空間時代的天文學(xué)研究
——從空間天文觀測到諾貝爾物理學(xué)獎*

中國科學(xué)院高能物理研究所北京100049

空間時代的天文學(xué)研究
——從空間天文觀測到諾貝爾物理學(xué)獎*

文/張雙南

中國科學(xué)院高能物理研究所北京100049

首屆諾貝爾物理學(xué)獎授予了揭開了現(xiàn)代物理學(xué)序幕的X射線的發(fā)現(xiàn)，隨后的20多年中與X射線密切相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎層出不盡。而一個世紀(jì)之后空間天文領(lǐng)域的第一個諾貝爾物理學(xué)獎于2002年授予了空間X射線天文的突破，由此打開了人類觀測宇宙的新窗口。從1962年發(fā)現(xiàn)第一個宇宙X射線源至今半個世紀(jì)以來，已經(jīng)有約70個攜帶天文儀器的空間飛行器（以專用衛(wèi)星為主）發(fā)射運(yùn)行，極大地促進(jìn)了人類對于宇宙和基本物理規(guī)律的認(rèn)識。隨后2006年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了“宇宙背景探索者”（COBE）衛(wèi)星對宇宙微波背景黑體輻射譜的精確測量和觀測到空間分布的各向異性。2011年諾貝爾物理學(xué)獎授予了宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)，著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對此做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。這樣在新世紀(jì)空間天文的研究就直接產(chǎn)生了兩個諾貝爾物理學(xué)獎，并且對第三個起了重要作用，非常類似20世紀(jì)初X射線對于諾貝爾物理學(xué)獎的作用。文章通過分析這三個以及天文學(xué)研究所獲得的所有其他諾貝爾物理學(xué)獎，發(fā)現(xiàn)除了2006年的諾貝爾物理學(xué)獎之外，其他所有的獲獎成果都和項(xiàng)目最初的科學(xué)目標(biāo)沒有關(guān)系或者完全相反。與此同時，探討了重大天文發(fā)現(xiàn)的偶然性和必然性，這對于處于快速發(fā)展初期的中國空間天文具有很好的借鑒作用。

空間天文，諾貝爾物理學(xué)獎，X射線，宇宙微波輻射

1 百年諾貝爾物理學(xué)獎：從X射線到觀測宇宙新窗口

1901年，首屆諾貝爾物理學(xué)獎授予德國物理學(xué)家倫琴以表彰他在1895年發(fā)現(xiàn)X射線。X射線的發(fā)現(xiàn)揭開了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕。1914年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國物理學(xué)家勞厄，以表彰他發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射。這一發(fā)現(xiàn)不但確認(rèn)了X射線是電磁波的一部分，而且還第一次對晶體的空間點(diǎn)陣假說做出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使晶體物理學(xué)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。1915年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國父子物理學(xué)家亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格，以表彰他們用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所做的貢獻(xiàn)。1917年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國物理學(xué)家巴克拉，以表彰他發(fā)現(xiàn)了標(biāo)識倫琴射線。1924年諾貝爾物理學(xué)獎授予瑞典物理學(xué)家西格班，以表彰他在X射線光譜學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)與研究。這樣在前23個諾貝爾物理學(xué)獎中（1916年未授獎），X射線的發(fā)現(xiàn)和以X射線作為工具進(jìn)行的物理學(xué)研究共獲6次（7人）諾貝爾物理學(xué)獎，占當(dāng)時總數(shù)的1/4以上。由此可見，X射線的研究成果在現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展中占有何等重要的地位。

在X射線的發(fā)現(xiàn)獲得第一個諾貝爾物理學(xué)獎一個世紀(jì)之后，2002年度諾貝爾物理學(xué)獎授予了美國科學(xué)家雷蒙德·戴維斯、日本科學(xué)家小柴昌俊和美國科學(xué)家里卡多·賈科尼，分別表彰雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊發(fā)現(xiàn)宇宙中微子，以及里卡多·賈科尼發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源，他們的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了人類觀測宇宙的新窗口。賈科尼發(fā)現(xiàn)的新類型的天體和常見的恒星以及星系不同，令人吃驚地主要發(fā)出強(qiáng)烈的X射線輻射。這個發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了一個新的天文學(xué)觀測研究領(lǐng)域——空間天文學(xué)，也就是利用空間平臺、在空間進(jìn)行天體觀測和研究天體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成、運(yùn)動、物理狀態(tài)、演化規(guī)律的學(xué)科，而這正是本文的主題。

