过去几十年国际空间天文学蓬勃发展，然而我国在该领域还比较薄弱，亟待取得突破。《中国科学：技术科学》发表评述文章，对比我国与国际上主要国家空间天文学发展现状, 指出我国的不足和今后的重点研究方向，并对我国空间天文学的未来发展进行了展望——

过去的几十年中, 人类对宇宙和自然规律的认识不断取得新突破，国际空间天文学蓬勃发展。

由于克服了地球大气对地面天文观测的影响, 空间天文开拓了全电磁波段天文、粒子天文和引力波天文观测的多信使新时代，其兴起是天文观测继可见光和射电观测之后的第三个里程碑, 是人类认识宇宙的重大飞跃。

空间天文探测的发展历程

1946 年美国海军研究实验室的科学家利用V-2火箭在80km高空进行了第一次空间探测, 2 年后伯尼特(Burnight)在96km高空对太阳X射线辐射进行了测量，揭开了空间天文学的序幕。

空间天文的发展大致经历了三个阶段：1) 探索试验阶段，即从用V-2火箭首次探测到20世纪60年代初期；2) 早期发展阶段，经过十多年的探索试验, 到了1960年代, 空间天文学的潜力已经显露出来；3) 全面发展阶段，从20 世纪70 年代起, 空间天文学获得全面发展, 开始探索银河辐射源, 并向河外源过渡。

国际空间天文战略规划

未来国际空间天文的发展逐渐呈现多元化格局。除美国继续起领导作用之外,日本和俄罗斯的重要性越来越突出, 印度也可能成为发展中国家中首个拥有国际水平空间天文卫星的国家, 中国可能首次跻身于国际上拥有空间天文卫星的国家行列。此外空间高能天文(X射线和伽玛射线)卫星领域将继续主导国际空间天文卫星计划。

2010年左右, 世界各主要国家纷纷提出新的空间天文发展战略规划。2013 年12 月NASA发布了未来几十年的天体物理路线图，试图回答几个永恒的问题：

1) 我们在宇宙中是孤独的吗? 研究系外行星的多样性, 寻找系外类地行星。

2) 我们如何来到今天? 研究恒星的轮回和元素的演化, 对银河系和宇宙结构进行考古。

3) 我们的宇宙如何工作? 研究自然的奇点(如黑洞)和极端(如极端引力、极端速度、极端密度和极端磁场); 研究宇宙的起源和命运。

ESA（欧洲航天局）自2005年开始发布宇宙愿景计划, 所关注的关键科学问题和NASA类似。这些战略规划内容宏大, 几乎涉及了天文学和天体物理中所有的前沿领域, 代表着未来的发展方向。

未来空间天文领域探测和研究的主要热点是: 宇宙的起源、结构和演化; 类地太阳系外行星系统的搜寻。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。

我国空间天文研究现状

毫无疑问, 中国已经成为了世界上的航天和空间技术大国。但中国的空间科学则处于刚刚起步的阶段，至今还没有发射过一颗专门的天文卫星。

国内空间天文探测技术的发展主要是在高能天文探测领域。我国在未来几年空间天文有可能取得突破, 主要体现在围绕“黑洞探针”计划, 目前已经有三个空间天文项目处于研制阶段。另外, 由空间先导专项支持的暗物质粒子卫星也正在研制。

我国在空间天文探测方面的其它优势还体现在: 1) 我国掌握先进的航天技术, 能够为空间天文提供适当的平台, 这是世界上只有少数国家才具有的能力; 2) 在HXMT 和暗物质粒子探测卫星(DAMPE)上, 经过多年的预研, 在项目的科学思想和技术实现方面具有独到的创新之处, 是我国空间天文探测全面落后的情况下不多的亮点, 为我国进一步的空间天文探测积累了经验, 奠定了坚实的基础。

