[正版]中国天文学2035发展战略中国学科及前沿领域发展战略研究 自然科学书籍

前言/vii;

摘要/xi;

Abstract/xix;

章 学论1;

节科学意义与战略价值/1;

节发展规律与研究特点/4;

第三节发展现状与发展态势/5;

一、发展状况与趋势/5;

二、国内发展现状/6;

三、优;

势、薄弱领域的发展状况及人才队伍情况/8;

四体经费投入与平台建设情况/8;

第四节发展思路与发展方向/10;

一、关键科学问题/10;

二、学科发体思路/10;

三、天文学的发展目标/14;

四、未来学科发展的重要方向/15;

第五节资助机制与政策建议/15;

一、推动 LOT等装置的预研、立项和建设/15;

二、围绕已建重大观测设备的科学研究，设立项目群和研究中心/15;

三、加强面向重大科学问题的终端科学仪器的研制和优化使用/16;

四、加强计算天体物理学研究/16;

五、支持观测合作项目以及大型观测设备的合作/17;

六、引进人才，发展高校天文教育，扩大天文研究队伍/17;

七、促进新兴方向研究/17;

八、促进交叉研究/18;

九、建议基金项目比例论文在国内期刊发表研究成果/18;

章 星系宇宙学/19;

节科学意义与战略价值/19;

节发展规律与研究特点/21;

一、对宇宙基本质的理解/21;

二、对宇宙组分和结构形成理论等的理解/23;

三、对星系结构、形成和演化机制的理解/27;

四、活动星系核物理及黑洞与星系共同演化/31;

第三节发展现状与发展态势/34;

一、研究工作现状/34;

二、观测设备发展现状/59;

第四节发展思路与发展方向/64;

一、宇宙学模型/64;

二、宇宙大尺度结构/66;

三、星系的结;

构、形成与演化/69;

四、黑洞和活动星系核/73;

第五节资助机制与政策建议/77;

第三章 恒星、银河系及星际介质/79;

节科学意义与战略价值/79;

节发展规律与研究特点/81;

一、星际介质及恒星形成/81;

二、恒星结构与演化/83;

三、变星、双星、星团和星族/84;

四、致密天体和高能过程/86;

五、银河系结、形成与演化/89;

第三节发展现状与发展态势/92;

一、星际介质及恒星形成/92;

二、恒星结构与演化/95;

三、变星、双星、星团和星族/99;

四、致密天体和高能过程/101;

五、银河系结构、形成及演化/104;

第四节发展思路与发展方向/107;

一、星际介质和恒星形成研究/107;

二、恒星结构演化研究/109;

三、变星、双星参数与星团、星族研究/110;

四、致密天体与高能过程研究/111;

五、银河系的结构形成和演化研究/113;

第五节资助机制与政策建议/115;

第四章 太阳物理/117;

节科学意义与战略价值/117;

节发展规律与研究特点/118;

一、太阳内部和大气结构及其涉及的基本辐射与磁流体力学过程/119;

二、太阳爆发活动的储能与释能物理机制/122;

三、太阳风和太阳爆发对行星际空间及日球的影响/127;

四、太阳活动与其他恒星活动的比较研究/129;

第三节发展现状与发展态势/131;

一、太阳内部和大气结构及其涉及的基本辐射与磁流体力学过程/132;

二、太阳爆发活动的储能与释能物理机制/136;

三、太阳风和太阳爆发对行星际空间及日球的影响/143;

四、太阳活动与恒星活动的比较研究/145;

第四节发展思路与发展方向/146;

一、太阳内部和大气结构及其涉及的基本辐射与磁流体力学过程/147;

二、太阳爆发活动的储能与释能物理机制/149;

三、太阳风和太阳爆发对行星际空间及日球的影响/153;

四、太阳活动与其他恒星活动的比较研究/155;

第五节资助机制与政策建议/156;

第五章 基本天文学/158;

节科学意义与战略价值/158;

节发展规律与研究特点/160;

一、基本天文学理论/160;

二、行星与深空探测/166;

三、基本天文学在国家需求上的应用/172;

第三节发展现状与发展态势/178;

一、基本天文学理论/178;

二、行星与深空探测/186;

三、基本天文学在国家需求上的应用/192;

第四节发展思路与发展方向/197;

一、基本天文学理论/197;

二、行星与深空探测/204;

三、基本天文学在国家需求上的应用/210;

第五节资助机制与政策建议/213;

