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“时代楷模”天眼巨匠南仁东塑像落成暨“南仁东星”命名仪式举行
10月15日， “时代楷模”天眼巨匠南仁东塑像落成暨“南仁东星”命名仪式在贵州省平塘县500米口径球面射电望远镜（简称FAST ）现场举行。中科院国家天文台副台长郝晋新在仪式上宣读了“南仁东星”国际命名公报： 2018年9月25日，经国际天文学联合会小天体命名委员会批准，中科院国家天文台于1998年9月25日发现的国际永久编号为“ 79694 ”的小行星被正式命名为“南仁东星” 。国家天文台在具有发现权和命名权的小行星中，选取79694号小行星命名为“南仁东星” ，有三层寓意：首先，这颗小行星发现于1998年9月25日，是FAST落成启用日期的整18年前。 10月15日，“时代楷模”天眼巨匠南仁东塑像落成暨“南仁东星”命名仪式在贵州省平塘县500米口径球面射电望远镜（简称FAST）现场举行。
南仁东是我国著名天文学家，是国家重大科技基础设施项目——“中国天眼”FAST的发起者和奠基人。他20多年矢志追求、呕心沥血，奋斗至生命的最后一刻，为我国天文科学事业的发展做出了重要贡献。2017年9月，南仁东因病逝世。2017年11月，中宣部追授南仁东“时代楷模”荣誉称号。
“时代楷模”天眼巨匠南仁东塑像落成暨“南仁东星”命名仪式由中宣部宣教局、中科院科学传播局、贵州省委宣传部、中科院国家天文台共同主办。仪式上，与会领导共同为南仁东先生的塑像揭幕，该塑像由中国美术馆馆长吴为山创作完成，着重表现了南仁东全神贯注、专心致志探讨科学问题的一个瞬间。中科院科学传播局局长周德进为吴为山颁发了塑像捐赠证书。
中科院国家天文台副台长郝晋新在仪式上宣读了“南仁东星”国际命名公报：2018年9月25日，经国际天文学联合会小天体命名委员会批准，中科院国家天文台于1998年9月25日发现的国际永久编号为“79694”的小行星被正式命名为“南仁东星”。FAST工程经理严俊向南仁东先生同事代表颁授了小行星命名公报、证书及轨道运行图。
小行星命名是一项国际性的、永久性的崇高荣誉。国家天文台在具有发现权和命名权的小行星中，选取79694号小行星命名为“南仁东星”，有三层寓意：首先，这颗小行星发现于1998年9月25日，是FAST落成启用日期的整18年前；其次，国际永久编号“79694”中的“94”代表从1994年选址预研开始，至2016年FAST落成启用，南仁东先生22年的坚持不懈；最后，国际天文学联合会正式命名这颗小行星的日期为2018年9月25日，是FAST落成启用2周年，也是这颗小行星发现20周年的日子。
中宣部、中科院、中国美术馆、省委宣传部、省科技厅、省文联、黔南州等有关领导及负责同志出席活动。
仪式由国家天文台副台长郝晋新主持
各单位领导为塑像揭幕
FAST工程经理严俊向南仁东同事代表颁发小行星命名证书
2018-10-16
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人类命运共同体的“星”征程天文论坛今日开幕
人类共处一颗美丽的星球，是相互依存、休戚与共的命运共同体。9月18日，由中国科学院国家天文台承办的“人类命运共同体的‘星’征程”专题论坛在国家会议中心报告厅举行。本次论坛吸引了来自海内外的七位知名科学家共聚一堂，探讨天文与人类未来的发展，共话科技创新与科学传播的伟大力量。来自国家天文台及全国各地的天文爱好者共计450余人参加了本次论坛。当天的论坛也开通了网络直播功能，共有163万人在线观看了论坛实况。随着人类对宇宙认识的深入，我们对宇宙进行探索的方式，越来越趋向于集结全人类智慧共同继续推进和完成。各个国家、各个民族，生活在同一个地球之上，同一片星空之下，都在宇宙星征程中，同呼吸共命运。 人类共处一颗美丽的星球，是相互依存、休戚与共的命运共同体。9月18日，由中国科学院国家天文台承办的“人类命运共同体的‘星’征程”专题论坛在国家会议中心报告厅举行。本次论坛吸引了来自海内外的七位知名科学家共聚一堂，探讨天文与人类未来的发展，共话科技创新与科学传播的伟大力量。来自国家天文台及全国各地的天文爱好者共计450余人参加了本次论坛。当天的论坛也开通了网络直播功能，共有163万人在线观看了论坛实况。
小到微观原子，大到无边宇宙，人类对奇妙世界的探索塑造着我们的未来，改变着我们的世界。论坛以中国科学院院士、中国科学院原副院长王恩哥的演讲“从原子到宇宙”为开篇，展示了人类在塑造现代社会的过程中，科技发展及科学素养的关键作用。中国科学院院士、“嫦娥工程”首任首席科学家欧阳自远则从我们身处的地球和近地小天体讲起，探讨了小天体撞击地球的“祸”与“福”。美国科学院院士、美国国家科学奖获得者桑德拉·费伯从天文观测者角度讨论了地球的未来在哪里，让我们对宇宙未来的思索从想象变成了现实。而除了地球以外，宇宙中是否还存在着其他生命？星际移民能否实现？美国知名华裔天文学家林潮关于系外行星探索与地外生命话题的演讲，令现场天文迷的热情达到最高潮。
此外，英国皇家科学院院士卡洛斯·弗伦克展示了基于现代高性能计算机数值模拟，科学家如何改变“看”宇宙的方式。美国艺术与科学院院士、国际天文联合会前任主席罗伯特·威廉姆斯则讨论了面对同一个宇宙，人类需要携起手来，一起探索未知、抵御危险。中国科学院院士陈建生以天文学与人类命运共同体的演讲压轴出场，向观众阐述了在人类共同的未来面前，在探索宇宙的共同目标面前，国际合作的重要意义。
最后，七位嘉宾还进行了圆桌讨论环节，对公众关注的天文话题展开了一系列思想碰撞和智慧交锋，为观众献上一堂精彩纷呈的科学大课。
随着人类对宇宙认识的深入，我们对宇宙进行探索的方式，越来越趋向于集结全人类智慧共同继续推进和完成。科技创新与科学素养的提升，是全人类的共同事业。各个国家、各个民族，生活在同一个地球之上，同一片星空之下，都在宇宙星征程中，同呼吸共命运。
七位海内外知名院士进行演讲
圆桌讨论环节
现场提问环节
2018-09-18
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我国驻奥地利大使李晓驷莅临IAU大会中国展台看望叶叔华院士和中国代表团
