空間天文研究方向

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

“兩暗”是指暗物質和暗能量。最新的天體物理觀測證據表明，我們在宇宙中能夠觀測到的普通物質總量（包括質子、中子等，泛稱為“重子物質”）只占總量的5%左右。宇宙里還存在著大量的、看不見的物質，和重子物質只通過引力發生相互作用的“暗物質”。這些暗物質占宇宙總量的27%左右。我們只能通過一些間接方式了解到暗物質的存在，比如對星系外圍天體繞星系中心旋轉速度的測量，以及對宇宙微波背景的測量等。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。通過對超新星的觀測和分析，Saul Perlmutter，Adam Riess和Brian Schmidt等人發現宇宙在加速膨脹，間接證實暗能量的存在，并因此獲得2011年的諾貝爾物理學獎。然而，對于暗物質和暗能量的本質，我們迄今為止所知甚少。

“一黑”是指黑洞。黑洞是天文學里最吸引人、也最令人困惑的現象之一。目前天體物理觀測中發現的黑洞大概分為兩類。一類是恒星級的黑洞，其質量大約為太陽質量的數倍到幾十倍之間。這類黑洞是大質量恒星在演化的晚期爆發并塌縮的結果。另一類黑洞則存在于星系的中心，其質量為太陽質量的數百萬倍到千萬倍，稱為“超大質量黑洞”。超大質量黑洞的成因和起源目前還是一個謎。黑洞研究里存在著大量的未解之謎。除了上述的超大質量黑洞的成因，還有比如是否存在中等質量的黑洞（介于恒星級和超大質量黑洞之間），超大質量黑洞是如何和星系一起成長和演化的，黑洞的視界內究竟是怎么回事（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。

自從美國天文學家哈勃在上個世紀初發現星系在高速地遠離我們后，物理學家咖莫夫等人在上個世紀中葉提出了宇宙起源于一次大爆炸，并預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，居然被美國貝爾實驗室的兩位科學家偶然之間探測到。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所證實。

目前的主流理論認為，宇宙誕生于約137億年以前的一次大爆炸，在大爆炸后宇宙經歷了一個快速暴漲的過程。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，質子、中子等物質開始形成。在宇宙誕生約5億年后，由于受引力左右，物質開始收縮、塌縮，形成第一代恒星、星系等結構。恒星、星系的形成在宇宙誕生30億年后達到高峰，并開始慢慢停止。殘留在星系和星系之間的物質，即所謂的星系際介質（intergalactic medium，或IGM），構成了一個網狀結構，稱為“宇宙網”結構。

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，在地球文明發展以來一直處于幻想階段。然而，隨著天文技術高速發展，在上世紀90年代，瑞士天文學家Michel Mayor和他的同事首次探測到太陽系外圍繞著一個主序星飛馬座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，人類一共發現了約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）。宜居住區是指在一顆恒星周圍行星上可以有大氣和液態水存在的區域，通常我們認為位于這個區域的行星最有可能有生命出現。而尋找系外生命在其大氣層上留下的所謂的“bio-marker”（生物標志物）是目前國際上正在建造的下一代大型望遠鏡最主要的科學目標之一。