未来10年中国学科发展战略·天文学

第一节 在天文学中的地位、 发展规律 和研究特点

一、星系宇宙学在天文学中的地位 

星系是由数百万至数千亿颗恒星、气体、尘埃、中心大质量黑洞和暗物质构成的天体系统，空间尺度达数千至数十万光年，分布于百亿光年空间中的数以百亿计的星系以及星系际物质构成了目前可观测的宇宙。 

星系天体物理和宇宙学以各种天文观测方法获取的信息为基础，利用现代物理学提供的理论工具，以及天文学其他分支特别是恒星物理的成果，研究各类星系和星系集团的空间分布、形态结构、物理性质、化学组成，研究星系核的活动特征和产能机制，大质量黑洞的分布、形成和演化，研究宇宙中其他物质成分（如暗能量、暗物质、微波背景辐射、星系际介质等）的空间分布和本质，并进而研究星系以至整个可观测宇宙的起源和演化历史，探索支配宇宙和星系起源和演化的物理规律。 

星系宇宙学涉及的空间和时间尺度分别从普朗克尺度和普朗克时间到百亿光年和百亿年，跨度均达60个量级；能量尺度从微波背景到普朗克能量，跨度亦超过30个量级。这样巨大的时空和能量跨度不仅远远超出了地球上实验室的范围，甚至远远超出了天体物理其他学科领域（如太阳系和银河系）所涉及的范围，从而使该领域的研究处于天文学的前沿。对暗物质和暗能量、大爆炸元素核合成、宇宙微波背景、宇宙大尺度结构、星系及大质量黑洞等的观测和理论研究，大大丰富了对宇观尺度上和极端条件下物理规律的认识，同时也对现有的物理理论提出了挑战。黑洞和活动星系核的研究为检验强引力场中的广义相对论和其他物理理论提供了地面无法实现的极端物理条件（超强引力场、超高温等）的实验室。 

作为活动星系核中能量最为巨大的一类，类星体最早在宇宙现今年龄的百分之几的早期就已经形成。这些遥远而明亮的“宇宙灯塔”一直被作为宇宙学探针，用来研究宇宙中的成团及弥散的物质分布、成分和金属丰度等，甚至用来限制宇宙学模型和参数。活动星系核中心的大质量黑洞通过吸积与并合不断增长，并通过辐射、物质和能量注入等方式来反作用于星系，从而影响和制约星系的形成与生长。黑洞周围存在着奇特的物理状态和过程，有些涉及其他的天体物理学领域。例如，黑洞的产生和黑洞之间的并合会产生引力波辐射，这为引力波的探测和研究提供了天然辐射源。活动星系核产生的相对论性喷流同样存在于其他天体中（如 射线暴）。活动星系核是研究喷流的产生和加速、从黑洞提取能量以及高能粒子加速的物理机制的实验室。喷流中的高能粒子及其辐射的研究与粒子加速过程、宇宙线的探测和研究等学科相关。 

从研究人员、科学论文，特别是关键科学问题和重大成果几方面的统计可以看出，近20年来星系和宇宙学研究有了明显发展，已在整个天文学中占有主导地位。

二、星系宇宙学的发展规律和研究特点 

星系宇宙学的发展可以归纳为 “观测和理论研究共同驱动”。20世纪初，哈勃在 M31中证认出造父变星，由其视亮度和造父变星的周光关系归算出到 M31的距离，证实了其为河外星系。哈勃又利用24个星系的数据得到了星系退行的哈勃定律，揭示了宇宙膨胀的规律；哈勃膨胀规律在现代宇宙学模型 （即广义相对论和宇宙学原理）得到圆满的解释，标志着现代宇宙学的开端。20世纪六七十年代，宇宙微波背景辐射的发现和宇宙大爆炸核合成理论成功解释宇宙的轻元素丰度，则把大爆炸宇宙学的地位提升到了现代天文学的主流领域之一；同时氦元素丰度的测量限定了中微子的代数目小于４，好 于当时粒子物理的实验数据结果。其后暴胀宇宙学模型的提出，解决了经典大爆炸宇宙模型的平直性和超视界扰动的问题。20世纪80年代，星系红移巡天和大型星系成像源表的出现，成为检验宇宙大尺度结构形成与演化理论的最重要的观测统计数据之一；研究结果确立了宇宙中物质是由暗物质主导的，并且冷暗物质主导的结构形成模型成为解释观测数据的主流模型。1991年COBE卫星首次测量到的宇宙微波背景各向异性，成为支持暗物质主导的宇宙暴胀理论的有力观测证据。1998年通过Ia型超新星的测量发现了宇宙加速膨胀，以及后来的宇宙微波背景、宇宙大尺度结构和更多Ｉａ型超新星的观测数据对上述发现的证实，更是把暗能量问题推到了科学研究的最前沿。 