国际天文学联合会（ IAU ）第30届大会于2018年8月20日至31日在奥地利首都维也纳召开，为继2012年在北京、 2015年在夏威夷之后，又一次国际天文学界的盛会。中国科学院国家天文台受中国天文学会的委托，负责本次IAU大会上中国天文学会的展览展示工作，对我国近年来取得的天文学成就进行宣传，并促进和提升我国天文学界的学术交流和国际合作。中国天文学会共有中科院国家天文台、紫金山天文台、上海天文台、云南天文台、新疆天文台、南京天文光学技术研究所、高能物理研究所粒子天体物理中心，以及南京大学天文与空间科学学院、清华大学天体物理中心等九家会员单位报名组团参展，由国家天文台统一承办。部分参会中国代表在中国天文学会展台合影。 国际天文学联合会（IAU）第30届大会于2018年8月20日至31日在奥地利首都维也纳召开，为继2012年在北京、2015年在夏威夷之后，又一次国际天文学界的盛会。中国科学院国家天文台受中国天文学会的委托，负责本次IAU大会上中国天文学会的展览展示工作，对我国近年来取得的天文学成就进行宣传，并促进和提升我国天文学界的学术交流和国际合作。
8月22日，我国驻奥地利大使李晓驷先生亲临IAU大会中国展台看望参会的叶叔华院士和中国代表团。国家天文台党委书记赵刚、副台长薛随建及中国代表团部分人员在展台与李大使进行了会谈。现任IAU主席Silvia Torres-Peimbert、秘书长Piero Benvenuti、副主席刘晓为，以及此次大会地方组委会主席Gehard Hensler、IAU前主席Bob Williams出席会谈，使馆科技参赞杨少军、秘书李刚陪同大使参加上述活动。
李大使对叶院士来奥参会表示慰问，对中国代表团表示欢迎，对中国天文学届近年来取得的成就表示赞赏，对“中国天眼”FAST、LAMOST、悟空、慧眼、天马、QTT等已建成及拟建的前沿天文观测设备表示肯定和期望。
IAU大会是国际天文学联合会每三年举办一次的盛会，本届大会共有来自八十多个国家和地区的三千多位天文学家参会，并有多家相关单位布设展台。中国天文学会共有中科院国家天文台、紫金山天文台、上海天文台、云南天文台、新疆天文台、南京天文光学技术研究所、高能物理研究所粒子天体物理中心，以及南京大学天文与空间科学学院、清华大学天体物理中心等九家会员单位报名组团参展，由国家天文台统一承办。有来自全国各科研院所和大学的上百位天文学家参会交流。
李菂研究员向李大使介绍FAST望远镜
赵刚向李大使介绍本次中国天文学会参展情况和中国天文学家参会交流情况
参加会谈人员合影
部分参会中国代表在中国天文学会展台合影
2018-08-23
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国家天文台利用LAMOST发现宇宙中锂丰度最高恒星
北京时间8月7日凌晨，国际科学期刊《自然·天文》 （ Nature Astronomy ）在线发布我国天文学家的一项重大发现，以中国科学院国家天文台为首的科研团队依托大科学装置郭守敬望远镜（ LAMOST ）发现一颗奇特天体，它的锂元素含量约是同类天体的3000倍。这是目前人类已知锂元素丰度最高的恒星。他们发现这颗恒星的锂元素很可能来自恒星内部的一种特殊的物质交换过程，并结合美国自动行星搜寻者望远镜（ APF ）的高分辨率光谱和中国原子能科学研究院最新的原子数据，通过模拟再现其内部经历的变化，从而对这颗恒星的锂元素丰度给出合理的解释。图片来源： NASA Goddard Space Flight Center。 北京时间8月7日凌晨，国际科学期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在线发布我国天文学家的一项重大发现，以中国科学院国家天文台为首的科研团队依托大科学装置郭守敬望远镜（LAMOST）发现一颗奇特天体，它的锂元素含量约是同类天体的3000倍，这是目前人类已知锂元素丰度最高的恒星。
锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素，一直以来它在宇宙和恒星中的演化都是天文领域的重要课题，然而当代天文学对锂元素的理解还具有很大局限性。富含锂元素的巨星十分稀有，但在揭示锂元素起源和演化上却具有重要意义。遗憾的是，过去三十余年天文学家只发现极少量此类天体。
随着LAMOST落成和巡天计划的开展，其海量恒星光谱观测能力在天文基础研究中逐渐发力，在此次科学发现中发挥至关重要的作用。这颗新发现的富锂恒星来自于银河系中心附近的蛇夫座方向，位于银河系盘面以北，距离地球约4500光年。国家天文台闫宏亮博士、赵刚研究员和施建荣研究员等人在取得这一重要发现的同时，与来自中国原子能科学研究院、北京师范大学等院所高校的科学家合作，对这颗奇特恒星开展深入研究。他们发现这颗恒星的锂元素很可能来自恒星内部的一种特殊的物质交换过程，并结合美国自动行星搜寻者望远镜（APF）的高分辨率光谱和中国原子能科学研究院最新的原子数据，通过模拟再现其内部经历的变化，从而对这颗恒星的锂元素丰度给出合理的解释。
这一发现改变了人类对天体中锂元素的认知，将国际上锂含量观测极限提高一倍。同时，这项研究在理论上对锂元素合成和现有恒星演化理论提出了独树一帜的新观点。这一成果是我国大型科学装置在前沿基础学科取得突破性进展的又一实例，也是基础研究领域跨学科深入推进合作研究的一次成功尝试。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-018-0544-7。
LAMOST发现富锂巨星示意图（绘图：《中国国家天文》）
图中巨大火球是这颗恒星的示意图，它从白色圆形区域的星场中被发现。左下角展示这颗恒星由LAMOST所拍摄的光谱。背景是这颗恒星附近区域的真实银河照片。
富锂巨星与太阳对比的想象图。
图片来源：NASA Goddard Space Flight Center
2018-08-07
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爱因斯坦探针：宇宙天体爆发的捕手
1962年6月18日黄昏，位处沙漠之中的美国新墨西哥州白沙导弹测试场，被炙烤一天的热气开始慢慢散去。自从伦琴在20世纪初发现X射线以来，到20世纪60年代，人类对于X射线已经非常熟悉，知道它是我们熟知电磁波谱上的一个组成部分，但是光子的能量更高，在一些极端的条件可能产生。目前在轨运行的X射线大视场监测设备有美国宇航局的Swift/BAT （ “雨燕”卫星的爆发警报望远镜）和日本宇航局搭载在国际空间站上的MAXI全天X射线监视器。从现在起的几年之后，我们将迎来EP卫星和其他一些X射线卫星的发射。相信在不远的未来，我们也会成为X射线天文研究的强国。 X射线天文学的兴起
