回顧了2022年天文學領域重要科學研究進展和重要科技事件，在科學研究進展方面，2022年對黑洞的探索向前邁出了重要的一步；詹姆斯·韋布空間望遠鏡終於到達了目的地，產生了第一批可觀的成果；美國航天局（NASA）的小行星撞擊試驗取得了巨大成功；來自中國天眼（FAST）和郭守敬望遠鏡（LAMOST）的研究成果依舊保持高水平產出；嫦娥五號帶回的月球土壤分析帶來連連驚喜；在全新的空間觀測設備方面，2022年成功發射了多台空間觀測儀器，實現了重大突破。
天文學是一門傳統的基礎科學，自人類文明出現伊始，天文學就有舉足輕重的地位。隨著人類社會的發展，天文學的研究對象從太陽系逐漸發展到了整個宇宙。回顧2022年，天文學依舊蓬勃發展，觀測與理論齊頭並進，在各自領域都取得了重大突破。在科學研究方面，天文學家勤奮耕耘，碩果纍纍：事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）拍攝銀河系中心黑洞的照片，使人類探索黑洞之路又向前邁進一大步；等待數十載，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）不負眾望地頻頻產出觀測成果，不斷為天文學帶來新的挑戰和機遇；美國航天局（NASA）進行雙小行星重定向測試（Double Asteroid Redirection Test，DART），第一次為抵禦小行星墜落提出了有效的防禦手段，實驗結果振奮人心；中國探測到迄今為止最亮的伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，GRB），為該領域增加稀有數據，促進理論研究；嫦娥五號月壤樣品分析結果帶來許多驚喜，為月球研究指引全新方向；500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）在快速射電暴（fast radio burst，FRB）領域依舊大放異彩，取得矚目成績，同時還發現了歷史上最大的原子氣體系統；郭守敬望遠鏡（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope，LAMOST）重新構建銀河系形成歷史。在新的空間觀測設備方面：對於我們近鄰月球的探索仍舊是熱點，「阿爾忒彌斯登月計劃」終於實施，人類即將再摘月宮桂枝；蓋亞（Gaia）釋放第3次數據，更新銀河系恆星的基本信息，為描繪銀河系藍圖再添磚瓦；愛因斯坦探針（Einstein in Probe，EP）探路者實驗的成功，預示了中國將在X射線天文學領域大顯身手，更加緊密推動國際合作；「夸父一號」成功「逐日」，拍下首張從地球視角觀測到的太陽在硬X射線波段的圖像。本文從科學研究和天文設備兩個方面，對2022年天文學發展的重要科學進展和重大事件進行回顧。
01科學研究
銀河系中心黑洞成像
北京時間2022年5月12日21時，事件視界望遠鏡（EHT）發布了銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*（Sgr A*）的圖片（圖1），這個黑洞的質量為太陽質量的400萬倍，距離地球2.67萬光年。
回顧3年前，也就是北京時間2019年4月10日21時（美國東部時間2019年4月10日上午9時），EHT發布了人類歷史上的第一張黑洞照片，照片的主角是位於室女座的超大質量黑洞M87*，其質量約為65億倍的太陽質量，距離地球5500萬光年。從這些圖片中可以直觀地看到黑洞周圍的真實形態，這是人類歷史上的一個重要里程碑。兩個黑洞的質量相差了約1500倍，通過對它們進行比較研究，可以幫助科學家更好地理解氣體在超大質量黑洞周圍的行為、星系的形成和演化以及引力理論等多個方面。
黑洞是廣義相對論的基本預測，在天體物理學中很常見，並且存在於廣泛的質量範圍內。對於恆星級質量黑洞的研究，一般是通過研究吸積盤的X射線光譜性質，從而對黑洞的基本物理參數如質量、自旋等給出限制。除此以外還可以通過引力波信號進行研究。另一類黑洞為超大質量黑洞，質量分布在數百萬到數百億個太陽質量之間，被認為存在於幾乎所有星系的中心，包括橢圓星系M87的核心和銀河系中心。隨著事件視界望遠鏡的建立，EHT通過利用甚長基線干涉測量技術（very-long-baseline interferometry，VLBI），並與世界各地的8個射電天文台進行聯合觀測，組成地球大小的等效口徑的望遠鏡，其觀測區域的解析度直徑達到了40μas，這使得直接對超大質量黑洞進行成像成為了可能。在所有已知的超大質量黑洞中，M87*和Sgr A*具有最大的角直徑，這使得它們成為EHT觀測的主要目標。
