射电天文的价值


作者:Dave Finley (NRAO/AUI/NSF)   译者:国家天文台 FAST工程 钱磊


国立射电天文台的任务是对我们宇宙的性质进行基础性的研究。此研究探寻的是我们所能问的一些最大的问题的答案,这些问题包括,宇宙如何起源(或者它有没有起点),它有多大,它有多大年纪,以及它将如何终结(或者它会不会终结)?作为提供关于我们和我们所在行星在宇宙中地位的基本知识的科学,天文学是所有人类文化的一个重要部分。一个没有基本天文学知识的人在文化的意义上和从未接触过历史、文学、音乐或艺术的人一样不健全。天文学家关于宇宙的新发现充实了数以百万计的智慧生命。

自文明开化以来,天文就为人类进步提供了重要的基础。我们的日历和守时系统从天文中来。当今数学中的很多内容是天文学研究的结果。希腊天文学家依巴谷发明了三角学。对数的使用受到了天文计算需求的驱动。现代科学和工程的基础——微积分由伊萨克·牛顿爵士为天文计算而发明。天文学提供了导航技术,使得水手和飞行员可以探索我们的行星(并且使得今天的航天器可以探索我们的太阳系)。天文学对计算能力的嗜好推进了很多最早期电子计算机的发展。如果没有天文学家发现的引力和轨道的知识,我们在太空时代所依赖的通信和气象卫星都将是不可能的。射电天文学家引领了低噪声射电接收机的发展,这些接收机使得卫星通信工业成为可能。天文学家发展的图像处理技术现在成为了医学成像系统的一部分,这些系统可以对患者体内器官进行非介入检查。在当今的天文台中,天文学家对更好的仪器的需求持续推动了电子、机械工程和计算机科学等诸多领域的发展。

天文学对人类的知识和进步还有很多贡献。从飞机到晶体管,从收音机到激光器,二十世纪的发展基于物质和能量的物理学的基本知识。天文学为各种知识背景的科学家提供了几乎无穷多的宇宙“实验室”用以观察物理现象。难以想象地球上的任何实验室能提供和中子星一样致密的物质,和超新星内部一样高的温度,或者和黑洞一样强的引力。但是,天文学家可以用诸如VLA、VLBA、GBT和ALMA的仪器定期研究这些极端条件下的物理学。言归正传,VLBA是提供关于地球板块移动和全球气候的宝贵数据的主要仪器。

天文学会产生什么呢?除了我们可能会感到惊奇,天文学的基础研究的本性让我们无法预知其结果。当开普勒和牛顿努力发展轨道力学时,他们不会想到卫星或者CNN。

最后,天文学为我们的国家提供了重要的教育服务。作为令人兴奋的、业余观测者容易上手的可见的科学,天文学每年都激发了数以千计年轻人对科学的好奇。这些年轻人很快发现天文学涉及几乎所有科学,包括数学、物理学、化学、地质学、工程学和计算机科学。这些领域和其他领域中的很多职业科学家都通过天文学对他们的职业产生了兴趣。在当今的世界,一个有竞争力的国家需要其所有国民,而非仅仅其科学家拥有基本的科学素养。通过宇宙中众多奇异天体的新知识激发兴趣,天文学可以帮助将更多基础科学知识传播给所有人。

总而言之,天文学在历史的长河中已经成为了技术进步的基石,在未来还会有诸多贡献。它将让所有人类对我们在广阔无垠和激动人心的宇宙中的位置有一个基本的认识。

[摘自:http://blog.sciencenet.cn/blog-117333-757178.html ]



 

天文学为什么重要


作者:Marissa Rosenberg, Pedro Russo (EU-UNAWE,Leiden Observatory/Leiden University, The Netherlands), Georgia Bladon, Lars Lindberg Christensen (ESO, Germany)

中文翻译、编辑:钱磊(中国科学院国家天文台)    修订:吴学兵(北京大学天文学系)

英文原文网址:http://www.iau.org/public/themes/why is_astronomy_important/

中文原文网址:http://blog.sciencenet.cn/blog-117333-739650.html

 