1962年6月18日黄昏，位处沙漠之中的美国新墨西哥州白沙导弹测试场，被炙烤一天的热气开始慢慢散去。这里的沙粒以洁白胜雪而著称于世，这个地方也因此得名白沙。几顶帐篷和设备零星散落在一眼望不到头的沙漠之中，偶有人员进出，在不远处也竖立着一个小型火箭。
当最后一缕夕阳洒在沙漠之上，折闪着亮光，很是漂亮，然而远处忙碌的人们无暇欣赏这时的美景。他们是AS&E公司的科学家贾科尼领导的团队，在这忙碌了好几天，在做着最后的检查。
再过几个小时，一个小型的探空科研火箭将再次从这里发射，他们希望能够观测到月球表面被太阳风粒子击打所产生的X射线。
图1：白沙的夕阳（来源：Keith Carver/Flickr）
自从伦琴在20世纪初发现X射线以来，到20世纪60年代，人类对于X射线已经非常熟悉，知道它是我们熟知电磁波谱上的一个组成部分，但是光子的能量更高，在一些极端的条件可能产生。
当时的科学家根据之前的射电和光学观测结果，猜测太阳和月亮应该最可能产生很强的X射线辐射。不过因为大气气体对于X射线的吸收，观测只能在大气之外进行。
图2：地球大气层的电磁波透过率（来源：维基百科）
在贾科尼团队实验之前，已有好几个团队试图探测来自于除太阳之外的天体的X射线辐射，不过均已告负。为此，贾科尼团队对探测设备的灵敏度做了很大改进。
在大约半年多之前，贾科尼团队就已经尝试发射了一次探空火箭。那一次，他们有点不太走运。尽管火箭发射成功，但是探测器前面的遮挡盖没能及时打开，结果是没能进行任何观测。这次，他们必须仔细检查，避免重蹈覆辙。并且他们在这个火箭上装了三个不同的探测器，以此来提高成功观测的可靠性。
就在午夜来临的前一分钟，随着“点火”成功，火箭呼啸着离开白沙基地，向着黑暗的宇宙深空飞去。看着火箭离开地面慢慢变小，此次任务的负责人贾科尼心中充满了期待，他多么希望此次探测器能够顺利打开，更期待能够看到来自月球的荧光反射，如果之前的理论模型正确，那么这次应该能够成功，这将是人类第一次探测到来自宇宙天体源的X射线。
火箭到达了200多公里的高度，在高空飞行了短暂的5分钟后落回了地面。根据第二天找到的火箭残骸来看，观测还算顺利，三个探测器中的两个打开了。
在之后的结果分析中发现，整个探测过程持续了大约300多秒，令他们失望的是在观测的结果中并没有看到来自于月亮方向上的X射线。但出乎意料地却在其它方向上探测到了异常明亮的X射线信号，此信号位于天蝎座当中，因此被命名为Sco X-1。为了确认此信号不是其他虚假信号，贾科尼团队花了整整三个月的时间，终于排除了其他可能性，确认这是一个来自于宇宙的X射线源。X射线天文学正因这一发现而被开启。
在他们公布这一结果之后，众多科学家为之兴奋。因为他们知道，一扇观测宇宙的新窗口被打开。自此之后，科学家们在发射探空科研火箭的同时，也开始尝试着制造专门的空间望远镜，这样可以进行更长时间的观测，X射线天文学得到了极大发展。
图3：钱德拉X射线卫星（来源：维基百科）
截止目前，从最早的贾科尼领导的“乌呼鲁”卫星到目前最具代表性的钱德拉X射线卫星，X射线望远镜已经经历了好几代的发展，望远镜越做越大，也越来越灵敏，发现的宇宙天体越来越多。
X射线天文学的研究从起初传统的单个宇宙天体的图像和能谱性质研究（如图4所示的银河系中心的X射线拼接图），逐步向众多天体随时间演化的方向转变，后者就是当下非常热门的“时域天文学”。
图4：银河系中心的X射线拼接图（来源：ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al.）
新时代的研究热点：时域天文学
时域天文学的主要研究对象是暂现源和剧烈爆发天体，它们也是宇宙中壮观而神秘的自然现象。
什么是暂现源和剧烈爆发天体呢？暂现源是指在短时间内出现，然后很快消失的天体。剧烈爆发天体则是指亮度在短时间内突然出现数量级式增长的天体。这两种天文现象主要源自两类天体物理过程。一是天体自身的突变过程，比如恒星的塌缩、黑洞或中子星之间的并合，典型天体为超新星、伽马射线暴（图5）等。
图5：伽玛射线爆（来源：NASA/Swift/Cruz deWilde）
另一类产生于极端物理环境，比如黑洞和中子星周围的超强引力场及磁场，典型天体为X射线双星、活动星系核、黑洞潮汐瓦解事件（图6）等。
图6：黑洞潮汐瓦解事件（来源: ESA/C. Carreau）
由于这类突发性事件在时间和空间上都很难预测，为了达到及时捕获信号的目标，就需要大视场的望远镜进行高频率的全天监测。
暂现源和剧烈爆发天体的辐射普遍能在X射线波段被探测到。目前在轨运行的X射线大视场监测设备有美国宇航局的Swift/BAT（“雨燕”卫星的爆发警报望远镜）和日本宇航局搭载在国际空间站上的MAXI全天X射线监视器。这些设备（包括之前RXTE卫星上的ASM全天监视器）都工作在中等和硬X射线波段，而在软X射线波段(光子能量小于2 keV)尚未有很好的全天监测设备。
主要原因有两方面：一方面目前所有的X射线大视场监视器均利用非聚焦型的光路设计，但由于重量和经费的限制，这类型的全天监测设备几乎已经达到了技术瓶颈；另一方面，目前在X射线天文领域广泛应用的Wolter I型聚焦光学系统可以带来很高的灵敏度和空间分辨率（如欧空局的XMM牛顿卫星，美国宇航局的钱德拉卫星），但这种光学设计的视场非常小，难以胜任全天监视器的工作。因而未来的X射线全天监测需要另辟蹊径。
时域天文研究的利器：爱因斯坦探针
在此背景之下，以中科院国家天文台研究人员为首的科学家们提出了爱因斯坦探针（Einstein Probe，简称EP）卫星项目。EP是一颗面向时域天文学和高能天体物理的天文探测卫星（图7），将搭载一台软X射线波段的宽视场监视器，以满足在该波段开展大视场全天监测的迫切需求。该设备采用仿生龙虾眼的聚焦光学系统设计，同时具有高灵敏度和大视场。
此外，EP还具备一台窄视场的X射线望远镜，以开展深度后随观测。探针寓意着卫星到时能够捕捉到黑洞及其爆发、引力波源电磁对应体、超新星等天文现象，从而帮助科学家解决其中的重大科学问题。黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论的重要预言，以爱因斯坦为名，不仅高度概括其科学目标，更是在向这位人类历史上最伟大的科学家致意。
图7：爱因斯坦探针探测黑洞潮汐瓦解恒星事件的艺术想象图
早在1979年，天文学家Angel就提出了可以模仿龙虾眼睛的成像原理来设计一种宽视场聚焦X射线望远镜。近十年来，这种可以实现广角成像的X射线聚焦光学技术—龙虾眼微孔光学技术日趋成熟（图8），这使得大视场X射线聚焦成像观测成为可能。
