南京大学天文与空间科学学院本科人才培养创新举措

阐述了南京大学天文与空间科学学院在施行"三三制"本科教学改革以来,依托教育部实施的"基础学科拔尖学生培养试验计划",结合学科特色,逐步形成的一套独特的、适合天文与空间科学学科特点的本科人才培养模式.该模式重视学生的个性特征和多元化发展需求,强调通识教育,突出了对国际视野和创新能力的培养.

中国科学技术大学-中国科学院紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜(墨子巡天望远镜)

中国科学技术大学-中国科学院紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜(即墨子巡天望远镜,WFST)是中国科学技术大学“双一流”学科平台建设项目,双方于2018年3月1日召开望远镜项目预研启动会,2019年7月正式开展望远镜建设,2023年8月望远镜建成并开展调试观测,2023年9月17日望远镜首光仪式暨科学战略研讨会召开,并成功发布仙女座星系图片,标志着望远镜设备基本达到设计标准,已经可以开展天文观测研究。墨子巡天望远镜口径2.5米,采用国际先进的主焦光学系统设计和主镜主动光学矫正技术,可实现3度视场范围内均匀高像质和极低像场畸变成像,配备7.65亿像素大靶面主焦相机,具备大视场、高像质、宽波段的特点。墨子巡天望远镜安置于青海省海西州茫崖市冷湖镇赛什腾山海拔4200米的天文台址,是冷湖天文观测基地首个投入运行并开展天文观测研究的大型设备。墨子巡天望远镜通过获取天体高精度位置和多波段亮度观测数据,监测移动天体和光变天体,高效搜寻和监测天文动态事件,可以在高能时域天文、太阳系天体普查、银河系结构和近场宇宙学等研究领域取得突破性原始创新成果。同时,墨子巡天望远镜将面向国家航天强国战略,开展太阳系近地天体等搜寻与监测研究,服务航天安全和深空探测战略需求。

吉林天文观测基地光学观测环境及相关研究进展

地基光学天文望远镜是人类探索与研究宇宙的重要手段,对已有地基光学台址的光学观测环境进行监测分析,可以为后期设备针对性改造以及观测者调整观测策略提供参考依据,对提升地基光学设备的观测效能具有重要的意义.吉林天文观测基地(简称“基地”)隶属于中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站,位于吉林省吉林市大绥河镇小绥河村南沟约5 km处(东经126.3°,北纬43.8°,海拔高度313m).基地大气视宁度均值范围约为1.3″-1.4″、天顶附近V波段的天光背景亮度为20.64mag·arcsec^(-2)、年晴夜数最高可达270余天,具有良好的天文观测条件.吉林天文观测基地于2016年投入运行,现有1.2m光电望远镜、迷你光电阵列望远镜、大视场光电望远镜阵列、新型多功能阵列结构光电探测平台等多台(套)光电望远镜设备.利用上述设备,主要围绕空间目标探测与识别、精密轨道确定、光电探测新方法以及变源天体的多色测光等开展相关研究工作,与多家国内高校及科研院所保持着良好的合作关系.

空间系外行星探测与研究进展

系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科.其主要研究内容和目标包括,通过发展各种探测技术探测太阳系外行星,分析行星轨道、成分、大气性质,评估行星的宜居性,统计行星的分布规律,从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制.系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义.随着21世纪空间探测技术的发展,系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段.本文分析了系外行星研究领域的发展态势,凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,以推进系外行星研究的快速稳步发展.

近邻宜居行星巡天计划:利用空间天体测量法寻找下一个“地球”

近邻宜居行星巡天计划(Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES)采用空间微角秒级别的高精度天体测量技术,普查太阳系近邻(10 pc内)约100颗FGK等类型恒星,探测宜居带类地行星或超级地球;详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息,这将是国际上首次近邻宜居带类地行星的空间探测任务.CHES的有效载荷是一台口径为1.2 m,视场为0.44°×0.44°,焦距为36 m的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜,采用同轴三反TMA光学成像系统.为实现宜居带类地行星探测,CHES任务中的测量精度为1μas,是目前国际测量精度最高的空间探测项目.在空间科学先导专项背景型号项目的支持下,CHES团队深入凝练和论证科学目标,成功突破了三项关键技术难题:实现了畸变大视场高像质空间望远镜光学系统技术的重要突破;突破了10–5 pixel级别星间距测量技术;实现了卫星系统高稳定度姿态控制精度及热控精度的创新.CHES预计发现50颗类地行星,引领中国空间科学探测技术的跨越式发展.