雖然Sgr A*離我們更近，相比對M87*的觀測，這一次的拍攝反而更加困難。首先因為銀河系中心方向存在著大量的星際介質，遮蔽的影響使數據處理更加複雜。此外，處於黑洞附近的氣體以接近光速的速度，圍繞黑洞進行圓周運動。由於M87*和Sgr A*兩者間存在質量差異，它們的時變尺度也存在類似差異。黑洞M87*附近的氣體需要數十天才能完成一次繞轉，而對於黑洞Sgr A*，氣體繞轉黑洞1周只需要幾分鐘，如此快速的繞轉速度導致Sgr A*的圖像在一定時間內有著更加豐富的變化。科學家通過提取多次觀測的平均值，最終得到了這張異常珍貴的照片。總的來說，對黑洞直接成像是研究黑洞的新方法，此次的照片發布進一步認定了銀河系中心存在一個超大質量黑洞。同時，通過黑洞的成像研究，還可以對引力理論起到測試作用，為吸積理論、噴流機制提供更多的研究材料。
跟隨詹姆斯·韋布空間望遠鏡回顧宇宙歷史
在北京時間2021年12月25日20：20（美國東部時間2021年12月25日7：20），作為新一代大型空間觀測設備的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（以下簡稱韋布望遠鏡）由阿麗亞娜5號火箭從位於南美洲法屬蓋亞那的歐洲太空港發射升空，並於北京時間2022年1月25日凌晨3時（美國東部時間2022年1月24日14：00）成功抵達目的地，也就是距離地球約150萬km的日地系統拉格朗日L2點。
韋布望遠鏡是美國航天局、歐洲航天局和加拿大航天局聯合研發的項目。韋布望遠鏡經過漫長的調試實驗，於2022年6月開始進行科學觀測。它擁有6.5m寬的拼接主鏡（直徑比哈勃望遠鏡大2.7倍左右），更大的鏡片使它擁有更強的收集光的能力。而且其波長的覆蓋範圍更廣，這使得它的靈敏度也大大提高。與此同時，考慮到宇宙的紅移效應，韋布望遠鏡的紅外波段可以使我們看到宇宙更遙遠更早期的情況。所以，韋布望遠鏡的科學目標是試圖觀測到宇宙早期形成的第一批星系和星系的形成，以及恆星和行星系統的塵埃雲內部，以此研究宇宙更深處的奧秘。
圍繞這些科學目標，NASA於北京時間2022年7月12日22：30（美國時間2022年7月12日10：30）公開發布了包括韋布深場的第一批圖像，而美國總統拜登選擇提前一天展示韋布望遠鏡拍下的第一張紅外深場圖像（圖2）。
這張深場照片顯示了46億年前出現的遙遠星系團SMACS 0723，這是有史以來最清晰的遙遠星系的圖片，這張圖片包含了諸多細節，有數千個星系以及一些僅僅發出微弱亮光的天體，據NASA消息，這只用瞭望遠鏡4個儀器中的1個，僅花費了12.5h的觀察時間。相比較而言，哈勃望遠鏡拍下第一張深場照片花費了10d。在7月12日發布會當日，韋布團隊發布了韋布空間望遠鏡拍攝的首批全彩色照片與光譜，包括韋布深場在內的4張宇宙圖片與1顆系外行星的光譜數據。這4張宇宙圖片分別是：韋布深場圖、船底座星雲、南環行星狀星雲和史蒂芬五重星系。船底座星雲作為天空中最亮最大的星雲之一，是哈勃望遠鏡拍下的一個經典天體，而作為哈勃望遠鏡的繼任者，韋布望遠鏡以全新的視角帶來不同版本的星雲圖片，在星雲內部誕生的恆星受到塵埃遮擋，在光學窗口幾乎不可見。但是在韋布望遠鏡的近紅外波段，這些恆星會在圖片中變成一顆顆亮點。同樣地，發布的南環星雲圖片也是首次在塵埃遮蔽下發現了中心恆星擁有一顆伴星。關於星雲塵埃和氣體內部恆星形成的奧秘，韋布望遠鏡有能力帶領人類看清這一切。另外一張彩色圖像史蒂芬五重星系群由近紅外和中紅外圖像合成，它是一個緻密星系群。星系合併與相互作用是星系演化研究中重要的一環，韋布望遠鏡可以提供絕佳的觀測資料。與此同時，發布會還展示了一顆編號為WASP-96b系外行星的大氣光譜分析圖。這是一顆圍繞在類太陽恆星周圍的氣態巨行星，當其從主星面前穿過時被韋布望遠鏡拍攝到。基於這一大氣光譜，研究人員可以獲得該行星的大氣成分和雲霧變化等信息，未來也許還可以獲得更多新的系外行星的細節信息，並且以此推測是否存在系外生命。這5張照片向世人宣告了韋布望遠鏡強大的觀測能力，交出了實現其科學目標的第一份完美答卷。
