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中国天文学砥砺前行的十年

中国天文学会第十四届理事长 景益鹏

党的十八大以来,我国天文学者在天文学各领域砥砺前行,在科研队伍的建设、天文设备的研制、科学论文的发表和引用等方面都取得了显著的成绩,在某些方面的指标已经位居世界前列。2021年恰逢中国共产党成立一百周年纪念,今年又是党的二十大即将召开之年,正当我国进入全面建设社会主义现代化国家并向着第二个百年征程进军的重要时刻,中国天文学会迎来了百年华诞。

在过去的十年里,中国天文学会在2014年和2018年召开了全国会员代表大会,共召开常务理事会、理事会50多次,共同研究和制定学会工作及方案。经过第十二届、十三届和十四届理事会的不懈努力,中国天文学会自身建设取得重大发展。会员单位增加了十个,他们分别是厦门大学天文学系、上海交通大学天文系、中山大学物理与天文学院、中国科学院光电技术研究所、苏州市青少年天文观测站、华中科技大学物理学院、上海科技馆、云南大学、西华师范大学、山东大学空间科学与物理学院,平均每年发展个人会员50余人,与山东天文学会、重庆天文学会建立业务指导关系。目前,中国天文学会有单位会员33个,个人会员3300余人,与17个省市天文学会和2个省市天文小组建立业务指导关系。在原有的组织、教育、普及、名词审定、图书信息出版工作委员会的基础上,顺应形势的发展,在2016年至2019年间,先后成立青年工作委员会、女天文工作者委员会和信息工作委员会。至此,中国天文学会由8个工作委员会、11个专业委员会和基金工作组构成。

通过天文学会各专委会和工委会下属成员的共同努力,在过去十年里,我国天文学各分支均取得令人瞩目的成果,在一系列重大天文设备的研制和科学问题的研究方面均取得了重要的进展。在宇宙大尺度结构的理论模型和计算机模拟、银河系大规模光谱巡天、太阳结构和爆发机制、深空探测和太阳系天体等方面优势明显。随着LAMOST望远镜的投入使用,和500米口径球面射电望远镜(FAST)、高海拔宇宙线观测站(LHAASO),及空间天文项目“悟空”号暗物质粒子探测卫星、“慧眼”号硬X射线调制望远镜、“羲和”号太阳双超卫星等重大科学基础设施项目的陆续建成,重大科研成果产出持续增加,共有11篇研究论文在 Nature Science 刊物上发表,为我国迈向天文强国奠定了坚实的基础。十年来共获得包括发现高能电子宇宙射线能谱超出、大样本恒星演化与特殊恒星的形成、基于高精度脉泽天体测量的银河系旋臂结构研究的三项国家自然科学二等奖、54项国家和省部级集体及个人奖项。天文学者入选时代楷模和“五四”集体奖,说明天文学者在国内的影响力大幅提高;还有女天文学家获得全国先进工作者和三次中国女青年科学家奖,说明女天文学者的地位明显上升。

过去的十年,我国天体测量学在基础研究和应用领域都取得多项重要成果。系统分析研究了太阳系绕银河系运动引起的长期光行差效应对河外参考架的影响,从超过40年的 VLBI 观测数据中精确解算出长期光行差的数值,为第三代国际天球参考架(ICRF3)的建立做出显著贡献。同时,自主编制了一部银盘外天区的绝对自行星表,该星表覆盖了银盘外(银纬正负30度以外)2.2万平方度的天区,计算给出了暗至R波段亮度为20.8星等的1亿多颗天体的位置和绝对自行数据,且包含从光学到近红外7个波段的测光数据。联合研制一台高精度底片扫描仪,完成全国3万张时间跨度近百年的天文历史底片的数字化,相关结果已纳入中国虚拟天文台。

