[历史文献]空间天文学发展的现状与展望

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空间天文学是一门主要在大气层外的空间区域开展天文观测和研究的学科,是空间科学的重要组成部分。如果从高空气球和探空火箭等地球亚轨道运载工具上的天文观测算起来,空间天文学研究始于20世纪40年代,但其真正的蓬勃发展却是在人造卫星上天之后,迄今已发射用于天文学目的的航天器有三百多个,耗资一千多亿美元。

(选自天文爱好者1996年第四期。作者张和祺)

编者按:1996年4月20日至25日,中国空间科学学会在河南郑州召开了第五次代表大会,约两百名科学家齐聚一堂,进行了广泛的学术交流。中国科学院南京紫金山天文台台长张和祺先生在会上做了《空间天文学发展的现状与展望》专题报告。结合本刊读者需要,我们约请张和祺先生撰写了这篇文章,此文涉及了空间天文学的几个主要领域,以及我国空间天文学的发展方向。

空间天文学是一门主要在大气层外的空间区域开展天文观测和研究的学科,是空间科学的重要组成部分。如果从高空气球和探空火箭等地球亚轨道运载工具上的天文观测算起来,空间天文学研究始于20世纪40年代,但其真正的蓬勃发展却是在人造卫星上天之后,迄今已发射用于天文学目的的航天器有三百多个,耗资一千多亿美元。空间天文学的一系列重大发现,大大地丰富了人类的科学知识,改变了人类过去只根据地面观测所形成的许多传统观念,并把人类的视野拓展到宇宙深处。空间天文学的意义和影响已经远远超出了天文学的边界。下面,就四个方面对空间天文学的发展进行回顾和展望。

(一)大气层外空间天文观测的优越性

第一,突破了地球大气层屏障的阻挡,使拓展宇宙天体电磁辐射光谱的观测波段范围成为可能,从而开创了真正的全波段天文时代。

第二,在太空大气密度降至极低的条件下,由于温差所造成的、并且严重影响地面光学天文成像质量的大气湍流实际上已不复存在,因而极大的改善了观测条件,使得天文仪器的分辨本领大大提高。

第三,由于航天器相对于地面的高位置,空间天文观测具有全时段、全方位、超长干涉基线等优点。

(二)天文学发展的第三座里程碑

第一,光学天文时代。1609年,伽利略制造出第一架光学望远镜,并用来进行天文观测,大大地扩展了人类的视野,使天文学获得了一系列的新发现。这些新发现不仅轰动了当时的整个欧洲,而且开创了天文观测的新时代——光学观测时代,在天文学史上树立起第一座划时代的里程碑。

第二,射电天文学时代。20世纪30年代,随着无线电技术的发展,特别是第二次世界大战期间,雷达技术的发展,射电天文观测崛起。战后,射电天文学得到更迅速的发展,天文学家们打开了观测天体的另一扇窗口,天文学又一次出现了辉煌,得到了类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射等一系列重大发现。所以说,射电天文学的诞生是天文学史上的又一座里程碑。

第三,空间天文时代的到来。自1946年以来,随着火箭、气球和人造卫星等空间运载技术的发展,人类历史进入了空间时代。天文学家们终于实现了梦寐以求的夙愿:摆脱地球大气层的束缚。建立空间天文台的时代到来了!由于空间天文学不仅拓宽了天文观测的电磁波段,而且还从新的观测角度,重用新的观测手段和观测方法,因此向人们展示了一幅全新的宇宙图景。

伽马射线天文学、X射线天文学、紫外天文学、红外天文学——空间天文学中一个个相继诞生的分支学科,在短短的数十年内都取得了极为丰硕的成果。此外,空间天文学还在地球和日地空间环境考察,以及行星与其卫星和行星际测量中,取得了一大批成果。特别值得一提的是哈勃太空望远镜的发射,它的口径2.4米,空间分辨率0.1角秒,可以观测到比地面观测暗40倍的天体,使宇宙中被观测天体数目增加了两个数量级。哈勃太空望远镜开辟了空间光学天文的新纪元。

