空间科学各个领域的发展-空间天文学

发布时间：2024-06-18|阅读：266次

空间天文学是一门在空间开展天体和宇宙研究的学科。人类对于天体的观测历史悠久，从最早的肉眼观测，到后来的利用地面光学望远镜和地面射电望远镜等工具进行观测。而在空间进行天地和宇宙的研究是整个天文学发展史上的革命性阶段，其手段和方法与过去相比有了巨大的进步。

天文卫星和其他一些亚轨道探测工具的主要成就是开辟了全电磁波段的天文学。过去，天文学主要依赖光学观测，而现在人们可以从紫外、红外、远红外、亚毫米波到X射线、伽马射线等多个波段进行观测。天文卫星还能观测宇宙射线中的大量粒子，这些粒子中携带了许多天体的信息。

下面这张图介绍了现代物理学的两大理论支柱。粒子物理领域的发展已经相当成熟，从量子力学开始发展，目前已经达到了粒子物理标准模型的阶段。目前，而天体物理方面，基于相对论，如今宇宙演化已经形成了一个主流模型。然而，这个主流模型是否完备呢？我相信并非如此。空间天文学的发展在不断地丰富和完善现代物理学的两大理论支柱，甚至在未来可能会对这两大理论支柱有所突破。

空间天文学的发展过程中，有几个重要的例子对天体物理理论的发展产生了深远的影响。首先是宇宙微波背景辐射的测量，这一观测有力地支持了宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸理论最初被提出时仅被视为一种假说，而现在已经成为了被广泛认可的理论。

下面这幅图是1989年发射的宇宙背景探测器COBE卫星测量的43个数据点在0.25%精度上符合2.73开尔文理论黑体辐射曲线，验证了宇宙确实存在完美符合普朗克黑体辐射理论的背景辐射。当时结果发表时，有2000多人参加了发布会，全体起立热烈鼓掌几分钟以示赞赏，因为这个结果是如此令人惊叹。

1989年发射的宇宙背景探测器（COBE）测量的43个数据点在0.25%精度上符合2.73 K理论黑体辐射曲线；

宇宙大爆炸理论认为，宇宙在形成时非常短的时间内（10的-35次方到10的-32次方秒）发生大爆炸。如果这一假说成立，则爆炸中形成的高密度等离子体物质充分混合后，在爆炸后的扩张中形成了现在的宇宙背景；宇宙背景中的一些涨落导致了现代宇宙背景中微小的变化。而通过这一理论计算得出的宇宙背景辐射2.73开尔文的结果与测量的结果相符合，无疑成为了宇宙大爆炸理论重要的里程碑。

后来，威尔金森卫星和普朗克卫星分别与2001年、2009年给出了关于宇宙微波背景辐射更加精确的测量结果。在此之前的1998年，BOOMERANG气球在南极飞行了1011天，用于测量宇宙背景的微小变化。其最终结论认为宇宙是平直的，意味着总质量和产生的张力基本上平衡——这意味着宇宙目前不会爆炸，也不会完全坍缩。而根据普朗克卫星结果计算,宇宙年龄为138.2 亿年、普通物质4.9%、暗物质26.8%、暗能量68.3%。这些都是在天体物理学发展过程中的重要结果。

COBE(1989，上图)、威尔金森(2001，中图)和Plank(2009，下图)宇宙背景测量结果。

不同波段的空间望远镜

随着技术的发展，不同波段的天文观测设备也被引入。从X射线到红外光学等。其中美国国家航空航天局（NASA）发射的四颗轨道天文台卫星、哈勃望远镜等最为著名，成为了天体物理学观测和研究的重要工具。而2021年底发射的，詹姆斯·韦布空间望远镜则承担了哈勃望远镜继任者的使命，它也被认为是空间天文学的新里程碑。

哈勃空间望远镜获得图像（左）与詹姆斯·韦布空间望远镜图像（右）比较

上面这张图是哈勃与詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄获得的图像比较。由于詹姆斯·韦布望远镜的激光面积更大，所以它可以观测的深度更深，同时对天体观测的精细程度更好，从这个图像可以明显地看出它相对于哈勃望远镜的优势。图像主体是SMACS 0723星系团，该星系团质量非常大，扭曲时空，形成引力透镜效应，把背后更遥远更暗的星系图像放大、扭曲、拉伸。由此看到了更为遥远的暗弱星系，远至130亿光年。

这里顺便提一下，在宇宙学研究中，引力透镜现象成为了重要的工具。强引力透镜效应是遥远背景星的光线经过前景星的引力作用形成的透镜效应。此外，还有弱引力透镜效应的研究，通过每个星点的椭率变化来研究暗物质在宇宙中的分布。这些研究已经变得更加定量化。

宇宙演化图景：a.大爆炸和暴涨过程 b.核合成时代 c.复合时代-宇宙微波背景 d.黑暗时代-再电离-第一代恒星生成 e.星系-星系团-大尺度结构-暗能量和加速膨胀

目前，得益于空间天文学的发展，整个天文学领域对于宇宙演化的图景已经形成了主流观点：宇宙大爆炸过程作为宇宙演化的开端过程，形成了宇宙微波背景，并最终形成星系团的大尺度结构。目前，宇宙仍然处于加速膨胀的过程中。然而对于宇宙为何加速膨胀，尽管已经有了一些观测现象（如红移），但原因仍然未知。

另外，科学家还在研究构成天体的物质，在天体的一生，以及消亡之后，是怎样流动的。当恒星耗尽核燃料并发生聚热核反应时，其最终会演化成红巨星。在红巨星的末期，恒星会发生超新星爆炸，形成几种可能的致密天体，包括白矮星、中子星和黑洞。这些星际物质在宇宙中循环流动，有可能导致新的恒星的形成。上述过程就是宇宙重子物质循环基本的理论框架。得益于空间天文学带来的观测技术的提升，我们对这一理论才有了更深入的理解。

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4、OLED/PLED 开发与生产 

5、锂离子电池开发与生产 

6、无机/有机化学研究 

7、金属卤化物/金属粉末/陶瓷粉末研究 

8、纳米材料研究 

9、催化剂研究 

10、YAG 激光焊接 

11、食品微生物检验 

12、医疗卫生临床标本检验