图8：龙虾眼微孔光学系统示意图
国家天文台自2010年以来开展了龙虾眼微孔X射线成像光学应用技术的研发，目前已掌握其原理及应用技术。在此基础上，国家天文台响应中国科学院战略性先导专项空间科学背景型号(第二批)的项目征集，联合高能物理所等单位，于2013年初提出EP卫星概念。
在背景型号项目的支持下，经过两年多的研究，完成了卫星概念、科学目标和关键技术研究以及核心原理样机研制。2017年底，EP卫星成为中科院先导科技专项正式立项的项目，系统的工程研制阶段已经于2017年9月开始，研制周期为5年。
尽管国际上也有利用该技术研制X射线全天监视器计划的提案，包括美国宇航局于2017年遴选进入概念研究的、基于国际空间站的ISS-TAO以及最新提出的卫星概念TAP和欧洲联合团队的卫星计划Theseus，这些提案都尚未正式立项。所以说中国在这一方向处于领先地位。
EP卫星由一台宽视场X射线望远镜(Wide-field X-ray Telescope, WXT)和一台后随观测X射线望远镜(Following-up X-ray Telescope, FXT)组成。WXT采用了微孔龙虾眼光学技术，具有3600平方度的视场，探测能段为0.5–4keV。相比目前的其它巡天望远镜Swift/BAT和MAXI，EP卫星的WXT的探测灵敏度提高了一个数量级以上。
EP卫星因其具有软X射线高灵敏度和实时动态巡天监测的能力，填补了国际上在该波段的大视场全天监测设备的空白，能帮助科学家系统性地发现和探索宇宙高能暂现天体，特别是更暗弱、遥远或稀有的剧变天体。因而预期我们能够发现宇宙中的X射线剧变天体，并且监视它们的活动情况，同时发现和探索宇宙中沉寂黑洞的耀发，甚至探寻来自引力波源的X射线信号，以增进对极端致密天体及其并合过程的认知。
X射线对于宇宙的探索兴起于60年代，就在同一时期，日本新干线铁路系统开通，这是世界上首个高速铁路，速度达到了将近300公里。对比之下，中国高速铁路发展相对缓慢，直到90年代后期，中国意识到发展高速铁路的重要性，开始大力发展高铁。到2008年，中国高铁正式亮相开始运营，之后突飞猛进，在这短短的10年之内，就已经完成了从追赶到超越，开启了人类交通史上的新纪元。
而如今，中国X射线天文学的发展，也正经历着类似的历程。2017年6月，在落后了国外差不多半个多世纪之后，中国自己的第一颗X射线卫星HXMT终于从酒泉发射，我们终于迈入了拥有自己望远镜的时代。
从现在起的几年之后，我们将迎来EP卫星和其他一些X射线卫星的发射。这些望远镜中，不乏发射之后成为这个领域当中的旗舰。这些望远镜同时也会采用更为先进的技术，它们的研制和运行将进一步提升我国在高能天体物理领域中的研究水平。相信在不远的未来，我们也会成为X射线天文研究的强国。期盼之。
2018-07-17
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中西国际团队利用LAMOST发现银河系比想象中更大
千年之前，宋代词人秦观夜观星空，看到夜空中明亮的牛郎织女星，为淡淡的银河相隔。夏末秋初的晴朗夜晚，每每举头仰望，银河依旧高悬。四百多年前，伽利略第一次将望远镜指向天空，将淡淡的银河分解成众多恒星的时候，才意识到银河是一条由无数恒星组成的“无水河流” 。在已获取的LAMOST和SDSS恒星光谱数据中，越遥远的地方能被采样的恒星就会越少，很难再用统计的方法清点银河系外围的恒星数目，可这难不倒我们聪明的天文学家，他们另辟蹊径，对少数遥远恒星进行分析。如今，银河早已不是当初传说的金簪，而是众多恒星的集合。我们不仅感叹银河横跨时空的宏大和广漠，更是感叹千亿恒星在宇宙规律驾驭下所表现出的结构之美。 千年之前，宋代词人秦观夜观星空，看到夜空中明亮的牛郎织女星，为淡淡的银河相隔。触景生情，写下了后世广为流传的“纤云弄巧，飞星传恨，银汉迢迢暗渡”。时光辗转，秦观之后千年，人已不同，但景依旧。夏末秋初的晴朗夜晚，每每举头仰望，银河依旧高悬。
尽管银河依旧，然而我们对于银河的认识在这千百年间已经发生了巨大的变化。古有银河为王母娘娘金簪化银河的说法，而如今，银河乃为众多恒星聚集而成的认识早已深入人心。后者的认识最早可以归功于意大利的科学家伽利略。四百多年前，伽利略第一次将望远镜指向天空，将淡淡的银河分解成众多恒星的时候，才意识到银河是一条由无数恒星组成的“无水河流”。
图1 赫歇尔手绘的银河系结构
银河在整个星空中呈现怎样的结构呢？两百年前，天王星之父赫歇尔通过天文望远镜将天上的星星数了一遍，有些地方星星多，有些地方星星少，而且绝大多数星星都集中在一个扁平的盘状区域里，这就是我们的银河系。尽管我们身处在银河系之内，但却不能识其庐山真面目。我们的银河系到底有多大？我们的太阳系到底处在银河系的“二环”边上还是“五环之外的郊区”？科学家们在探索这些问题的路上从未停止过脚步。
在过去的几十年当中，天文学家普遍认为银河系的半径约为5万光年，它的中心附近存在一个棒状结构，外面呈现盘状结构（银盘）、四周被较稀疏的恒星包裹（银晕），太阳距离银河系中心约为2.5万光年。之前人们认为银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界，在这个边界处银盘恒星的数目骤然下降，如同银盘在此处被切割掉。
但是近年来，一些观测在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星，这似乎暗示银盘的边界应该更大。要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。因此，直到LAMOST这样能够获得数百万条恒星光谱数据的项目出现，才真正意义上开启了精确研究银河系结构和演化的新篇章。
LAMOST 是大天区面积多目标光纤光谱望远镜的英文缩写，位于国家天文台的兴隆观测站。它能够对4000个天体同时进行观测，是目前天体光谱观测效率最高的望远镜之一。
到目前为止，LAMOST望远镜已经成功“捕获”了900万余条恒星的光谱数据，建成了世界上最大的恒星光谱库，这些数据正助力天文学家逐步揭开银河系的神秘面纱。利用这些大样本恒星数据开展细致地数据筛选和严谨地统计分析则是探索银河系真面目的至关重要一环。