韋布望遠鏡帶來了良好的開端，拓展了看向宇宙深處的視野，也將帶領人們回望過去，見證星系的形成和演化，它現在已成為天文學研究中最受關注的觀測工具。未來，韋布望遠鏡有足夠的推進劑可以繼續進行10年以上的觀測和科學研究。路漫漫其修遠兮，韋布望遠鏡獲得的第一批圖像為人類揭開了宇宙新的帷幕，但這只是開始。無論是剛上任的韋布望遠鏡還是即將發射的其他空間望遠鏡，都會讓我們看到一個全新的宇宙，帶領我們走近天文學的終極目標——探索系外生命，追溯宇宙歷史。
月壤研究新發現
20世紀70年代，美國曾送給中國1g月球樣品，中國科學家利用其中的0.5g樣品開展了深入研究，並發表了多篇科研論文。2020年底，嫦娥五號圓滿完成任務，從年輕的月海玄武岩單元帶回共計1731g異常珍貴的月球樣品，這標誌著中國首次完成地外採樣任務的巨大成功。近1kg的月壤根據採樣方式和樣品使用的特點，被分類保存在中國科學院國家天文台月球樣品實驗室的不同存儲裝置中。科學家對月球樣品開展了廣泛而詳細的科學研究工作，從探測月壤物理化學組成和礦物成分這類基本特徵，再到實驗室光譜測量。這些研究不僅可以幫助科學家更加了解月球的信息，還可以為未來中國在月球建設基地和望遠鏡的長遠計劃提供重要的參考。
利用嫦娥五號取得的月球樣品，中國科學院國家天文台的研究團隊進行了地球磁層屏蔽和相對高溫環境下對月球水的原位光譜觀測。結果顯示，嫦娥五號著陸點的月球土壤的羥基平均含量約為十萬分之三，這與遙感和地面望遠鏡數據的預測一致。對嫦娥五號帶回樣品的實驗室分析也為這些羥基含量的可能來源提供了關鍵線索。此外，嫦娥五號月壤中凝固的火山玻璃含量要比阿波羅計劃帶回的樣品中少得多，表明太陽風植入的貢獻很小。這為研究月球水的分布範圍、時間變化特徵和來源提供了新的論述。相關研究成果於2022年6月發表在《Nature Communications》。
中國國家航天局、國家原子能機構於北京時間2022年9月9日聯合宣布，中國科學家首次在月球上發現新礦物，它被命名為「嫦娥石」。這代表中國成為世界第3個在月球發現新礦物的國家。研究團隊歷時2個多月，經過一次又一次地失敗又重來，終於提取出了這一新礦物，通過反覆的實驗確認最終確定了全新礦物並且將其命名為「嫦娥石」。這一名字寄託著中國航天探測精神，也表明了中國為月球探索提供的助力。
月海的西面覆蓋著晚期馬式玄武岩，由於缺少樣品分析，以前根據遙感觀測推測晚期玄武岩的礦物具有高含量的橄欖石。2022年10月，中國科學院國家天文台的研究團隊，將嫦娥五號獲得的月球樣品分析結果和以往獲取的月球樣品的實驗室光譜、X射線衍射和電子探針分析結果進行對比，證明嫦娥五號採樣月壤的特殊光譜特徵主要是來自於富鐵高鈣輝石，而非此前遙感探測推測的橄欖石。這一結果可以推廣致整個月球晚期的玄武岩，為月球的熱演化和火山活動提供了相關的約束，相關研究成果發表於《Nature Communications》。
2022年11月，中國科學院地球化學研究所的研究團隊針對嫦娥五號採樣的月壤粉末中的硫化物顆粒開展了深入細緻的原位微區分析，首次證實了月壤中撞擊形成的亞微米級磁鐵礦的存在。相關研究成果發表在《Nature Communications》。這一發現首次將撞擊事件與鐵磁性礦物質聯繫起來解釋月球上原生磁鐵礦廣泛存在的現象。此外，這一發現也為月球表面磁場的相關問題提供了新的實驗驗證和理論支持。
嫦娥五號帶回的月壤樣品帶來了豐富的研究成果，期待未來全新的發現，能更深入地了解到我們這一鄰居衛星。
FAST成果頻傳
500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）作為世界上口徑最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，在2022年依然保持了高質量、高產出。FAST在觀測快速射電暴這一領域依舊處於國際領先地位，並且於2022年發現了此前未發現的持續活躍的重複快速射電暴。
北京時間2022年6月9日，《Natrue》發表的一篇文章，確認了由FAST的「多科學目標同時巡天（CRAFTS）」項目發現的快速射電暴（FRB）20190520B宿主星系的色散值比其他FRBs宿主星系的色散值要高1個數量級。後續對該事件還進行了與多台國際設備聯合的空間地面觀測，覆蓋了射電到高能多個波段的觀測，成功找到了它的持續射電對應體（persistent radio source，PRS），這是歷史上第2個被確認擁有持續對應體的FRBs。FAST為理解FRBs的物理機制提供了完善的觀測手段，並且極大地推進了對宇宙中這一奇妙現象的研究。
