“中国航天科普大使”苟利军领衔盘点 | 2021世界天文学10大进展（中）

以下文章来源于中国国家天文 ，作者苟利军 邓舒夏

中国国家天文.

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今天是太空与您相伴的【第1367期 】

2021年虽然艰难，但是人们探索太空和宇宙的热情和雄心依旧。放眼全世界，众多天文进展让人激动，在此我们回顾了2021年间的诸多进展——

●所有火星任务获成功，中国深空探测展宏图

●“嫦娥五号”革新月球认知，“玉兔二号”不断创造历史

●韦布望远镜终将升空，中国太阳卫星首发成功

●中国空间站始建设，私人空间站未来可期待

●FAST探测能力继续提升，新发现不断让人惊喜

●郭守敬望远镜巡天数据领先，新的冷湖光学台址受追捧

●行星探测日新月异，打开人类认知新世界

●黑洞研究更深入，新旧X射线望远镜可期

●引力波最新列表释放，霍金黑洞定理再验证

●高能粒子遍布宇宙，多信使探测器显威力

4/ 中国太空站始建设，

私人空间站未来可期待

60年前，人类历史上第一位航天员尤里·加加林首次进入太空；50年前，首个空间站发射升空；23年前的1998年，国际空间站开始建设，历经13年，终于在2011年建成并全面使用。中国没有进入国际空间站进行合作的机会，但在国际空间站建成的同一年，中国空间站的雏形——“天宫一号”发射升空。经过10年的技术准备和积累，终于在2021年的4月29日，中国“天宫”空间站的“天和”核心舱成功发射，中国终于正式开启了属于自己的空间站时代。

“天和”核心舱在轨飞行示意图。版权／国家航天局

“天宫”空间站是由“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱三个舱段组成的一个T字形结构。两段实验舱分别长期停靠在核心舱的左右两端，货运飞船以及载人飞船分别对接于核心舱前后两端。空间站的具体任务有：建造以“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱为基本构型，长期在轨可靠运行的空间站；保证航天员长期在轨生活；开展多领域空间科学实验与技术试验等。

“天宫”空间站的建设是中国载人航天工程“三步走”发展战略中“第三步”。按照计划，中国将在2021年至2022年期间择机进行11次飞行任务，包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射，完成“问天”实验舱和“梦天”实验舱与核心舱的对接，最终在2022年完成“天宫”空间站的建设，实现中国载人航天工程“三步走”发展战略中第三步的任务目标。与国际空间站的建设相比，中国空间站的建设可以说更有效率。

截止到2021年12月，中国已经成功完成了5次发射任务，除核心舱的发射之外，2021年5月29日和9月20日分别成功完成了“天舟二号”和“天舟三号”货运飞船的发射任务，为空间站送去了足够物资。2021年6月17日和10月16日，分别成功发射了“神舟十二号”和“神舟十三号”载人飞船任务，前者将3名航天员成功送到核心舱，在太空中待了3个月之后，于9月17日安全返回地面。后者送去了包括女航天员王亚平在内的第二批3名航天员乘组，他们在太空中驻留6个月。2022年，中国将继续发射“天舟四号”货运飞船、“神舟十四号”载人飞船、“问天”实验舱、“梦天”实验舱、“天舟五号”货运飞船、“神舟十五号”载人飞船等6次任务。

建成之后的中国“天宫”空间站在轨运行示意图。版权／UNOOSA

在空间站建成之后的2024年前后，中国还准备发射一个包含光学望远镜的光学舱，这是一个与空间站主体部分共轨飞行的空间望远镜，口径为2米，是中国第一个光学空间望远镜。在太空进行观测，不仅可以避免大气抖动的干扰，还可以避免光污染等干扰。相比已经在轨运行30多年的哈勃望远镜，在成像质量和其相当的情况下，中国巡天空间望远镜的视场达到了哈勃望远镜的300倍，能够以更高的效率帮助天文学家研究宇宙演化全貌。

值得一提的是，“天宫”空间站本身采用了多项先进技术，装备了强大有力的“手臂”——大型空间机械臂，它和人类的手臂一样拥有7个自由度，在太空当中进行作业以及飞船对接时非常灵活，机械臂技术也是中国在航天技术上已经逐渐领先世界的象征之一。中国建设太空站的最终目标是使之成为国家级空间实验室和国际科技合作交流的平台，也非常欢迎其他国家的航天员进入中国空间站开展国际合作。