2017年底国家天文台刘超研究员等率先利用LAMOST数据向传统认知发起挑战，通过应用复杂统计手段精确清点银河系外围恒星的数目，他们成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。从图中可以看出，银盘的恒星数目虽然在随着银盘半径减少，但并没有在5万光年处停下来，而是一直延伸到距离中心6.2万光年处（图中红色和白色的区域是银盘，蓝色是银晕）。 这比教科书上一直以来引用的半径大了约四分之一！
图2 银盘外围的空间结构剖面图
在此结果之后，由西班牙加那利天体物理研究所（IAC）马丁·洛佩兹-科雷多伊拉博士和中国科学院国家天文台王海峰博士、刘超研究员等人组成的国际研究团队又进一步利用LAMOST和SDSS获取的海量恒星光谱，再次改写了银盘尺寸，发现包含了银河系中大多数恒星所组成的盘状结构可能比天文学家之前认为的大很多，半径可能达到约10万光年，这意味着我们所在的“家园”——银河系的疆界比之前认识的又有了很大拓展。
天文学家如何能发现并确认银河系有着如此遥远的领地呢？在已获取的LAMOST和SDSS恒星光谱数据中，越遥远的地方能被采样的恒星就会越少，很难再用统计的方法清点银河系外围的恒星数目，可这难不倒我们聪明的天文学家，他们另辟蹊径，对少数遥远恒星进行分析，发现有相当比例距离银河系中心约10万光年处的恒星仍拥有银盘恒星的“家族特征”（金属成分较高，天文学家通常把除了氢和氦以外的所有元素都叫“金属”）。这就确认了银盘的边界足足扩展到了10万光年。
这项新研究提供了有关银盘恒星构成的新认识，以及银河系尺寸更为精确的数据测量。银河系尺寸的不断改写促使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。
图3 人们认识的银盘大小的变化（示意图） 制图：元博
天文学家如何能发现并确认银河系有着如此遥远的领地呢？在已获取的LAMOST和SDSS恒星光谱数据中，越遥远的地方能被采样的恒星就会越少，很难再用统计的方法清点银河系外围的恒星数目，可这难不倒我们聪明的天文学家，他们另辟蹊径，对少数遥远恒星进行分析，发现有相当比例距离银河系中心约10万光年处的恒星仍拥有银盘恒星的“家族特征”（金属成分较高，天文学家通常把除了氢和氦以外的所有元素都叫“金属”）。这就确认了银盘的边界足足扩展到了10万光年。
这项新研究提供了有关银盘恒星构成的新认识，以及银河系尺寸更为精确的数据测量。银河系尺寸的不断改写促使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。
英国诗人约翰·济慈曾经沉醉于彩虹的炫目色彩， 在牛顿把彩虹还原成了三棱镜下的光谱时，他非常失望恼火。认为牛顿完全破坏了彩虹的诗意。他在长诗《拉米亚》中写道：“天空中曾有一道令人敬畏的彩虹，我们知道了它的质地、它的纹理，它就被归入单调无聊的平常俗物。” 其实那是因为济慈没有理解科学之美。
如今，银河早已不是当初传说的金簪，而是众多恒星的集合。我们不仅感叹银河横跨时空的宏大和广漠，更是感叹千亿恒星在宇宙规律驾驭下所表现出的结构之美。它们背后还有很多秘密等待我们去发现、去探索…
2018-06-27
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“天眼”调试，让眼珠动起来！
一般来说，巨型望远镜调试都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域，是一项强交叉学科的应用性研究，所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于四年。而FAST开创了建造巨型射电望远镜的新模式，它的调试工作也更具挑战性。
一、“天眼”调试，让“眼珠”动起来！
一般来说，巨型望远镜调试都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域，是一项强交叉学科的应用性研究，所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于四年。而FAST开创了建造巨型射电望远镜的新模式，它的调试工作也更具挑战性。
FAST巨大的接收面积注定了它有其它望远镜无法比拟的优势，即超高的灵敏度。但任何事情都是两方面的，你不可能占尽所有的好处，所以FAST在取得灵敏度优势的同时也付出了代价。
相对其它望远镜来说，它的系统构成更加复杂（见图1）。一般望远镜只有俯仰轴和自转轴两套驱动控制系统。相比之下，FAST仅反射面控制就需要2200多台促动器协同动作，并且索网把2200多台促动器联在了一起，形成了一个复杂的耦合控制系统，可以说“牵一发动全身”。
图1：FAST与传统望远镜的对比，明显看出FAST系统构成要复杂得多，也更容易受设备故障的影响。同时，还有30吨馈源舱漂在高空，安全风险极大。所以调试初期，我们更多关注的是安全方面的问题，一方面制定严格的安全措施确保安全操作，另一方面发展新的技术方法提高望远镜正常工作对设备故障的容忍度。
我们不太可能每坏一台促动器就马上去维修它，不然促动器维修工作就会占用大量的有效观测时长。这时候，如何评估索网的安全就非常重要了。
如果布置大量的传感器，传感的失效率、精度漂移等问题，可能会导致漏报或虚报故障的问题，这会令我们的工程师很头疼。 为了提高整个系统对设备故障的容忍度，调试团队研发了一套非常有趣的主动安全评估系统，这个系统可以实时读取促动器的位置信息，并将其输入到力学模型中，实时地进行力学仿真计算。也就是说，索网怎么动作，计算机的索网模型就怎么动作，从而可以计算出所有索力并进行安全评估。
必须得强调，这是实时力学仿真技术在安全评估领域的首次成功应用。力学仿真相比于传感器就可靠多了，它是数学工具，就像1+1永远会等于2，非常的简单可靠，非常适用于我们这个复杂的控制系统。
馈源支撑系统也同样不简单（见图2）。它控制主要分两级。
第一级是通过六根几百米的绳子对30吨的馈源舱实现的概略控制，要在140米高空、200多米的尺度范围内，把馈源舱定位精度控制在48毫米以内。
第二级是通过舱内的AB轴（万向轴）和Stewart平台实现接收机二级精确定位，对安装在馈源舱内的接收机相位中心进行二次精调，最终需要实现的控制精度要达到10mm以内。同时，如果馈源舱在风、雨等动力载荷下产生晃动，二次精调平台，还可以起到消振的作用。怎么样，想想都觉得不可思议吧。
图2：馈源支撑控制系统原理图，可见馈源支撑系统的控制分两级，第一级是通过六根钢索实现馈源舱48mm的定位精度，第二级是通过舱内的精调平台实现10mm的定位精度，而且这个精度是在140米的高空，200多米的范围内实现，看着就很难吧？