第六章 新兴方向/214;

节科学意义与战略价值/214;

节多信使天文学/215;

一、发展规律与研究特点/216;

二、发展现状与发展态势/220;

三、发展思路与发展布局/231;

第三节时域天文学/238;

一、发展规律与研究特点/238;

二、发展现状与发展态势/244;

三、发展思路与发展布局/252;

第四节行星科学/258;

一、发展规律与研究特点/258;

二、发展现状与发展态势/262;

三、发展思路与发展布局/265;

第五节资助机制与政策建议/268;

一、多信使天文学具体资助建议/268;

二、时域天文学具体资助建议/269;

三、行星科学具体资助建议/269;

第七章 天文技术方法/270;

节科学意义与战略地位/270;

节发展规律与研究特点/272;

一、光学红外天文/272;

二、射电天文/277;

三、空间天文/280;

四、地面多信使探测技术/285;

五、天文信息技术与实验室天体物理/288;

第三节发展现状与发展态势/291;

一、光学红外天文/291;

二、射电天文/296;

三、空间天文/299;

四、地面多信使探测技术/305;

五、天文信息技术与实验室天体物理/307;

第四节发展思路与发展方向/310;

一、光学红外天文/310;

二、射电天文/315;

三、空间天文/318;

四、地面多信使探测技术/324;

五、天文信息技术与实验室天体物理/325;

第五节资助机制与政策建议/329;

参考文献/331;

关键词索引/355

天文学是一门探索宇宙中天体起源和演化的基础学科。自从17世纪初架天文望远镜的发明开始，新的发现和新的挑战不断涌现，让天文学又成为自然科学中活跃的前沿学科之一，不断刷新着人类对宇宙的认识。本书是对当代天文学发展的一结，介绍了天文学科的科学意义和战略价值及其发展规律与研究特点，通过对发展现状与发展态势的分析，凝练了2021—2035年我国天文学科的发展思路与发展方向，并提出了保障我国天文学科发展的资助机制与政策方面的建议。

章 学论

节 科学意义与战略价值

天文学是一门探索宇宙中天体起源和演化的基础学科，其研究对象涵盖各个层次的天体括太阳和太阳系内各种天体、恒星及其行星系统、银河系和河外星系乃整个宇宙，其演化与人类的命运密切相关。太阳系外的恒星及其行星系统是寻找个地球的佳对象。天体中的天体物理条件提供了天然实验室，可用来检括广义相对论在内的基本物理原理。人类对星系和宇宙的研究带来了物理学的“两朵新乌云” —暗物质和暗能量的本质问题。探索宇宙形成及演化的先进天文技术是国家技术的重要组成部分，广泛应用于导航、定位、航天、深空探测等领域，对国家经济建设和国家都起到了重要作用。天文学同时在教育和科普等领域有着不可或缺的作用，在提高国民科学素质方面占据着重要地位。天文学一直是一个国家和民族在思想领域重要的战略高地之一，催生了早的科学。

天文学创新水平已成为各国是大国科技实力的综合体现和重要标志，中国天文学的发展得到家领导人的高度重视和肯定。 2016年 FAST竣工日，专门发来贺信，随后在 2017年新年贺词中提及“中国天眼”落成启用。 2017年，在的十九大报告中指出：“创新驱动发展战略大力实施，创新型国家建设成果丰硕，天宫、蛟龙、天眼、悟空、墨子、大飞机等重大科技成果相继问世。”（习近平，2017）其中，“天眼”“悟空”为天文学领域的重大成果。

天文学是人类认识宇宙的“排头兵”。天文学探究宇宙的奥秘，开拓人类认识宇宙的知识边界。 17世纪初，伽利略发明了架天文望远镜，太阳黑子、月球环形山、木星卫星等的发现轰动了当时的欧洲，有力推动了哥白尼日心说的传播。 20世纪，随着以相对论和量子论为代表的现代物理学的建立，以及射电、红外、光学、高能和空间天文等技术的突飞猛进，激动人心的天文发现不断涌现，使得人们对宇宙的了解有了新的飞跃。21世纪，占宇宙成分 90%以上的暗物质和暗能量的本质成为现代物理学的“两朵新乌云”。