2021年7月4日，神舟十二号乘组两名航天员成功出舱（视频截图），并完成了空间站舱外全景相机抬升操作。版权／国家航天局

相比较之前的“天宫一号”和“天宫二号”空间站，“天宫”是模块化空间站系统，与国际空间站类似，同属于第三代模块化空间站。不同的是，“天宫”是中国自主独自建设完成。在此之前，苏联的“礼炮号”空间站和美国的“天空实验室”属于第一代，中国的“天宫一号”和“天宫二号”属于第二代。“天宫”在距离地球390千米的轨道上运行，位置略低于距离地球400千米的国际空间站。根据规划，“天宫”近期目标是建成总重达到约60吨，在轨寿命达到10年以上，至少可以运行到2030年之后。

建成运行已经有10年历史的国际空间站，预计在2024年退役，它的寿命已经超过了设计寿命，并出现很多部件老化的问题，比如最近俄罗斯舱段就出现了裂纹问题。但是对于这样的一个大型的、由多个国家建成的空间基础设施，人们还是尽量延长它的寿命，以提高其使用价值。此外，美国航天局希望在国际空间站正式退役之前，能够有一个或者多个私人商业空间站与国际空间站一同运行大约两年左右，以便将目前的空间实验装置转移到这些私人空间站中去。

目前已经有多个私人公司在计划发射私人商业空间站。比如Nanoracks和旅行者太空（Voyager Space），以及洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin），后者准备在2027年发射一个名为“星辰实验室（Starlab）”的空间站，蓝色起源（blue origins）公司也准备在不晚于2030年发射一个空间站。Nanoracks和蓝色起源公司已经从美国航天局拿到了总价值4.156亿美元（约合27亿人民币）的资金用于空间站的开发。另外，Axiom Space公司也准备在2028年发射一个空间站模块，先对接到国际空间站，等其退役后再独立飞行。因此，按照现有这些商业空间站的发射计划，如果保证有两年左右的共同运行期，国际空间站至少会被延迟到2030年左右退役，到时就会出现多个空间站一同运行的场面。

5/ FAST探测能力继续提升，

新发现不断让人惊喜

2020年，曾经是世界最大单口径射电望远镜的阿雷西博望远镜在准备度过它57岁生日之际，两个连接中间馈源舱的缆绳先后突然断裂，导致其观测镜面受损。而在2020年的最后一个月，绳索突然断裂，整个重达900吨的馈源舱平台从空中坠落，重重摔在了中间的大锅上，碎片一地。阿雷西博望远镜以这样悲壮的方式结束了自己的一生。

所幸的是，中国已经于2016年9月25日在贵州建成目前世界上单口径最大的500米射电望远镜“天眼”，简称FAST，它的综合性能达到了阿雷西博望远镜的10倍。经过几年的调试，FAST终于在2020年1月11日通过了国家验收，投入正式运行。就在2020年，新老望远镜完成了接替。

FAST的主要目标包含5个大的方面：脉冲星搜寻；宇宙中性氢的观测以及宇宙大尺度结构的研究；通过和其它射电望远镜组成一个VLBI系统，对一些活动星系核的内核进行解析；对一些分子谱线进行监测；在未来开展地外生命的搜索。

FAST馈源舱。版权／国家天文台

对于这些既定的一些科学目标，FAST正在有条不紊地开展着相应的观测，它是目前世界上灵敏度最高的射电望远镜，配备19波束的接收机，是世界上最强大的脉冲星搜寻利器。FAST计划预期会发现大约1500颗新的脉冲星，目前已发现500余颗，仅在2020年就发现了200余颗。更值得一提的是，所发现的201颗新的脉冲星是中国科学院国家天文台韩金林团队利用FAST进行脉冲星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey，GPPS）数据发现的，该项目仅覆盖了FAST可观测天区一小部分，因此可以期待，接下来几年随着更多的观测，我们会发现更多新的脉冲星。

FAST 配备的19波束L波段接收机。版权／国家天文台

利用中性氢的观测数据，南京大学的研究团队在距离银河系中心7万多光年的地方发现了一条长余1.63万光年的中性氢结构，其宽度有675光年，总质量大约相当于太阳的6.5万倍，形态如同一根蒲棒，研究人员遂将其命名为“香蒲”。与此同时，研究人员还发现了外盾牌-半人马臂的延伸部分。