2 從地面到空間：全波段多信使天文學(xué)時代的到來

自從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以及勞厄確認(rèn)了X射線是電磁波的一部分之后，人們認(rèn)識到電磁波的頻率可以從極低頻的微波和射電，到高頻的紅外和可見光，甚至到極高頻的X射線和伽瑪射線，不同的物質(zhì)、物理?xiàng)l件和物理過程產(chǎn)生不同特征頻率的電磁波輻射，而利用不同頻率的電磁波可以研究物質(zhì)世界的各種現(xiàn)象和規(guī)律以及產(chǎn)生豐富多彩的技術(shù)應(yīng)用。

伽利略在400多年前發(fā)明可見光天文望遠(yuǎn)鏡是現(xiàn)代天文學(xué)觀測歷史的第一個里程碑，從此人們對宇宙的認(rèn)識發(fā)生了多次根本的改變，直到20世紀(jì)20年代哈勃的觀測建立了現(xiàn)代宇宙觀，即宇宙是膨脹的[1]。盡管人們認(rèn)識到天體也應(yīng)該像在地球環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室中能夠產(chǎn)生各種頻率的電磁波輻射，但是受觀測儀器的制約，人們對宇宙的認(rèn)識一直到哈勃時代都只能通過可見光的觀測進(jìn)行。直到20世紀(jì)30—60年代隨著射電天文的快速發(fā)展，人們終于可以在可見光之外的電磁波波段探索宇宙的奧秘，這是天文學(xué)觀測歷史的第二個里程碑。這個時期的射電天文學(xué)觀測取得了舉世矚目的四大發(fā)現(xiàn)，脈沖星、星際分子、類星體和宇宙微波背景輻射，其中脈沖星和宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，宇宙分子的發(fā)現(xiàn)人湯斯因氨分子振蕩器成功研制也獲諾貝爾物理學(xué)獎。天文和物理界普遍認(rèn)為，類星體的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎是遲早的事情。

很自然，人們希望能夠在可見光和射電波段以外的電磁波波段開展天文學(xué)觀測研究，如圖1所示，地球大氣對這兩個波段以外的電磁波的吸收使得天文觀測窗口的進(jìn)一步擴(kuò)展需要到地球大氣層以外的空間開展天文觀測研究，于是隨著空間時代的到來就誕生了空間天文學(xué)，也就是利用各種空間觀測技術(shù)所獲得的觀測數(shù)據(jù)開展有關(guān)天文研究，以及研究為實(shí)現(xiàn)這些觀測所采用的空間探測技術(shù)。

空間天文的基本任務(wù)是避開地球大氣對地面天文觀測的影響，從空間進(jìn)行觀測，研究宇宙整體以及包括太陽在內(nèi)的各種天體的起源和演化，探索大尺度和宇宙極端條件下的物理規(guī)律。該領(lǐng)域的研究是利用空間平臺（包括火箭、衛(wèi)星、飛船、月基和高空氣球）開展對天文對象的觀測和研究。其主要研究內(nèi)容覆蓋當(dāng)代天體物理學(xué)的主要方面：恒星形成與演化、星系和宇宙學(xué)、粒子天體物理、高能天體物理以及與天文緊密相關(guān)的基本物理重大問題如暗物質(zhì)、暗能量和引力波等。其相應(yīng)的空間探測技術(shù)包括：空間X射線探測技術(shù)、空間γ射線探測技術(shù)、空間紫外輻射探測技術(shù)、空間紅外輻射探測技術(shù)、空間粒子探測技術(shù)、空間光學(xué)與射電探測技術(shù)、宇宙線探測技術(shù)、引力波探測技術(shù)等。

在天文學(xué)發(fā)展史上，空間天文學(xué)的興起是天文觀測繼可見光和射電觀測的第三個里程碑，是人類認(rèn)識宇宙的重大飛躍。在地球大氣以外的空間進(jìn)行天文觀測的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）克服地球大氣對于大部分電磁波的吸收。由圖1所示，在地面或者高山上開展天文觀測只能“看到”整個電磁波波段里面很窄的可見光和射電波段的天體輻射，這當(dāng)然是地基的可見光天文學(xué)和射電天文學(xué)先于空間天文學(xué)得到發(fā)展的根本原因。因此地基天文實(shí)際上就是“以管窺豹”，只能觀測獲得絢麗多彩、千姿百態(tài)、變化多端的宇宙天體的很少的信息。（2）即使對于透過大氣到達(dá)地面和高山的可見光和射電波段的天體輻射，由于地球大氣（包括其等離子體層）的不穩(wěn)定性，天體的圖像被扭曲，天體的信號被干擾，使得地基天文觀測或多或少有“霧里看花”的感覺。因此只有在太空中才能夠做到高清晰度和高穩(wěn)定度的天文觀測。（3）地球的自轉(zhuǎn)使得地球很難做到對天體的不間斷觀測，也就很難獲得很多天體的重要信息。因此只有脫離地球的影響才能夠做到不間斷的天文觀測。（4）綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用及其取得的巨大成就使人們認(rèn)識到望遠(yuǎn)鏡角分辨率的大幅度提高只能依賴擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡陣列的尺度，也就是不同望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而地基望遠(yuǎn)鏡陣列的最大尺度只能是地球，因此未來更高分辨率的望遠(yuǎn)鏡陣列就只能放置于太空中。（5）利用各種粒子在空間粒子探測器中的作用能夠?qū)崿F(xiàn)對粒子的電荷、方向、質(zhì)量和能量的直接測量；（6）利用極為穩(wěn)定的空間平臺和平臺之間的巨大距離能夠直接探測低頻引力波輻射。

