十三五天文学科发展战略研究报告.docx

国家自然科学基金“十三五”发展规划：天文学科领域战略研究报告学科发展战略学科战略地位天文学研究宇宙中各种不同尺度的天体，包括太阳和太阳系内天体、恒星及其行星系统、星系和星系团，乃至整个宇宙的起源、结构和演化。太阳和太阳活动对于地球环境和人类活动有决定性的影响。对其它行星的研究和地外生命的探索有助于理解生命的起源和演化，认知人类在宇宙中的地位。宇宙和生命的起源和演化是全人类共同关心的重大问题，不但具有重要的科学意义，而且对于人类的世界观也具有深刻的影响。因此天文学的成就是自然科学和人类文明的重要组成部分。先进的天文探测技术、天文仪器发展带来的技术进步、以及天文学的研究成果，广泛应用于导航、定位、航天、深空探测等领域，因此天文学研究对于国家经济建设和国家安全都有重要的意义。天文学是《国家中长期科学和技术发展规划》重点发展的六大基础学科之一，涉及作为八大科学前沿问题之一的“物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律”。宇宙中空间和时间尺度跨度达60个量级，能量尺度超过30个量级。宇宙间存在着地面实验室无法达到的超大尺度、超大质量、超高速、超高（低）密度、超高（低）温、超高压、超真空、超强引力和超强磁场等极端物理条件。对宇宙的研究必将大大丰富和深化人类对自然规律的认识，推动人类认识论和世界观的发展。天文学研究中发展的高灵敏度、高分辨探测技术为高分辨率对地观测系统，载人航天与探月工程等重大专项的实施提供技术支撑，是国家空天技术发展的组成部分。天文学可以分为五个研究领域：星系和宇宙学、恒星与银河系、太阳系与太阳系外行星系统、太阳物理、基本天文学。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。本报告将对这六个领域的发展分别进行研究和讨论。在天文技术方法领域，由于探测技术与观测波段密切相关，这一领域又按射电天文、光学红外、空间天文学三个方向分别讨论。天文学科基金资助针对不同尺度的各类天体的起源、结构和演化的科学研究。未来五年是中国天文学发展的一个关键时期。我们将第一次有自己的高能天体物理和暗物质探测卫星遨游太空，形成我国自己的空基天体物理观测能力；世界最大的口径射电望远镜（FAST）将投入运行，与郭守敬（LAMOST）光谱巡天望远镜一起，形成强大的地基观测能力，确保我国天文学和天体物理学的战略地位。学科发展规律与发展态势天文学的发展规律宇宙作为自然界天然的实验室，由于它时空的广延、对象的多样、条件的极端、系统的复杂和过程的激烈，从而使天文学成为新现象、新思想和新概念不竭的知识源泉。随着探测能力的进步，新发现不断涌现。近年来，暗能量和太阳系外行星等的发现，有力地刺激并推动了天文学自身及相关学科的发展。20世纪天文学研究取得了辉煌的成就，建立了两大理论框架：恒星的内部结构与演化理论，和宇宙大爆炸标准模型。这两大理论框架描述了作为自然界最大物质系统的宇宙的创生、演化和未来的命运，为一切物质包括基本粒子、和恒星、星系等天体的形成提供统一的科学图像，并在宇宙尺度上验证和极大地支持了作为其基础的广义相对论。天文学的这两方面的成就是相互补充的: 理论框架的建立，不是认识的终结，相反，它为新的科学发现提供向导，为更深刻地了解新发现确立了新的高度，推动新一代设备的研制。观测更多、更远、更暗的天体和天体中更精细的结构，以了解宇宙和天体的发生和发展规律。在各国政府和民间的支持下，人类不断建造的新的天文仪器全面拓展了人类的视野，使人类能够在全电磁波波段，包括射电、红外、可见光、紫外、X射线和伽玛射线的所有波段，具有更高灵敏度、更高角分辨率、全天巡天和全时间观测的能力。最近几年，中微子和宇宙射线天文学更是打开了观测宇宙的新窗口；引力波望远镜也在建造之中，将使人类能够全面观测宇宙。这些新的天文望远镜和天文观测仪器所带来的新的观测能力，使天文学家不断发现新类型的天体和发现新的天文现象。在天文观测的基础上，天文学家利用大规模数值模拟计算、数据分析和理论研究进一步理解发现的天文现象，探索新的天文学、天体物理和基本物理规律；而新的理论又向天文观测提出更深层次的观测要求，由此推进新一代观测设备和方法的发展。因此近代天文学的发展主要是由一系列新的天文发现和对天文发现的定量理解组成的。天文学的发展态势当代天文学发展的最显著特点是观测手段的迅速发展和全波段研究的开拓。十多年来一系列大型的先进设备相继投入使用，包括口径10米级的光学望远镜、口径2.4米的哈勃空间望远镜、高灵敏和高空间分辨率的空间紫外、红外、X射线和γ射线望远镜、地面和空间长基线射电望远镜等。这些设备的使用使各波段的空间分辨率和探测能力都有量级的提高，从而使各波段的观测资料第一次得到匹配，开创了天文学全波段研究的崭新纪元。在探测分析手段和能力方面，当前国际上天文学的发展重点是：(1) 追求更高的空间、时间和光