空間天文研究方向

天文和天體物理的研究方向是什么？我國(guó)科學(xué)家通俗地歸納為：“兩暗一黑三起源”。

“兩暗”是指暗物質(zhì)和暗能量。最新的天體物理觀測(cè)證據(jù)表明，我們?cè)谟钪嬷心軌蛴^測(cè)到的普通物質(zhì)總量（包括質(zhì)子、中子等，泛稱為“重子物質(zhì)”）只占總量的5%左右。宇宙里還存在著大量的、看不見的物質(zhì)，和重子物質(zhì)只通過引力發(fā)生相互作用的“暗物質(zhì)”。這些暗物質(zhì)占宇宙總量的27%左右。我們只能通過一些間接方式了解到暗物質(zhì)的存在，比如對(duì)星系外圍天體繞星系中心旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量，以及對(duì)宇宙微波背景的測(cè)量等。剩下的68%左右則是更為神秘的、以能量形式存在的“暗能量”①。通過對(duì)超新星的觀測(cè)和分析，Saul Perlmutter，Adam Riess和Brian Schmidt等人發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，間接證實(shí)暗能量的存在，并因此獲得2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，對(duì)于暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)，我們迄今為止所知甚少。

“一黑”是指黑洞。黑洞是天文學(xué)里最吸引人、也最令人困惑的現(xiàn)象之一。目前天體物理觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的黑洞大概分為兩類。一類是恒星級(jí)的黑洞，其質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量的數(shù)倍到幾十倍之間。這類黑洞是大質(zhì)量恒星在演化的晚期爆發(fā)并塌縮的結(jié)果。另一類黑洞則存在于星系的中心，其質(zhì)量為太陽質(zhì)量的數(shù)百萬倍到千萬倍，稱為“超大質(zhì)量黑洞”。超大質(zhì)量黑洞的成因和起源目前還是一個(gè)謎。黑洞研究里存在著大量的未解之謎。除了上述的超大質(zhì)量黑洞的成因，還有比如是否存在中等質(zhì)量的黑洞（介于恒星級(jí)和超大質(zhì)量黑洞之間），超大質(zhì)量黑洞是如何和星系一起成長(zhǎng)和演化的，黑洞的視界內(nèi)究竟是怎么回事（物理定律還有效嗎），等等。

而“三起源”則是指宇宙的起源和演化，天體的（包括恒星、星系等）起源和演化，以及地外生命起源。

自從美國(guó)天文學(xué)家哈勃在上個(gè)世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)星系在高速地遠(yuǎn)離我們后，物理學(xué)家咖莫夫等人在上個(gè)世紀(jì)中葉提出了宇宙起源于一次大爆炸，并預(yù)言了大爆炸后殘余的宇宙背景輻射溫度。令人震驚的是，這個(gè)宇宙背景輻射（主要是在微波波段，因此又稱為宇宙微波背景輻射）在六十年代，居然被美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家偶然之間探測(cè)到。自此，宇宙大爆炸理論就成為宇宙起源最主要的理論，并被越來越多的觀測(cè)所證實(shí)。

目前的主流理論認(rèn)為，宇宙誕生于約137億年以前的一次大爆炸，在大爆炸后宇宙經(jīng)歷了一個(gè)快速暴漲的過程。隨后，處于極高溫的宇宙隨著膨脹開始冷卻。在冷卻的不同階段，質(zhì)子、中子等物質(zhì)開始形成。在宇宙誕生約5億年后，由于受引力左右，物質(zhì)開始收縮、塌縮，形成第一代恒星、星系等結(jié)構(gòu)。恒星、星系的形成在宇宙誕生30億年后達(dá)到高峰，并開始慢慢停止。殘留在星系和星系之間的物質(zhì)，即所謂的星系際介質(zhì)（intergalactic medium，或IGM），構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為“宇宙網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。

而地外生命的探索在最近二、三十年才開始興起。人類自古以來就對(duì)于地球外是否有生命充滿興趣，由于探索的手段有限，在地球文明發(fā)展以來一直處于幻想階段。然而，隨著天文技術(shù)高速發(fā)展，在上世紀(jì)90年代，瑞士天文學(xué)家Michel Mayor和他的同事首次探測(cè)到太陽系外圍繞著一個(gè)主序星飛馬座51的一顆行星，這正式拉開了系外行星和系外生命搜索的序幕。

到目前為止，人類一共發(fā)現(xiàn)了約3000多顆系外行星，其中有不少和我們地球一樣處在所謂的“habitable zone”（宜居住區(qū)）。宜居住區(qū)是指在一顆恒星周圍行星上可以有大氣和液態(tài)水存在的區(qū)域，通常我們認(rèn)為位于這個(gè)區(qū)域的行星最有可能有生命出現(xiàn)。而尋找系外生命在其大氣層上留下的所謂的“bio-marker”（生物標(biāo)志物）是目前國(guó)際上正在建造的下一代大型望遠(yuǎn)鏡最主要的科學(xué)目標(biāo)之一。