空间天文学科发展报告

空间天文与太阳物理学科发展报告1.引言这里所说的“空间天文与太阳物理”特指，利用各种空间探测技术所获得的观测数据开展的有关天文和太阳物理研究，以及为实现这些观测所采用的空间探测技术研究。我国“十一五”空间科学发展规划指出空间天文和太阳物理的基本任务是：克服地球大气对地面天文观测的影响，从空间进行观测，研究宇宙整体以及包括太阳在内的各种天体的起源和演化；利用人造天体探索大尺度的物理规律。因此，该领域的研究方向是：利用卫星平台（包括飞船和高空气球）开展对天文对象的观测和研究。通俗地讲，就是围绕天文卫星的有关的工作。主要研究内容覆盖当代天体物理学的主要方面：太阳活动区物理、太阳磁场和磁活动、日地空间物理、恒星形成与演化、星系和宇宙学、粒子天体物理、高能天体物理、以及与天文紧密相关的基本物理重大问题如暗物质、暗能量和引力波等。其相应的空间探测技术包括：空间X射线探测技术、空间伽玛射线探测技术、空间紫外辐射探测技术、空间红外辐射探测技术、空间粒子探测技术、空间光学与射电探测技术、宇宙线探测技术等。在天文学发展史上，空间天文是继光学天文和射电天文之后的第三个里程碑。它是伴随着人造卫星的出现而新兴起来的一门学科。众所周知，由于地球大气的影响，人们在地面上只能观测到光学和有限的射电波段，它们在宽广的天体辐射波谱中只占很小的一部分。空间卫星观测，使人们摆脱了地球大气的束缚，可以在几乎全波段范围内观测天体的辐射，从而带来了天文学研究上的革命性突破。据统计，自上世纪五十年代末第一颗人造卫星上天，短短四十多年间，世界主要空间大国共发射与天文观测有关的卫星约200颗。近代天文学的许多开拓性重大成就大都来自天文卫星的观测结果。以近5年NOBEL物理奖为例，在3项与天文有关的获奖中,有两项直接来自空间天文的成就，一项与空间天文间接有关：包括X射线2源的发现、宇宙背景辐射的各向异性、以及中微子探测。毫无疑问，空间卫星探测是推动当代天文学发展的主要动力，并且是发现物理新规律的重要途径。我国早在上世纪七十年代后期，就提出并实施我国第一颗天文卫星计划。之后，由于国家政策调整，卫星计划下马。在上世纪八十年代，我国从事空间天文研究的主要单位（如中国科学院紫金山天文台和高能物理研究所）均曾开展球载空间天文观测，获得过包括天鹅座X-1能谱等一系列重要观测结果。上世纪九十年代，我国开展921-2空间天文分系统（包括超软X射线探测器、硬X射线探测器和伽玛射线探测器）的研制，并于2001年初随“神舟2号”飞船发射升空，成功观测到数十个宇宙伽玛射线暴和太阳伽玛射线耀斑。但时至今日，作为空间技术大国，我国尚没有发射过一颗天文专用卫星，在空间天文台的运行和管理方面尚属空白。中国国家航天局在2007年初向全世界发布了“十一五”空间科学规划，提出要在“十一五”期间实现6大发展目标，其中4大目标属于空间天文或与其有关，它们是：“……二是自主研制硬X射线调制望远镜（HXMT），实现我国空间天文卫星零的突破，在黑洞物理研究等领域取得重大进展；…..四是充分利用空间科学的国际合作优势，参与中俄火星空间环境探测计划和世界空间紫外天文台计划(WSO)以及中法太阳爆发探测小卫星计划(SMESE)；五是进一步深化空间太阳望远镜(SST)的关键技术研究，开展“夸父”计划(KUAFU)的背景项目预先研究，凝练科学目标，突破关键技术；六是开展空间科学相关领域的关键技术和科学研究”。这里提到实施3个天文卫星计划HXMT、WSO和SMESE，表现出我国发展空间天文卫星的雄心和国家意志，我们需要在“十一五”末摘掉我国没有天文卫星的帽子，而且这也是我国将来科学技术发展和经济建设的必然需求。按国际上的经验，空间天文卫星计划从提出到卫星发射，一般需10-15年的时间，有时更长。我国的HXMT和SST计划也是如此。那么在“十一五”计划以后我们该做什么？2015-2025需要发射哪些天文卫星？显然有关的规划和概念设计就显得迫在眉睫。32.