此外，對於另外一個特殊的射電暴FRB 20201124A，這是一個非常活躍的重複暴，中國天眼FAST快速射電暴優先和重大項目科學研究團隊利用FAST對其進行了長時間的深度觀測，發現了重複FRBs的3個以前從未見過的特徵。根據這一迄今為止發現的最大的FRBs偏振觀測樣本，科學家首次探測到距離快速射電暴中心僅1個天文單位（1AU）的周圍環境的磁場變化。他們提出了一個新的Be星的衰減盤物理模型來解釋這些現象，在研究快速射電暴中心能源機制這一方向邁出了重要的一步。該成果於北京時間2022年9月21日正式發表在《Natrue》雜誌。目前，中國天眼FAST快速射電暴優先和重大項目科研團隊已有近百人在緊密合作，期待找到決定快速射電暴中心物理過程和能源機制的直接觀測證據，引導國際多波段聯合觀測，早日揭示快速射電暴的物理起源。
FAST極高的探測靈敏度使它能夠探測到遠離星系中心極其稀薄的彌散原子氣體所發出的暗弱輻射，這為研究宇宙中的天體起源提供了一個全新的機會。FAST對宇宙中著名的緻密星系群「史蒂芬五重星系」（Stephan's Quintet，圖3）及其周圍天區的氫原子氣體進行了觀測，發現了1個尺度約為200萬光年，比銀河系大20倍的巨大原子氣體系統。如此龐大的原子氣體系統對傳統的星系演化模型提出了巨大的挑戰，因為現有的理論無法合理解釋為什麼這些稀薄的原子氣體能夠存在於距離星系如此遙遠的地方，而沒有被宇宙背景的紫外輻射再電離。也許宇宙中還存在著更多類似這一大尺度的低密度的原子氣體結構，未來FAST還會在這一方向持續進行觀測研究。這一成果已於北京時間2022年10月19日發表在《Natrue》。
無論是在發現史上第1例重複活躍快速射電暴，還是探測到史上最大的原子氣體系統，都展現了FAST仍處於當打之年的實力，未來FAST會一如既往，保持其高效的觀測效率和高質量的論文產出，一層層揭開宇宙神秘的面紗。
圖3 「史蒂芬五重星系」周圍天區的原子氣體分布（用紅色光暈顯示；光暈越薄表示中性原子氫氣體的柱密度越低）（圖片來源：NASA/European Space Agency/Canadian Space Agency/Space Telescope Science Institute）
LAMOST重現銀河系形成歷史
郭守敬望遠鏡（LAMOST）自服役十多年來，在大規模光學光譜觀測和大視場天文學研究方面一直居於國際領先的地位，2022年還更新了第8次數據釋放（DR8 v2.0）。作為廣闊銀河系中的一員，我們一直在探尋銀河系的歷史，LAMOST擁有的大規模光譜描繪了銀河系的繪圖，讓我們得以窺探銀河系的全貌，不斷更新對銀河系的認識。
北京時間2022年3月24日，《Natrue》雜誌以封面文章形式發布了德國馬普天文研究所（MPIA）和中國科學院國家天文台合作的一項重大研究成果。基於中國科學院國家天文台運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡和歐洲航天局的天體測量衛星蓋亞望遠鏡的巡天觀測數據，研究人員第一次對大量樣本的亞巨星進行了精確的年齡測定，分析結果指出，恆星年齡和金屬豐度的分布分成了兩個完全不相干的部分，以8Gyr（1Gyr=年）的年齡為界限：較年輕的一組反映了銀河系形成的晚期階段，也就是銀河系的薄盤形成階段，有明顯的恆星徑向軌道遷移的特徵；另一組反映了銀河系形成的早期階段，也就是發生了動力學劇烈湍動過程的厚盤形成階段。這一研究給出了銀河系形成的演化圖景：130億年前，由於大量氣體的坍縮，星系之間相互併合，在劇烈的動力學作用下銀河系厚盤開始形成，這比此前人們預想的要早很多。厚盤形成這一過程持續了50億年，直到氣體耗盡，厚盤的形成停止。隨後，也就是80億年前，在厚盤區域的外圍，慢慢有新恆星形成，逐漸形成銀河系的薄盤，這一過程直到今天仍在繼續。研究給出的銀河系形成的過程顛覆了之前對銀河系形成歷史的認知，重新精細地刻畫出了銀河系演化的歷史圖樣（圖4）。
LAMOST擁有千萬量級的光譜數據，大口徑和大視場的特點使其在光學望遠鏡中成為世界之最。北京時間2022年9月30日，LAMOST更新了第8次數據釋放（DR8 v2.0），LAMOST交替進行了中解析度和低解析度的光譜調查，這是第一次由國家天文數據中心與歐洲航天局的ESASky數據平台聯合發布，而未來更多的天文數據系統都會對LAMOST進行收錄，這將吸引越來越多的科學家使用LAMOST的數據進行研究。DR8數據集包括1660萬條光譜和791萬套恆星光譜參數。LAMOST發布的光譜和恆星參數的總數仍然是世界上最大的。這不僅為探索銀河系形成演化歷史提供了巨大可用的樣本庫，也讓天文學家在此基礎上在恆星的其他研究領域上可以大顯身手。未來越來越多高質量、高精度的儀器項目開始啟動，探索銀河系未解之謎這一美好暢想將迎來最好的時代。