星系形成的研究也从单一星系系统的经验性研究转入冷暗物质主导的结构形成模型中统一研究，而星系经验性研究的重要成果如星系的化学演化模型、星族合成模型、星系尘埃模型等被有效地移植到冷暗物质主导的星系形成理论，使得星系形成成为宇宙结构形成理论的组成部分，并且能够将不同 环境和不同宇宙年代的星系性质联系在一起。20世纪末，哈勃空间望远镜的深场观测、Keck等10米级光学望远镜和斯必泽（Spritzer）空间红外望远镜的使用，将星系演化的研究追溯到宇宙年龄仅为当前年龄1／10的宇宙早期； 而以斯隆数字巡天 （Sloan digital sky survey, SDSS）为代表的广角的大型红移巡天描绘了星系性质与宇宙环境之间的对应关系，这些都成为检验星系理论的重要观测结果；而星系形成理论则是理解不同环境和不同时期星系性质的理论工具。 

早在20世纪40年代，一类具有核区强发射线辐射的特殊星系 （塞弗特星系）就已经被注意到；但直到20世纪60年代，随着类星体的发现，人们才开始逐渐认识到这些星系的核区存在剧烈的非恒星活动，即活动星系核。其典型的特征为从射电到 射线波段能量巨大的电磁波辐射，部分天体中还存在准直的、具有相对论性速度的粒子喷流。自20世纪60年代类星体的发现到70年代之间，对活动星系核产能机制的理论探索促进了黑洞吸积理论的建立和发展。天体物理学黑洞是指具有极端质量密度的天体，其超强的引力场使得进入其边界的任何物质（甚至光）都无法逃离。存在于星系中心的大质量甚至超大质量黑洞（十万至几十亿倍太阳质量）在吸积周围物质的过程中将其引力势能转化为热能及其他形式的能量并通过电磁辐射和物质外流的形式释放出来。随后的大量观测事实给出了大质量黑洞存在的间接证据，并基本确立了黑洞吸积的标准模型地位。活动星系核在观测上呈现出丰富的多样性，对这些性质的研究也促进了活动星系核统一模型的建立和发展。近20年以来的高灵敏度的多波段巡天 （主要在射电、光学、Ｘ射线等波段）已发现了数以十万计的活动星系核。 

经过几十年的努力，人们已经找到了大质量黑洞存在于我们银河系以及几十个临近星系中心的可靠证据，并发现了黑洞与星系核球的质量之间存在密切关系。在此基础上人们推测，在几乎每一个大星系中心可能都存在一个（超）大质量黑洞，并且与星系在形成和演化上可能存在着某种关联。产生这种关联的很可能的途径是黑洞通过向星系反馈吸积所产生的能量和物质（辐 射、喷流、外流等）抑制了星系中气体的进一步冷却，从而起到制约星系演化的作用。当今的研究趋势是将大质量黑洞和星系的活动纳入到冷暗物质主导的星系形成理论框架中去研究，探索它们的共同形成和演化。 