(三)空间天文学发展的回顾

始于1946年,美国海军实验室(NRL)利用V-2火箭在80千米高空进行太阳紫外光谱的观测,此后,广泛使用高空飞机、平流层气球、探空火箭和人造卫星对太阳的紫外辐射和X射线辐射进行了一系列观测,取得了大量资料。

在观测太阳的同时,利用宇宙飞船对金星、火星、月球以及日地空间环境进行了大量的科学探测,获得了一系列新发现。

1960年代以后,空间天文在继续对太阳、行星和行星际空间进行探测的同时,逐步转向了太阳系外的天体、银河和河外辐射的测量。现在仅从三个方面,对空间天文学在最近十几年中所取得的主要成就进行介绍。

1980年前后至今,在X射线、伽马射线和红外天文方面,美国、西欧和日本顺利地推进了他们的空间天文计划,成功地发射了一系列天文卫星,从而极大地推动了天文学几个重要分支领域的发展。

在太阳物理方面,美国太阳峰年卫星SMM和日本火鸟卫星的发射,已将太阳耀斑物理推进到一个新阶段。它们非常成功地揭示了太阳耀斑能量释放的非热和高能特征;揭示了耀斑爆发过程中快速尖峰发射的存在。这些结果已在引导一门“纤维磁流体力学”的诞生;并对流行的“双阶段加速”理论提出了严峻挑战。SMM卫星的观测还表明,耀斑能量的释放似乎是在拱状磁流管结构框架下进行的,因为在一切有较差自转的天体中均能产生这种磁流管,所以它的研究价值可能适用于其他天体的爆发过程。在21周太阳峰年空间探测中,耀斑的伽马射线暴显然比人们早期所预想的多得多。这意味着耀斑核反应过程的普遍性;而来自耀斑的高能中子的首次直接发现,则打开了直接诊断耀斑高能粒子状态的新通道。因为中子的传播不受行星际磁场的干扰。

1990年代初,日本发射的“阳光卫星”对太阳物理的发展作出了重要贡献。阳光卫星的软X射线望远镜成功地获得了大量秒级的太阳X射线活动图像,这些图像清楚地表明,X射线弧环作为磁环的化身,在太阳耀斑的触发和磁能释放过程中,起着非常重要的作用。人们对磁环在耀斑过程中所起的驱动作用不再有任何怀疑。这是阳光卫星所揭示的最重要的结果。

1983年发射的荷兰、英国和美国合作的红外天文卫星IRAS,把红外天文的研究推向一个新的里程碑,其中最重要的成果是发现太阳系轨道平面上下两侧存在着两个新的尘埃带。红外天文卫星还发现织女星的质粒轨道环,这可能是恒星“太阳系”的证据。IRAS清楚地显示了银河系核心的图像,它本身也被尘埃包围着。特别应该提到,IRAS在100微米波段上的观测似乎暗示出有一个很弱的红外背景辐射场,甚至在南北高纬处都能见到。该卫星还发现许多星系都含有比原先想象的多得多的尘埃。总之,通过IRAS的观测,天文学家终于了解到,宇宙中充满尘埃的地方远比人们早先想象的多得多。就广泛性而言,可以说尘埃在宇宙中是仅次于等离子体的一种物质存在形式。

在宇宙X射线、伽马射线天文方面,高能天文台(HEAO-1)和HEAO-2(爱因斯坦天文台)在乌呼鲁卫星的基础上,把宇宙X射线源的数目提高一到两个数量级。它们在揭示X射线双星、X射线脉冲星、超新星遗迹以及球状星团X射线源的性质、能谱、辐射流时变量的结构和动力学行为方面,有不少新进展。首次系统地对宇宙进行伽马射线探测的是西欧发射的宇宙射线观测卫星(COS-B),它在大于70Mev高能伽马射线区对银河系进行巡视,给出了银河系高能伽马射线区的全景图。记录到了很多伽马射线源,其中一些被证实与超新星遗迹有关。这对银河系宇宙射线物理和分子云的研究提供了重要信息。

