世纪之交的中国天文学

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（艾国祥 摘自：南京大学小百合站）

  作者简介：1938年出生于中国湖南。中国科学院院士、中国科学院数理学部主任。 中国科学院国家天文台台长、研究员。中国科学技术协会常务委员、顾问。中国国家高技术航天领域专家委员会成员。1997-2000年任国际天文联合会(IAU)第10委员会主席。

中国天文学有悠久的历史。最早的天象记录大约可以追溯到4000年前。20世纪初，中国传统天文学开始与西方现代天文学接轨。1949年以来，中国天文学形成了一个初具规模的研究体系。在21世纪到来之际，作为一门重要基础科学的天文学，由于同时具有前沿科学、高技术发源地、国民素质教育基本方面等重要特征，又面临着重大挑战和发展机遇。

一、中国天文学研究现状

(一)、台站分布

上个世纪中期以来，中国====非常重视天文学在经济和社会发展、国家安全、环境安全以及认识自然、认识宇宙等方面的重要作用。在中国科学院，首先为了发展太阳系天体、人造天体观测、历法历算等方面的研究工作，重新组建了南京紫金山天文台。并开始了沿着四个主要的方面开展中国的天文学基础建设。其一是发展天体物理学、宇宙学等方面的研究，于1958年建成了北京天文台。1972年建成了云南天文台。其二是天体测量和时间工作，1962年，为了发展天体测量和时间服务等工作，利用创办于1872年的徐家汇观象台和创办于1900年的佘山观象台的设施组建了上海天文台。1966年，以时间服务为主的陕西天文台在中国西部建成。其三是人造卫星的观测和研究，乌鲁木齐天文站和长春人造卫星观测站的历史，可以分别追溯到1957年和1958年。其四是发展天文仪器研究与制造事业，1958年建立了南京天文仪器厂(后又在此基础上组建了南京天文仪器研究中心)。同时，从业人员达到了2000余人。在同一时期，北京师范大学天文系、北京大学地球物理系天文专业、中国科技大学天体物理研究室等天文教学和研究机构也先后成立。这些组成了中国天文系研究的综合体系。

中国科学院于90年代末实施了知识创新工程。于1999年成立了国家天文观测中心，由北京天文台、紫金山天文台、上海天文台、云南天文台、陕西天文台、乌鲁木齐天文站、长春人卫站、广州人卫站和南京天仪研究中心进行整合而成。第二步，于2001年4月在国家天文观测中心基础上成立了中国科学院国家天文台。在这一过程中，凝炼了科学目标，重新安排了科学布局。主攻的九大学科领域是：宇宙大尺度结构、暗物质和暗能量，星系形成和演化，天体高能和激发过程，恒星形成和演化，太阳磁活动和曰地空间环境，天文地球动力学，太阳系天体和人造天体动力学，空间天文观测手段和空间探测，天文新技术和新方法。还确立天体物理、太阳物理、天文地球动力学与人造卫星精密定轨以及空间天文学为四大优势领域给予重点支持。坚持统一学科规划和布局；统筹安排大型仪器设备运行开放和基础建设；统一创新岗位、人员编制和优秀人才吸引工作；统一做好创新经费安排、资源配置；统一进行首席科学家招聘上岗和安排团组设立。中国天文学进入了一个新的发展时期。

(二)大型天文观测设备

二十世纪的最后20年带来了中国天文学的大发展。一些大、中天文观测设备相继建成投入使用，北京天文台1984年建成了有28面9米天线组成的米波综合孔径射电望远镜，1988年建成国际领先的太阳磁场望远镜和1.26米红外望远镜，1989年建成中国最大的光学望远镜-2.16米望远镜。上海天文台1987年建成了1.56米天体测量望远镜和用于VLBI的25米口径射电望远镜。紫金山天文台1990年在青海德令哈安装完成了13.7米口径毫米波望远镜。1993年乌鲁木齐天文站用于VLBI的25米口径射电望远镜建成。这些望远镜都配备了先进的终端探测器、计算机图像和数据处理系统等。这一系列观测设备的建成使中国天文观测能力发生了根本变化。