对遥远或暗弱天体的探测要求大的望远镜聚光面积以及灵敏的探测器。对于星系和活动星系核，高分辨成像观测可以获得其形态和结构的直观信息。 星系和活动星系核在红外、光学、紫外和 Ｘ射线可以产生非常丰富的吸收线和发射线，对这些谱线高信噪比的精细观测同样需要大的望远镜聚光面积和高的探测器光谱分辨率；而大面积的巡天观测要求建造视场更大、灵敏度更高的望远镜和探测器。从学科的发展历史来看，任何一个波段观测技术手段的进步，包括新的观测波段的开辟，灵敏度、空间和光谱分辨率、视场和巡天效率的提高，都会带来对星系、宇宙学和活动星系核研究的促进甚至飞跃；另一方面，星系宇宙学研究的需求又促进了望远镜技术和探测技术的发展。 对多波段观测的需求和天文大型设备走国际化道路的大趋势，使得该领域成为合作性、国际性很强的一个天文研究领域。

第二节 国际研究现状和发展趋势 

一、概况 

根据国际天文联合会1979年第17次大会的统计，4538名会员中参加星系和宇宙学两组的共425人，占总人数的9．4％。到1988年第20次大会时，两组合计８５０人，占１２．８％。２００６年第２６次大会时增至１３９６人，占会员总数９２５８的１５．１％。 

据 《天文学和天体物理学文摘》的统计，１９８０年全世界发表的有关星系和宇宙学论文共 １２２９ 篇，占总数 ７．６％，１９９０ 年达 ３５６５ 篇，占总数的１６．３％。１９９７年共５１８３篇，占总数的２２．９％。２００４年估计７０００篇左右，占总数的２５％左右。 

美国国家研究院组织的天文学和天体物理学调研委员会在 《新千年的天文学与天体物理学》学科发展报告里，列出了５个有望在２１世纪初第一个１０年取得进展的关键科学问题，前３个都属于星系宇宙学领域。 

在美国 《科学》杂志１９９７年以来评出的８０项突破性科学成果中，有１８项属于天文学领域，其中７项属于星系、宇宙学领域，特别是１９９８年的宇宙加速膨胀的发现、２００３年暗宇宙的观测更被列为当年科学突破之首。 

由以上研究人员、科学论文，特别是关键科学问题和重大成果几方面的统计不难看出，近２０年来星系和宇宙学研究有了明显发展，已在整个天文学中占有主导地位。

二、近几年取得重要成就的主要领域 

（一）宇宙加速膨胀和暗能量的发现、宇宙早期的声波和宇宙学参量的精确测定 

通过对高红移超新星的视星等红移关系的精确测量，发现宇宙在加速膨胀，这是宇宙中存在负压强的暗能量的直接证据。以Boomrang、Maxima和WMAP为代表的宇宙微波各向异性探测设备，精确测定了角度大于０．２度的微波背景的角功率谱，从而精确测定了宇宙复合时期的重子声波性质以及宇宙模型的主要参量，使得宇宙学研究进入到了精确宇宙学时代。CBI和 WMAP探测到了微波背景的偏振信号，其结果支持宇宙早期扰动是绝热的论点。SDSS利用亮红星系的红移巡天样本，测量到复合时期遗留下来的星系分布中的重子声波振荡，其结果一方面支持宇宙大爆炸模型，一方面成为精确测定宇宙学模型测量的重要物理量；利用赖曼阿尔法吸收森林测量早至宇宙１０％年龄处的暗物质的成团性，成为测量宇宙学参量和宇宙结构早期演化的重要观测手段。 

（二）宇宙再电离过程 

SDSS观测了高红移类星体的光谱，发现红移大于６．５处的类星体的赖曼吸收明显增强，表明宇宙最近一次再电离发生在红移６．５至７处；WMAP 从微波背景光子的偏振观测，推断宇宙最早一次的再电离发生在红移为１２处。因此，宇宙的再电离可能发生了多次。WMAP的结果若被证实，将对早期宇宙物理和第一代天体形成的研究产生重要的影响。随着PLANCK卫星的成功发射和低频微波天线阵 （LOFAR、21CM、MWA 以及将来的SKA） 的建造，观测研究正在逐步揭开宇宙再电离过程和第一代发光天体形成的奥秘。