【导读】中国现代天文学摇篮

中国科学院紫金山天文台前身是成立于1928年的国立中央研究院天文研究所,1950年更为现名,是我国自主建立的第一个现代天文学研究机构。紫金山天文台的建成标志着中国现代天文学研究的开始,被誉为“中国现代天文学摇篮”。从1913年高鲁先生下决心建造一座中国人自己的现代化天文台,到1934年余青松先生在紫金山上的天堡峰实现高鲁先生的宏愿,再到新中国成立后张钰哲先生站在中国天文事业全局发展的高度制定规划并推动形成了当前中国科学院和部分高校天文研究机构以及部分天文科普教育基地的分布格局,一代又一代紫金山天文台科技工作者严谨求实,勤奋开拓,不辱使命,为我国天文学事业的发展,为国家经济建设和航天事业的腾飞做出了重要的积极贡献。

科普级望远镜的天文观测与科学研究

采用科普级小望远镜Sky-Watcher 150PDS并配置了业余级的ZWO ASI120MM-S互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)相机进行天文观测测试,以探讨科普设备进行专业天文观测和科学研究的可行性。首先测试了CMOS相机的基本性能和参数曲线,测试结果满足专业天文观测的基本要求。随后,在国家天文台兴隆观测基地,将CMOS相机安装在科普望远镜上进行基本的天文观测测试。观测了疏散星团M35、短周期变星V*V2455Cyg,并获得了相应的测光辅助图像(本底、平场等)。经过专业天文图像预处理方法处理后,对目标源进行天体测量定标、天体光度测量和流量定标,并给出了测光结果、光变曲线和简单的周期分析。将测光结果与已知星表对比,得到的测光精度优于0.02 mag,并得到较差测光精度约为0.005 mag。测试结果说明科普级望远镜与CMOS相机具备进行天文科学观测与研究的能力,这意味着中小学生和天文爱好者也有机会加入天文科学观测和研究中。

小型激光天文动力学空间计划概念

小型激光天文动力学空间计划是 :使用在太阳轨道上无拖曳航天器和地面站以激光干涉和脉冲测距的方法 ,精确地探讨天文动力学 ,检测相对论与时空基本定律 ,改进探测引力波的灵敏度以及更准确地测定太阳、行星和小行星的参数。 1 969年开始的月球激光 (反射 )测距 ,对地球物理、参考坐标的选定、相对论的检验均有重要的贡献。 3 0年来 ,激光技术的长足进步 ,使现在正是适合于开始进行研究空间有源 (主动 )测距和光波空间通讯的时候。激光天文动力学的兴起是必然的趋势 ,其精确度将比现在提高 3到 6个数量级 ,将是天文动力学革命性的发展。小型激光天文动力学空间计划可以起到带头作用。它的关键技术有三 ,即 :弱光锁相、极精确无拖曳航天和高衰减日冕仪。弱光锁相已有长足的进步。对高衰减日冕仪的研究 ,也有了初步的方案。LISA空间计划将于 2 0 0 6年 8月发射SMART -2 ,研究测试极精确无拖曳航天。小型激光天文动力学空间计划的关键技术已日趋成熟。在第一届国际激光天文动力学研讨会 ( 2 0 0 1 ,9.1 3 -2 3 )中介绍了各相关学科背景及前沿研究 ,讨论了激光天文动力学空间计划科学目标及相关技术 ,并召开了两次小型激光天文动力学空间计划预研究筹备会 ,建立了和欧洲的合作关系。会后着手进行此项对基础?

基于角度转化的空间碎片测角数据精密定轨方法

空间碎片对在轨卫星的影响日益增大,持续确定和更新空间碎片轨道日益受到重视。基于角度转化思想,提出了一种空间碎片测角数据精密定轨方法。基于常用的两行根数(TLE)数据应用需求,根据差分思想建立基于SGP4/SDP4预报模型的TLE精密定轨方法;以赤经-赤纬数据为典型场景,分析原始定义法、赤经投影法的优缺点;提出将常规双元素角度资料转化为三元素角度资料的角度转化法。仿真结果表明:当观测数据较多集中于测站天顶方向时,角度转化法能够将精密定轨收敛速度提高25%,轨道精度提高2~10倍。

中外大学天文学教材评述

大学天文学是高校天文学专业最重要的专业基础课程,主要讲授天文学的基础知识和发展全貌,具有覆盖面广、知识点多的特点.教材的质量对于帮助学生理解天文学的基本原理和方法、提高学术水平和科学素养起到关键作用.对于非天文学专业的学生和天文爱好者,天文学教材也是拓展科学知识和认知宇宙的重要途径.我国的大学天文学教材建设与欧美发达国家相比在数量和质量上还有不小差距.梳理了国内外较有代表性的大学天文学教材,评述其特色、优势和有待改进之处,比较中外教材在内容和写法上的异同.通过分析国外优秀教材的编著理念、方法和技巧,为我国未来天文学教材建设提供参考建议.