1、引言

长期以来,天文学家和其他科学家都相信,他们工作的重要性对于全社会而言是显而易见的。但是在目前经济紧缩的艰难时日里,即使是科学带给我们的这些最明显的益处也不得不接受仔细的考量。

消除贫困和饥饿是全世界的优先任务,而不能直接解决这些问题的活动可能就难以被证明是合理的并获得支持。但是,一些研究(见下文)已经告诉我们,科学教育、研究和技术中的投入有巨大的回报——这不仅仅是经济上的,而且还有文化上的以及间接对普通大众的。这些回报会帮助各国面对和克服存在的危机。一个国家或地区的科技发展与其人类发展指数密切相关,这个指数是对预期寿命、教育和收入进行度量的一个统计量(Truman, 1949)。

天文学和相关领域是科学和技术的前沿,回答着关于我们为何存在和关于我们居住的宇宙的基本问题,并驱动着创新。由于这个原因,国际天文学联合会(IAU)的2010-2020战略规划有三个主要重点领域:技术和技能;科学和研究;以及文化和社会。

尽管像天文学这样的“纯基础研究”(blue-skies research)在短期内很少有直接的有形产出,但是进行这项研究需要最前沿的技术和方法,这些技术和方法在一段时间后便可通过其更广泛的应用而影响世界。

这方面有大量的例子——不少列在下面——展示了天文学研究中如何通过对不断超越现有能力的仪器、工艺流程和软件的追求而对技术、经济和社会所做出的贡献。

天文学中科学和技术发展的一些成果,尤其是在光学和电子学领域的成果已经成为我们日常生活中的必需品,例如个人电脑、通信卫星、移动电话、全球卫星定位系统(GPS)、太阳能电池板和核磁共振成像(MRI)扫描仪。

毫无疑问,古往今来天文学都在全球范围内人类思想的不断变革中扮演着重要的角色。在过去,天文学被用于测量时间、标定季节和在广阔的大洋上导航。作为最古老的科学之一,天文学存在于所有文化的历史和根源中。它带给我们关于宇宙的美丽图画让我们为之激动不已,并为诸如“我们从何处来”这样的问题提供了答案。它为我们探索浩淼而复杂的宇宙世界打开了一扇窗户,让我们了解地球,提升全球公民意识,并让我们为所在的地球家园引以为豪。

美国(国家研究委员会,2010)和欧洲(Bode et al., 2008) 的一些研究报告指出,天文学对社会的主要贡献不仅体现在技术上(技术转移,见下文)和医学上(也见下文),而且这些贡献也极大地拓展了我们的视野,并帮助我们发现了宇宙和身在其中的我们地球的壮丽。通过研究宇宙,也能使我们了解到我们人类能得以生存的基本原因。例如,太阳对地球气侯的影响。只有通过对太阳和其他恒星的研究才能帮助我们完整地理解这些过程。对细至最小天体的太阳系动力学研究允许我们仔细研究来自太空的对我们行星的潜在威胁。这些事件可能使我们的世界发生重大变化,正如2013年俄罗斯车里雅宾斯克陨石撞击所清楚展示的那样。

学校中的天文学习也有很大价值。业已证明,在小学和中学参加与天文学相关的教学活动的学生今后更有可能选择科学和技术方面的职业,并会一直关注科学上的发现(国家研究委员会,1991)。这不仅对天文学领域有利,而且对其它科学领域也有好处。

天文学是能和普通大众直接互动的少数科学领域之一。它不仅超越国界,而且还能积极促进世界范围的合作。下面,我们仔细的通过一些具体实例的考查来探讨一下天文学对其它领域的贡献。

2、技术转移

 

2.1 从天文学到工业

天文学和工业之间技术转移最有用的一些例子包括成像和通讯中的进展。例如,一种叫柯达Technical Pan的胶片曾被医学和工业光谱分析师、工业摄影家和艺术家们广泛使用,但它最初却是为观测太阳的天文学家记录太阳表面结构的变化而发明的。此外,Technical Pan胶片在天文学家需求的一次次驱动下不断发展,并长达几十年地被用于探测生病的农作物和森林、用于牙医学和医学诊断、以及探测油画的各层以鉴别赝品(直到其停止使用)(国家研究委员会,1991)。