（三）星系中心黑洞存在的证据和普遍性、黑洞与星系的共同演化 

近年来多波段高空间分辨的观测 （尤其是恒星的运动）显示，在我们银河系中心极有可能存在一个大质量黑洞 （约４００万太阳质量）。哈勃空间望远镜和其他一些高分辨设备的观测表明，临近宇宙中的正常星系中心普遍存在一个大质量黑洞。进一步的观测研究发现，黑洞质量与星系核球的引力势阱或核球质量存在紧密的相关关系。这一令人惊奇的关系意味着大质量黑洞在星系中心是普遍存在的，并且它的形成和演化与星系的形成演化有着某种密切的相互作用或制约关系。另一方面，人们也开始认识到星系核的活动性是相当普遍的，只是大部分星系的活动性都非常低。近年来在矮星系中心也发现了存在着质量小于百万太阳质量的黑洞，使得人们一直在试图寻找的恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的空缺范围在一定程度上得以缩短。黑洞通过反 馈由吸积所产生的能量（辐射、喷流、外流等）抑制了星系中气体的冷却，进而影响星系的形成和演化。Chandra和 XMM-Newton卫星的 Ｘ射线观测，表明星系团和星系群的中央的气体被某种能源加热，而中心星系的黑洞的反馈是一种可能的解释。 

（四）引力透镜巡天 

２０００年弱引力透镜剪切相关函数的成功测量，标志着弱引力透镜观测进入到了一个新的阶段，能精确而无偏袒地测量宇宙的物质空间分布，将成为探测暗能量的物理本质和研究精确宇宙学的重要手段。Bullet星系团的引力透镜测量表明暗物质的分布与星系数密度的分布一致，而与热气体的分布存在差异，支持冷暗物质主导的模型；从 COSMOS 数据成功构造宇宙的３维引力势分布；CFHTLS的弱引力透镜剪切相关函数的测量为当前最精确的测量，其测量结果与 WMAP的宇宙学测量测量结果一致。 

（五）宇宙的恒星、星系、黑洞的形成和演化历史 

随着 Hubble深场、Chandra深场、Subaru多色深场、COSMOS巡天等深度星系巡天的开展，在高红移星系的光度函数、恒星质量、恒星形成率、 空间分布的测量方面取得了重要的进展，较好地测量了宇宙恒星形成的历史， 发现大质量星系早形成、小质量星系晚形成的downsiZing演化规律。即使大质量星系在形成后的演化，也不是简单的被动演化，它们的尺度随时间有明显的增长。高红移类星体的观测也说明，黑洞也存在downsiZing演化规律，特别是质量近１０亿太阳质量的黑洞在宇宙早期百分之几年龄的时期就已经形成，高红移类星体的光谱与近邻类星体的光谱非常相似。这些高红移的星系和类星体的观测为研究宇宙早期星系和黑洞的形成提供重要的线索，同时也在挑战现有的星系形成的理论。 

（六）近邻星系的系统研究 

利用ＳＤＳＳ、２ｄＦ等大样本红移巡天和Ｓｐｉｔｚｅｒ卫星数据，精确地测量了近邻星系的光度函数、成团性随光度和形态的变化、颜色星等图的双模分布等，提供了大样本星系的恒星质量、恒星年龄、恒星形成率、化学丰度、活动星系核、星际介质、尘埃等重要信息，为全面理解星系的观测性质提供了所需的观测样本；发现星系的颜色、恒星形成率等星系的性质主要由恒星质量决定；星系暗晕占有数模型和各类星系的环境的研究，较好地勾画了星系的性质与暗物质大尺度结构之间的关系，为研究和理解各类星系之间的演化 提供了重要的线索。 

