日新月异的我国天文学 ONSET 太阳塔 方 成 天文与空间科学学院
为什么要研究天文学? 从古至今, 天文学都是人类文明中不可或缺的重要学科, 因为它与我们人类息息相关 各种天体和广袤的宇宙是理想的实验室 天文学和其他学科互相渗透 互相促进, 成为整个自然科学中不可缺少的重要学科 天文学研究中发展起来的天文技术 方法和新概念对技术进步有着巨大的推动作用 空间环境的保护和利用与人类生存和社会发展密切相关 太阳活动的剧烈变化 ( 俗称太阳风暴 ) 卫星的监测 空间碎片的研究, 以及时间服务系统可为国家安全提供保障 一个人对现代天文学的伟大成就一无所知, 他就不能算是一个受过良好教育的人
宇宙大千世界 蟹状星云 银河系 猫眼星云 土星 太阳
宇宙的起源和演化 认识自然界之必需 恒星的诞生 恒星的死亡 蓝星为老年 - 白区为诞生区 三叶星云 参见 10000 个科学难题, 天文卷, 2010 年, 科学出版社
宇宙的起源和演化 宇宙有多大? 星系和宇宙的起源 宇宙大爆炸 :>138 亿光年
宇宙在膨胀 2011 年的诺贝尔物理奖授予了三位在发现宇宙加速膨胀的研究中做出杰出贡献的学者 :Perlmutter, Schmidt 和 Riess. 蟹状星云 ( 天关客星超新星遗迹 ) 红移 Z Ia 超新星 ( 没有氢 氦吸收线 ) 哈勃图 宇宙成份 : 普通物质 暗物质 暗能量
极端物理条件下的物理学 发展物理学之必需 超真空 星际云密度 :10-30 克 / 立方厘米 超密度 中子星内部 :10 8 吨 / 立方厘米 超高温 大质量星坍缩 : 10 11 K 超高能 宇宙线粒子 :10 21 ev γ 暴 : 几百个太阳一生的能量
地外文明的探索 探索宇宙生命之必需 太阳系内还有其他生命吗? 北极有水层 火星探测 : 火星上的云 好奇号火星车 2012 年 8 月 6 日登陆 有渗水流过的痕迹
木星卫星 木卫一 木卫二和木卫四可能有水 生命? 木卫一上的火山喷发 木 伽里略卫星 木卫二上的冰壳及裂缝
木星卫星 : 木卫二 约 100 米厚的雪
月球上的水 (?) LCROSS-2009-6-18 发射,10 月撞击月球南极区 两极可能有水冰, 几千万到三亿吨
太阳系的研究 登陆行星甚至小行星 彗星的卫星计划已经实现 鞋匠 登陆 爱神星 (2001 年 2 月 12 日 ) 新视野 探测冥王星 (2015 年 7 月 14 日 ) 地外生命搜索
Rosetta 卫星 Rhilae 登陆彗星 (2014.11.12) Rosetta 卫星 2004 年由欧空局发射 彗星 丘留莫夫 - 格拉西緬科 (67P/Churyumov- Gerasimenko), 宽约 4 千米 移动速度超过 6.4 万千米 / 小时
新视野 探测冥王星 (2015 年 7 月 14 日 )
朱诺 探测木星 2011 年 8 月发射, 2016 年 7 月 4 日到达木星并减速进入环木星轨道
太阳系外行星系统的发现 1995 年 10 月 6 日, 日内瓦大学的米歇尔 麦耶 (Michel Mayor) 及戴狄尔 魁若兹 (Didier Queloz) 宣布首次发现一颗普通主序星 ( 飞马座 51) 的行星 精确测量位移发现系外行星 宜居行星 迄今已发现系外行星数目 3000 余颗, 其中至少有 10 颗宜居行星 开普勒望远镜 (2009 年 3 月 6 日发射 ) 就发现了 2300 颗
太阳活动对人类的影响 保护地球人类之必需 日冕物质抛射和太阳耀斑
太阳耀斑 1859 首次观测到 总能量 10 29 ~10 32 尔格 ( 相当于 1 ~ 10 万次火山爆发或百万氫弹爆炸 ); 辐射出无线电 红外 可见光 紫外 X 射线和伽玛射线的电磁波 ; 抛射出大量高能粒子 (10 3 ~10 11 ev); 持续时间为几分钟至几小时 ; 太阳活动极大年时每年发生大耀斑约 20 个, 中等耀斑约 200 个
丰富多彩的太阳活动 太阳耀斑
日冕物质抛射 1971 年 OSO-7 首次观测到, 至今已观测到上万个 一次抛射 10 14 ~10 16 克 (0.1 ~10 万亿吨 ) 的物质 ; 速度 200 ~2000 公里 / 秒 ; 每天 0.3 ( 太阳活动极小年 ) ~6 个 ( 太阳活动极大年 ); 总能量 10 30 ~10 32 尔格
丰富多彩的太阳活动 : 日冕物质抛射