蓋亞的第3次數據釋放
北京時間2022年6月13日，歐洲航天局發布了蓋亞（Gaia）第3套完整的數據。在此之前，蓋亞分別在2016年和2018年發布了2次數據，但相比之下，第3套數據歷經了34個月的觀測，數據量更加驚人。該數據囊括了銀河系中近20億顆恆星的細節，包括化學成分、恆星溫度、顏色、質量、年齡以及恆星的徑向速度，此外還有太陽系天體和河外源的信息等。新的數據還包含了超過80萬個雙星系統的質量和演化，作為銀河系內迄今為止最大的一個雙星星表，這給科學家提供了許多前所未有的信息，對於幫助科學家更好地理解恆星演化至關重要。
第3套數據對星震學、銀河系演化、雙星等許多方面都有促進作用。雖然蓋亞衛星的主要目標並不在此，但令人驚奇的是，蓋亞確實能夠探測到星震現象，即恆星表面的微小運動。此前，蓋亞已經發現許多恆星產生徑向振盪，在保持其球形的同時周期性膨脹和收縮。不僅如此，在新數據中，蓋亞也發現了許多恆星的非徑向振盪，這些數據能夠幫助科學家對恆星的內部運作有更加深入的理解。在銀河系演化方面，通過觀測恆星的金屬豐度情況，可以判斷該恆星的星族，對比周圍的星際介質成分，就可以了解它是在哪兒誕生的。通過其出生地和之後的位置信息，科學家可以揭示銀河系中星體的移動變化、星系的演化過程等。
蓋亞是歐洲航天局於2013年末發射的一顆太空望遠鏡，在拉格朗日L2點運行，旨在繪製銀河系的三維地圖，揭示銀河系的組成、形成和演化（圖5）。
蓋亞的任務目標是對銀河系中約10億顆恆星（約占銀河系恆星總量的1%）提供精確的位置測量，並為其中最亮的1.5億顆提供徑向速度測量。通過其330~1050nm波段的多色測光系統，能夠獲得恆星的大量天體物理信息，這些數據可以幫助科學家定量研究銀河系的早期形成以及隨後的動力學、化學成分和恆星形成演化。此外，蓋亞還將對數千個太陽系外行星系統進行檢測和軌道分類，對太陽系內的小天體進行全面調查，觀測鄰近的星系以及數十萬個遙遠的類星體。它還能提供測試廣義相對論和宇宙學理論的機會，有助於更好地了解宇宙的運行機制。蓋亞太空望遠鏡原本計劃於2019年結束觀測任務，但由於其優秀的性能，歐洲航天局決定將運行延長至2025年。
蓋亞太空望遠鏡的貢獻是巨大的，不僅提供了大量有關銀河系內恆星的信息，還幫助科學家更好地理解恆星演化的規律、為探索銀河系的起源和演化提供了重要的線索。因此，蓋亞太空望遠鏡在天文學界中享有相當的聲望，這些新數據也定會帶來更多的發現。
史上最強伽馬射線暴
北京時間2022年10月9日，爆發了迄今為止最強烈的一次伽馬射線暴（GRB），編號為GRB 221009A（圖6）。
伽馬射線暴是觀測到在短時間內在天空中某一方向伽馬射線迅速增強消退的現象。爆發持續時間一般為幾毫秒到幾千秒，輻射能段在0.1~100MeV。以2s為分界，分類為長暴和短暴。一般認為長暴於大質量恆星坍縮成黑洞的過程中產生，目前這個理論已得到學界的一致認可。短暴則是產生於緻密雙星併合，例如黑洞與中子星併合，同時發射出引力波，2017年的雙中子星併合引力波事件就證實了這一觀點。許多衛星如雨燕γ射線暴探測器（Swift）、全天X射線圖像監視器（MAXI）都觀測到了此次爆發。通過費米衛星（Fermi）在10~1000keV波段的檢測發現，高能爆發事件持續時間為327s，事件能量密度達到了18.2 GeV·，更易探測到許多之前由於太過暗弱而無法看到的細節。
爆發源位於射手座方向，距離地球約24億光年。通過對這次爆發的數據進行分析，科學家認為，這次爆發很可能是由大質量恆星晚期發生坍縮，產生超新星爆炸形成黑洞引發的。如此明亮的GRBs並不常見，可能要幾十年才會出現一次。