1991年伽马射线天文台(GRO)的发射,以更高的空间分辨率和灵敏度揭示了大量新的伽马射线源的存在。GRO的大面积接收器也使得弄清楚宇宙伽马射线暴的空间分布成为可能,这对于了解宇宙伽马射线的起源具有重要意义。

在此,需要特别强调的是,空间天文学的发展正处于方兴未艾的阶段,它的强大生命力正在不断地、更加明显地体现出来。随着世界科技水平的提高,各国发射的空间天文探测器和望远镜的水平越来越高。它们所表现出来的科学能力和对可能导致新发现的潜在力量越来越令人惊叹。美国宇航局计划发射的四个巨型空间望远镜从红外线到伽马射线覆盖了整个宇宙电磁辐射波谱范围,其中两个已进入运行轨道(哈勃太空望远镜、康普顿天文台)。先进X射线天体物理装置(AXAF)和空间红外望远镜(SITF)不久也将进入太空,可以期望这四个巨型望远镜的观测成果必将使空间天文学具有更加灿烂的明天。

(四)中国天文学家的历史重任

面对空间天文学在世界范围内的蓬勃发展,面对中国社会的转型和世纪的跨越,中国天文学家肩负着历史使命,要不遗余力地宣传如下观点:

新兴科学技术在未来社会中将占据主导地位,空间科学技术当之无愧作为十大新兴科技之一,要得到迅速发展;在知识经济时代和信息化社会中,科学技术是第一生产力,知识是主要产业,而科技和知识生产力将成为生产力竞争和经济实力的关键。

空间科学技术是提高国家威望,显示国家综合国力,增强国民自豪感、振奋民族精神的重要方面。从世界各国空间科学技术发展的轨迹来看,空间天文学及其探索技术的发展,又往往以开拓者的面貌出现。它的独具魅力的显示度,以及层出不穷的新发现和新边界,将永远使其成为整个空间科学技术发展不可缺少的重要环节。

我们呼吁并建议国家在空间事业中建立合理的投资比例,特别要大大加强在空间科学及其有效载荷技术方向的投资。(从整个空间事业的投资比例看,世界各国在空间科学方面的投资在10%~15%之间,美国仅空间天文学投资达10%,目前我国921工程,情况有所改变,但也仅为5%)。

以锲而不舍的精神,积极推进中科院《空间科学技术及其应用发展战略研究》中所列出的空间天文各项目的实施。

当前正在竭力推进的我国最大的空间计划就是空间太阳望远镜计划,简称SST计划。这个计划是以1米口径光学望远镜为主体的,配有正入射远紫外成像望远镜、高分辨日冕仪和宽带X射线、伽马射线分光仪等先进装备,实际上它们构成了一个全波段的轨道太阳天文台。在主镜系统中则置有具备我国特色的多通道测量太阳大气表层的磁场和速度场的先进设备,其图像的空间分辨本领和时间分辨本领都是过去未曾有过的,大大地突破了地面光学天文的极限,把太阳物理的研究水平提高到亚角秒级的水准线上。这个计划的实施将有力地揭示太阳大气和活动区的基本组态和结构,有力地弄清楚活动区磁能向非热能和热能转化和能量在太阳大气中传输的奥秘。对这些当代太阳物理学基本问题的回答,将无疑使中国处在领导国际太阳物理研究新潮流的中心地位。

小型天文卫星是指五百公斤以下的卫星。它已不是空间时代初期由于火箭推力不够所发射的小型卫星,而是在当今高新技术基础上发展起来的新型卫星。由于小型天文卫星具有成本低,风险小,研制周期短,容易发射和便于搭载等优势,当前世界各国都在争相发射,它也特别适宜我国的国情。

发展我国空间天文学应采取多种途径,在我国注意发展大型空间科学计划的同时,不要忽视和放弃发展小型卫星计划的可能性,我们要努力倡议科学小卫星系列的建立和发展。目前最经济和可行的途径是发射搭载卫星,并且从小卫星起步。

在这方面,日本空间天文的发展道路给我们提供了宝贵经验,他们的一系列小型天文卫星的发射,都具有十分明显的课题特色和空间技术特色,并且在某个领域上取得出色成果,这应该引起我国有关部门的注意。

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