战略目标2.1战略环境分析2.1.1国际空间天文与太阳物理学科发展前沿分析空间天文学主要利用卫星从空间对宇宙各种尺度的天体（包括太阳系行星和小天体、恒星、星系乃至整个宇宙）进行观测和研究，了解宇宙的起源、演化和将来的归宿，物质和能量的本质和分布，以及从宏观的天体到极端条件下原子与分子基本规律的探索，并从根本上揭示客观世界内在联系。该领域强烈地依赖于先进的航天技术，是世界各国争相研究的热点，也是各国展示科技实力的舞台，更是引领世界科技发展的重要驱动力。从人类有能力把科学仪器送出地球大气层以外以来，国际上已经发射了约200颗和空间天文有关的卫星和其它空间器，取得了大量的科学成就，使人类对自然和自然规律的认识起了巨大的推动作用，因此空间天文领域分别于2002年和2006年被授予诺贝尔物理学奖。从这两次诺贝尔物理学奖可以看出空间天文研究的发展趋势。2002年的诺贝尔物理学奖中的空间天文部分强调的不是具体的科学成果，而是开辟了空间（X射线）天文这个探测宇宙的新窗口，这就暗示着未来有可能有更多的诺贝尔物理学奖将会授予空间天文的科学发现。果然2006年物理学诺贝尔奖就授予了90年代初首先探测到宇宙微波背景各向异性和精确黑体辐射谱的COBE（CosmicBackgroundExplorer）卫星的两个负责人，标志着空间天文从技术突破开辟新窗口的起步时期进入到了以重大科学目标驱动的成熟期，使得不但所有的发达国家，而且一些小国（如韩国）和发展中国家（如印度和巴西）都有了实质的空间天文项目。目前空间天文的重要前沿涉及几乎所有天文学的重要科学问题，其中包括宇宙的发端与结构、黑洞的形成与消亡、暗物质与暗能量的探索及其本质的研究、星系和行星系统的形成与演化等，涵盖了当代以及未来天文学中最重要的研究领域。空间太阳物理因其研究对象太阳是最接近地球的唯一有可能进行空间解析的恒星，它为我们提供了详细观测磁场复杂结构及其中4等离子体过程和各类电磁相互作用的独一无二的机会，对宇宙中恒星的形成与演化的研究具有不可替代的天体物理实验室的作用。同时，太阳活动对航空航天、卫星通讯、地面导航、甚至地球人类的生产和生存环境等都具有最重要的影响，因此太阳物理与空间天文一道受到世界各国的高度重视。太阳物理研究的一个核心问题是了解太阳磁场如何在对流层底部通过太阳发电机机制产生，如何通过磁浮力不稳定性浮现到光球表面从而形成以太阳黑子为特征的活动区和无所不在的太阳小尺度磁场等各种现象，同时还包括磁场自由能又如何以耀斑和其它爆发形式被释放，如何通过太阳风和日冕物质抛射被带到日地空间和近地空间并对地球周围空间环境发生作用。目前国际上太阳物理研究有二个主要的发展趋势：一是对小尺度的精细结构进行高时间和高空间分辨率的观测和研究；二是对大尺度活动和长周期结构及演化进行观测和研究。当然，对小尺度现象和大尺度活动之间的相互关系进行研究仍然是一个引人关注的重要方面。太阳剧烈活动及其对人类生存环境的影响已经成为当代自然科学一个重大的课题。这一发展趋势在十年前促成了日地“空间天气”科学概念的产生，成为当今交叉学科的重大前沿课题2003年美国国家研究理事会发表了《太阳和空间物理发展十年规划》。这一规划预见了将成为相关科学研究焦点的五大挑战性问题：1.理解太阳内部的结构和动力学、理解太阳磁场的产生、理解太阳周和太阳活动的起源、理解日冕的结构和动力学；2.理解日球结构、磁场和物质在太阳系中的分布、太阳大气和星际介质的相互作用；3.理解地球和其他太阳系对象的空间环境，和它们对内部和外部影响的动力学响应；4.理解在太阳和空间等离子体中观测的过程的基本物理原理；5.发展对理解和定量描述太阳、行星际介质、地球磁层动力学过程对人类活动影响的实时预报能力。这些从上一世纪以来长期未解决的挑战性问题成为空间太阳物理研究的重要前沿课题。在空间天文与太阳物理领域，美国、欧洲、日本和俄罗斯是传5统的强国，其它一些具有代表性的国家如法国、意大利等也具有相当的实力，巴西和印度可以认为是发展中国家的代表。