與此同時，當天北京時間21∶17，中國的高海拔宇宙線觀測站拉索（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）、高能爆發探索者（High Energy Burst Searcher，HEBS）和慧眼衛星（Hard X-ray Modulation Telescope，Insignt-HXMT）都同時觀測到了這次爆發。這是中國首次對伽馬射線暴的空間與地面多手段聯合觀測，實現了從最高的十幾太電子伏光子（LHAASO）到兆電子伏伽馬射線（HEBS）以及千電子伏X射線（HXMT）的多波段精細測量，跨越了9個量級。得益於中國科學院高能物理研究所近些年在天地一體化觀測能力建設的高速發展，尤其是LHAASO的成功建造和運行，占據了國際領先地位，在此次觀測中，LHAASO從GRB 221009A中檢測到5000餘條超過500 GeV的伽馬射線，其中能量最高的伽馬射線達到18 TeV。這將伽馬射線暴光子最高能量的記錄提升了近20倍，首次打開了10 TeV波段的伽馬射線暴觀測窗口，意義重大。
高海拔宇宙線觀測站是中國重大科技基礎設施建設項目，位於四川省稻城縣海子山，核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質的研究。高能爆發探索者搭載於空間新技術試驗衛星（SY-01）上，主要探測研究伽馬暴、引力波電磁對應體、磁星爆發等天體爆發現象。硬X射線調製望遠鏡衛星「慧眼」是中國第一個空間天文衛星，於2017年6月15日發射成功，主要科學目標包括：搜尋銀盤面上的新的暫現源，監測已知的變源；觀測X射線雙星以研究強引力場或強磁場中的運動和輻射機制；監測研究伽馬射線暴和引力波電磁對應體。
02天文設備
「阿爾忒彌斯1號」月球任務的發射
北京時間2022年11月16日14：47（美國東部時間2022年11月16日凌晨1：47），NASA的重型運載火箭「太空發射系統」（Space Launch System，SLS）攜帶獵戶座飛船（Orion）（圖7），從佛羅里達州甘迺迪航天中心發射升空，執行「阿爾忒彌斯1號（Artemis 1）」任務。飛船用了9天半的時間運行到月球軌道，隨後在距離月球表面7×km的高度，花費6天時間繞月逆向飛行了半圈，最後返回地球，整個任務歷時25天10小時（圖8） 。北京時間2022年12月12日凌晨1∶40（太平洋時間12月11日9：40），獵戶座飛船成功回落在加利福尼亞州以西的太平洋上，圓滿完成了「阿爾忒彌斯1號」無人繞月飛行測試任務。
此次任務的主要目標是測試獵戶座飛船系統在太空環境飛行的穩定性，以確保後續的載人航天任務中飛行機組人員能夠安全地升空與返航。因此本次任務是無人駕駛飛行試驗，通過使用裝有傳感器的人體模型代替傳統飛行中的機組人員記錄振動、加速度等數據。本次項目的負責人邁克·薩拉芬表示，任務的圓滿成功表明飛船可以承受從月球重返地球時需要面對的極端條件。
2017年10月，NASA正式宣布將實施阿爾忒彌斯計劃（Artemis program），其目標是再次將美國航天員送上月球，並於月球表面建立永久基地，為後續登陸火星以及開展更深層次的深空探測任務奠定基礎。上一次登陸月球，得益於美國在1961年到1972年期間相繼開展的一系列載人登月飛行任務，也稱阿波羅計劃（Apollo program），先後共有12名太空人登上月球，在此之後的50年，人類對月球就再無實地造訪。此次任務代號為阿爾忒彌斯，也是為了與當年的阿波羅計劃相呼應。在古希臘神話中，阿爾忒彌斯是阿波羅的雙胞胎姐姐，也是一位與月亮有關的女神。
阿爾忒彌斯登月計劃共分為3部分，此次任務為第一部分，起到測試作用。阿爾忒彌斯2號任務為載人航天任務，計劃於2024年進行，屆時飛船將載有4名船員完成繞月飛行。第3次任務的目標為正式登月，預計於2026年執行，這是自1972年阿波羅17號任務之後，再次將太空人送上月球，整個任務的耗資預計高達930億美元。總的來說，阿爾忒彌斯計劃是一項重大的太空探索計劃。通過這幾次任務，將會逐步豐富科學家對於新一代太空衣、運載火箭等相關內容的知識，幫助人類進一步探索月球，為人類提供更多機會進行太空探索，為未來對火星的探索做好充足的準備。
「夸父」逐日實現中國太陽天基觀測新突破