太阳风暴轰击地球 (STEREO 2010.2.1) 日冕物质抛射 (CME)
太阳活动对人类的影响
太阳风暴的严重影响 近 20 年来, 每年都会有 1-2 颗卫星由灾害性空间天气造 成部分功能失效或完全失效 ; 据统计,40% 的航天故障 ( 轨道 姿态 击穿电路 扰 乱指令等 ) 与日地空间环境中的灾变有关 可能影响地球平均气温的变化 臭氧含量变化以及人类健康和心血管疾病等 空间天气事件对航天器在轨安全和可靠运行的影响日益 突出
快速发展的中国经济 我国天文研究近些年内 得到了很大的进展 鸟巢, 北京南京上海浦东
国内生产总值 (GDP) 显著增加 单位 = 1 万亿人民币 70 60 50 40 30 20 10 0 每年平均增长率 > 8%
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 国家自然科学基金委 (NSFC) 的投入 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 2005 2014, 单位 = 百万人民币 10 年增加了 10 倍!
基金委对天文的经费投入显著增加 2005 2014, 单位 = 万元 10 年增加约 6.5 倍!
全国主要天文机构的分布 新疆台 陕西授时中心 国家天文台北京大学北京师范大学空间中心国科大 山东大学威海分校 上海天文台上海交大 云台 云南大学 4 个天文台 10 所高校 中山大学 紫台南大天文系天光所 科大 厦大
天文队伍状况 10 校 : 南大 科大 北大 北师大 厦大 交大 山东大学 云大 中山大学 国科大 四台 : 国家天文台 ( 包括云台 新疆台 长春人卫站 南京天文光学技术研究所 ) 紫台 上海台 授时中心 ( 陕台 ) 我国天文研究队伍 : 2000 多名固定职位人员 400 多位研究员和教授, 为 10 年前的两倍 研究生约 1200 人, 其中博士生约 600 人. 天文研究经费比 10 年前增加一个量级
2.4 m 现有的天体物理主要观测设备 太阳射电频谱仪 太阳矢量磁象仪 2.16 m 1.2 m 13.7 m 射电望远镜 60cm 太阳塔 1.56 m
25 m VLBI 网 50 m 2460 25 m 3249 1114 40 m 2476 2158 1920
郭守敬望远镜 ( 大天区面积多目标光纤光谱望远镜 ) (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) LAMOST 大口径 (4 米 ) MA: 5.72 4.4m, MB: 6.67 6.05m 大视场 (5 度 ) 4000 根光纤 主动光学 http://www.lamost.org
主 副镜装置 MA 24 块 MB 37 块
主动光学和光纤 主动光学控制系统 4000 根光纤, 130 公里
已取得许多成果 到 2015/6, 已取得 569 万光谱, 超过世界上已有的恒星光谱总数 ; 发现了 2000 多颗类星体和 3,000 多颗白矮星. 一颗白矮星的光谱 新发现的类星体 ( 蓝色和橙色点 )
65m 全可动射电望远镜 距上海市区 40 km, 上海天文台 2016 年全面完成 通用型 ( 射电天文, 天文地球动力学, 单天线, VLBI )
射电日像仪 频率范围 : ~0.4 15 GHz ( :~75 2 cm) 频率分辨 : 64 or 128 chan (0.4-2 GHz) 32 or 64 chan (2-15 GHz) 空间分辨率 : 1.3 50 时间分辨率 : ~<100 ms (0.4-15 GHz) 动态范围 : 30db (snapshot) 天 线 : 40 4.5m + 60x2m 最长基线 : 3 km 视 场 : 0.5 7 位置 : 内蒙古正镶白旗 CSR H-I 40-antenna Array 天线阵 CSR H-II 60-antenna Array
30 ms 积分时间的初步结果 SDO EUV 171A image HMI/SDO 磁图 CSRH-I 1.7GHz 宁静太阳像 12 May 2014 2016 年全面完成 CSRH 可同时获得高空间 时间 和频谱分辨率的太阳射电像. 它将 开辟观测研究太阳活动的新窗口