1、太阳磁场望远镜

在北京怀柔太阳观测站的太阳磁场望远镜是由中国天文学家发明、设计、制造的。太阳磁场望远镜的成功来自科学思想的创新。1966年，中国天文学家在世界上首次提出用太阳的光球和色球两条谱线进行双层次(同时测量太阳色球和光球)太阳磁场和速度场的视频测量。在1985年落成的这架磁场望远镜的“心脏”部位的光学器件中，采用了窄带双折射滤光器作为二维单色器，使仪器的总效率比60年代发明的单点系统提高了250000倍，比70年代的单缝系统提高了500倍。1987年，又对磁场望远镜的接收系统进行了改进。在这一时期的国际同类仪器中，包括美国马歇尔飞行中心的光球矢量视频磁像仪和美国加州理工学院大熊湖天文台的光球视频磁像仪，只能观测太阳光球的磁场状态，因此太阳磁场望远镜在总体性能上处于国际领先地位。它的主要优势在于：

(1) 无仪器偏振的太阳磁场视频测量系统，可获得一流的太阳光球矢量磁场和速度场资料。对于研究太阳活动区矢量磁场结构，尤其是太阳耀斑活动区研究有重要意义。

(2) 由于具有高空间分辨率和灵敏度，对于研究太阳弱磁场和磁场精细结构有独到的优势。

(3) 世界上唯一进行常规太阳色球磁场视频观测的仪器，大量高空间、时间分辨率色球磁场资料的获得对研究太阳磁场空间结构具有重要意义。

基于从这一望远镜取得的观测资料已经获得了数量可观的一流研究成果。其中重要的发现有：色球磁场的纤维结构；黑子超半影磁场具有强的水平分量；色球磁场相对于光球的反变结构；从太阳光球矢量磁场推理出的电流分布的极大处于耀斑亮核的复杂关系；太阳超级活动区耀斑后磁剪切增强现象；耀斑通常出现在速度场红移区域；太阳电流螺度分布的南北半球反号特征以及随太阳活动周期的变化；太阳宁静区内网络磁场、冕洞区域磁场的演化特征；通过光球和色球两层磁场推理宁静区磁网络元的空间结构等。

2、2.16米光学天文望远镜。

1989年2.16米光学天文望远镜在国家天文台兴隆站完成安装，1993年2.16望远镜的一项重要附属设备折轴阶梯光栅光谱仪也安装成功。2.16米望远镜对全世界天文学家开放。利用2.16望远镜已经获得了很多重要观测结果。如对超新星1993J的光谱观测，发现了爆发的不对称性，并据此提出了解释光谱线蓝移的“手指模型”。有关结果发表于《自然》杂志上。

3、VLBI系统，即甚长基线射电干涉仪。

上海天文台佘山站的25米口径射电望远镜和乌鲁木齐天文站南山观测基地的25米口径射电望远镜，已经加入欧洲甚长基线干涉网(EVN)等8个国际联合观测网络或观测项目。1996年上海、乌鲁木齐、意大利、南非等五台站参加VLBI联测，成功地发现了5个视超光速源。25米射电望远镜还能以单天线方式独立工作，如对脉冲星和星际分子谱线的观测。

4、在紫金山天文台德令哈毫米波天文观测基地的毫米波望远镜，口径13.7米，观测频率为110GHZ - 115GHz。观测基地位于青海省海西州德令哈市东郊35公里处的野马滩，海拔高度为3200米。迄今利用该望远镜共发现了100多个新的水脉泽源，占国际上所有已发现的水脉泽源的七分之一。目前可以使用这架望远镜进行银河系内分子云与恒星形成区、行星状星云、拱星包层、星际介质、分子谱线巡天、太阳连续谱和河外星系等课题的观测和研究。

(三)、中国天文学主要研究群体

中国科学院集中了许多中国天文学家。国家天文台吸引和招纳优秀天文观测研究和理论研究的人才，按照“按需设岗，公开招聘、竞争上岗 ，合同聘任，动态管理”的原则，经过公开答辩和由院内外专家组成的评审委员会考评，公开、公平、公正地择优评聘了49位研究团组首席研究员、观测基地首席科学家等首席专家。约有480位天文工作者及科技管理人员进入国家天文台体制，平均年龄约45岁。一半首席专家年龄在45岁以下，60%以上的首席专家具有博士学位，多数首席专家曾在国外参与国际合作1年以上。组成了29个研究团组，7个基地和7个实验室，开展各具特色的研究，努力培育在国际上有影响的学术集团。全面实行首席科学家负责制，努力强化经费支持，为研究工作创造宽松的环境。