2009年Willard S. Boyle和George E. Smith被授予诺贝尔物理学奖以表彰其发展另外一种可在工业中广泛应用的器件。这种为天文图像发展的捕捉图像的传感器被称为电荷耦合元件(CCD),它们在1976年首次在天文学领域开始使用。在很短的几年内它们不仅就替代了望远镜上的传统胶片,而且很快在很多人的个人照相机、网络摄像头和手机中得以使用。CCD的改进和流行要归功于美国宇航局(NASA),它曾作出决定在哈勃太空望远镜上使用超灵敏的CCD技术(Kiger& English, 2011)。

在通信领域,射电天文学已经提供了大量有用的工具、器件和数据处理方法。很多成功的通信公司最初都是由射电天文学家成立的。电脑语言FORTH最初发明后被用于美国基特峰的36英寸望远镜,在此基础上继而发展成为一个高度盈利的公司(Forth Inc.)。现在它还被联邦快递FedEX用于全世界邮件的追踪服务。

下面是天文学和工业之间技术转移的其它一些例子(国家研究委员会,2010):

·        通用汽车公司使用天文编程语言中的交互数据语言(IDL)来分析从汽车碰撞中得到的数据。

·        探测大质量天体加速产生引力波的第一个技术专利被一家公司获得,以帮助他们确定油田的重力稳定性。

·        著名的通信公司AT&T使用了天文学图像处理和分析软件(IRAF)——一种美国国立光学天文台编写的软件——来分析电脑系统和固体的物理图像。

 

2.2 从天文学到航天部门

航天部门共享了天文学的大部分技术——特别是望远镜和仪器硬件、成像和图像处理技术。

自发展太空望远镜以来,国防信息的获取从使用地基技术转变为使用空基技术。军事卫星是指向地球的重要望远镜,需要使用和天文卫星一样的技术和硬件。此外,处理卫星图像也需要使用和处理天文图像一样的软件和过程。

以下是天文学发展用于国防的一些具体例子(国家研究委员会,2010):

·        对恒星的观测和对恒星大气建立的模型被用于区分火箭喷焰和宇宙天体。同样的方法正在被研究用于早期预警系统。

·        对恒星在天空中分布的研究——用于望远镜指向和定标——也被用于航天工程。

·        天文学家发展了太阳盲光光子计数器—— 一个能在白天测量来自某个源的光子而不被来自太阳的粒子淹没的装置。它现在被用于探测来自导弹尾焰的紫外(UV)光子,这使得一个几乎没有假警报的紫外导弹预警系统成为可能。同样的技术也可以用于探测有毒气体。

·        全球定位系统(GPS)卫星依赖于天体,如类星体和遥远的星系,来确定精确的位置。

 

2.3 从天文学到能源部门

天文学方法可以用于寻找新的化石能源,也能用于评估新的可再生能源的可能性(国家研究委员会,2010):

·        两个石油公司,Texaco和BP,使用IDL来分析油田周围的岩心样本,以及一般的石油研究。

·        一个叫Ingenero的澳大利亚公司已经发明了太阳辐射收集器在地球上利用太阳能量。他们制造了直径达16米的收集器,这只有使用为轨道望远镜阵列所发展的石墨合成材料才有可能做到。

·        在X射线望远镜中对天体进行X射线成像的技术——它不同于光学望远镜——现在被用于监测等离子体聚变。如果聚变——即两个轻的原子核聚合形成一个更重的原子核——变得有可能可控,它应该会为我们寻找安全、洁净的能源提供答案。