因此空間天文學(xué)使得在全電磁波波段以及利用空間粒子和引力波探測的多信使開展天文學(xué)觀測研究成為可能。

圖1 不同波長的電磁波所能夠到達(dá)的海拔高度

3 種豆得瓜：第一個空間天文觀測諾貝爾物理學(xué)獎

1946年美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用V-2火箭在80 km高空進(jìn)行了第一次空間探測，兩年后，伯尼特（Burnight）在96 km高空對太陽X射線輻射進(jìn)行了測量。這些測量揭開了空間天文學(xué)的序幕。自那以后，廣泛應(yīng)用飛機(jī)、探空火箭和氣球進(jìn)行了很多空間天文觀測。從用V-2火箭首次探測到20世紀(jì)60年代初期，空間天文學(xué)處在探索試驗(yàn)階段。這時，觀測對象主要是離地球最近的太陽和地球大氣中的高能輻射本底，主要工作是發(fā)展空間科學(xué)工程技術(shù)。

經(jīng)過10多年的探索試驗(yàn)，到了60年代，空間天文學(xué)的潛力已經(jīng)顯露出來，其最突破性的成就來自于美國MIT的賈克尼率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)于1962年在第三次火箭飛行觀測實(shí)驗(yàn)中成功地發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源和X射線彌漫背景（圖2），開創(chuàng)了人類認(rèn)識宇宙的一個新窗口，建立了天文學(xué)觀測歷史的第三個里程碑，賈克尼也因此在40年后的2002年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

鍥而不舍的追求和科學(xué)探索的精神是賈克尼取得這個重大成果的關(guān)鍵。他們的前兩次火箭飛行實(shí)驗(yàn)都以失敗告終，但是資助部門對科學(xué)實(shí)驗(yàn)失敗的寬容和這個團(tuán)隊(duì)的執(zhí)著，使得他們進(jìn)行了第三次實(shí)驗(yàn)并且終于取得了成功。但是觀測的結(jié)果則完全出乎科學(xué)家當(dāng)時的預(yù)料。因?yàn)楫?dāng)時已經(jīng)知道太陽會產(chǎn)生X射線，而根據(jù)太陽的X射線的光度推測其他恒星的X射線到達(dá)地球的流強(qiáng)，賈克尼團(tuán)隊(duì)的X射線探測器根本不可能探測到來自其他恒星的X射線，頂多看到月亮反射的太陽的X射線的輻射。但是正是科學(xué)探索的精神促使他們沒有被已有知識和理論所束縛，終于在這個未知領(lǐng)域開辟出一個全新的學(xué)科，發(fā)現(xiàn)了前所未知新的天體和現(xiàn)象。

圖2 發(fā)現(xiàn)第一個太陽系外X射線源（吸積中子星系統(tǒng)Sco X-1）和X射線彌漫背景[2]

4 空間天文大大拓寬了人類的視野

隨著賈克尼團(tuán)隊(duì)取得的突破性成果，以空間X射線和高能天文為突破口，空間天文開始了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[3,4]。20世紀(jì)60年代空間天文開始了探索性的研究。這時，人造地球衛(wèi)星已經(jīng)上天，月球探測器已經(jīng)能環(huán)繞月球運(yùn)行。因此，科學(xué)家的目光瞄向了近地空間、行星際空間、月球和行星。這些區(qū)域的考察在60年代異?；钴S。在對上述區(qū)域進(jìn)行考察的同時，空間天文學(xué)也得到較大的發(fā)展。在這期間，一方面繼續(xù)使用氣球和火箭做空間探測的運(yùn)載工具，另一方面使用衛(wèi)星探測的已越來越多。人造衛(wèi)星飛行時間長，飛行高度高，完全擺脫了地球大氣的影響，使它逐漸取代了探空火箭和氣球。但是，在60年代，空間天文觀測還沒有或很少有專用的天文衛(wèi)星，大多數(shù)衛(wèi)星觀測是搭載別的衛(wèi)星進(jìn)行的，這顯然限制了空間天文學(xué)潛力的發(fā)揮。