过去的十年,是时间频率研究蓬勃发展的十年,随着北斗卫星导航系统、国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统、空间站高精度时间频率实验系统等国家重大项目的部署和实施,我国在时间频率领域飞速发展,自主创新能力显著增强,取得了一系列可喜的成果,世界时不再依赖国外数据。国家授时中心在2019年建成了融合数字天顶筒、VLBI2010、iGMAS 等系统的地球自转测量与数据服务系统,并为“嫦娥五号”、“天问一号”等重大航天计划提供世界时数据。依托洛南40米望远镜,我国建成了脉冲星计时观测系统,并利用7年15颗毫秒脉冲星相关观测数据建立综合脉冲星时间尺度,开展脉冲星时驾驭原子钟试验研究。经过几十年的攻关,国产小铯钟研发终于取得了系列突破,成功研发了原子态光抽运和光检测的光抽运小铯钟,并形成了批产能力,装备应用于北斗导航、海军导航、5G 通信、电力运行、轨道交通及北极科考等系统,保障了国家标准时间产生发播等重要基础设施运行的自主可控。同时,我国自主研发了主要性能与美国产品同水平、体积仅为其一半的8立方厘米小芯片原子钟产品,并成功装备应用在微自主导航定位授时终端、北斗导航特殊接收终端、水下导航系统和某通信系统等。另外,自行研制被动型氢原子钟也在北斗导航卫星成功运行,长短波授时系统亮相新中国成立70周年成就展和中国共产党党史馆。

近十年中国已经成为国际太阳物理界的重要研究力量。在科研方面,我国每年发表在国际期刊上的文章大约250篇,仅次于美国。中科院出具的2014-2018年天文学领域文献计量统计报告显示,在全球1%和10%高引用论文中,来自中国的太阳物理论文占全球的比例均比中国天文学的平均水平要高2~3倍。影响力指数(某国特定学科的篇均被引频次与该学科全球篇均被引频次的比值)为0.997,表明中国的太阳物理论文在引用上已达到国际平均水平。我国学者通过分析国内外观测数据或模拟,在太阳大气的基本辐射和动力学过程、太阳大气的精细结构的形成以及相关的波和能量的传输、太阳爆发活动的储能与释能物理机制、太阳磁场长期演化及发电机的模拟方面获得了大量的进展,这些进展增加了人类对于发生在太阳上的辐射磁流体力学(或磁化等离子体)等基本物理过程的认识,为灾害性空间天气的准确预报提供了新的认识。在设备方面,“羲和”号太阳卫星已经发射,先进天基太阳天文台即将发射,将进一步提升我国的国际地位。

我国天文学家在行星地球动力学、太阳系小天体观测和研究、系外行星系统研究、天体化学研究等方面取得了重要成果,5次入选年度中国十大天文科技进展。首次发现了地球自转参数之日长变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号,揭示该振荡的极值时刻与地磁场快速变化的发生存在密切的对应关系;新发现27个近地小行星,包括5个对地球构成潜在威胁的小行星,建立小天体光变数据库,揭示主带族群热物理特性;精确确定图塔蒂斯小行星轨道,使“嫦娥二号”实现千米级飞越探测,基于“嫦娥二号”探测数据,揭示图塔蒂斯的物理特性、自转特性、内部结构与形成机理及表面地质特征与演化历史;基于 LAMOST 光谱数据和系外行星与其宿主恒星的刻画,发现新的热海星族群;利用南极的 CSTAR和 AST-3望远镜发现上百颗系外行星候选体;利用“嫦娥五号”样品开展矿物岩石学研究,发现一种相对罕见的月海高钛玄武岩,为深入了解月球晚期岩浆活动和内部月幔源区物质地球化学特性提供精确的证据。

随着大视场光谱巡天望远镜 LAMOST、硬 X射线调制望远镜 HXMT、500米口径球形射电望远镜 FAST 等一批国家重大科研装备的建成和成功运行,我国在恒星及银河系领域的研究实现了快速发展,实现了观测手段从高能到射电的全波段覆盖,整体研究水平与国际先进水平的快速接近。在此期间,我国恒星物理领域研究人员发表2000余篇文章。利用 LAMOST 巡天获得了世界上最大的传世恒星光谱库;基于“慧眼”的观测,获得了中子星、黑洞和伽马射线暴的大量观测数据,发现了最高能量的中子星基频回旋吸收线、距离黑洞最近的相对论喷流和快速射电暴的第一个 X射线对应体,并且证认其来自于银河系内的一颗磁陀星。利用FAST发现了大量的脉冲星,并使得我国在快速射电暴及中性气体的研究位居国际前列;发现4例高色散新快速射电暴,重复暴的偏振时变,严格限制首例河内暴源的流量,迄今最大的快速射电暴爆发事件样本等。

