空间时代的大科学

   空间科学，是指利用空间飞行器（在太空）研究地球、日地空间、太阳系和整个宇宙的物理、化学和生命等自然现象及其规律的科学领域的总称。空间科学是一门重要的基础科学，也是航天科学的支柱之一。

   我们之所以要利用空间飞行器，是因为宇宙中除了可见光的一部分能够进入地球外，其他像X射线、伽马射线和紫外线等，基本上都被大气阻挡了。我们可以从下面这幅图中了解到这一点。即使是对于可见光波段来讲，由于地球大气层的厚度和不断抖动的特性，以及从地面进行光学观测的衍射极限等限制，也需要我们借助空间飞行器才能进行更好的观测。

地球大气对宇宙电磁辐射的吸收，仅可见光、部分红外和射电波段的电磁波可在地面观测

   这里我们需要关注一下空间科学、空间技术与空间应用的区别与联系。与空间技术不同，空间科学作为基础研究，主要关注自然界的规律研究。与此同时，空间技术则是空间活动的基石和保障。而在空间应用领域，更多的涉及了人类社会和公众的应用，包括军事应用。

   空间科学也形成了多学科的研究体系，可以简单归纳为空间物理、空间天文、月球和新兴科学，以及空间地球科学、生命科学、微观科学等。

   此外，空间科学还涉及了许多交叉学科的研究，如与天体物理学、粒子物理学的交叉，与地球行星科学、生命科学的交叉等领域。目前，我们还在寻找外星生命等方向进行研究，这里无法一一列举。下面我简要介绍一下空间科学各个领域的发展。

   首先是太阳物理学。太阳物理学研究太阳和日地空间、行星际空间的物理现象和规律。太阳从外层辐射区、对流层、光球层、色球层，到最外层的日冕，吹出被称为太阳风的等离子体。这个等离子体由带电的原子核和电子组成，其速度相当高，因此可以吹向四面八方，基本上整个太阳系都被它充满。

   对于我们居住的地球而言，其磁场是偶极子的磁场。然而，当太阳风经过行星际空间吹过地球时，它会带动地球的磁场并产生压缩变形，并影响电离层和高层大气。

太阳外层辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕吹出太阳风经过行星际空间，挤压地球磁层、并影响电离层和高层大气

   下面是一个表示日球层的示意图。在图中，我们可以看到中间是地球，而太阳风则扩展到了星际的边缘，与太阳系的其他星际风在那里相互平衡。太阳本身是一个活跃的热核天体，拥有一个巨大的核反应系统。

日球层：太阳风控制的区域，之外为星际介质（LISM）。日球层顶把太阳风等离子体与星际起源的等离子体分开，大约位于50~150AU

   第二个领域是空间天文学。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。

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