（七）活动星系核的系统研究 

通过SDSS、2dF等数字化光学光谱和 ROSAT、XMM-Newton、Chan-dra等 Ｘ射线大规模巡天，发现了数以十万计的活动星系核，使得人们可以获得更为精确和完整的活动星系核家族的整体性质以及与宇宙的物质分布之间的关系，类星体的光度函数及其宇宙学演化；发现宇宙早期类星体的成团性及其分布于暗物质晕中心。Ｘ射线深场巡天及随后的多波段观测发现，存在大量的被尘埃遮蔽的活动星系核和光度较低的活动星系核，并证实了它们是宇宙Ｘ射线背景辐射的主要贡献者。回波成图 （reverberation mapping） 方法的成功应用使黑洞质量的测量和估计成为可能，从而使得活动星系核的整体性质研究朝着基于几个基本物理参数（如黑洞质量和吸积率）的统一模型方向发展。SDSS给出了邻近宇宙中核活动与星族成分之间的紧密联系。 对邻近极低光度的活动星系核（包括银河系中心）的研究，促进了黑洞吸积理论的进一步发展，极大地丰富了对黑洞附近物理过程的理解。Chandra卫 星在Ｘ射线波段直接探测到射电类星体的相对论性喷流，开辟了活动星系核喷流研究的新领域。 

（八）新的观测手段和窗口———S-Z南极望远镜和甚高能 射线观测 

因为星系团的 Sunyaev-Zel'dovich（S-Z）效应不随红移改变，S-Z效应 被公认为是探索高红移星系团的最佳方法之一，是宇宙学主要探针之一。 世界上最大的S-Z望远镜——南极点望远镜自２００７年开始在随机天区中开 展Ｓ-Ｚ效应的观测，通过对一块数百平方度天区３个波段的观测，建立第一个Ｓ-Ｚ选的星系团样本，对于星系团S-Z效应的宇宙学应用具有重要意义。在过去的几年里，利用地面大气切仑科夫辐射成像技术实现了真正意义上的甚高能 （TeV） 射线观测。主要代表设备是H.E.S.S. 和 MAGIC切仑科夫望远镜，已探测到了来自银河系中心和几十个活动星系核的甚高能的辐射，对临近活动星系核的甚高能观测可以对宇宙红外背景辐射强度进行限制。 

（九）理论模型研究 

随着星系宇宙学成为一门高精度的科学，星系宇宙理论模型在预言能力和精度上有了很大的提高，已渐渐向一个能够统一说明黑洞、活动星系核、星系和宇宙所有观测性质的概念框架发展。这些理论不仅在解释上述重要观测成果中起到了重要的作用，而且为开展这些实验提供了理论依据。 

（十）天文观测数据的处理、储存、分布和虚拟天文台

随着越来越多的观测设备的投入使用，尤其是近年来数字化巡天设备的运行，产生的科学数据的信息量快速膨胀。加上观测覆盖的波段愈来愈多，如何有效地将多波段的数据整合为高效和方便利用的数据库成了一个重要问题。近年来在海量观测数据的整理、分类、发布及方便获取方面有了长足的 进步，并最终促成了虚拟天文台的提出和发展。 

三、国际观测设备的现状和发展趋势 

目前对星系宇宙学研究产生重要影响的地面国际观测设备和巡天项目有： 美国的KeckI和KeckII10米望远镜、欧洲的４个８．２米的 VLT望远镜、欧美多国合作的２个８．１米的Gemini望远镜、日本的８．３米Subaru望远镜等。 这些望远镜都具备高分辨成像本领，并配有近红外的探测器，有的还有拍摄高分辨光谱的功能和大视场、多目标的优势，主要科学目标为高红移星系、弱引力透镜、活动星系核。美国的SDSS红移巡天（图１-１）和英澳的2dF红 移巡天，以大样本的优势，成为揭示近邻宇宙中星系的各种系统性规律的重要样本。在射电波段，完成了 NVSS、FIRST等射电巡天。在过去的几年里，以H.E.S.S.和 MAGIC为代表的切仑科夫望远镜，利用切仑科夫辐射成像技术取得了甚高能 射线观测的实质性进展，探测到了来自银河系和河外天体的甚高能的辐射，开辟了新的高能观测窗口。