尽管FAST做了3米、10米、30米和50米的模型试验。但是动力学实验很难实现完整的相似性，例如阻尼特性的实验就很困难。所以不管你做多少实验，都不能说明600米尺度下会不会有问题。
非常地幸运，经过调试团队半年左右的努力，发展的实时力学仿真技术大幅提升望远镜对设备故障的容忍度，馈源支撑系统也实现了系统集成，最终于2017年8月27日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作，首次实现了对特定目标的跟踪观测，并稳定地获取了目标源射电信号（见图3）。这意味着天眼的“眼珠”可以转动了！
图3：2017年8月27日，“天眼”首次实现对特定目标源的跟踪，一次跟踪10分钟，一次跟踪40分钟，稳定地测到目标源的信号。这标志望远镜最具难度及最具风险的功能性调试完成了，这是有历史意义的一刻。
此后，“中国天眼”就可以克服地球的自转，对天体目标源进行跟踪观测。要知道望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关，还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样，只是扫视一下的话，我们只能看个大概的轮廓。如果想看清细节，就需要对着目标仔细地端详一段时间。
其实，这也是FAST最重要的一个功能，只有能跟踪了，天眼才能充分发挥它的最优性能。南仁东先生曾经说过，不能跟踪就不能叫FAST，可见他对望远镜跟踪功能的重视和期待！
相比国际上现有的大型射电望远镜，FAST是一架非传统的巨型射电望远镜，工作方式更加特殊，其调试工作没有成熟的经验可供参考。而且系统构成更加复杂、安全风险大，FAST团队能在短期内实现望远镜的全部功能性调试，完成了最困难、最有风险的调试环节，其进度已经超过国际一般惯例及同行预期。
在实现望远镜的功能性调试之后，余下的任务主要就是如何提升望远镜的性能，相对来说工作的风险性要小很多了，但工作的细节和琐碎性更加繁杂。
二、精抠细节，擦亮“天眼”
望远镜功能性调试后便进入到性能调试阶段。这个性能不只是望远镜的灵敏度、指向精度等硬性指标，还包括可靠性、稳定性等软性指标。简单一点说就是，望远镜系统偶尔能达到最优性能和长期稳定地达到最优性能完全是两个概念，也是完全不同的难度系数。而我们的目标就是要做一台性能优异，同时又让科学家觉得十分好用的望远镜，这个目标从一开始就没有动摇过。
望远镜性能的实现主要是指控制精度的实现。FAST直径500米，却要实现毫米级的多目标、大范围、高动态性能的控制精度，这是前所未有的挑战。下面我就尽我所能，尽量以通俗易懂的方式介绍这个精度的实现过程。
FAST有两个主要系统，即反射面系统和馈源支撑系统。反射面系统的主要作用就是精准地形成抛物面，这样才可以将天体发出来的平行光尽可能高效地汇聚到焦点上。而馈源支撑系统就是要将接收机控制到焦点的位置，并保证接收机的正确姿态，以最大效率地收集抛物面汇集的电磁波信号。所以FAST精准的控制指的是两个方面，一个是控制反射面系统形成尽量完美的抛物面，另外一个是控制馈源支撑系统使馈源接收机尽可能接近焦点位置，并保持正确的姿态。
精确的控制离不开精准的测量，反射面系统和馈源支撑系统都是利用激光全站仪作为测量手段。全站仪是一种光学测量设备，可以测角和测距，通过极坐标的方式解算目标点的相对位置，是一种相对位置的测量技术。如果要实现绝对位置测量，就需要把它放在有精确绝对位置信息的基准站上，通过基准站的绝对位置反算目标点的绝对位置。所以要用它精准测量反射面的形状及接收机的位置姿态，需要有一个非常精确的基准网，为其测量精度的实现提供测量基准。
FAST反射面内均匀地布设了24个测量基准站组成的基准网（见下图），第一步要做的，也是最关键的，就是精确测量24个基准站的绝对位置信息。基准网测量也需要用全站仪这种光学测量设备，可是现场高度差接近150米，这时候大气压会有20多个毫帕的变化，大气密度不均匀性非常明显。我们都知道，光穿过不同密度的介质时，会产生折射弯曲。
图四：测量基准站的分布情况。反射面中露出来的小点点放大一点就是右边图的样子，每个测量基准站的基础都要打到持力层，而外面还有一层防护罩，以免其受温度和风的动作而产生变形。
为了消除消光路折射的影响，调试团队研发了一套双靶互瞄模式的对向观测技术。其工作原理如下面左图所示，就是采用两台全站仪放在两个测量基准站上相互对视。如果两个互向对视的全站仪不受折光的影响，它们俩测量得到的垂直角度之和应该是180度。但是由于有折光的影响，这个角度之和就不再是180度了。而我们就可以通过这个角度的偏差，估计折光的影响并进行修正。
图五：左图对向观测的原理示意，可有效消除大气折光误差的影响。右图是对自动化对向观测系统工作时的场景，怎么样，看起来是不是很高科技？
由FAST在洼地里，大气的不均匀性及温、湿度场分布极为复杂，折光的影响也异常的大。实际数据处理的结果表明，FAST现场的折光系数达到了1.8左右，这是个惊人水平。要知道一般工况下，全站仪系统默认的折光系数是0.13，所以我们的折光系数要比一般情况高了一个数量级。一开始我们的工程师都不太敢使用这个结果，但多次测量一直重复出现这样的情况。直到后来查到一篇文献资料，提到一个山区里的折光系数的测量结果达到了1.0，与我们的情况接近。之后，我们才敢采信这个折光系数并使用。
另外，全站仪是采用水准坐标系，所有全站仪的局部坐标系的垂向都是指向地球的中心。如果我们不作任何修正直接使用，500米尺度下地球曲率造成的误差可达到20mm左右，所以必须采用合理的坐标系转换来消除。如果采用传统方式对24个基准站组成的基准网进行测量，可能会需要至少半个月的时间。半个月时间很多参数都会有巨大的变化，例如大气的温度、湿度和气压，测量基准站也可能会产生温度变形。有这么多复杂的因素在变化，我们很难对这些因素解耦，精确得到这些因素变化对测量精度造成的影响 。
所以，我们研发了一套基准网的自动化监测系统（见图5右），把基准网测量周期由至少半个月缩短至10分钟以内，这样就可以克服温度、湿度及基墩变形周期的限制，最终将望远镜测量基准网的精度提升至1mm以内。
随着调试工作的精雕细琢，把测量精度不断提升，望远镜的性能也得到明显改善。下面左图就是精度提升之前的望远镜波束形状，可以看到在高频段有明显的分叉结构，就像一个近视的天眼，看东西都是模糊的。而随着精度的提高，波束慢慢地变成下面右图的形状，可以在高频段实现完美的聚焦，完成天眼的视力校正。与此同时，漂移观测的指向精度已经达到10角秒的水平，这些都是非常可喜的进展。