60年代的空間天文成就有：（1）第一次發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源和X射線彌漫背景；（2）1969年發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云射電脈沖星NP0532的X射線脈沖，這是首次在空間探測到空間脈沖星的短波輻射，脈沖星的空間研究就是從這里開始的；（3）第一次發(fā)現(xiàn)河外X射線源；（4）第一次發(fā)現(xiàn)來自地球以外的伽瑪射線輻射；（5）第一次發(fā)射天文衛(wèi)星系列，如軌道天文臺（OAO）系列，太陽輻射監(jiān)測衛(wèi)星（Solarad）系列和軌道太陽天文臺（OSO）系列；（6）第一次進(jìn)行空間紅外天文測量；（7）在空間天文觀測中使用新的觀測方法和技術(shù)。如蓋革計(jì)數(shù)器、電離室、正比計(jì)數(shù)器，閃爍計(jì)數(shù)器、布拉格晶體頻譜儀和光柵頻譜儀、掠射式成像望遠(yuǎn)鏡等都得到運(yùn)用。新方法和技術(shù)應(yīng)用不僅獲得了很多有價(jià)值的資料，而且為70年代以后空間天文學(xué)全面發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從20世紀(jì)70年代起，空間天文學(xué)獲得了全面發(fā)展，相繼發(fā)射了各類天文觀測衛(wèi)星。表1（附后）列出了有史以來空間天文已經(jīng)結(jié)束使命的主要項(xiàng)目，表2（附后）列出了正在運(yùn)行的空間天文項(xiàng)目。這些項(xiàng)目包括專用的X射線、伽瑪射線、紫外、紅外、光學(xué)和射電觀測專用衛(wèi)星等，覆蓋了幾乎全部的電磁波波段。從空間開展天文學(xué)觀測研究的優(yōu)勢使得空間天文學(xué)研究的科學(xué)問題涉及了幾乎所有最重要的天文學(xué)、天體物理，以及天體物理和基礎(chǔ)物理交叉的前沿領(lǐng)域，包括對宇宙各種尺度的天體（包括太陽系行星和小天體、恒星、星系乃至整個宇宙）進(jìn)行觀測和研究，了解宇宙的起源、演化和將來的歸宿，物質(zhì)和能量的本質(zhì)和分布，以及從宏觀的天體到極端條件下原子與分子基本規(guī)律的探索，并從根本上揭示客觀世界的內(nèi)在聯(lián)系。

這些強(qiáng)大的空間天文衛(wèi)星對太陽、銀河系內(nèi)的各類輻射源、河外星系、星際介質(zhì)與星系際介質(zhì)、星系團(tuán)、宇宙輻射與粒子背景進(jìn)行了大量觀測，研究了太陽活動區(qū)物理、太陽磁場和磁活動，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了大批系外行星，觀測到多種星際塵埃與氣體物質(zhì)和早期星系形態(tài)，發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千、萬計(jì)的紅外、X射線和γ射線源，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了黑洞/中子星等致密天體，確定了類星體是大質(zhì)量黑洞的吸積過程并且深入認(rèn)識了類星體對于星系和宇宙結(jié)構(gòu)的起源和演化的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了各種類型的釋放巨大能量的宇宙γ射線暴并對其物理機(jī)制有了明確認(rèn)識，高能天體物理促成了微觀/宇觀研究密切結(jié)合和基本粒子物理與天體物理領(lǐng)域的拓展；精細(xì)測定了宇宙微波背景輻射和宇宙年齡，有力支持了大爆炸宇宙學(xué)理論并對宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)起了重要作用?？臻g天文的成就和相關(guān)研究建立了宇宙演化和宇宙重子物質(zhì)循環(huán)基本物理圖像，對于恒星結(jié)構(gòu)演化和宇宙大爆炸模型兩大理論框架的建立和完善起到了不可替代的作用，最終精確測量了宇宙微波背景的黑體輻射和各向異性特性（獲2006年諾貝爾物理學(xué)獎），并對于獲得2011年諾貝爾物理學(xué)獎的宇宙加速膨脹（暗能量存在的關(guān)鍵證據(jù)）的發(fā)現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用。