图１-１ 斯隆数字巡天 

SDSS是近年来天体物理学最具有影响力的巡天之一。该巡天利用 Apache Point天文 台的２．５米专用望远镜，对１／４的全天进行了多色成像巡天和光谱巡天 

最近已经或即将开始投入使用的大型设备有：西班牙的 GranTeCan（１０．２米）、南非的SALT （１１米）望远镜、美国的光学宽视场监视扫描望远镜Pan-STARRS、我国的LAMOST光谱巡天望远镜、欧洲的低频射电望远镜LOFAR等。 

在空间设备方面，正在运行的有哈勃空间望远镜、Spitzer空间红外望远镜、紫外Galex望远镜。它们的主要科学目标为黑洞、高红移宇宙、暗物质、 星系的形成和演化。在 Ｘ 射线和 射线波段有 XMM-Newton （图１-２ａ）、 Chandra （图１-２ｂ）和Suzaku、INTEGRAL卫星，已积累了许多星系团、星系、活动星系核的Ｘ射线数据。２０１２年成功发射的 Nustar卫星首次实现了高灵敏度的硬 Ｘ射线聚焦成像。WMAP在２００９年公布了７年的观测结果；２００９年升空的欧洲空间局的宇宙微波背景探测器PLANCK 卫星将提高小角度处宇宙微波各向异性的测量和宇宙微波偏正的功率谱的测量，所搭载的 Herschel空间望远镜，在红外和亚毫米波段具有很高的分辨率和灵敏度。 美国的 射线天文台Fernmi-GIAST将开展前所未有的高灵敏度和高空间分辨率的ＧｅＶ 射线观测。日本的红外卫星Akari，已经完成中红外波段进行全天的高分辨率、高灵敏度的巡天。此外，还有一些中小空间望远镜，如 Ｘ 射线和 射线望远镜Swift RXTE和AGILE，以及国际空间站上日本的 Ｘ 射线全天监视设备MAXI等。

图１-２ 

（ａ）欧洲空间局的XMM-Newton 射线卫星 （1999年发射）；（ｂ）美国国家航空航天局 （NASA） 的ChandraＸ射线卫星 （1999年发射） 

正在建设和计划中的大型地面望远有：美国８米宽视场光学成像巡天望远镜LSST，毫米波望远镜 ALMA和射电望远镜SKA、FAST，概念设计阶段的３０～４０米光学望远镜 （E-ELT、TMT、GMT等）。 

在空间天文方面，欧洲空间局和美国ＮＡＳＡ都已经分别做出了未来１５～ ２０年的发展路线图。基本上确立了空间天文发展的长远规划。在研制的大型空间天文卫星有：美国的哈勃空间望远镜的接替者６米口径的红外光学空间望远镜ＪＷＳＴ；在紫外波段有多国参加的世界空间紫外天文台 （WSO-UV） 卫星。中小型卫星有，印度的 Ｘ射线卫星 ASTROSAT将覆盖光学／紫外到 １５０keV硬Ｘ射线波段；我国正在研制的硬Ｘ射线 （１～２００keV）波段调制成像望远镜 HXMT；中法合作覆盖光学、Ｘ 射线、 射线波段的小卫星 SVOM。德国的eROSITA （德国扩展伦琴射线勘测成像望远镜阵列，ex-tended ROentgen survey with an imaging telescope array，eROSITA）卫星， 将进行０．２～１２．０keV 中等 Ｘ 射线波段的首次高灵敏度全天巡天。美国的 EXIST、日本的 NeXTＸ射线望远镜都将采用硬Ｘ射线聚焦技术，实现高达 ８０keV硬Ｘ射线的高灵敏度成像观测。 

国际观测设备的发展趋势是：①建造更大口径的望远镜以追求更大的聚光面积，旨在获得更深的探测灵敏度、更高的信噪比、更高的空间和光谱分辨率。②建造视场更大的望远镜和更大的探测器，旨在开展大天区范围数字化的巡天观测。寻找在以下几个方面的突破：新的观测波段窗口、更深的探测极限、更高的分辨率，或是新的探索领域，如在时间域发现和监测天体的光变 （时域天文学）。尤其值得指出的是，时域天文学的重要性得到了进一步的认识。③巡天设备对推动整体学科发展的重要性越来越受到重视。④数据共享和开放，虚拟天文台的发展。⑤由于新设备所要求的技术越来越复杂、造价越来越昂贵，使得国际合作成为将来大型天文观测设备的一个明显趋势。 

