为什么哈勃望远镜要发射到太空中观测天体

由于地球引力的作用，几乎所有的大气都集中在距地面100公里的高度范围内，75%的大气集中在从地面到10公里高度的对流层范围内。地球表面的天文研究受到地球大气中电磁辐射干扰和过滤的制约。望远镜Tai 空的概念最早出现在20世纪40年代。天文学家设想将望远镜放置在Tai 空，因为地球大气对许多波段的天文观测有很大影响(图4)。如果能把望远镜搬进Tai 空，我们就能得到更精确的天文数据，而不受大气和地表人类生产生活产生的各种信号的干扰。到目前为止，已经有大量的望远镜被发射到轨道上，这大大增加了我们几十年来对宇宙的了解。目前有相当多的空望远镜在Tai 空运行。许多Tai 空观测站已经完成了任务，而其他观测站仍在运行。比如，X射线根本无法穿透地球大气层，使得基于X射线观测的天文学无法在地球表面进行。现在，来自美国、欧洲和日本的多颗X射线望远镜卫星的发射，打开了天文学研究的新局面，在高能天体物理研究中占据核心地位。印度也于近期发射了首颗X射线卫星，中国将于2016年下半年发射首颗X射线天文卫星。同样，红外线和紫外线都被大气阻挡，只有空设备才能探测到暗物质粒子探测卫星观测到的伽马射线能量带。

著名的空天文望远镜有可见光的哈勃空望远镜，红外的斯必择空望远镜和赫歇尔望远镜，微博的WMAP和普朗克望远镜，X射线的钱德拉泰空望远镜，伽马射线的康普顿天文台。将要崛起的空大型空望远镜包括美国宇航局的新一代空望远镜，计划于2018年发射，计划接管哈勃的天文研究任务。这台望远镜是以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名的。它的目标是寻找宇宙历史上的第一代恒星和星系。WFIRST是美国的暗能量探测计划之一，旨在发现并精确测量暗能量，寻找太阳系外行星。

中国暗物质粒子探测卫星

粒子探测卫星是中国科学院空科学战略引领科技工程四颗科学卫星中的第一颗卫星，也是中国空科学卫星系列中的第一颗卫星。中科院紫金山天文台等科研单位参与了有效载荷、科学应用等工程项目的研发。其科学目标是通过高空分辨率和高能量分辨率的精确测量，研究高能电子、γ射线和宇宙射线的能量和方向，寻找暗物质粒子存在的证据并研究其物理特性，在宇宙射线起源和γ射线天文学方面取得重大进展。是迄今为止观测能量范围最广、能量分辨率最好的空探测器，超过了国际上所有同类探测器。在卫星结构方面，暗物质卫星首次尝试了“科学探测有效载荷一体化”的设计。卫星有效载荷质量1410kg，整星质量1850kg，有效载荷与平台比为3.2∶1。这种设计减小了卫星的体积和重量，大大节约了发射成本。2015年11月9日，中科院重大科技任务局在中科院国家空科学中心组织召开暗物质粒子探测卫星项目工厂验证会。11月14日，卫星和火箭从上海航天科技研究院装运，驶向酒泉卫星发射中心。12月17日，暗物质粒子探测卫星“吴空”在酒泉卫星发射中心成功发射，搭载由中国航天科技集团公司第八研究院研制的长征二号丁火箭，成功进入预定转移轨道，标志着我国空科研工作迈出重要一步。这是长征-2D火箭的第26次任务，也是长征系列运载火箭的第221次飞行。

国内外暗物质研究的现状与展望

国际物理学界对暗物质的研究非常重视，美国、欧洲、日本等国家和地区都做了相应的规划和布局。2007年，由美国国家自然科学基金会(NSF)、NASA ([/K0/])和DOE(能源部)联合成立的暗物质研究与评估小组发布报告，指出宇宙暗物质之谜的解决具有非常特殊的科学意义，并建议美国加大投入以保持领先地位。在美国国家科学院发布的2012-2021年天文学和天体物理学十年规划中，暗物质和暗能量是主要研究方向。美国通过费米伽马射线空卫星上的“大面积望远镜”和国际空站上的阿尔法磁谱仪(AMS-02)对暗物质进行间接探测。2008年，在欧洲天体物理学联盟规划的路线图中，直接探测暗物质的实验位于其7个规划项目之首。2009年发射的Planck空观测卫星已经完成任务，2016年初给出了最新的宇宙学参数测量结果，包括迄今为止最精确的暗物质成分测量。欧洲的下一步是在2020年左右发射欧几里德飞船。通过观测空中大量星系的分布特征，可以精确测量基本的宇宙学参数(图5)，从而有助于深入理解暗能量和暗物质的物理特性。2015年8月，日本与美国合作发射CALET探测器，成功放置在国际站空上，在日本舱内开展研究。

中国非常重视暗物质和暗能量的研究。揭开暗物质和暗能量的神秘面纱，将是人类认识宇宙的又一次伟大飞跃，有可能引发一场新的物理学革命。中国已经在考虑建设探测暗物质和暗能量的几个关键实验装置，包括地下和too 空粒子探测器，以及在南极建立大口径天文望远镜获取第一手实验数据，在国际竞争中处于领先地位。中国暗物质粒子探测器(DAMPE)卫星可以通过探测来自宇宙的高能伽马光子、电子和质子空，间接观测宇宙中的暗物质，而下一代伽马射线卫星盘古卫星正在积极规划中，将首次对MeV到GeV能带进行空探测。基于中国未来空站平台的高能宇宙辐射探测器(HERD)也在积极研发中，技术预研取得了长足进展。

暗物质和暗能量的研究是当代基础物理学最前沿的方向之一。天体物理学和宇宙学的研究表明，暗物质和暗能量在宇宙演化中发挥着重要作用。对暗物质和暗能量的实验和理论探索，将极大地加深人们对微观世界结构和宇宙演化的认识，极有可能产生物理学基础理论的革命性突破。在过去的几年里，中国科学家在暗物质研究方面取得了长足的进步，并取得了重要的成果。这些基础使中国跟上了国际前沿研究的步伐，在某些方面达到国际先进水平，甚至领先世界。包括暗物质粒子探测卫星在内的实验项目将在未来几年内完成一系列相互关联的探测项目，使中国的暗物质研究有机会做出世界领先的贡献。除了位于中国四川的金平地下暗物质实验室，其他计划中的科学实验还包括在中国西藏阿里建造宇宙微波背景辐射观测望远镜，首次精确探测北半球暗物质的大尺度空分布。这些计划中的科学实验将能够全面探索暗物质的基本性质，预计在未来10年内，暗物质探测实验将向人类展示宇宙最神秘的一面。