1. 引言
2016年我国量子通讯卫星“墨子”成功发射,作为我国首颗成功升空的量子通讯卫星,会以春秋战国时期伟大的思想家墨子来命名是因为墨子对物理学有着非常显著的贡献[1]。墨子可以称之为我国古代最早的物理学家,通过查询相关的资料我们发现墨子对物理学的相关贡献详细记录在《墨子》一书的《墨经》部分[2]。通过《墨经》我们可以清楚地了解墨子对物理学各个领域的贡献,也就可以理解为什么我国首颗量子通讯卫星会以“墨子”命名。
随着我国首颗量子通讯卫星“墨子”的升空,引发了新一轮天体物理的研究热潮。墨子故里滕州也是笔者的家乡,因首颗通讯卫星以墨子命名而感到自豪,又因对天文学以及物理学有着深厚的兴趣,天体物理作为天文学以及物理学的重要分支,与两者的关系密不可分。因此在时事以及现实背景的推动下,本文将研究点着力于天体物理学,综述了近年来我国对天体物理学的研究进展,并对其未来的发展进行了思考。
2. 天体物理研究现状综述
天体物理学是一种学科名称,其涵盖的内容非常广泛,恒星物理学、太阳系物理学、星系天文学、空间天文学等等均是天体物理学的范畴。[3]近年来,天体物理取得了快速的发展。
(1)望远镜
天体物理实验的开展离不开相关检验仪器的支持,例如望远镜。400年前,望远镜首次研究成功并应用于观测天体,从而开辟了天文学的新纪元。[4]随着折射望远镜、折反射望远镜的出现解决了天象观测的“大视角”问题。经过四百多年的发展,天文望远镜越来越先进,实现了从光学波段到全电磁波段的进步,天文学也取得了巨大的发展。当前,我们对宇宙的观测研究进入了新的阶段,由普通物质的研究升级到了暗物质、暗能量的研究。对这两者的研究都离不开光谱,但是有效的光谱观测离不开“大市场”和“大口径”的天文望远镜,已存的设备不具备条件。 2009年6月全世界唯一兼具大口径、大视场、高分辨的Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope(LAMOST)即郭守敬望远镜在我国建成[5],有效地解决了这个问题,从而使得我国的光谱观测处于领先地位,为暗物质以及暗能量的研究提供了必要的技术支持。同样面对电信号环境糟糕的情况下,天文物理学家提出建造电“大望远镜”,以期获取有效的射电信号。2016年9月,Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope(FAST)即“中国天眼”落成启用[6],2020年1月11日正式验收运行,这就意味着我们对宇宙可以进行更加深邃的研究探索。
(2)人造卫星
人造卫星也是天体物理实验的重要仪器之一。随着第一颗人造卫星于1957年在前苏联成功发射升空,标志着人们对宇宙的研究探索进入到了一个全新的阶段,随后越来越多的国家致力于研究自己的人造卫星。1970年,我国发射第一颗人造卫星“东方红一号”,[7]成为第五个发射自制卫星的国家,随着相关试验检测数据的传回,标志着我们对宇宙的研究进入了新的阶段。我国在人造卫星研究初期就将空间环境探测以及科学研究放在了重要的位置,科技探测与技术试验卫星系列就由此产生。自“东方红一号”发射成功后,我国又相继研发发射了多颗地球同步轨道人造卫星,直到2016年我国量子通讯卫星“墨子”成功发射,作为我国首颗成功升空的量子通讯卫星,标志着我国在太空中量子通讯的成功,也进一步验证了量子理论。[8]截止目前,我国的人造卫星系统主要可以分为四个方面:“东方红”通讯广播卫星系列、实践号科学实验卫星系列、对地观测卫星系列以及北斗星导航卫星系列。
(3)其他重要成果
1995年,首颗地外行星被发现即“飞马座51b”。自此,对地外行星的研究探索成了热点前沿,各国就像竞赛一样致力于寻找“地球”的兄弟星体。2018年,北京大学研究员东苏勃与南京大学副教授谢基伟利用我国的郭守敬望远镜(LAMOST)发现了一类与首次发现的外行星群“热木星”有相似特性的新的外行星群——热海星。[9][10]同样是2018年,中科院云南天文台利用反射镜矩阵完成了我国首次月球激光测距实验[11],该团队一直致力于研究探索月球激光探索技术,该次月球激光测距的实现,对我国来说是一项非常重大的突破。2019年,ASgamma实验团队利用ASgamma实验阵列发现迄今为止最高能量的宇宙伽马射线[12]。不管是新的外行星群的发现还是月球激光测距实验的成功,亦或者是伽马射线的发现,均标志着我国对宇宙天体的认识更加的广泛、深入和全面。