圖3 a COBE測量的宇宙微波背景輻射的黑體輻射譜

圖3 b COBE測量的宇宙微波背景輻射的各向異性天圖[5]

5 瞄哪兒打哪兒：看到了宇宙嬰兒時期的照片

盡管在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)通過地面射電望遠(yuǎn)鏡的觀測意外地發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎），但是基于地球的宇宙微波背景輻射無法觀測大爆炸宇宙學(xué)理論預(yù)言的宇宙微波背景輻射的完整的黑體輻射譜，而且也無法通過繪制宇宙微波背景輻射全天天圖測量理論預(yù)言的宇宙微波背景輻射的各項(xiàng)異性，也就是宇宙嬰兒期的照片，美國NASA的科學(xué)家馬瑟和斯穆特等人于1974年提出了“宇宙背景探索項(xiàng)目”（COBE），經(jīng)過15年的努力，終于于1989年成功發(fā)射運(yùn)行，證實(shí)了宇宙微波背景輻射正是理論預(yù)言的完美的黑體輻射譜（圖3a），而且也測量到了宇宙微波背景輻射的各項(xiàng)異性（圖3b），對于宇宙大爆炸以及宇宙結(jié)構(gòu)形成理論模型的完善起到了不可替代的作用。馬瑟和斯穆特因此分享了2006年諾貝爾物理學(xué)獎。

盡管COBE把宇宙微波背景輻射的很多重大問題都留給了后續(xù)的威爾金森微波各項(xiàng)異性探針（WMAP）和普朗克（Planck）宇宙微波背景輻射衛(wèi)星，但是COBE項(xiàng)目完美地完成了預(yù)定的科學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了其設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)，觀測到了理論模型預(yù)言的結(jié)果，是一個典型的“瞄哪兒打哪兒”的項(xiàng)目，整個項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的表現(xiàn)可以說是無懈可擊，因此兩個項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得諾貝爾物理學(xué)獎也是名至實(shí)歸。但是，令人遺憾或者說項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)運(yùn)氣不好的是，COBE最重大的科學(xué)成果竟然是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的時候預(yù)期的成果，而不是意外的發(fā)現(xiàn)，這在科學(xué)史是少有的情況。可以說，COBE項(xiàng)目令人意外地獲得了預(yù)期科學(xué)成果、但是沒有獲得預(yù)料之外的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。本文第7節(jié)還將專門討論重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的偶然性和必然性。

圖4 宇宙自大約140億年之前的大爆炸直到今天的演化示意圖。在大爆炸之后初期，由于宇宙中暗物質(zhì)主導(dǎo)（下半圖），物質(zhì)之間的引力導(dǎo)致宇宙減速膨脹（上半圖）。隨著暗能量占的比例越來越大，暗能量的排斥力使得宇宙的膨脹變成加速膨脹。在任何時期，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型能夠解釋的普通物質(zhì)都只占宇宙的物質(zhì)和能量約5%左右

6 瞄前打后：未知的暗能量主導(dǎo)今天宇宙的加速膨脹

1998年，三位年輕的天文學(xué)家普爾穆特、施密特和賴斯通過觀測一類特殊（Ia型）的超新星的光度隨宇宙紅移的變化，發(fā)現(xiàn)了目前的宇宙在加速膨脹，確定了宇宙由未知的暗能量主導(dǎo)，于2011年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。把他們的結(jié)果和其他的天文觀測結(jié)果結(jié)合起來，可以得到如圖4所示的宇宙從大爆炸開始（約140億年之前）到今天的演化過程以及在不同時期宇宙中的普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的比例的演化。今天的宇宙中的普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的分別占宇宙總的物質(zhì)-能量的比例為4%、23%和73%，但是物理學(xué)中最成功的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型只能接受其中僅占宇宙組成5%的普通物質(zhì)，也就是說我們目前對宇宙成分的95%幾乎毫無所知。這是物理學(xué)和天文學(xué)共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。

盡管獲獎?wù)叩捻?xiàng)目團(tuán)隊(duì)所使用的觀測數(shù)據(jù)主要來自于多個地面大型可見光（包括近紅外）望遠(yuǎn)鏡，但是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)也對這項(xiàng)重大成果的獲得做出了重要貢獻(xiàn)。由于躲開了大氣湍流對于天文圖像的扭曲，正在天上的口徑2.4米的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡寬波段測光星等可以達(dá)到30，角分辨率0.1角秒，可以探測到紅移超過1的原始星系，這些能力都超過了地面10米甚至更大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。因此哈勃空間望遠(yuǎn)鏡能夠以更高的精度通過對造父變星距離的測量來測定哈勃常數(shù)，而這與宇宙在今天的膨脹速度有關(guān)。此外，只有哈勃空間望遠(yuǎn)鏡才能夠?qū)ψ罡呒t移的超新星的光變進(jìn)行精確的測定，從而確定超新星的亮度，進(jìn)一步限制宇宙早期膨脹的屬性，為宇宙加速膨脹和暗能量模型提供了強(qiáng)有力的限制。