图六：精度改变前后FAST波束形状的对比情况，也是近视眼和正常视力天眼的直观比较。
随着天眼视力越来越好，脉冲星的批量发现就开始了。截止目前，FAST已经探测到59颗优质的脉冲星候选体，其中已经有42颗得到认证。并于今年2月探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星，这颗脉冲星是其它国家很多望远镜看了很多次却都没有看到的。这充分证明FAST在灵敏度方面的优势。
还必须提到的是，目前19波束已经完成安装调试。它可以将望远镜的视场扩大十九倍，从而大幅地提升望远镜的巡天效率，预期更多的脉冲星发现将由此开始了。
图七：多波束的现场安装情况。具有优异性能的接收机系统，也是我们天眼的瞳孔。
有了十九波束的支持，就可以开始向验收指标冲刺了，望远镜的验收指标的实现，要经过非常繁杂的指标分解，例如要实现设计的灵敏度，就要知道反射面的精度是多少，馈源的控制精度是多少，系统噪声要控制到多少，其中每一部分还要继续向下分解，例如测量精度是多少，控制精度是多少，制作精度是多少，安装精度是多少等等。总之，要分解到每一个可独立量化评估的技术指标，这是一个非常复杂的分解过程。
截止目前，调试工作已经取得了一些非常可喜的进展。望远镜的系统噪声已经控制在20K左右的水平（见下图左），同时静态扫描模式下的效率已经达到50%以上，望远镜的灵敏度水平已经达到了1800平方米每K的水平（见下图右），可以说静态扫描工作模式已经达到了望远镜的验收指标。FAST已经是无可争议的世界第一灵敏的射电望远镜。下一步任务就是提高跟踪过程的控制精度，把跟踪过程的灵敏度也实现同样或相近的水平，那我们就可以说望远镜可以通过国家验收了。
图八：左图是望远镜系统噪声的水平，已经控制到20k左右。右路图是天眼的灵敏度水平，毫无争议的世界第一。
古人常言道：行百里者，半于九十。我们也要时刻提醒自己：最后的十里路依然艰辛！我们的目标不只是做一个世界上最大、最灵敏的望远镜，更是要做一个非常好用的望远镜，让科学家们随时想看就能看，想看哪儿就看哪儿。坦率的讲，这其中还有很多事情需要我们继续努力，其实并不容易，但我们不能忘记我们的初心！
2018-06-13
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国家天文台科研人员利用LAMOST数据精确获取银盘恒星运动学信息
晴朗的夏夜，抬头便能望见一条壮美的银色长带，这就是银河。它包含了上千亿颗恒星，其中就有我们的太阳系。银河系是个棒旋星系，中央是个类似“棒”的结构，其外则是个“盘” ，出了银河系中心区域，外围的大部分恒星都集中在薄薄的盘面上。通过数值模拟，天文学家发现银盘上的旋臂结构会显著地加热银盘，盘上的恒星由此获得更高的速度弥散度，但是旋臂的加热仅仅局限于盘面，也就是说，恒星无法通过这一机制获得较高的垂直银盘方向的速度弥散度。该项研究成果已发表再国际知名天文期刊英国《皇家天文学会月刊》 （ MNRAS 。 晴朗的夏夜，抬头便能望见一条壮美的银色长带，这就是银河。它包含了上千亿颗恒星，其中就有我们的太阳系。银河系是个棒旋星系，中央是个类似“棒”的结构，其外则是个“盘”，出了银河系中心区域，外围的大部分恒星都集中在薄薄的盘面上。
银盘上的恒星在空间上分布并不均匀，但是盘上各处恒星都以一个相对恒定的速度绕着银河系中心旋转，哪怕距离银心不同半径处的速度也相差无几。盘上的恒星总体以一个恒定的速度绕转，但是各个恒星或多或少地偏离这个绕转速度，表现出一定的随机运动，天文学家通常用速度弥散度来表征随机运动的强弱。
观测表明，盘上恒星的速度弥散度随着年龄的增加而增加。天文学家普遍认为这是由动力学效应造成的，或称之为盘的加热机制。通过数值模拟，天文学家发现银盘上的旋臂结构会显著地加热银盘，盘上的恒星由此获得更高的速度弥散度，但是旋臂的加热仅仅局限于盘面，也就是说，恒星无法通过这一机制获得较高的垂直银盘方向的速度弥散度；而另一些理论工作则证明了巨分子云的散射机制可以很好的把盘面上的随机热运动重定向到垂直银盘方向。
近期，国家天文台博士后俞锦程与刘超研究员等利用LAMOST银河系巡天得到的海量光谱数据，精确分析了银盘上的恒星运动学信息，验证了银盘加热机制，同时发现了银盘两种成分不同的运动学特征。
俞锦程等人利用LAMOST观测数据，结合GAIA数据，通过新的统计方法，建立了银河系盘上完整的三维速度信息，从而精确地给出了恒星年龄与速度弥散度的关系（见图）。他们的发现成功验证了银盘的加热机制。
此外，俞锦程等人发现将银盘划分为薄盘和厚盘能更好地描述银盘的运动学和化学性质，尽管这一观点依然存在争议。从他们的结果图可以发现，年老的贫金属恒星有更高的速度弥散度，这也间接表明了薄盘和厚盘运动学性质上的显著差异。该项研究成果已发表再国际知名天文期刊英国《皇家天文学会月刊》 （MNRAS，2018，475, 1093–1103）上。
图为银盘上恒星年龄与速度弥散度的关系
2018-05-28
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“龙江”升空 双星绕月探长波
与以往所有月球探测器不同，嫦娥- 4号将首次在月球的背面着陆。直到1959年，苏联月球- 3号探测器绕飞月球时才首次拍下了月球背面的照片，然而迄今为止还没有航天器在月球背面着陆过，因此这将是我国航天史上的一个创举。L2点位于地球和月球的质心连线上月球背面一侧，距离月球中心约6万公里处。在空间开展超长波天文观测可以避免电离层的影响，不过在地球附近，这种观测仍会受到地球电磁波的强烈干扰，而月球可以挡住地球的电磁波，因此月球的背面提供了进行这种观测的绝佳环境。但无论如何，这是迈开了环月超长波天文观测的第一步，我们对龙江充满期待！ 1.月球背面
继嫦娥1、2、3号探月飞船之后，今年我国又要发射嫦娥-4号探测器。与以往所有月球探测器不同，嫦娥-4号将首次在月球的背面着陆。
图1. 嫦娥系列探测器（示意图） charcoa 绘制