空间太阳物理学科发展战略研究

太阳物理学是研究太阳上发生的物理过程及其对行星际空间环境影响的学科。太阳是人类唯一可以进行细致探测的恒星,也是天然的多尺度过程并存的等离子体实验室,同时,太阳活动直接影响日地空间环境和人类地球家园的宜居性,剧烈的太阳活动如耀斑和日冕物质抛射还会影响人类的航天航空、通信导航、电网等高技术活动与设施。因此对太阳物理的研究不仅是理解浩瀚宇宙的基石,也是理解日地联系和行星宜居性的基础,同时还是国家在航天和空间安全领域的战略需求。21世纪以来,随着卫星探测技术发展,太阳物理学进入了全新的发展阶段。本文梳理了近年来太阳物理学在空间探测中的发展态势,凝练中国太阳物理学未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,推进太阳物理的高质量发展。

高灵敏度太赫兹探测模块氮化铌超导SIS混频器空间环境适应性研究

高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module,HSTDM)是中国巡天望远镜的科学载荷之一。HSTDM是一台工作频段为410~510 GHz的高灵敏度高频率分辨率的外差混频接收机,其核心是工作在10 K温区的氮化铌(NbN)基超导隧道结(Superconductor-Insulator–Superconductor,SIS)混频器。HSTDM将首次实现氮化铌(NbN)基超导SIS混频器的空间应用。NbN基超导SIS混频器应适应空间环境的特殊要求,如高可靠性,对振动、宇宙辐照和热变化的适应性。对NbN基超导SIS混频器进行的鉴定试验测试,包括正弦振动试验、随机振动试验、单粒子辐照试验、总剂量辐照试验和热循环试验。研究结果表明氮化铌(NbN)基超导SIS混频器能够满足HSTDM的空间应用需求。

天文大科学装置冷湖台址监测与先导科学研究——时域天文先导科学研究进展

时域天文近年来发展迅速,已成为天文学和相关物理研究的重大突破方向,而时域天文的发展需要高性能的时域天文观测设备,以及能发挥设备观测能力的优质天文台址。2019年6月,青海省科技厅启动了重大科技专项“天文大科学装置冷湖台址监测与先导科学研究”,专项针对青海冷湖优良的天文观测条件及未来将落户冷湖的大型天文观测设备的观测能力,利用现有的天文观测设施开展了一系列时域天文先导科学研究。研究内容包括光学时域天文的观测研究,如光学时域天文的观测策略和基于深度学习的暂现源数据处理系统搭建,并利用姚安光电阵列CHES和南极巡天望远镜AST3-Ⅲ等设备进行时域天文观测。先导研究还包括围绕大视场巡天望远镜WFST开展的一系列前期研究,如WFST暂现源观测管线系统和数据处理系统的搭建,WFST对暂现源观测的预研,利用WFST开展星系形成和演化的预研,以及中子星、黑洞、引力波等的理论预研等。

基于SGP4模型的空间站跟踪算法

中国空间站天和核心舱的成功发射标志着我国空间站在轨组装建设进入全面实施阶段。空间站入轨运行后,实现地面站对空间站的跟踪观测是获取科学数据的前提。本文根据空间站TLE轨道参数,基于现有的简化常规摄动(SGP4)模型,研究地面观测站地平式设备观测空间站的跟踪角度的计算算法;根据研究方法计算西安站观测空间站的跟踪角度,并与利用STK软件的计算结果进行对比,发现两者差值小于0.001°,证明了该算法的正确性;在此基础上,进一步研究TLE轨道参数的有效预报时长,为地面站观测空间站等低轨目标提供支持。

空间走离对量子光学频率梳压缩特性的影响

量子光学频率梳在量子计算、量子信息以及高精度量子测量等领域都有重要的价值,同步泵浦光学参量振荡器是制备量子光频梳最主要的手段.本文采用中心波长为815 nm、脉冲宽度为130 fs的锁模飞秒脉冲激光二次谐波泵浦Ⅰ类共线BiB_(3)O_(6)晶体以制备真空压缩态量子光频梳,给出了同步泵浦光学参量振荡器中空间走离效应对获得量子光频梳压缩度的影响.研究表明,随着晶体长度的增加,压缩度的增长会受到空间走离效应限制,经计算在晶体长度为1.49 mm时压缩达到最大.在此基础上,本文实验研究了在四种晶体长度下获得的真空压缩态量子光频梳的压缩特性,当BiB_(3)O_(6)长度为1.5 mm时获得了(3.6±0.2)dB的最大真空压缩,考虑损耗后为(7.0±0.2)dB,实验结果与理论分析相符.该研究揭示了飞秒脉冲光在非线性晶体中存在的空间走离效应是影响量子光频梳压缩特性的重要因素,为优化量子光频梳的实验测量提供了指导.