在中国高校中也集中了一批优秀的天文学家。与高校合作发展天文事业，是国家天文台的另一重要举措。除了继续办好与北京大学共同组建的北京联合天体物理中心外，还与南京大学等著名高校联合，筹组华东天体物理中心，藉以凝聚优秀青年人才，增强中国在天文学前沿领域的竞争力。

二、 20年来中国天文学研究成就

20年来中国天文学研究取得了令人瞩目的成就。现举有代表性的2例简述如下。

1.利用引力透镜效应研究宇宙中暗物质的分布

现代物理学的四大核心问题之一是暗物质问题。天体物理学提供了暗物质存在的最重要证据，即宇宙中90%以上的物质是暗物质，它们在宇宙演化中起着至关重要的作用。天体物理学目前探测暗物质的最有效手段是利用所谓引力透镜效应-任何物质体系不管是由什么物质组成，其引力作用都会使来自背景光源的光线弯曲，从而使光源亮度和形态发生变化。利用引力透镜效应可以探测宇宙中的物质特别是暗物质的分布、成分、比重和演化，并可以参与测定宇宙的基本常数，如物质密度Ω、哈勃常数H和宇宙学常数∧，已经导致天体物理学产生了一些重要突破和进展。中国天文学家在这一领域的研究广泛、深入而卓有成效。

①星系团的引力透镜统计特性及星系团物质分布研究

完成了第一个由星系团产生的引力光弧的统计工作，发现在星系团中心存在一个不可视的暗物质核，这对研究星系团的形成和动力学演化有重要意义。此发现随后被X-射线和数值模拟的研究所证实。相关论文自1993年发表以来，已被引用80次，成为引力光弧统计的奠基性工作。

②银河系晕中暗物质寻找实验的另一种解释

利用微引力透镜可以探测银河系暗物质晕的物质组成。1993年法国(EROS)和美国(MACHO)两个研究小组同时在Nature宣布发现微引力透镜事件并由此推得银河系晕是由亚太阳级的致密天体组成。这一结论如果成立将会强烈冲击天体物理甚至物理学的各个方面。中国天文学家对这一发现提出了另一种解释，在1993年完成的论文中指出令国际天体物理界轰动的EROS和MACHO发现包含相当大成分是由大麦云自身天体的自引力透镜所造成。目前，多个引力透镜实验已经证实这一论断。

传统物质测定方法主要依赖动力学平衡假设，由此估计得到的星系团质量很可能不准确。引力透镜效应提供了一种测量质量的新方法，它不依赖星系团的物质形态，同时还可以检验星系团是否是维里平衡的动力学体系。1994年中国天文工作者首先对四个星系团进行了不同质量确定方法的比较，发现了传统动力学方法把星系团的质量低估了三到六倍，这一被国际同行称为“开创性”的工作, 开辟了利用光学、X射线和引力透镜三种方法联合测定星系团质量的新时代。组织了目前世界上最大的光学、X射线和引力透镜的联合星系团样本，从而在很大程度上提高了统计的可靠性，得到了星系和气体之间的动力学相关，并利用星系团的重子物质比重得到了宇宙物质密度为Ω＝0.3。

2、太阳磁场研究

最近10年来，太阳物理学研究中的两个重要前沿方向是：认识和理解在最小和最弱可分辨极限上的太阳磁场性质，以及诊断太阳活动区向量磁场的性质。由此来理解太阳活动中磁能量积累和爆发式释放的物理过程，为预测太阳活动及其对人类生存环境的影响奠定基础。基于太阳磁场望远镜所提供的领先观测手段，中国天文学家在太阳磁场方面取得了一系列具有原创性的研究成就。主要结果是：

证认了2500多个太阳网络内磁元和500多个网络磁元，得到了它们的磁通量分布函数，表明了网络内磁场是与网络磁场性质不同的弱场，以及在任何时刻太阳表面20%以上的磁通量以网络内磁场形式存在。确定了网络磁元的寿命、演化和运动特征，指出曰冕加热所需的能量可能是由网络内磁场和网络磁场的相互作用提供的。

发展了一套系统的太阳向量磁图分析方法，提出活动区纵向电流计算的一个新方法和向量磁场剪切角的概念。进行了两个太阳活动周、并对数以千计的太阳活动区磁场的系统观测，总结了活动区剪切发展(磁能积累)的观测模式，在无力场近似下得到磁剪切发展方程。揭示了决定活动区磁螺度演化的三种物理过程，首次对活动区磁螺度的演化给出定量估计。用数以百计的太阳活动区向量磁场观测，系统地研究了太阳电流螺度的太阳周变化，对理解太阳发电机行为和太阳总体磁场演化有重要意义。