太阳爆发事件的成像观测 MUSER,1.7125 GHz HMI/SDO 2014-12-17 M8.7 耀斑 射电爆发源与耀斑爆发区位置吻合 Radio Burst NoRH, 17 GHz M8.7 flare AIA/SDO, 304Å M8.7 flare M8.7 flare
1 米光学 / 红外太阳塔 抚仙湖南方基地 离昆明 70 千米 高度 : 1722 米 2011 年建成
高分辨率太阳米粒和黑子电影 The high resolution movie of AR11554 (TiO,706nm)
光学和近红外太阳爆发探测望远镜 Optical and Near-infrared Solar Eruption Tracer (ONSET) 花瓣式圆顶 ONSET 圆顶和望远镜 三个真空镜筒 H 6563 He I 10830 White light (NJU)
ONSET 观测结果 Hα 6563 Å 太阳像
ONSET 观测结果 Hα 全日面太阳像 4250 埃太阳白光像
ONSET 观测结果 我国第一张 HeI 10830 太阳像
嫦娥计划 ( 月球探测 ) 2007 年 10 月 24 日发射 Orbit transfer
嫦娥 2 号 : 高分辨率成像 全月面像 分辨率 : 7m (2010.10)
嫦娥 3 号 2013 年 12 月 2 日发射 着陆器拍摄玉兔号 2017 年将发射嫦娥 5 号, 将返回地球 2018 年发射嫦娥 4 号 玉兔号拍摄着陆器
悟空 (DArk Matter Particle Explorer ) 悟空具有世界上探测电子和伽玛射线的最高能量分辨率 最宽的能谱和最低的本底, 目的是寻找宇宙线电子流量 鼓包 的原因 我国第一颗天文卫星!
悟空 (DAMPE) 参数 轨道 :500 km 质量 :1950 kg 功耗 :900 W 数据率 :16 GB/ 天 寿命 :> 3 年 发射 :2015 年 12 月 17 日 8 时 12 分
一些新的研究成果 宇宙大尺度结构的数值模拟 银河系磁场测量 精确测定银河系内的距离 扇形结构中的磁流浮现触发微耀斑
暗物质晕的结构和演化 (Jing et al., 2004; 2007, Li et al., 2008) Dark matter distribution 景益鹏和合作者进行了一系列宇宙中各种结构的 10 9 粒子的数值模拟得到许多重要的结果 他们提出了一个模型可准 确给出任何冷暗物质晕的三 轴密度分布 Dark matter halos
宇宙大尺度结构的数值模拟 恒星 暗物质
利用脉冲星偏振的观测测量银河系磁场 (Han et al., 2004; 2007; 2009) 韩金林组利用脉冲星的偏振测量, 得到了银河系磁场和旋臂结构的特性
精确测定银河系内的距离 (Xu et al., Science, 2005; 2009; Zhang et al., 2008; 2009) 三角视差测量 河外星系 甲醇脉泽源
研究银河系结构 定位精度 ~0.05 mas 脉泽源 W3OH 的距离 D = 1.95 +/- 0.04 kpc (100 x better than Hipparcos!) 测速精度 : < 1 km/s 1pc=3.26 光年 =206265a.u.
扇形结构喷流的三维数值模拟 (Jiang et al., 2011a, 2011b) Fan-shaped jet Ordinary jet Movie
正在研制的设备 500 米口径球面射电望远镜 (FAST) 硬 X 射线调制望远镜 (HXMT)
500 米口径球面射电望远镜 (FAST) 总体结构 原 址 建设中 利用特别的喀斯特地形 采用主动控制反射镜 采用遥控支撑系统
主要技术参数 地点 : 贵州省 球面镜 :D~500m 天空覆盖 : 天顶角 50 工作频率 (GHz): 未来的贵州天文台 0.3-0.46, 0.46-0.92, 0.92-1.72, 2.15-2.35, 2.8-3.3, 4.5-5.1, 5.7-6.7, 8.0-8.8 跟踪精度 :4 投资 :12 亿
硬 X 射线调制望远镜 (HXMT) HXMT 的主要优势和关键科学问题 最高灵敏度的硬 X 射线源巡天 获得全天高精度的硬 X 射线源图 发现隐藏的大质量黑洞 发现新的高能天体 高能天体的高精度观测 黑洞及其附近的动力学和辐射 中子星及其表面特性 AGN, SNR, 激波及相对论性喷流