新发现的“香蒲”结构有可能是银河系一只新的旋臂。来源／The Astrophysical Journal Letters

中国科学院国家天文台及合作者利用FAST望远镜的超高灵敏度，对近邻星系M106天区开展了深度的成像观测，在M106星系外发现了一条超长距离的气体吸积流，该气体流长达130 kpc（约42.3万光年），连接M106及其卫星星系NGC 4288，这表明M106星系可从数十万光年外的矮星系上抢夺气体来维持自身的成长。这种现象类似离银河系20多万光年外的大小麦哲伦星云流向银河系的麦哲伦流，但M106的吸积流长度更长，作用范围更广，也更难被捕捉到，这为探究星系气体吸积提供了典型的案例。

在既定观测目标外，对一些新探测的天文未解现象，比如快速射电暴，FAST凭借着其强大的探测能力助力了研究。2020年FAST关于银河系内快速射电暴的观测入选了2020年的《自然》和《科学》十大科学发现，2021年又继续在这个领域做出了一些新的发现——不仅捕获三例新的快速射电暴，而且在2019年8月29日到10月29日，FAST团队利用59.5小时的观测时间，共检测到了来自一个名为FRB 121102的快速射电暴1652次记录，这个数字超过了以往所有文献记载次数的总和。这一结果发表在2021年10月的《自然》杂志上。

几个新发现脉冲星的相位变化，表明其拥有双星系统。来源／RAA

上世纪70年代的爱因斯坦X射线卫星是最早提出客座观察项目（guest observer program）的卫星之一，它会把其中的一部分观测时间留出来供团队之外的其他科学家申请使用。客座观测项目在一定程度上能够促使望远镜做出更好的科学成果，并逐渐成为一种通行的方式。从2021年3月31日起，FAST面向全球开放其10%的观测时间，总共约为450个小时，各国科学家均可提出申请，经审核后可使用FAST开展观测和研究。这项申请截止时间为5月15日，评审结果已经于7月20日公布，审批的观测时间已经从8月开始进行。

尽管目前单个FAST的灵敏度在世界上领先，不过中国科学家对于FAST探测能力有着更为宏伟和长远的规划。按照中国科学院国家天文台武向平院士所说，中国将推进建设另外5台500米口径的射电望远镜，与FAST组成一个巨大阵列，从而让中国的射电观测能力领先世界50年。

6/ 郭守敬望远镜巡天数据领先，

新的冷湖光学台址受追捧

2009年建成并通过国家验收的郭守敬望远镜是中国天文学家主导的最大规模的天文巡天项目，其天文学全称为“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）”。自2012年9月正式开始巡天，它已经成为全世界银河系研究领域的一个主要巡天项目。截至2021年3月，LAMOST已发布1723万条光谱数据，超过世界上其它地基光谱巡天项目获取光谱数总和的2倍。

2021年8月，LAMOST又发布了一批新的观测数据：第九年v0版本的观测数据（DR9 v0），这些数据可供国内天文学家和国际合作者使用。最新发布的数据产品是LAMOST在2020年9月18日到2021年6月14日之间获取的，包括低分辨率光谱和中分辨率光谱两部分。其中，低分辨率观测了326个天区，光谱总数近54万条，中分辨率共观测了440个天区，中分辨率非时域光谱数据37万条、中分辨率时域数据187万条。按照LAMOST科学委员会对数据发布时间节点的规定，LAMOST正式巡天第9年v1版本光谱数据（DR9 v1数据集）计划于2022年3月对全世界发布。

自2012年9月正式开始巡天，LAMOST已经成为全世界银河系研究领域的一个主要巡天项目。版权／陈颖为

利用如此大量的巡天观测数据，国内外的科学家在银河系结构与演化、恒星物理研究、特殊天体搜寻等重要前沿领域取得一系列有影响力的研究成果。

发现奇异白矮星系统：2021年8月，研究人员利用释放的数据发现了一颗之前从未被观测到的罕见新型激变变星，命名为LAMOST J0140355+392651。激变变星是一类具有双重身份的天体，它既是双星又是变星。大多数激变变星的主星为白矮星，伴星是晚型主序星。后续观测发现该新天体是一种罕见的、正处于演化过渡阶段的激变变星。它的伴星并不是处于主序阶段的正常星，而是一颗正在膨胀的恒星氦核。