由于月球的公转和自转周期相同，月球总是以同一面对着地球，在地球上始终无法看到她的背影。直到1959年，苏联月球-3号探测器绕飞月球时才首次拍下了月球背面的照片，然而迄今为止还没有航天器在月球背面着陆过，因此这将是我国航天史上的一个创举。但是，既然我们在地球上看不到月球背面，又如何把控制指令发给着陆器、把探测数据传回地球呢？这就需要有一颗中继卫星，在能同时被月球背面和地球看到的位置上去值班并传递信息。为此，我国研制了“鹊桥”卫星，将于2018年5月发射。它将环绕地球-月球系统的第二拉格朗日点（L2）飞行。拉格朗日点得名于法国数学家拉格朗日，是二体引力系统中的平衡点。L2点位于地球和月球的质心连线上月球背面一侧，距离月球中心约6万公里处。L2点本身与地球之间也被月球遮挡了，不过地球和月球引力可以使鹊桥卫星沿着围绕L2的所谓光晕轨道运行，这样就可以同时被月球背面和地球所看到，实现信号的中继传输。
图2. 鹊桥中继卫星和龙江卫星轨道示意图（未按比例）
长-4C火箭将鹊桥卫星发射到这一轨道其动力还绰绰有余，因此我国决定利用这一机会，再搭载两颗实验微卫星。这两颗微卫星由哈尔滨工业大学、中国科学院国家空间科学中心、中国科学院国家天文台联合研制，命名为龙江-1号和2号，它们将与鹊桥一起发射，然后各自进入环绕月球的飞行轨道，开展超长波射电天文观测实验。
2. 超长波天文
天文观测始于可见光，但光其实是一种电磁波，认识到这一点后自然就会问，用不同波段的电磁波观看天空，是否会看到不同的东西呢？确实如此！就拿无线电波（天文上习惯称射电）来说吧，理论家们曾以为这个波段不会看到什么东西，因为根据热辐射谱推算，恒星的射电辐射很微弱。但出乎意料的是，银河系在射电波段竟然十分明亮，要靠热辐射机制发出这样强的电波，射电源的温度将高得不可思议。
图3. 射电波段（408GHz）的银河系版权 G. Haslam/MPIfR
直到后来人们才知道，这些辐射主要来自宇宙线电子在磁场中运动时发出的同步辐射。此后，在射电波段人们又相继发现了类星体（超大质量黑洞）、脉冲星、宇宙微波背景辐射等；在其它波段发现了X-射线双星、伽玛暴等新奇天文现象。因此，天文学家们非常希望能系统地观测电磁波的所有频段。
然而，还有一个波段迄今仍几乎空白，这就是频率为30MHz以下的超长波波段。在无线电通讯中，0.3-30MHz间被划分为高频HF，中频MF，使用收音机收听调幅（AM)广播的话，这也被称为短波和中波。不过在天文上这一频段算是极低的频率，频率越低，波长越长，因此我们称其为超长波。其实，人类首次观测到天体射电信号就是上世纪30年代央斯基(Karl Jansky)在这一频段测试通讯噪声时意外发现的。但地球高空大气有电离层，会吸收低频电波，没被吸收的部分也受到强烈折射，使信号随着电离层的湍流剧烈变化而难以观测。再加上自无线电发明以来人们就利用这些较低的频率开展了广播、通讯等业务，有许多人工干扰电波，因此在这一频道进行天文观测就非常困难。所以，绝大部分天文观测都是在更高的频率上进行的，这一频段反而留下了一片空白。
图4. 大气对电磁频谱的吸收
在空间开展超长波天文观测可以避免电离层的影响，不过在地球附近，这种观测仍会受到地球电磁波的强烈干扰，而月球可以挡住地球的电磁波，因此月球的背面提供了进行这种观测的绝佳环境。龙江-1号和2号微卫星将环绕月球飞行，当它们飞到月球背面时，就开机进行观测，并将数据记录下来；当飞到月球正面时, 再将数据传回地球。这为探测超长波提供了绝佳的机会。
在超长波波段，究竟会有些什么天体或者天文现象等着我们发现呢？我们可以根据频率稍高一点的地面观测做些推测，这应该包括太阳爆发、行星特别是木星磁层活动、银河系超新星遗迹、银河系电离气体云、射电星系中心大质量黑洞活动产生的喷流等。在这一频段还有更为激动人心但又极具挑战的目标，就是探索宇宙大爆炸结束后的黑暗时代以及此后第一代恒星形成时的宇宙黎明。
图5. 宇宙演化历史 版权NSF
不久前，美国EDGES实验在78MHz（对应红移约17）处发现了一个相当强的吸收谱特征，这有可能是宇宙黎明产生的，但与标准理论模型相差很大，因此也有很大争议。如果能在不受电离层吸收折射以及地面干扰影响的空间进行精密的长时间观测，有可能最终解决这一问题。
3. 双星干涉
每颗龙江微卫星上配有两套天线，每套均由三根互相垂直的一米长鞭状天线组成，可以同时测量不同偏振的电波。
图6. 两颗龙江微卫星在空中飞行（示意图）
不过，这一米长的天线远远短于观测的波长（10米-300米），因此方向性很弱。如何能够提高分辨率，确定电波射来的方向呢？解决的原理有点类似人类的耳朵：如果我们塞住一只耳朵而只用一只耳朵听的话，就无法区分声音传来的方向，但如果用两只耳朵的话就比较容易判断方向，这是因为声波传到两只耳朵的时间稍有不同，我们的大脑可以自动判别出来。同样的，射电天文上使用干涉仪，将两个单元受到的信号做互相关，据此求出信号的到达时间差，从而定出来波的方向。如果使用多台天线构成阵列，可以得到天空的图像。这就是综合孔径成像方法。这一方法早已在射电天文上使用。不过，虽然地面上早就有了干涉阵，但在空间中两颗卫星的相对距离和方位不断变化，甚至两星上的时间和频率基准都不相同，因此要做到空间的干涉观测并不容易。迄今为止，还没有空间两星相互干涉观测的实例，只有日本的HALCA和俄罗斯的Spektr-R(RadioAstron)进行了空间与地面之间的天文干涉观测。
图7. 干涉条纹（示意图）
龙江-1号和2号将尝试首次开展空间干涉观测。为此，两颗微卫星将沿着同一轨道一前一后绕月飞行，距离一般在1~10公里间，在绕到月球正面时将观测数据发送到地面，并利用这一微波系统实现两星的测距和时间频率同步。另外，B星上装有LED灯，A星上则配有测角相机，用于测定相对方位。
不过，由于这次的龙江卫星仅仅是“蹭车”，每颗限制为46kg，而这其中很大一部分还是推进剂，所以能搭载的仪器很有限。因为推进剂有限，卫星轨道也比较粗放，难以经过精细调节进入离月球面比较近的圆形轨道，而是一条大椭圆轨道，近地点距离月球大约三百公里，远地点约九千公里，绕月一周所花的时间是大约13小时。另一方面，星上的太阳能电池比较小。电力所限，在每一轨中只有大约10分钟可用于观测，20分钟可用于数据传输，其余的时间都用于充电。月球与地球间距离遥远，星上小天线发射功率又不大，“网速”很低，只能把很少一部分数据传回地球。
由于这些原因，龙江微卫星对超长波天空的观测应该说还是比较初步的，主要是一种技术验证，为将来更大规模、专用的超长波观测阵列做好准备。但无论如何，这是迈开了环月超长波天文观测的第一步，我们对龙江充满期待！
（本文作者系国家天文台研究员、龙江团队成员陈学雷）
2018-05-22
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