我国的空间天文重点研究方向

我们把当前天文学和天体物理学的前沿科学问题简要地归纳为“一黑、两暗、三起源”, 也就是“黑洞”、“暗物质/暗能量”、“宇宙/天体/系外生命起源”的研究。

围绕这些基本问题, 今后“一黑”主要研究从恒星级质量到星系中央超大质量黑洞的形成、物质吸积、喷流、外流物理过程和物质循环, 在极强引力场中严格检验引力理论;“两暗”指通过对超新星、星系、星系团、星系际介质、宇宙背景辐射等宇宙探针的观测和统计, 研究挑战近代物理基本框架的宇宙暗能量、暗物质的(表观)物理本质, 进而深入理解星系及可观测宇宙的起源、演化历史和物理规律。此外, 在星系、恒星和行星层次,研究重点为银河系结构、子结构和形成历史, 大质量恒星的形成, 超新星爆发、伽马射线暴、中等质量黑洞以及致密天体, 搜寻系外类地行星和生命存在的可能性; 引力波是广义相对论的最重要预言之一, 时空结构剧烈改变会产生相应的几何曲率振荡即引力波, 是空间天文学重要的新观测手段。

我国空间天文发展规划及展望

我国空间天文领域中长期科学发展目标是: 有选择地开展针对重大科学问题的前沿探索与研究,在黑洞、暗物质和暗能量以及地外生命的探索等方面取得突破性进展。

我国2016~2030 空间天文发展规划路线涉及多方面研究计划，例如：“黑洞探针”计划、“天体号脉”计划、“天体肖像”计划、“天体光谱”计划、“系外行星”计划、“暗物质探测”计划、“宇宙灯塔”计划。

总体而言, 在空间天文甚至整个空间科学领域,我国都没有国家统一规划, 并且科研资源分配渠道分散, 研究内容和支撑条件布局既不系统, 也不集中,缺乏预见性和长期准备。

空间科学先导专项是2011 年1 月中国科学院首批启动的战略性先导科技专项之一，通过其实施, 可望在恒星与星系的起源和演化、暗物质的性质、空间环境下的物质运动规律和生命活动规律方面深化认识，为未来空间天文的发展作好技术准备、奠定发展基础，同时还将培养起一支达到国际水平的科研队伍和先进探测仪器的研制队伍, 建立起我国空间科学及卫星工程项目的技术支撑和管理体系, 建成支撑我国空间科学发展的国家级高水平空间科学中心, 为空间科学今后的持续发展奠定坚实的基础。

我国空间天文的发展现状表明, 在起步阶段依靠载人航天提供的空间平台能够开创中国的空间天文, 并领导中国天文学在21 世纪的迅速发展。应充分利用空间站的有利观测条件和资源, 使之成为今后一段时期我国空间天文能够继续得到发展并做出重大科学成果的最重要途径之一。

国外空间天文发展的经验和教训都表明, 仅仅通过实验室研发和环模实验并不能解决所有的关键技术、最大限度地降低卫星和其它空间平台的科学仪器失败的风险, 而基于高空气球和探空火箭等的亚轨道空间科学天文实验和验证能力是一个关键。

中国的空间天文卫星仍然处于零的突破的前夜。近年来国家对空间天文研究日益重视, 投入不断增加, 已有几个具有重要科学发现能力的空间天文项目具有了良好的基础, 有望在今后几年陆续发射运行, 还有更多的候选项目在进行概念研究和关键技术攻关。但是正像任何科学研究的前沿和制高点一样, 这些项目同时也面临着激烈和严峻的国际挤压、竞争和挑战，我们必须能够抓住机遇, 从而在竞争中生存并取得成功。

[本文摘编自《中国科学：技术科学》2015年第8期科学与技术前沿论坛文章——“中国空间天文展望”，作者吴伯冰、张双南，原文链接：http://tech.scichina.com:8082/sciE/CN/abstract/abstract518449.shtml]

《中国科学》杂志社微信公众号

关注请加：scichina1950/中国科学杂志社   或扫描识别二维码：