空间时代的大科学

哈勃空间望远镜获得图像（左）与詹姆斯·韦布空间望远镜图像（右）比较

   上面这张图是哈勃与詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄获得的图像比较。由于詹姆斯·韦布望远镜的激光面积更大，所以它可以观测的深度更深，同时对天体观测的精细程度更好，从这个图像可以明显地看出它相对于哈勃望远镜的优势。图像主体是SMACS 0723星系团，该星系团质量非常大，扭曲时空，形成引力透镜效应，把背后更遥远更暗的星系图像放大、扭曲、拉伸。由此看到了更为遥远的暗弱星系，远至130亿光年。

   这里顺便提一下，在宇宙学研究中，引力透镜现象成为了重要的工具。强引力透镜效应是遥远背景星的光线经过前景星的引力作用形成的透镜效应。此外，还有弱引力透镜效应的研究，通过每个星点的椭率变化来研究暗物质在宇宙中的分布。这些研究已经变得更加定量化。

宇宙演化图景：a.大爆炸和暴涨过程 b.核合成时代 c.复合时代-宇宙微波背景 d.黑暗时代-再电离-第一代恒星生成 e.星系-星系团-大尺度结构-暗能量和加速膨胀

   目前，得益于空间天文学的发展，整个天文学领域对于宇宙演化的图景已经形成了主流观点：宇宙大爆炸过程作为宇宙演化的开端过程，形成了宇宙微波背景，并最终形成星系团的大尺度结构。目前，宇宙仍然处于加速膨胀的过程中。然而对于宇宙为何加速膨胀，尽管已经有了一些观测现象（如红移），但原因仍然未知。

   另外，科学家还在研究构成天体的物质，在天体的一生，以及消亡之后，是怎样流动的。当恒星耗尽核燃料并发生聚热核反应时，其最终会演化成红巨星。在红巨星的末期，恒星会发生超新星爆炸，形成几种可能的致密天体，包括白矮星、中子星和黑洞。这些星际物质在宇宙中循环流动，有可能导致新的恒星的形成。上述过程就是宇宙重子物质循环基本的理论框架。得益于空间天文学带来的观测技术的提升，我们对这一理论才有了更深入的理解。

   第三个领域是月球和行星科学。月球和行星科学实际上是早期天体物理研究的一个重要领域。现在，它已经发展成为一个相对独立的研究领域，主要关注离地球最近的天体——月球，以及太阳系中的其他主要天体。过去的几十年间，人类已经用200多个深空探测器对太阳系中的行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星进行了抵近或着陆巡视，实现了对各天体大气、磁场、重力场、物质组成、形貌、地质进行观测或取样。

阿波罗11号登上月球

好奇号发现的火星上流水作用冲刷的沟渠

   月球和行星科学的发展总体上构建了新的太阳系及其他天体的知识体系。这个知识体系目前仍然是研究的热点，包括月球的形成演化和地球的关系。主流的观点认为，在月球诞生早期，有一个较大的行星与地球相撞，将地球的一部分撞成熔融状态形成了我们现在所看到的月球，这就是地月同源的现象。月球上的极区，特别是阴影区，可能有水冰的存在。月球上也可能有潜在的其他资源，这些资源引起了人们的高度关注。

   此外，人类还在一些可能存在液态水的行星或卫星上探索是否曾经有生命的存在，以及对这些星球的环境和大气进行考察。有些星球可能曾经存在与地球类似大气层，但由于这些星球早期内禀磁场的衰亡等其他因素造成大气的逃逸，导致这些星球如今呈现出一种死寂的状态。例如，美国的火星探测车勇气号、机遇号、凤凰号、好奇号，以及最近的毅力号等，都是在这个方向上进行探索。如今已经发现火星表面水、甲烷和水冰。此外，人们还发现土星的卫星土卫二存在内体海洋等。这些任务的目标都是寻找早期可能存在的生命迹象。

左：双探测器-勇气号/机遇号火星巡视器；2004 右：凤凰号火星探测器，2008

左：好奇号火星巡视器，2012 右：毅力号火星巡视器，2021

   在过去的20年里，中国的月球和火星探测也取得了重大进展。例如，嫦娥1号到5号的任务取得了重要的结果；火星探测方面实现了首次在火星背面着陆，以及祝融号火星车的成功。同时，天问一号任务也取得了重大的技术和科学探索成果。

2021年5月15日7时18分，我国首次火星任务，2022年5月5日， “祝融号”火星车顺利着陆火星，在火星表面工作347个火星日，累计行驶1921米

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