3. 天文学和医学

天文学家一直在努力希望看见更暗更远的天体。医学届也在努力做类似的事情:即观察人体内被遮挡的东西。两个学科都要求高分辨率、准确、详细的图像。或许这两个领域间技术转移最有名的例子是综合孔径技术,它由射电天文学家以及诺贝尔奖得主Martin Ryle发展出来的 (瑞典皇家科学院, 1974) 。这个技术现在被用于电脑断层术(也被称为CT或CAT扫描仪),核磁共振成像(MRIs)、正电子发射断层扫描(PET)和其他许多医学成像工具。

除了这些成像技术,天文学还发展了很多使图像处理变得简单很多的编程语言,特别是IDL和IRAF。这些语言都有广泛的医学应用(Shasharina, 2005)。

天文学研究对医学产生贡献的另一个重要例子是建立洁净区域。建造太空望远镜要求极端洁净的环境以避免可能的灰尘或粒子遮蔽或阻碍望远镜上的镜面或仪器(例如,NASA的STEREO卫星;Gruman, 2011)。为达到这一点所发展的洁净室协议、空气过滤器和兔子套装现在也用于医院和制药实验室(Clark, 2012)。

以下是天文学工具在医学中的一些更直接的应用例子:

·        一家药物公司和剑桥大学底片自动测量装置的合作使得白血病病人的血样可以更快地得到分析从而确保更精确的药物调整(国家研究委员会,1991)。

·        射电天文学家发展的一种方法现在被用于以非介入性的方式探测肿瘤。将此方法与传统方法相结合,乳腺癌病人的真阳性探测率可达到96%(Barretet al., 1978)。

·        最初为控制望远镜仪器温度而发展的小型热传感器现在被用于控制育婴箱——一种用于新生儿护理设备的加热装置(国家研究委员会,1991)。

·        NASA开发的低能X射线扫描仪目前被用于门诊手术、运动损伤和第三世界的诊所。它也被美国食品和药物管理局(FDA)用于研究某些药片是否受到污染(国家研究委员会,1991)。

·        处理从空间拍摄的卫星图像的软件现在正在帮助医学研究者建立一种简单的方法对阿兹海默氏病实施宽幅扫描(ESA,2013)。

 

4. 日常生活中的天文学

人们每天碰到的很多东西都是从天文学技术发展而来的。或许最常用的来自天文学的发明就是无限局域网(WLAN)。1977年,John O’Sullivan发明了一种用来锐化射电望远镜拍摄到的图像的方法。同样的方法被应用于普通的无线电信号,特别是那些专门用于加强电脑网络的信号,这现在成为所有无限局域网技术中不可或缺的一部分(Hamaker et al., 1977)。

以下是其他一些最初为天文学所发明后来被用于日常生活的重要技术(国家研究委员会,2010):

·        X射线天文台技术目前也用于机场的X射线行李传送带。

·        为一次火星任务设计的用于分离和分析化合物的气相色谱仪被用于机场包裹的药物和爆炸物巡检。

·        警察使用手持化学需氧量(COD)光度计——一种天文学家发展的用于测量光强的仪器——来检查车窗是否按有关法律要求的那样保持透明。

·        最初用于分析月球土壤的伽玛射线光谱仪现在被用来作为一种非介入的方法去探测历史建筑的结构是否弱化或查看易碎的马赛克的背面有无问题,这些建筑包括在威尼斯的圣马可大教堂。

比这些对技术的贡献更微妙的是天文学在我们对时间的看法上的贡献。第一本日历是基于月球运动的,甚至我们定义一秒的方法都是基于天文学。1955年发展的原子钟是用天文历书时间——国际天文联合会1952年采用的一个以前的标准天文时标——来校准的。这导致了国际上认可的对秒的重新定义(Markowitz et al., 1958)。

这些都是天文学对我们的日常生活影响的活生生的例子,但天文学在我们的文化中也扮演了重要的角色。有很多关于天文学的书和杂志是为非天文学家所写的。Stephen Hawking的《时间简史》是一本畅销书,已销售超过一千万本(Paris,2007)。CarlSagan的系列电视节目《宇宙:一个人的旅程》已经被超过60个国家的超过5亿人观看过(NASA,2009)。