夸父逐日的古代神話故事表明了中國人自古以來對於神秘的太陽的征服欲。無論是2018年發射的「帕克號」（Parker Solar Probe，PSP），還是2021年升空的「羲和號」（Chinese Hα Solar Explorer，CHASE），都承載了人們對於探索太陽的渴望。北京時間2022年10月9日7：43，中國綜合性太陽探測衛星先進天基太陽天文台，「夸父一號」（Advanced Space-based Solar Observatory，ASO-S）在酒泉衛星發射中心採用長征二號丁型運載火箭發射升空。昔日的神話今朝成為了現實。「夸父一號」是專門為太陽觀測而提出、完全以科學目標為牽引的空間科學衛星，實現了中國天基太陽探測衛星跨越式的突破。與「帕克號」和「羲和號」不同的是，「夸父一號」是在可見光波段對太陽進行直接觀測。其科學目標可概括為「一磁兩暴」，「一磁」是指太陽的磁場，「兩暴」是指發生在太陽上的兩類最為劇烈的爆發現象——耀斑爆發和日冕物質拋射（CME）。通過研究日冕拋射的起源以及它們之間互相作用的關係，不僅能夠解釋太陽磁場變化導致的爆發現象的內在物理機制，還可以提供空間天氣的預警支持。「夸父一號」還有另外2個突破點，一是第一次在一顆近地衛星平台上，對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像、日冕物質拋射的日面形成和近日冕傳播同時進行觀測；二是第一次在萊曼阿爾法譜線波段實現全日面和近日冕無縫同時成像觀測。
值得一提的是，「夸父一號」攜帶3台載荷：全日面矢量磁像儀（Full-disc vector MagnetoGraph，FMG）、萊曼阿爾法太陽望遠鏡（Lyman-alpha Solar Telescope，LST）、硬X射線成像儀（Hard X-ray Imager，HXI）。這3個先進的觀測儀器是實現它「逐日」的不可缺少的部分：FMG和LST是在磁場探測和日冕成像觀測領域的中國第一台空間太陽觀測設施，相比國際同類設備，「夸父一號」具有更高的靈敏度和時間解析度。HXI採用獨特的傅立葉變換調製成像原理，可對太陽耀斑活動中30~200keV高能輻射進行全面高解析度成像和能譜探測，性能指標達到國際一流水平。
經過多番調試測驗，北京時間2022年11月21日下午，「夸父一號」衛星的硬X射線成像儀拍攝的首張科學圖像在中國科學院紫金山天文台發布，這是從地球視角拍攝的太陽在硬X射線波段的首張圖像（圖9）。圖像總體質量達到國際一流水平，為實現對太陽耀斑展開非熱輻射空間分布、時間結構、能譜特徵觀測奠定了堅實的基礎。預計太陽活動的下一個峰年將發生在2024—2025年，屆時，「夸父一號」將抓住時機，不停逐日，記錄下第25個太陽活動周期的爆發過程。
小行星撞擊測試
北京時間2022年9月26日19：14，NASA發射的一枚太空飛行器成功與長度約170m的目標小行星迪莫弗斯（Dimorphos）發生了正面撞擊，撞擊發生時，太空飛行器與小行星的相對速度達到了6.6km/s。2天後，位於智利的南方天文物理研究望遠鏡 （Southern Astrophysical Research Telescope，SOAR）觀測到了Dimorphos表面長約1×km的拋射物塵尾。後續的觀測發現，預期之外地，通過這次撞擊，小行星的軌道周期足足改變了32min。這表明NASA的雙小行星重定向測試（DART）獲得了圓滿成功。
DART是第1例測試通過動能撞擊法抵禦小行星有效性的任務。該任務選取了小行星雙星中的一顆，通過準確測量小行星被撞擊前後的變化，進而測量軌道的改變（圖10）。執行撞擊任務的太空飛行器於2021年11月發射升空，在歷經了10個月的飛行之後，成功與目標小行星交會並撞擊。
在對於地球生態環境能夠造成重大危害的諸多災難中，小行星撞擊一直是一個備受關注的問題，它可能導致生態系統或城市遭到毀壞，甚至有可能產生大規模生物滅絕。著名的案例就是希克蘇魯伯（Chicxulub）小行星，它在6500萬年前於墨西哥的尤卡坦半島留下了一個平均直徑約為180km的碩大隕石坑，撞擊導致了恐龍物種的滅絕。2013年，一顆隕石朝著俄羅斯的車里雅賓斯克州方向墜落，由於墜落過程中在大氣層內的高溫摩擦作用，最終發生燃燒爆炸，導致了近1500人受傷。
小行星越大，則與地球撞擊的概率越小。例如希克蘇魯伯小行星，其直徑在10~15 km，撞擊頻率約為1億年1次，而對於直徑為20m左右的車里雅賓斯克小行星，每隔幾十年就會發生一次撞擊。由此對於直徑在30m到1km之間的小行星，它們具有很大的危險性，而且可能會在不久的將來發生撞擊。此外，還存在有大量尚未發現的小行星，這使得對小行星開展預警研究就顯得尤為必要。