這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的最有趣之處還在于他們?nèi)〉玫某晒晚?xiàng)目最初的科學(xué)目標(biāo)背道而馳。因?yàn)楝F(xiàn)有科學(xué)理論告訴我們，主導(dǎo)宇宙結(jié)構(gòu)和演化的長程作用力是引力，在引力的作用下，宇宙的膨脹只能逐步減速。因此他們研究的最初目標(biāo)是精確測量宇宙是如何減速膨脹的，也就是精確測量哈勃常數(shù)。但是實(shí)際觀測結(jié)果表明，宇宙晚期（也就是最近）的膨脹是加速進(jìn)行的，需要引進(jìn)一種目前未知的在大尺度上產(chǎn)生排斥力的所謂暗能量才能理解他們的觀測結(jié)果，而這種暗能量的空間密度在今天的宇宙不但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已知的發(fā)光物質(zhì)的密度，甚至還比不發(fā)光的暗物質(zhì)的密度大了很多。可以說他們的發(fā)現(xiàn)動搖了現(xiàn)有物理和天文理論的基礎(chǔ)，最終解決暗能量問題有可能帶來一次新的科學(xué)革命。

7 重大天文發(fā)現(xiàn)的偶然性和必然性[1]

前文在介紹空間天文發(fā)展歷史的同時，重點(diǎn)介紹了空間天文的三項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎。在新世紀(jì)空間天文的研究直接產(chǎn)生了兩個諾貝爾物理學(xué)獎，并且對第三個諾貝爾物理學(xué)獎起了重要作用，非常類似20世紀(jì)初X射線對于諾貝爾物理學(xué)獎的作用，空間天文對自然科學(xué)的重要作用變得越來越重要。

回顧這些科學(xué)成就，有必要問一個問題：這些成果是計(jì)劃的、規(guī)劃的還是從事這些研究的科學(xué)家個體在開展這些研究之前就預(yù)期了這些成果？問這個問題的一個主要原因是：在論證一些重大科學(xué)項(xiàng)目的時候，必須回答項(xiàng)目的預(yù)期科學(xué)成果，越大規(guī)模的項(xiàng)目，越需要明確說明預(yù)期的成果的重要性。這當(dāng)然很有道理，因?yàn)橹卮箜?xiàng)目需要投入的資金和人力很大，如果不能說清楚預(yù)期的成果，自然就難以得到資助來實(shí)施，任何政府或者其他資助方都會有這樣的要求。因此探索重大天文發(fā)現(xiàn)的偶然性和必然性對于處于快速發(fā)展初期的中國空間天文具有重要意義。

但是前文提到的三項(xiàng)成果的取得有明顯不同：（1）2002年獲獎的開創(chuàng)觀測宇宙新窗口的X射線天文成果是發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源和X射線彌漫背景輻射，而這完全出乎當(dāng)時科學(xué)家的預(yù)料，也不在最開始的科學(xué)目標(biāo)的預(yù)期中；（2）2006年獲獎的宇宙微波背景輻射的黑洞輻射和各向異性測量恰好是項(xiàng)目的預(yù)期科學(xué)成果；（3）2011年獲獎的宇宙加速膨脹的測量則完全和事先預(yù)期的成果相反。這三個情況恰好反映了天文學(xué)研究重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三種典型情況。表3（附后）列出了所有天文學(xué)研究獲得的諾貝爾物理學(xué)獎①諾貝爾本人沒有設(shè)立諾貝爾天文學(xué)獎，天文學(xué)的研究成果只能根據(jù)其對其他學(xué)科的重要性獲得其他學(xué)科的諾貝爾獎。

從表3可以看出，除2006年授予發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的各向異性的諾貝爾物理學(xué)獎之外，其他的天文學(xué)研究獲得的諾貝爾物理學(xué)獎的最初研究目的和最后獲獎的天文發(fā)現(xiàn)明顯不一樣，不但“不是”預(yù)期結(jié)果，而且大部分的成果是和預(yù)期結(jié)果“沒有關(guān)系”就是“完全相反”。從研究類型看獲獎的理論研究成果數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于觀測研究，表明天文學(xué)研究的重大而且是開創(chuàng)性的突破主要來自于觀測研究，而這些突破大部分都不是項(xiàng)目的預(yù)期科學(xué)成果，也就是大部分重大天文觀測成果的獲得看起來都是偶然的。