激变变星 LAMOST J0140的光变曲线。来源／MNRAS

扩充多星系统星表：2021年11月，利用中分辨率光谱数据，来自中国科学院国家天文台等机构的研究人员发现了3133颗光谱双星以及132颗光谱三星，并精确测量了它们的视向速度，其中95%为最新发现的多星系统。

扩充O型星星表：研究人员用巡天光谱筛选出209颗O型星，其中135颗是最新发现的。最大的具有光谱信息的银河系O型星星表（Galactic O-Star Catalog，GOSC）仅有590颗O型星，且这些O型星的数量是人类近百年来累积发现的总和。

构建最大的M型亚矮星星表：利用巡天数据，研究人员构建了迄今最大的M型亚矮星星表，并对M型亚矮星的大气参数和运动学特性进行了研究，提出了证认MK分类系统中光度分类为VI型的亚矮星的参数条件，并分析了具有不同运动学属性的亚矮星的参数分布特点。

尽管LAMOST在巡天方面取得了很大的成绩，但是因为它位于海拔只有960米的河北承德兴隆附近（距离县城中心几千米），且受周边城市发展所带来的光污染以及环境变化的影响，其观测能力在一定程度上受到了限制。光学望远镜能否成功且高质量运行，台址极为重要。目前世界上公认的最好的两个光学台址分别位于夏威夷大岛的莫纳克亚火山山顶（海拔大约4200米），以及智利北部的阿塔卡马高原地区（海拔5000米左右）。天文学家一直在中国各处寻找更好的天文新台址，目前主要集中在四个地方：四川稻城（海拔4600米以上），新疆慕士塔格（海拔4500米以上），西藏阿里（海拔5000米以上），以及青海冷湖（海拔4000米以上）。

中科院国家天文台研究团队通过3年的连续监测，发现青海冷湖地区存在国际一流的光学天文新台址。青海海西州的冷湖地区日照丰沛，降水极低，夜空晴朗，历史记录的天气条件非常良好。研究团队通过对冷湖赛什腾山区的实地考察，依据沙尘垂向呈指数分布的特性，确定在山区4200米海拔标高点进行定点选址。所选中的地点为冷湖赛什腾山C区，视宁度中值为0.75角秒，意味着其受大气湍流活动影响程度和望远镜显示图像的清晰度与夏威夷莫纳克亚峰、智利各天文台等国际最好台址的天文台基本持平。而且冷湖全年可用于天文观测的晴朗夜空时长达到83%，也和其他国家最好台址类似。

青海冷湖地区天文台址。版权／邓李才

为最大限度发挥好冷湖台址的科学效益，中国科学院将与青海省政府联合，一方面尽快对台址资源进行保护，避免灯光污染和其他人类活动对观测带来的影响，另一方面统一规划和布局未来重大观测设施的发展。中国科学院将与青海省一道，力促冷湖天文台址的国际合作和开放，吸引国际领先的观测设施在此建设。

极好的观测环境已经吸引了众多观测设备，四川西华师范大学的50厘米双筒望远镜（50BiN）和1米口径的SONG望远镜已经搬迁至此，中国科学院地质地球所用于观测行星的0.8米PAST和1.8米TINTIN望远镜也已经确定在此建设。“中国科学技术大学—紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜WFST”基建工程已经在冷湖天文观测基地正式开工，建成后将成为北半球具备最高巡天能力的光学时域巡测设备，它能够获取高精度位置和多色亮度观测数据，高效搜寻和监测天文动态事件，预期可以在时域天文、外太阳系天体搜寻、银河系结构和近场宇宙学等领域取得突破性成果。清华大学即将建设的宽视场光谱巡天望远镜（MUltiplexed Survey Telescope，MUST）是一架6.5米口径的望远镜，在冷湖建成后，其光谱巡天能力将比现有水平提高10倍以上。

冷湖不仅仅适合于光学观测，天文学家也在这里进行亚毫米和毫米波观测条件的环境监测，未来这里也有可能成为亚毫米波的观测圣地。我们可以预见，在不远的未来，一个多波段的新的世界级天文观测基地即将从这里开始发展。

……

—— 本文节选自《中国国家天文》2021年12月号

作者简介 /

苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。2020年12月11日，苟利军被授予“中国航天科普大使”荣誉。

邓舒夏，《中国国家天文》特邀编辑，前《第一财经周刊》记者，科普作者。

来源 | 中国国家天文

原标题：《“中国航天科普大使”苟利军领衔盘点 | 2021世界天文学10大进展（中）》

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