在2005年左右，世界各主要国家都纷纷提出空间天文和太阳物理发展战略规划，其中对2005-2015年的规划较为具体，各自都提出了一系列的空间探测计划，并对每一个探测计划都提出了比较明确的科学目标；对2015-2030年的规划一般是给出大的概念框架。从战略规划内容上看，美国（NASA）和欧洲（ESA）的规划最为宏大，几乎涉及了天文学和天体物理中所有的前沿领域，基本上代表着空间天文和太阳物理领域未来的发展方向，其他国家（如俄罗斯、日本、印度、巴西、韩国等）一般都只是在上述大框架下的局部强调和延伸。概括起来，未来空间天文和太阳物理领域探测和研究的主要热点是：太阳和太阳系环境的基本物理规律和应用；宇宙的起源、结构和演化；类地太阳系外行星系统的搜寻。其中太阳和太阳系环境的基本物理规律和应用包括太阳的结构与机理、日地环境、太阳对地球环境的影响、太阳系行星和各类小天体的搜索和监测等；宇宙的起源、结构和演化包括的内容更广，从黑洞、活动星系核、到第一代恒星的形成、暗物质与暗能量的物理本质和在宇宙中的分布等等；值得注意的是，类地太阳系外行星系统的搜寻变得很热，这反映了人们对发现除地球上以外的地外生命有着一种超常的欲望和好奇心。从实现战略规划的途径上看，一般前十年都非常具体。美国NASA列出的至2015年的空间天文和太阳物理大的卫星计划约有10项；欧洲ESA列出的约有8项；日本列出的约有5项；俄罗斯列出的约有7项。值得注意的是，印度也将于2007年独立地发射第一颗天文卫星（ASTROSAT），在时间上走在了中国的前面。从2015到2030年，战略规划更多地是给出发展方向，而非具体的项目。值得一提的是，NASA和ESA在规划后十年时的提法有些类似，都强调了深入的X射线、伽玛射线、红外观测、以及太阳系外行星系统的探测。从探测手段上看，除了X射线、伽玛射线、紫外和红外观测外，利用干涉仪观测似乎是一个新的手段。此外，引力波探测又开辟了6一个新的窗口。编队飞行卫星探测将变得越来越普遍。对太阳观测而言，近距离观测、三维立体观测、甚至在太阳极轨上观测都将变成现实。针对科学上的新概念，如暗物质和暗能量，需要在空间探测上作出快速反应，这里小卫星计划体现出相当的灵活性，可望短时间内得到期望的结果，或为需要长时间研制的大卫星计划提供必要的先期探测研究。从层次上看，美国（NASA）和欧洲（ESA）追求全面的领先地位，在突出重点的同时，强调各个方面均衡发展。日本则强调其谋求世界空间科学中心的同时，要力促尖端技术的发展。俄罗斯更多的是强调保持作为空间大国应有的贡献和地位。法国、意大利等国家在参加ESA大的科学计划的同时，还有一系列自己的计划。值得注意的是，在发展中国家中，巴西和印度都朝着独立开展空间计划的方向迈进，巴西选择有限目标，而印度占着与美国合作的优势，计划显得雄心勃勃。2.1.2我国空间天文与太阳物理领域的发展能力、资源和地位分析我国已经开展的空间天文和太阳物理研究主要涉及：（1）空间天文和太阳物理问题的理论研究我国在空间天文学方面基本上形成了以空间高能天文为主并兼顾可见光、紫外和射电等波段的多波段空间天文探测，以及空间反物质、空间宇宙线、空间暗物质和激光天文动力学等研究方向的格局，基本上包括了国际空间天文的主要研究方向，如黑洞等致密天体物理、超新星遗迹、γ射线爆发源、星系、星系团、宇宙学以及暗物质的探索等重要的天体物理前沿。我国天文界具有使用国外各波段空间天文卫星观测数据的经验，部分学术带头人曾经是国外主要空间天文项目的骨干成员，回国后带动了国内空间天文研究的快速发展。因此我国空间天文界已经具备了在空间天文各领域开展系统研究的能力。我国太阳物理学研究在太阳表面磁学,包括太阳活动区矢量磁场演化和太阳弱磁场研究,太阳活动区大气的光谱诊断、基于非局域热7动平衡理论计算的半经验大气模型、耀斑动力学过程、太阳活动中的高能辐射、太阳大气中的微观等离子体机制、太阳风理论和模型、太阳磁场的理论外推、太阳活动区磁流体理论与数值模拟、太阳活动区中