我国天文学家在宇宙学理论模型、暗物质探测实验和宇宙学观测限制等方面都取得重要成果。理论方面,开展了宇宙起源模型(特别是反弹模型和暴胀模型)、多种暗能量模型、修改引力模型、原初黑洞和引力波的产生机制、宇宙早期相变、中微子宇宙学等理论研究。实验方面,建成了锦屏山地下实验室,启动基于液氙的 Panda-X和基于高纯锗的 CDEX 两项暗物质直接探测实验,获得国际先进的暗物质模型参数限制;我国天文学家完成了一系列具有国际领先地位的数值模拟,其中纯暗物质模拟包括“盘古”、“九天”、ELUCID、Cosmic Growth、Cosmic Zoom、“凤凰”和 TianNu;基于目前的 X 射线观测,首次指出银河系大尺度上热气体的存在;基于“悟空”号卫星数据精确测量宇宙线正负电子、质子和氦核能谱,发现能谱新结构,获得对伽马射线线谱辐射最灵敏的搜寻结果。LHAASO 发现首批“PeV加速器”和最高能量光子,测定高能天文标准烛光蟹状星云的超高能伽马射线亮度,开启了“超高能伽马天文学”新时代。

我国在天文技术与方法研究领域自主成功研制出一批面向不同观测对象、覆盖不同观测波段的望远镜和科学终端,例如LAMOST和FAST的终端、中国空间站工程巡天望远镜(CSST、口径2米)的巡天模块等;1.8米太阳望远镜CLST工程实现初光并在调试中;发展了国际前沿的太赫兹天线与探测终端技术,包括1.4THz 频段最高灵敏度超导热电子混频器和我国首台太赫兹超导相机,兴隆2.16米望远镜、丽江2.4米望远镜配置了高分辨率光纤光谱仪。这些望远镜和科学仪器的研制和使用不但为我国天文学长远发展奠定了基础,同时提升了我国自主研制大型望远镜和终端设备的创新能力。

“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)于2016年9月落成,2020年1月通过国家验收并正式向国内开放。在“早出成果、多出成果、出好成果、出大成果”的要求下,取得了一批重大科研成果:通过原创的中性氢窄线自吸收方法,FAST在测量星际磁场方面取得了重大进展;FAST 在新兴的快速射电暴研究方向产生了一系列重要发现,包括4例高色散新快速射电暴,重复暴的偏振时变,严格限制首例河内暴源的流量,迄今最大的快速射电暴爆发事件样本等;FAST 共发现约500颗脉冲星等。新建成的天马65米射电望远镜大大增强了CVN 对深空探测器实时精密测定轨能力,出色完成了探月工程“嫦娥二号”、“嫦娥三号”、“嫦娥四号”、“嫦娥五号”和火星探测器“天问一号”的相关任务;在国家需求应用层面,由佘山25米、乌鲁木齐26米、密云50米和昆明40米射电望远镜组成的中国 VLBI 网(CVN)在我国深空探测工程中发挥了不可替代的作用。

在天文教育、天文学史、天文期刊、名词审定、信息化以及青年天文工作者和女天文工作者等方面,过去的十年我国都取得长足的进步。2012年到2021年是中国天文教育发展最迅速的十年,目前共有34所高校开展天文相关的科学研究,22所成立了天文(学)系开展天文学本科教育,其中12所是最近十年成立。天文科普参与全国科技活动周、全国科普日等活动。于2020年举办了“仰望星空”科学之夜和科技活动周重大示范活动——“一带一路”科普交流周,于2021年5月参与举办了“中国天文学会空间天文探测科普”学术交流活动。

展望未来,中国天文学会正在向下一个一百年征程迈进。结合国家发展战略,中国天文学将与国家发展同行。随着科学技术的不断进步,我国天文工作者将不断开拓创新,将更多的新技术、新方法、新设备持续不断地使用到天文学研究中。空间卫星先进天基太阳天文台即将发射,地面设备包括国家重大科研仪器研制项目“2.5米大视场高分辨率太阳望远镜”(WeHosT)已经正式立项,冷湖2.5米大视场巡天望远镜项目(WFST)、2米环形太阳望远镜、慕士塔格1.9米光学望远镜、丽江1.6米多通道测光巡天望远镜(Mephisto)正在研制之中。另外,中国大型光学红外望远镜、6.5米宽视场巡天望远镜(MUST)、LAMOST 二期工程、中国巨型太阳望远镜(CGST)、司天工程、110米全可动射电望远镜、15米亚毫米波望远镜等重大项目正在积极推进之中。这些项目的建成将有力推动我国天文学的发展,使中国天文学早日进入国际发达水平前列。 MHQS1RrDZIpAFhpmZiXTvIFHo/PU3UQ8sPc1258lSbn3a3ygdkeqFGGf1s5dQNPX

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