对太阳活动区磁场的演化作出系统的理论研究，详细描述了磁对消中向量磁场的演化特征，表明其物理本质是太阳低层大气中的磁重联，提出关于太阳耀斑能量过程的两阶段磁重联思想。

三、 当前天文学发展面临的挑战、机遇和我们的奋斗目标

今天天文学发展面临着新的挑战和机遇。这主要表现在：

1、 太空已成为国家高技术发展的战略制高点。在导航定位、通讯、遥感、侦察、目标跟踪空间对抗等方面，天文学应用都占有重要地位。航天事业的发展也为天文学应用提供了新的历史机遇。天文学已成为国家科技发展的重要组成部分。

2、 目前人类对自然界探索的重点，已转移到宇宙时空尺度和对许多极端物理条件下规律的认识。在这方面天文学再次显示了它的重大前沿特征。

3、 经济的发展和人们生活水平的提高，使公众对自身文化素质的提高和投身创造的要求曰益强烈。天文学无与伦比的可感触性及固有的神秘性，使之成为启发青少年创造性思维的最重要基础科学领域。天文学普及对于提高民族的创新能力有巨大启发作用。

天文学所具有的科学前沿、高技术源头和在教育中的重要作用的重要特征，正在使之在发达国家中受到更多的重视，对天文学的投入也达到了空前的程度。在中国，现代天文学也是国家高科技的重要组成部分。

作为今后10年中的具体发展目标，我们将继续努力培育在国际上有重要影响的暗物质、暗能量和星系大尺度结构和太阳磁场两个学术集团，并争取做出世界先进水平的天文成果，在银河系磁场与偏振，γ射线爆发，双星演化的大样本统计和 天体元素丰度及演化等领域，做出有影响的研究成果。

在重大天文设备建设方面，完成LAMOST、SST、FAST和月球探测卫星四大国家级和有世界重要影响的大科学工程，使中国的天文高技术领域进入中等发达状态。在完成南方基地的条件下，积极推动青藏高原天文优良台址的选址工作。在现有设备的积极运行中，起到获得有效、有用的天文资料，促进天文学研究与培育天文高技术的双重作用。

在天文应用中，为国家战略需求做出重大贡献，在空间目标的监视和搜索，新型被动导航定位，第二代导航系统，大口径高分辨率对地遥感系统，精度高达10-6度的创新卫星监控系统，空间时频标准和器件(如氢钟)，空间环境预报系统等方面做出重大原创性贡献。

四、在建和计划中的大天文科学工程和重要项目

国家天文台正在全力推进以下几项大型天文设备的研制：

(1)LAMOST(Large sky Area Multi-Object fiber Spectroscopy Telescope， 即“ 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”)，属中国国家“九五”大科学工程，目前正在建造中。 这将是一架横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。应用主动光学技术控制反射施密特改正板，使它成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。由于它的4米口径，在曝光1.5小时内可以观测到20.5等的暗弱天体; 相应于5度视场的1.75平米焦面上可以放置四千根光纤，连接到多台光谱仪上，同时获得4000个天体的光谱。它将成为世界上光谱获取率最高的望远镜。 LAMOST可对上千万个星系等河外天体的光谱巡天，将在诸如星系、类星体和宇宙大尺度结构等的研究，在恒星、星族和银河系结构等的研究方面导致重大进展。结合红外、射电、X射线巡天光谱观测，将可能在各类天体多波段交叉证认上做出重大贡献。LAMOST望远镜将安放在国家天文台兴隆观测基地并作为国家设备向国内外开放。

(2)SST (Space Solar Telescope， 即“空间太阳望远镜”)是正在研制的中国第一个天文探测卫星。它将配备空间分辨率达到0.1角秒的1米口径光学主镜和偏振测量精度达到10-4 量级的磁分析器。它们与同时搭载的空间分辨率达0.5角秒的极紫外望远镜、白光望远镜、宽带光频谱仪和射电频谱仪相配合，可以对曰冕活动区、曰面磁场和速度场、曰冕和曰地行星际空间进行全波段和全连续观测，以研究太阳活动区磁场和速度场的精细结构和物理演化，太阳耀斑的能量存储和爆发释放过程，曰冕物质抛射、太阳风形成及其它多种曰地空间瞬变物理现象，为太阳物理学的深入发展和空间天气预报提供最重要的实测数据。SST是中国空间天文学的第一个大项目，由此而发展起来的大口径航天光学技术、 二维太阳光谱同时测量技术、相关跟踪和目标锁定技术及航天大流量信息高速处理技术，将为中国空间遥测遥感技术的发展提供丰富的经验和奠定坚实的基础。