天文学有力地促进了其他自然科学和技术的发展。天文学对其他自然科学有着重要的促进作用，如天文学曾对数学和力学的发展起到了重要推动作用。天文学和物理学的结合产生了天体物理学，其成为当代天文学的主流，为各种物理理论的检验提供了天然的实验室，而暗物质和暗能量的发现又对物理学是粒子物理学提出了巨大挑战。天体化学和天体生物学又分别是利用化学与生物学来研究星际介质中的化学过程以及地外生命的交叉学科。作为一门以观测为主的学科，天文学的发展与各种技术的发展紧密结合，对技术进步产生了巨进作用。现代天文观测追求高噪声下的微弱信号探测、极大的探测面积、极高的空间分辨率和时间分辨率、极的空间导向和定位、极精密的计时以及海量的数据存储和分析等。这些技术在满足国家、载人航天、“嫦娥”探月工程等国家战略需求方面发挥了巨大的作用。

天文学在国家学科发展布局中占据基础地位。作为一门基础学科，天文学是国家学科体系中不可或缺的部分。在科学研究方面，天文学回答宇宙各层次天体的起源和演化，以及地外生命存在的可能等关系人类自身的重大问题。同时，天文学为其他自然科学的发展注入新的活力，产生了各种交叉学科。在人才培养方面，天文学的广度和深度有助于培养学生勇于创新的精神、科学的思维方法和坚韧不拔的优良品质，这不仅为天文学自身的发展，同时还为技术进步和社会经济发展所需的重要人才提供了保障。在服务社会方面，天文学在提升全民科学素质和激发青少年积极向上方面有着无可比拟的优势。广袤的星空、多彩的宇宙深深地引起人们对自然界的好奇，帮助人类认识自身在自然界和宇宙中的地位，使人们树立起辩证唯物主义的认识论和正确的世界观。

天文学的进步是实现科技强国的重要标志。作为一门基础的自然科学学科，天文学一直都是世界科技强国的发展学科，世界百强高校几乎都开设了天文学专业。天文学各种突破的发现是人类知识宝库中绚丽的明珠之一，深深震撼着人们的心灵，极大了民族自豪感以及人类命运共同体的使命感。天文学观测所需的各种大科学装置是国家各类技术的集合体，天文学既是技术进步的催化剂之一，又是科技强国综合科技实力的佳展示方式之一。随着国家综合实力的进一步提升，我国天文学的发展也必将迎来新的机遇。各类新的重大天文成果以及各种的大科学装置必将成为科技强国的重要标志。

天文学的发展与人类生存和国家等密切相关。人类的生存环境与太阳活动紧密相关，太阳活动的剧烈变化会造成无线电通信中断、电力系统故障、人造卫星损坏和变轨，以及威胁航天员等重大灾害。近地小行星的监测、空间碎片的研究，以及自主的时间服务系统可以为国家和航天器的提供保障。深空探测是 21世纪科技强国开拓地球外“域”的重要手段，对月球、火星、金星和木星等太阳系天体的探测加速了人们对太阳系起源的了解，同时也为未来人类踏足新行星提供了前期准备。太阳系外恒星及其行星系统的多样为了解地球起源和演化提供了借鉴，对地外生命的搜寻有助于人类思考宇宙尺度上地球生命的起源和意义。

节 发展规律与研究特点

天文学是一门探索宇宙中天体起源和演化的基础学科。按照研究的对象，天文学可以分为五个研究领域：星系宇宙学，恒星、银河系及星际介质，太阳物理，基本天文学，以括系外行星、引力波及其对应体、粒子天体物理等在内的新兴方向。天文技术方法作为支撑天文学发展的技术基础，是天文学研究的组成部分。

因为距离天体远，天文学以观测为主，并结合少量实验来探索宇宙的奥秘。天文的观括来自天体各个波段的电磁辐射、引力波辐射和中微子等。为了探测更远的天体、更暗的天体以及更多种类的天体，天文探测技术不断进步，是近几十年，天文学的探测技术以 5～10年为周期快速更新换代，由此带来的新现象、新思想和新概念不断涌现。

天文学是一门观测与理论紧密结合、相互促进的学科，天文观测验证、丰富和发展已有的理论框架乃催生新的理论体系。例如，基于第谷的大量天文观测数据，开普结出了三大定律，成为支持牛顿万有引力定律的重要证据之一；爱丁顿对日食中恒星位置改变的观测，验证了广义相对论的预言。同时，作为对大量观测的高度量结和升华的理论框架的建立不是认识的终结；相反，它为更深刻地了解新发现确立了新的高度。例如， 20世纪所建立的两大天文理括恒星的内部结构与演化理论，以及宇宙大爆炸标准模型催生了一大批新的天文发现。