迄今為止，對於即將發生的小行星撞擊事件，科學家已經提出了多種理論解決方案，如使用動能撞擊，引導太空飛行器撞向小行星，傳遞動量使其偏移軌道；通過核爆衝擊，在小行星的一定距離處引爆核武器，利用中子和X射線能量使小行星發生偏向；使用引力牽引，讓太空飛行器在小行星附近飛行幾年，藉助太空飛行器的引力使小行星的運動軌跡發生偏離。其中，動能撞擊被一致認為是最可行的方法，此次實驗就是採用的動能撞擊法。在太空飛行器主動撞擊過後，小行星會在撞擊點拋射出物質，從而帶來進一步的偏轉。拋射物質產生的動量增強受到多種變量影響，例如小行星的材質特性、撞擊點的結構、坡度等因素，很難開展先驗估計，因此需要實驗對其進行限制，為以後真正需要時提供寶貴的數據。
EP探路者成功拍攝X射線成像天圖
EP探路者是愛因斯坦探針衛星寬視場X射線望遠鏡（wide-field X-ray telescope，WXT）的一個實驗模塊，於北京時間2022年7月27日搭載中國科學院的空間新技術試驗衛星發射升空。它是一項測試未來愛因斯坦探針的衛星傳感器設計的初步任務，該探測器將使用12個傳感器模塊的WXT獲得3600的視場。EP探路者的大視場成像能力是通過使用最新的龍蝦眼光學技術實現的——龍蝦是通過在一個眼球上的許多小立方體陣列側壁的反射來觀察物體的。用「龍蝦眼」這種成像方式可以建造X射線掠入射成像光學系統。這種望遠鏡的主要優點是觀測範圍廣、靈敏度高、體積小、質量輕。這使得EP可以對X射線暫現源進行較為精準的定位，如此卓越的定位能力將遠遠超越以前和現有的所有X射線全天監測儀。北京時間2022年8月27日，探路者發布了其早期測試飛行的第一批結果，其中包括一張銀心區域的800s的X射線延時照片（圖11）。這張照片是迄今為止向公眾提供的宇宙的第一批廣域X射線快照，也是國際上首次獲得並公開發布的寬視場X射線聚焦成像天圖。
由於地球大氣層會強烈吸收X射線，X射線天文觀測只能在大氣層之外展開。如今，地球軌道上已經運行著許多X射線望遠鏡，比如NASA發射的錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory，CXO），日本的「Astro-H」X射線太空望遠鏡（Hitomi）等。宇宙中X射線的主要來源是黑洞周圍的空間、恆星和星雲等，對X射線這一高能波段的觀測有助於了解黑洞相關的活動現象和恆星形成以及爆炸後造成的氣體膨脹現象。目前運行的X射線望遠鏡都只能觀測短波和中波波段的X射線，並且很難同時兼顧大視場和高靈敏度2種要求，而中國即將發射升空的EP可以解決這種矛盾的現狀。該項目將會填補國際上在軟X射線波段的大視場全天監測設備的空白。EP的主要科學目標為：搜尋並觀測宇宙X射線暫現源，特別是大量暗弱的、遙遠的罕見X射線暫現源；搜尋和觀測來自吸積黑洞的X射線爆發；搜索與引力波事件有關的X射線源，並對其進行較為精確的定位。與此同時，EP還將監測太空大量樣本中各種類型的X射線源的變化情況。鑑於在未來10年內飽含期待的多信使和多波段全天監測能力，EP將通過與其他太空監測儀器如日本的全天X射線圖像監視器（MAXI）等協同工作，在X射線波段生成並保存數據集，這將成為描述以及理解宇宙暫現源和變化性質的關鍵。
EP探路者成功拍攝X射線成像天圖證明了在X射線望遠鏡的建造上取得了巨大成功，這對即將上天的EP來說，無疑是一個令人振奮的好消息。
03結 論
隨著大科學研究裝置不斷發展，越來越多的天文觀測設備及其數據得到了充分的研究利用。中國獨立研發的FAST、LAMOST設備依舊成果頻出，在銀河繫結構及演化、快速射電暴等諸多方面取得了重大突破，嫦娥五號帶來的月壤讓我們對這顆鄰星有了更深的理解。2022年中國也發射了許多新的設備，「夸父一號」讓我們對太陽的理解更進一步，探路者模塊良好運行預示著愛因斯坦探針計劃初步成功。國際合作同樣十分重要，詹姆斯·韋布望遠鏡讓我們窺見宇宙深處，EHT使我們看到了銀河系中心黑洞的模樣，Gaia的公開數據也展示了銀河系更多秘密。除了天文觀測，科學界也有了更多新的嘗試。阿爾忒彌斯計劃嘗試重新登上月球，DART項目成功撞擊了目標的小行星。天文學領域日新月異，中國人自己所做的成績越來越多，期待未來伴隨新觀測設備的投入使用，能夠更加綻放光彩，做出更多成果。
本文作者：宋宇佳、楊雋、馮葉、苟利軍
作者簡介：宋宇佳，中國科學院國家天文台，中國科學院大學天文和空間科學學院，碩士研究生，研究方向為恆星級黑洞爆發現象；楊雋（共同第一作者），中國科學院國家天文台，中國科學院大學天文和空間科學學院，碩士研究生，研究方向為恆星級黑洞爆發現象；苟利軍（通信作者），中國科學院國家天文台，中國科學院大學天文和空間科學學院，研究員，研究方向為恆星級黑洞爆發現象。
原文發表於《科技導報》2023年第1期，歡迎訂閱查看。