既然大部分重大天文觀測成果的獲得看起來都是偶然的，那么是否重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是“瞎貓碰死耗子”？其實(shí)這些看似偶然的成果背后有三個要素構(gòu)成了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必然性，如表4（附后）所列。其中前兩個要素是對這個項(xiàng)目本身的要求，也就是必須有“保底”的科學(xué)目標(biāo)，同時應(yīng)該具備做出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的能力。而第三個要素則是對項(xiàng)目科學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究水平的要求。一個科學(xué)項(xiàng)目在滿足了這三大要素的情況下，必然會做出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這是必然性。但是到底做出什么科學(xué)發(fā)現(xiàn)、尤其是在新的發(fā)現(xiàn)空間里面的預(yù)料之外的發(fā)現(xiàn)，則很有可能是偶然的，至少在天文學(xué)領(lǐng)域是這樣的情況。這正是偶然性和必然性之間的辯證統(tǒng)一。

為什么重大的開創(chuàng)性天文發(fā)現(xiàn)大部分都是事先沒有預(yù)料或者計(jì)劃的？這是由于宇宙和自然界太復(fù)雜，人的認(rèn)識的漸進(jìn)性，科學(xué)家能夠預(yù)料或者計(jì)劃的成果一般都是普通的成果，也就是表4中滿足第一要素的“保底”的科學(xué)成果。愛因斯坦或許是人類歷史上最聰明、最有遠(yuǎn)見和洞察力最深刻的學(xué)者，但是他堅(jiān)信宇宙中沒有黑洞（而這恰恰是愛因斯坦的廣義相對論的最重要預(yù)言之一）、沒有暗能量（當(dāng)時被稱為宇宙學(xué)常數(shù)，而這恰恰是愛因斯坦本人首先提出的），同時認(rèn)為量子力學(xué)有基本錯誤（而他本人獲得諾貝爾物理學(xué)獎的光電效應(yīng)理論證明了量子力學(xué)是正確的）。因此在宇宙和自然面前我們只能謙卑，人類能夠理解宇宙和自然已經(jīng)非常了不起②愛因斯坦曾經(jīng)說過，宇宙最令人費(fèi)解的地方是她竟然可以被理解，試圖預(yù)言宇宙和自然會發(fā)生什么事情則是可望而不可及的事情。

但是預(yù)料之外的成果往往是重大成果，這是科學(xué)研究尤其是天文學(xué)研究最引人入勝和激動人心的地方。但是要“碰上”這樣的成果，固然需要一點(diǎn)運(yùn)氣，但是滿足表4中的后兩個要素則是必須的。第二個要素保證了該項(xiàng)目有取得預(yù)料之外的重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會。但是這并不能保證獲得重大科學(xué)成果。我們知道很多歷史上和重大科學(xué)成果“擦肩而過”的故事，也有人明明做出了重大發(fā)現(xiàn)但是自己渾然不知或者沒有膽量公布，沒有做好“事后諸葛亮”，這都是缺乏第三個要素的后果。因此第三個要素是能夠最終兌現(xiàn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的保證。

8 結(jié)語——空間科學(xué)規(guī)劃的重要性

毫無疑問，空間天文作為空間科學(xué)的一個重要組成部分，是人類進(jìn)入空間時代的之后科學(xué)研究的需求所必然產(chǎn)生的學(xué)科。空間時代的一個主要標(biāo)志就是大工程和大科學(xué)的蓬勃發(fā)展。美國的阿波羅登月計(jì)劃、一系列空間科學(xué)衛(wèi)星和國際空間站，國內(nèi)相應(yīng)的人造衛(wèi)星、探月和載人航天等都是大工程和大科學(xué)的標(biāo)志性成就。由于這些項(xiàng)目的重要性、耗資大、技術(shù)牽引性強(qiáng)、執(zhí)行周期長以及公眾的關(guān)注度高，都毫無例外地是經(jīng)過長期論證和規(guī)劃之后分階段開始實(shí)施的，并且都取得了標(biāo)志性成果。