HXMT 的卫星平台和载荷 Payloads Cabin HE: NaI/CsI 5000 cm 2 LE:SCD, 384 cm 2 ME:Si-PIN,952 cm 2 Platform Cabin 发射时间 : 2016 大小 :1900 1600 1000 mm
已提出的大项目 南极天文台 :2.5 米光学 / 红外望远镜, 5 米太赫兹射电望远镜等 12 米级光学 / 红外望远镜 (LOT) 我国空间站 2m 巡天望远镜 110 米射电望远镜 X 射线时变和偏振卫星 (XTP) 空间太阳天文台 (ASO-S) SKA ( 国际合作 )
南极冰穹 A (Dome A ) (4093m, -83 C) 可能是地球上最好的天文观测地, 尤其是在太赫兹和红外波段 近地扰动层厚度小 天空干净, 风速小 很好的透明度 (150 to 800 m) US South Pole China Dome A 中国南极考察队于 2005 年 1 月到 达冰穹 A, 中国天文学家接着就去了, 开始建设若干小型天文仪器 Europe Concord
南极天文台预研 4 X 14.5cm 望远镜 PLATO
我校参加建设的 AST3 望远镜 (2014 年 12 月 )
冰穹 A 天文台发展路线图 2015-2020 I 期工程 2.5m Opt/NIR KDUST 5m THz DATE5 2020- II 期工程 6-8m Opt/NIR 15m THz
大型光学 / 红外望远镜 (LOT) 口径 12 米, 是具有大视场巡天和精测功能的地基大型通用光学天文观测设备, 建成后是世界上口径最大的望远镜 ; 核心科学目标 :(1) 暗能量的本质 (2) 太阳系外类地行星探测 (3) 超大质量黑洞研究 ; 美国夏威夷 Mauna Kea 西班牙 Canarias 智利 Paranal 美国 日本 欧洲在夏威夷 西班牙和智利已经有 14 架 8-10 米望远镜 计划中的 30 米级口径望远镜 TMT GMT 和欧洲 E-ELT 拟于 2030 年左右建成!
LOT 结构 总高约 :31 米转台直径 :22 米耐氏平台 : 8 米 10 米总重 :~600 吨总预算 14.78 亿元 配备 : 成像光谱仪多目标光纤光谱仪高分辨率光谱仪系外行星成像仪等等 立项后争取 5 年建成
台 址 多年天文选址监测和气象数据分析表明, 西藏阿里是中国天文观测的 最佳台址 ; 阿里天文台址已经有一批小型望远镜在现场运行
先进天基太阳天文台 (ASO-S) ASO-S 的科学目标为 一磁二暴, 一磁 即太阳磁场, 二暴 即指太阳上两类最剧烈的爆发现象 耀斑和日冕物质抛射 ASO-S 将首次实现在一颗卫星上同时观测太阳全日面矢量磁场 太阳耀斑高能辐射成像和日冕物质抛射的近日面传播, 研究太阳磁场 太阳耀斑和日冕物质抛射三者之间的关系, 揭示太阳磁场演变导致太阳耀斑爆发和日冕物质抛射的物理机制, 为空间天气预报提供理论基础 ASO- S 将包含三个主要载荷 : 全日面太阳矢量磁像仪 ; 太阳硬 X 射线成像仪 ; 莱曼阿尔法太阳望远镜 ASO-S 已列入中科院 空间科学背景型号项目 ( 第二批 ) 及基金委重大基础研究设备计划 (2015-2019)
ASO-S 载荷 HXI FMG LST
XTP 等卫星计划 伽玛射线监视器 光学望远镜 硬 X 射线相机 软 X 射线望远镜 星敏感器 Xs Zs Ys VHF 天线 X 波段数传天线 载荷舱 S 波段天线 卫星平台 X 射线时变和偏振望远镜 XTP 的卫星示意图 中法合作多波段高能天文卫星 SVOM 示意图
SKA 计划 1 平方公里射电阵是国际合作的重大项目, 将开 启射电天文的新纪元! 将建于澳大利亚和南非 2012 年 9 月, 我国政府批准参加 SKA 的第一期建设工 程, 并成立了中国 SKA 部际协调小组和顾问委员会
小 结 近年来, 我国天文学从设备研制到研究工作都取得了显著的成果, 具有广阔而美好的未来! 但与国际上先进国家相比仍存在很大的差距, 特别是, 至今仅有一颗中国的天文卫星 ; 期望你们努力 再努力, 为我国科技事业 ( 包括天文学 ) 的腾飞献出你们的青春和热忱!
未来是属于你们的! 热烈欢迎你们加盟 南京大学天文与空间科学学院 谢谢!