。

最早的空間觀測(cè)是在第二次世界大戰(zhàn)以后開(kāi)始興起的。由于火箭技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室首先開(kāi)始利用火箭對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)。1946年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的Richard Tousey利用在二戰(zhàn)中繳獲的德國(guó)V2火箭裝載一臺(tái)紫外相機(jī)，首次對(duì)外太空天體進(jìn)行紫外觀測(cè)，拉開(kāi)了利用太空進(jìn)行天體觀測(cè)的序幕。

早期的火箭觀測(cè)是在火箭上裝載探測(cè)設(shè)備，利用火箭飛出大氣層外極短的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。在1957年人造衛(wèi)星上天后，人們便設(shè)計(jì)出圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的空間望遠(yuǎn)鏡，以便長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。在半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，空間望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)不斷發(fā)展，能力也越來(lái)越強(qiáng)大，目前幾乎覆蓋了整個(gè)電磁波段，同時(shí)也開(kāi)始向暗物質(zhì)和引力波探測(cè)方面發(fā)展②③。

我國(guó)的空間觀測(cè)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(kāi)展了一些利用高空氣球進(jìn)行宇宙線(xiàn)探測(cè)的實(shí)驗(yàn)。自從進(jìn)入21世紀(jì)后，空間探測(cè)的腳步明顯加快，特別是和我國(guó)載人航天工程、探月工程密切結(jié)合，呈現(xiàn)出跳躍性的發(fā)展。

我國(guó)在空間飛船上最早搭乘天文觀測(cè)儀器的是“神舟二號(hào)”。2001年，在神舟二號(hào)上搭載了三臺(tái)科學(xué)儀器：超軟X射線(xiàn)探測(cè)器、X射線(xiàn)探測(cè)器和γ射線(xiàn)探測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)和宇宙天體的高能輻射。隨后，搭載探測(cè)器的工作先后在多個(gè)飛行器上實(shí)現(xiàn)，在這里比較突出的是嫦娥二號(hào)。嫦娥二號(hào)上搭載的高分辨率相機(jī)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(shí)驗(yàn)中近距離地完成了對(duì)小行星4179的觀測(cè)（最近距離僅為3.2公里），這是我國(guó)首次對(duì)小行星進(jìn)行探測(cè)④。嫦娥二號(hào)在完成探月任務(wù)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(wàn)公里的地球—太陽(yáng)系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)考察任務(wù)。

嫦娥三號(hào)則更進(jìn)一步。由于可以登陸月球，我國(guó)首次利用登月著陸器裝置了兩臺(tái)月基望遠(yuǎn)鏡。一臺(tái)是口徑約為15厘米的天文月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，在近紫外和光學(xué)波段展開(kāi)對(duì)天體光變的連續(xù)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)低軌道帶附件的巡天觀測(cè)。另外一臺(tái)為極紫外相機(jī)，主要是對(duì)地球周?chē)牡入x子體層實(shí)施大視場(chǎng)成像，研究太陽(yáng)風(fēng)等對(duì)地球周?chē)臻g環(huán)境的影響。

在2015年我國(guó)空間探測(cè)取得了重大突破。2015年12月我國(guó)首個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星（Dark Matter Particle Explorer，簡(jiǎn)稱(chēng)DAMPE），于甘肅酒泉發(fā)射上天。這個(gè)衛(wèi)星攜帶了一系列探測(cè)器，用于尋找暗物質(zhì)粒子，研究高能宇宙射線(xiàn)和高能伽馬射線(xiàn)。目前衛(wèi)星運(yùn)行狀況良好，已取得了一些初步結(jié)果。

我國(guó)目前還另外有一批空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)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(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，簡(jiǎn)稱(chēng)HXMT）。其主要科學(xué)目標(biāo)是在硬X射線(xiàn)波段展開(kāi)寬波段（1～200千電子伏特）巡天，以期發(fā)現(xiàn)大量被塵埃所遮擋的黑洞和其他未知天體。

我國(guó)空間探測(cè)下一步最重要的目標(biāo)之一是空間站的建設(shè)。中國(guó)載人航天遠(yuǎn)期目標(biāo)是建立一個(gè)永久性的空間實(shí)驗(yàn)室，以供航天員、科學(xué)家在太空長(zhǎng)期使用，為人類(lèi)和平開(kāi)發(fā)太空做出貢獻(xiàn)?？臻g站的工程目前已在有條不紊地進(jìn)行。繼2011年天宮一號(hào)發(fā)射成功后，2016年9月天宮二號(hào)也順利進(jìn)入運(yùn)行軌道，10月兩名宇航員通過(guò)神舟十一號(hào)飛船首次進(jìn)入天宮二號(hào)。最終，我國(guó)預(yù)期將在2020年前后建成規(guī)模較大、長(zhǎng)期有人參與的國(guó)家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室。

我國(guó)的空間站上將搭載若干進(jìn)行天文觀測(cè)的儀器，包括用于探測(cè)伽馬射線(xiàn)暴偏正的POLAR、尋找暗物質(zhì)粒子和探測(cè)宇宙線(xiàn)的HERD，以及用于巡天的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（口徑約為2米）。

伽馬射線(xiàn)暴是宇宙中最劇烈的現(xiàn)象之一，一般認(rèn)為它來(lái)自于大質(zhì)量恒星的塌縮，或兩個(gè)致密天體的并合。目前對(duì)伽馬射線(xiàn)暴的測(cè)量大部分集中于測(cè)量入射光子的能量、來(lái)自方位，以及到達(dá)時(shí)間等信息。而POLAR探測(cè)器將重點(diǎn)測(cè)量伽馬光子的偏振，這將會(huì)提供伽馬射線(xiàn)暴發(fā)生時(shí)其周邊環(huán)境比如磁場(chǎng)等方面的信息，從而進(jìn)一步解開(kāi)伽馬射線(xiàn)暴之謎。

計(jì)劃在2022年左右安裝到中國(guó)空間站的2米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)目標(biāo)是研究宇宙學(xué)和星系的形成與演化。在建成后它的巡天項(xiàng)目將成為世界上最大的巡天項(xiàng)目之一，在光學(xué)和近紫外波段將以超高的空間分辨率觀測(cè)超過(guò)上萬(wàn)平方度的天區(qū)。這將對(duì)暗能量和暗物質(zhì)的研究、檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和其他引力理論、宇宙結(jié)構(gòu)的等級(jí)成團(tuán)和星系形成、近場(chǎng)星系與銀河系的結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。