很多非天文学家也在2009年国际天文年(IYA2009)期间参与了与天文有关的活动,这是科学中最大的教育与公众推广事件。有超过148个国家的超过八亿人在国际天文年里参加了数千个与天文有关的活动(IAU,2010)。

 

5. 天文学和国际合作

对任何国家而言,科学和技术上的成就都会提供巨大的竞争优势。拥有最有效的新技术以及在获得新的科学发现上领先的国家都会因此而自豪。但或许更重要的是科学能将让不同的国家联合起来,鼓励相互之间的合作,并创造一种持续流动的模式让研究人员在全球范围内旅行以便在国际设施上开展研究工作。

天文学特别适合于国际合作,这是因为需要利用世界上不同地方的望远镜才可以观测到整个天空。天文学中最早的国际合作至少可追溯到1887年,当时来自世界各地的天文学家将他们用望远镜拍摄的图像汇总起来制作了第一幅全天天图。1920年国际天文学联合会也成为了国际上第一个科学方面的联合组织。

除了从地球上不同制高点观测天空的需求外,在地面和太空建造天文台是非常昂贵的。因此大多数现在和计划中的天文台都是由若干国家共同建设的。所有这些合作到目前为止都是和平的和成功的。其中一些最著名的合作包括:

·        欧洲南方天文台(ESO),由14个欧洲国家和巴西共建,位于智利。

·        由日本火箭发射美国的一台天文空间光谱仪。

·        在主要天文台上的合作,如美国宇航局(NASA)/欧洲航天局(ESA)合作的哈勃太空望远镜。

·        ALMA项目是欧洲、美国、加拿大、日本、台湾与智利全球合作的天文项目。

 

6. 天文学、人类和历史

甚至在书写历史开始之前,人类就对太空产生了兴趣。那时的人们靠观测天空来决定何时种植他们的农作物,帮助他们在广阔的海洋中导航,以及回答我们从何而来和我们如何达到这里的问题。

天文学研究开阔了我们的眼界,将我们引向这些问题的的答案,并让我们了解我们在宇宙中的位置。当哥白尼宣称地球不是宇宙的中心时触发了哥白尼革命,通过这次革命,宗教、科学和社会都不得不适应这种新的世界观。

天文学一直对我们的世界观都有重要影响。早期文化将天体认同为神并利用它们在天空中的运动来预言将要发生的事。我们现在把这称为占星术,在今天天文学确凿的事实和昂贵的仪器面前占星术已经消失很久了,但现代天文学中仍有这段历史的影子。以星座名称为例,仙女,希腊神话中被链子锁住的少女;或者英仙,救了这位少女的神。

天文学对我们世界观影响的一个最近的例子是发现我们自己是由与组成恒星相同的物质所组成的。我们在恒星及其周围的气体和尘埃中所发现的基本元素和组成我们身体的元素完全相同。这一我们和宇宙的联系牵动着我们的生活,它所激发的敬畏或许就是天文学为我们提供的美丽图像在今天的文化中如此受到欢迎的原因。

天文学中仍有很多没有被解答的问题。目前的研究正在试图理解类似“我们有多老”、“宇宙的命运如何”的问题,以及或许是最有趣的问题:“宇宙有多么独特,一个稍稍不同的宇宙是否能维持生命?”但天文学每天也在打破新纪录,不断发现最远的距离、最重的天体、最高的温度和最剧烈的爆发。

美国天文学家Carl Sagan在他的关于人类未来的书《浅蓝色的小点》中为我们展示了天文学种最简单、也是天文学对社会最鼓舞人心的贡献之一:

“有人说天文学是震撼人心和塑造品格的经历。或许没有什么能比这幅我们微小世界的遥远图像更好的展示出人类奇思异想的愚蠢。于我而言,它强调了我们的责任,要更加善待彼此,保护和珍惜这淡蓝色的小点,我们已知的唯一家园。”
 


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国家天文台FAST工程办公室整理 (摘录、链接内容的版权归原刊网站及作者)
2015-10-26