3. 天体物理未来发展思考
目前,天文学面临的问题可以总结为两暗(暗物质、暗能量)一黑(黑洞)三起源(宇宙、天体与生命起源)。[9]但是不管对暗物质、暗能量还是黑洞以及宇宙、天体与生命起源的研究均离不开相关的检验仪器以及探测工具,只有更加精准的观测收集相关的数据,才能对天体进行更为宽范围深入的认识研究。因此未来天文学方面的主要突破点是探测工具与实验仪器的精准完善,以及对仪器的更加全面的应用,而研究的点还将聚焦在主要问题上。
任何一个问题的存在都有着巨大的机遇与挑战。我国在未来天体物理发展上应该采取的战略主要包含以下几个方面,首先基于现有的实验工具以及探测仪器展开相关的战略研究,明确在进行暗物质、暗能量等的研究时面临的具体的难题问题,从而进一步在技术上寻求突破;其次重视天文科学工程的发展,以“墨子”通讯卫星为例,在量子通讯方面我们已经走在了前列,未来应该继续研发扩大量子通讯覆盖范围,形成量子通讯网络;再者就是促进天文学、物理学与其他学科的交叉融合,在不同知识的碰撞下产生不一样的化学反应,从而促进天体物理的进步;最后人才的培育也是促进天体物理发展的一个重要的战略。
4. 总结
天体物理学作为天文学以及物理学的分支之一,近年来取得了巨大的变化。尤其是随着我国科学技术的快速发展进步,有关天文学的研究越来越多。通过文中对我国天体物理的现状综述可以发现我国在天文学方面取了了非常显著的成果,对物理学理论的验证完善亦具有重要的意义。通过本文的综述研究,我们发现各学科之间并不是独立的,而是融会贯通,相辅相成的,学科的交叉融合也是学科发展进步的一个前提。
参考文献
[1] 吴晶晶, 杨维汉, 徐海涛. "墨子号"启航:全球首颗量子卫星揭秘[J]. 东西南北, 2016, 20(20):20-20.
[2] 李光辉.墨子成书年代及著者考证综述[J].殷都学刊,2006(4):102-105.
[3] 佚名. 天体物理学[J]. 物理通报, 1994.
[4] 卞毓麟. 观天慧眼:天文望远镜的400年[J]. 自然与科技, 2009(5):8-21.
[5] Zhao G , Zhao Y H , Chu Y Q , et al. LAMOST spectral survey — An overview[J]. Research in Astronomy & Astrophysics, 2012(07):723-734.
[6] 李瑜. "中国天眼"FAST工程背后的故事[J]. 工会博览, 2019, No.780(15):34-36.
[7] 赵洋. "东方红一号"卫星科学技术与社会因素的互动[J]. 科学文化|科学与社会, 2007.
[8] 虞骏, 张文卓. 世界首颗量子通信卫星发射成功 "墨子号"上天要干啥?[J]. 新民周刊, 2016, 000(033):104-107.
[9] 严俊. 天文与天体物理研究现状及未来发展的战略思考[J]. 中国科学院院刊, 2011(05):487-495.
[10] Dong S , Xie J W , Zhou J L , et al. LAMOST telescope reveals that Neptunian cousins of hot Jupiters are mostly single offspring of stars that are rich in heavy elements[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(2):266-271.
[11] 李语强, 熊耀恒, 伏红林,等. 云南天文台月球激光测距研究与实验[J]. 中国激光, 2019, 46(001):180-187.
[12] 立祥. 西藏ASgamma实验发现迄今最高能量的宇宙伽玛射线[J]. 现代物理知识, 2019, v.31;No.184(04):2-2.