天文学与其他学科深度交叉，其他学科的知识是解释复杂天文现象的重要工具，同时天文发现和理论又促进了其他学科的进步。对天体的位置和运动的研究广泛使用数学与力学的方法，天文学发展也为这两个学科解决在复杂系统中运动的问题提供了新思路。随着观测技术的进步，物理学的各种理论也被广泛应用于天文学研究中，近几十年，天体化学、天体生物学、粒子天体物理学、引力波天体物理学等交叉学科成为天文学重要的新兴领域。

在深空探测领域，天文学与地质学、地球物理学、空间科学等更是紧密结合。

天文学的进步依赖于小团队自由探索和大团队作战“两条腿”走路：一方面，宇宙的复杂和天体的多样使得天文研究需要大量的自由探索，需要一些看似无固定目标纯以好奇心来驱动的创新研究，在偶然中发现机遇，在机遇中获得新发现；另一方面，是进入 21世纪，天文观测对设备的要求越来越高，对大科学装置的依赖越来越大，同时一些重大天文问题需要海量的天文数据分析和大量分工协作才能取得突破，所以大团队作战在当代天文的发展中具有重要的作用。

第三节 发展现状与发展态势

一、发展状况与趋势

天文学一直是世界各科技强国的发展学科，拥有比较稳定的人才培养体系、科研队伍和经费投入，以及鼓励创新的科研环境，重视以科学为驱动的设备建设。基于此，天文学在 2010～2019年产生了一大批重大科研成果。在人才培养方面，随着科研队伍规模的相对稳定，发达国家高度重视天文人才质量，力争培养在理论、观测和设备等方面的领军型人才。在资助方面，发达国家大力支持以科学为驱动的技术研发和观测设备建设，同时对观测数据库的建设和使用也有着稳定的支持。在设备和探测技术方面，天文学的发展趋括追求更高的空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率，追求更大的集光本领和更大的视场，实现全波段的探测和研究以及偏振测量，开辟电磁波外新的观测窗口，开展大天区时变和运动天体的观测，注重通过合作来研制大型天文设备，发展海量数据的处理和计算天体物理学，建立资料更完善和使用更方便的数据库。大科学装置是驱动天文学发展的核心，例如， 2021年底发射的詹姆斯？韦布空间望远镜（ James Webb Space Telescope，JWST）是人类历迄今建造的昂贵的天文设施，开启了人类探索代星系和系外行星的新征程。在营造创新的科研环境方面，天文学遵循科学优先原则，制定优政策来大化重大科研成果的产出括人员招聘、人员考核、经费分配、技术开发、设备建设、设备使用以及数据开放等。

二、国内发展现状

2010～2019年，我国天文学研究有了长足的发展，人才队伍结构更加合理，人才培养的规模不断扩大，人才质量显著提升，研究领域涵盖理论、观测和仪器设备研制的众多方向，在核心期刊上文数量不断增加，上有较高显示度和影响力的成果显著增加。我国天文学家还担任了天文学联合会和专业委员等重要职务。

（一）人才队伍

截 2019年 12月，我国有一支由约 2500名固定职位人员和约 2500名流动人员（博士后、博士研究生、硕士研究生）组成的天文学研究队伍。其中，具有正职称的 600余人，具有副职称的 900人左右，博士后 200余人，博士研究生近 1200人，硕士研究生近 1200人。这些人员主要分布在国家天文台部、云南天文台、南京天文光学技术研究所、乌鲁木齐天文站、长春人造卫星观测站）、紫金山天文台、上海天文台、高能物理研究所、国家授时中心，以及南京大学、中国科学技术大学、北京大学、上海交通大学、北京师范大学、清华大学、厦门大学、中山大学等单位，其他单位的天文人才队伍在 2010～2019年也得到显著发展。在上述天文工作者中，参与课题研究的固定人员占 55%，参与天文技术（方法）研究的占 45%；课题研究人员主要集中在星系宇宙学（ 21%）、恒星物理（ 23%）、太阳物理（11%）、天体测量和天体力学（ 22%）、新兴方向（ 23%）等前沿领域；固定研究人员中男占 70%。多年的科研实践、人才培养和合作研究，形成了一批在国内外有影响的学术带头人和创新研究群体，研究队伍的年龄结构趋于合理。我国天文学研究体水平在发展中国家中位居前列，在上是一支不可忽视的力量。