正是由于科學(xué)前沿研究的探索性以及不可預(yù)知都很強(qiáng)，空間科學(xué)的長期戰(zhàn)略規(guī)劃才顯得更加重要。長期戰(zhàn)略規(guī)劃可以保證優(yōu)先的科學(xué)目標(biāo)是當(dāng)前科學(xué)前沿最重要的科學(xué)問題而且技術(shù)上具有可實(shí)現(xiàn)性，滿足前面談到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必然性的第一個要素。而根據(jù)規(guī)劃開展的項(xiàng)目遴選和論證則可以確保項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有新科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力，滿足科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必然性的第二個要素。最后，確定項(xiàng)目承擔(dān)團(tuán)隊(duì)則可以保證做好“事后諸葛亮”，產(chǎn)生重大原創(chuàng)性成果。因此世界各國尤其是美歐日等空間科學(xué)強(qiáng)國極為重視空間科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃的制定和實(shí)施。我國應(yīng)加強(qiáng)空間科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃，抓住機(jī)遇，力求在空間科學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜缈茖W(xué)做出貢獻(xiàn)。

1張雙南.天文學(xué)與現(xiàn)代自然科學(xué).中國國家天文，2012，（9）：14-57.

2 Giacconi R,Gursky H,Paolini F et al.Evidence for x Rays From Sources Outside the Solar System.Physical Review Letters,1962，9（11）：439-443.

3張雙南.世界空間高能天文發(fā)展展望.國際太空，2009，（12）：6-12.

4張雙南.高能天體物理學(xué)研究與發(fā)展.中國科學(xué)院院刊，2012，27（1）:504-514.

5 Boggess N W,Mather J C,Weiss R et al.The COBE Mission:Its Design and Performance Two Years after the launch.Astrophysical Journal,1992,397（2）：420.

表1 已經(jīng)結(jié)束使命的主要空間天文項(xiàng)目（除特別注明外，都是美國NASA的項(xiàng)目）

表2 還在運(yùn)行的主要空間天文項(xiàng)目（除特別注明外，都是美國NASA的項(xiàng)目）

表3 天文學(xué)研究獲得的諾貝爾物理學(xué)獎

表4 科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必然性的三個要素

張雙南中科院高能物理所粒子天體物理中心主任，中科院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，兼任中科院國家天文臺空間科學(xué)部首席科學(xué)家和X射線成像實(shí)驗(yàn)室主任、中科院新疆天文臺研究員和國防科技大學(xué)教授。曾入選教育部“長江學(xué)者”獎勵計(jì)劃和主持基金委杰出青年基金，獲意大利Ferrara大學(xué)“哥白尼科學(xué)家獎”,以“溯及既往”方式入選中組部“千人計(jì)劃”并被授予“國家特聘專家”稱號，“973項(xiàng)目”首席科學(xué)家，載人航天二期有效載荷空間天文分系統(tǒng)首席科學(xué)家和領(lǐng)域論證組組長，中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃研究組副組長和空間天文領(lǐng)域負(fù)責(zé)人。發(fā)表SCI論文200余篇，總引用超過5 500次。E-mail:zhangsn@ihep.ac.cn

Astronomy in the Space Era：From Space Astronomical Observations to Nobel Prizes in Physics

Zhang Shuangnan
（Institute of High Energy Physics，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100049，China）

The first Nobel prize in physics was awarded to the discovery of X-rays that heralded the modern physics,following which abundant Nobel prizes were awarded to discoveries related to X-rays.One century later,the first Nobel prize in physics from space astronomy was awarded in 2002 to the breakthroughs in space X-ray astronomy,which opened a new windows in the observing the universe.For about half century since the discovery of the first cosmic X-ray source in 1962,about 70 spacecrafts carrying astronomy instruments have been launched and operated,which have tremendously improved our understanding of the universe and fundamental laws of physics.Then in 2006,the Nobel prize in physics was awarded to the precise measurement of the blackbody spectrum of cosmic microwave background radiation and the discovery of its space anisotropy made with the COBE satellite.In 2011,the Nobel prize in physics was awarded to the discovery of the accelerating expansion of the universe,for which the famous Hubble Space Telescope made some important contributions.Therefore,in the beginning of the new century the two Nobel prizes in physics have been awarded to the discoveries of space astronomy observations, which also contributed significantly to the third one;this situation is quite similar to the contributions of the discovery of X-rays to the Nobel prizes in physics in the beginning of the 20th century.Through the analysis of the three Nobel prizes and all other Nobel prizes in physics awarded to discoveries of astronomy observations,we find that essentially all these discoveries were either not the original scientific goals of those projects,or even just opposite to that,except the COBE case.Finally, we discussed the serendipity and predictability of major astronomy discoveries,which are useful for China’s space astronomy in the rapid,however,initial stage of development.

space astronomy,Nobel prize in physics,X-ray,cosmic microwave background

10.3969/j.issn.1000-3045.2014.05.010

*資助項(xiàng)目：“千人計(jì)劃”（292012312D1117210）

修改稿收到日期：2014年8月25日