大型仪器设备开放共享工作“模范生”——大型天文望远镜的建设与开放共享

该文对大型天文望远镜的主要建设和运行环节进行梳理,并与大型仪器设备开放共享的要求比对发现,大型天文望远镜在学科领域上具有开放共享的共识。首先,建设单位基于科学设想制定设计方案,经专家论证后科学确定台址;其次,由出资部门严格把关资金预算;然后,由研制单位进行望远镜的设计、生产、装调和集成;最后,由建设单位负责运行维护并对观测数据进行开放共享。多单位密切配合、严格管理、共建共享的模式,是精准定位科研需求、优化资源配置的开放共享模式,有利于推动科研创新、人才培养质量和技术进步。大型天文望远镜鲜明的开放共享特色和示范性,是开放共享工作“模范生”。

超导SIS混频器空间应用发射锁定机构热胀特性测量研究

高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module,HSTDM)是中国空间巡天望远镜--巡天光学设施的后端模块之一,其核心探测器采用可工作于10K温区的氮化铌超导SIS(Superconductor Insulator Superconductor)混频器.超导SIS混频前端的锁定机构在力学和热学方面需相应的特殊设计,以应对发射阶段的力学振动以及工作运行阶段的隔热要求.为了确认在80K温区锁定机构与混频器前端有效分离,针对超导SIS混频前端发射锁定机构所用特氟龙材料热胀特性,开展基于低温LVDT(Linear Variable Differential Transformer)测量和标记划痕法测量以及两种测量方法交叉验证.LVDT实验测量结果表明特氟龙材料收缩率随温度变化与理论模型基本一致,在80K测得材料收缩率为1.86%.据此分析,超导SIS混频前端锁定机构在\lk 80K温度下可与10K冷级的超导SIS混频前端实现有效分离.

空间碎片轨道预报中动力学模型基准的选取

在不同的轨道预报场景中,使用的动力学模型也不同.例如,在低轨空间碎片的预报中大气阻力是十分重要的摄动力,而到了中高轨,大气阻力就可以忽略不计.如何为不同轨道类型的空间碎片选择最优(满足精度要求下的最简)动力学模型还没有系统、详尽的研究.将对不同精度需求、不同轨道类型下的大批量轨道进行预报,通过比较不同动力学模型下的预报结果,给出各种预报场景的最优动力学模型建议.可以为不同轨道类型的空间碎片在轨道预报时选择基准动力学模型提供参考或标准.

宇宙线研究相关的伽马射线天文

宇宙线是星际介质中最重要的成分之一,然而其起源至今成谜。宇宙线在星际湍动磁场中的扩散在很大程度上抹去了宇宙线加速源的分布信息。而宇宙线扩散过程的能量相关性又改变了宇宙线的初始能谱。因此,伽马射线,作为宇宙线与星际介质中气体和光子相互作用产生的次级产物,能提供更多的关于宇宙线起源的信息。更具体的,与气体分布成协的弥散伽马射线可用来研究宇宙线的分布,而离散的伽马射线源能用来研究单独的宇宙线加速源。本文介绍了该领域的现状和未来前景。

基于最优控制理论的国产光抽运小铯钟频率控制算法

原子钟频率控制是时间保持工作中的关键技术.当前守时工作中的频率控制主要针对国外微波钟采用开环控制算法,但由于国产光抽运小铯钟(下称国产钟)的工作原理和性能不同于国外同类型原子钟,因此该算法不能很好适应国产钟.为了提升我国标准时间的自主性和安全性,本文基于国产钟的噪声特性,在最优控制理论的框架下研究了线性二次高斯控制算法,该算法属于闭环控制算法,从同步时间、频率控制准确度和频率控制稳定度方面研究国产钟性能,最后分析了不同控制间隔对国产钟性能的影响.结果表明随着二次损失函数中约束矩阵W_(R)的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高.W_(R)相同情况下,随着控制间隔的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高,对于W_(R)=1时,控制间隔为1 h的同步时间为5小时,控制准确度为1.83 ns,1 h的Allan偏差为1.81×10^(-13);控制间隔为8 h的同步时间为28 h,控制准确度为4.48 ns,1 h的Allan偏差为1.48×10^(-13).控制国产光抽运小铯钟的中长期稳定度都得到提高.