(3)FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，即“500米口径球面射电望远镜”)。进入21世纪后，射电天文学的发展要求望远镜有更大的接收口径。国际射电天文学界已经建议建造接收面积达1平方公里的巨型望远镜(Square Kilometer Area 简称SKA)。 为实现SKA计划，中国天文学家提出利用贵州的喀斯特地形和主动球面系统的望远镜阵来实现1平方公里的接收面积。建议中的500米口径球面反射望远镜(FAST)是它的先导工程。它将在宇宙起源、脉冲星深度巡天、VLBI网以及SETI(地外文明搜索计划)中起到重要作用。FAST具有明显的技术创新。它虽然是沿着美国Arecibo的固定式射电望远镜的模式发展，但在射电波段采用了主动光学的思想，使得500米的天线可以有比Arecibo(300米天线)有更容易实现的馈源系统和更大的跟踪范围。FAST的台址选定在贵州南部的喀斯特洼地。

(4)云南高美古2.4米望远镜的建设。经过在中国云南地区多年选址观测，在丽江高美

古发现了视宁度接近国际水平的好天文台址。 海拔高度3200米, 使用DIMM方法测量视宁度平均值为0.71角秒。由于其地处低纬度地区优势(可以方便地观测到银河系中心)，计划在高美古安装一台2-3米级的光学天文望远镜，预计探测能力可达到V星等25等。可有地增强中国在实测天体物理方面的能力。

(5)云南抚仙湖1米红外太阳塔的建设。抚仙湖站址在昆明市东南约60千米的抚仙湖东北岸，中国第二深水湖，是中国目前最好的太阳物理观测站址之一。在这里将建设一座1米口径红外真空太阳塔，观测范围覆盖从0.3微米到2.5微米光谱区。 它将是21世纪初中国太阳物理的主要观测设备之一。

(6)中国月球探测计划

中国自1970年发射第一颗人造地球卫星以来，航天技术有了飞速的发展，已经具备开展深空探测，发射月球探测器的能力。月球探测将成为继发射人造地球卫星和突破载人航天之后中国航天活动的第三个里程碑。

中国首次月球科学探测将发射月球探测卫星。它以月球表面可利用资源的勘测为主要目标,探测重点包括月球三维影像获取、月壤探测、月球表面有用元素和矿物资源分布以及地月空间环境探测。月球探测器携带的有效载荷主要包括光学探测系统、γ射线/X射线探测器、微波以及空间环境探测系统等7个探测仪器。月球探测卫星将在约200km高的极月轨道运行约1年。在月球探测工程中，中国国家天文台将和其它研究单位合作，承担科学目标制定、有效载荷研制、深空测控配合以及地面应用与科学研究系统的任务。中国的月球探测项目是一个开放性项目，工程的实施过程和科研项目都谋求广泛的国际合作。

(7)青藏高原选址计划

中国境内的青藏高原平均海拔4000米以上，有世界屋脊之称。一般认为，在视宁度、夜天光亮度、大气透明度等特性指标方面，在青藏高原有可能找到世界一流天文台址。为了给新一代大型地面光学、红外和毫米波望远镜寻找优良台址，在中国====实施“西部大开发”计划的有利大环境下，中国国家天文台目前已启动了青藏高原选址计划。初期工作包括组织专门小组和深入研究在未来选址中所使用的最好方法和仪器。在2003年夏季将举行一个以青藏高原选址为主题的国际会议。

国家天文台还在抓紧落实安排一批中小型仪器的研制。如目前正在筹备建造的密云50米口径射电望远镜，将是中国最大的可整体跟踪式射电望远镜。可以用来研究行星际闪烁、超新星遗迹、河外射电源、引力波等天文学前沿课题；同时还可用于深空通讯和测控。

上述各项重要设备或项目完成后，将有力促进中国天文学发展。中国天文学正在阔步走向世界舞台。