四、研究前沿和关键性科学问题

以宇宙微波背景辐射各向异性探测（如 WMAP）、大规模星系和类星体巡天（如SDSS、2dF）、宇宙基本参数测定（如寻找高红移超新星）、哈勃空间望远镜等为先导的一系列重大天文观测，已经把星系宇宙学研究推进到了黄金发展时期。多波段和全方位的研究，已将天文观测、数据处理、数值模拟、理论研究结合于一体，并逐渐形成一个理解宇宙和星系所有观测性质的统一概念框架。其中，暗物质和暗能量、第一代天体的形成、星系的形成和演化、黑洞附近的物理过程及黑洞的形成和演化等将成为建立这个概念框架的关键性科学问题。暗物质、暗能量、大质量黑洞的观测研究，将向自然科学特别是物理学提出挑战，并极可能在未来１０年孕育出新的物理发现和重大发现。具体地说，未来５～１０年有望取得进展的关键问题如下。 

（１）暗能量和暗物质的本质：宇宙的膨胀历史、暗能量的状态方程及随时间的演化、暗物质的物理性质等。 

宇宙暗物质由什么样的基本粒子构成是暗物质研究的主要科学问题。研究这个问题的方式可以分为两类：粒子物理探测方法和天体物理探测方法。粒子物理探测方法通过对银河系中（或邻近星系）暗物质湮没产生的信号（如正电子、反质子、 射线光子等）测量，或者通过暗物质与地球上探测器的直接相互作用的测量，或者利用加速器产生相应的暗物质粒子，以探测并研究暗物质的基本粒子性质。天体物理探测方法是通过暗物质的引力所产生的动力学和引力效应，测量暗物质的空间分布，寻求暗物质的物理性质，因为暗物质在小于星系尺度上的分布携带着暗物质的重要物理性质。相关的问题还有：冷暗物质理论是否精确？是否需要超越广义相对论的新物理学来替代暗物质理论？ 

目前对暗能量的本质认识非常有限。暗能量具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不成团，所以宇宙学常数仍是暗能量的最广为接受的候选者。但目前能够解释相关观测的暗能量物理模型很多，其中最著名的当属Quintessence。也有科学家提出用修改引力理论的办法来解释宇宙加速膨胀， 如brane world、Cardassian模型。还有关于暗物质暗能量的联合模型，如Chaplygin气体。检验这些模型的主要手段是测量暗能量的物态方程随时间 的演化，以及Robert-Walker度规中牛顿势与经度势之间的关系。 

（２）宇宙结构和星系的演化：星系如何从红移为几十的宇宙早期演化而来，宇宙结构（包括星系际介质）是如何演化的。 星系形成的观测研究将向观测宇宙第一代天体推进，第一代天体的大小、初始质量函数、宇宙的增丰和再电离等为主要的科学问题；高红移大质量星系和超大质量黑洞的形成机制仍是研究的重点；星系际介质的观测将提供星系形成过程中星系外流和能量反馈的重要信息；星系演化的研究将集中在不同时期、不同物理性质的星系之间是如何演化的，高精度处理星系形成复杂物理过程的理论框架是联系各种看似相互独立的观测现象的必要工具。 

（３）黑洞的形成和演化：黑洞附近发生了什么？更加直接地探索大质量黑洞视界附近物质的动力学等物理过程；检验黑洞吸积理论；大质量黑洞是如何形成和演化的？星系核的活动性与星系演化的联系，黑洞在宇宙演化中的作用等。与黑洞相关的过程（如双黑洞并合）产生的引力波的探测。相对论性喷流是如何产生和加速的？其物质组成是什么？外流的产生、性质及其对环境的影响。黑洞在宇宙剧烈活动天体中所起的作用。 

活动星系核研究的趋势主要在两个尺度。在小尺度上，利用高空间分辨和大聚光本领的望远镜直接探测邻近活动星系核的内部结构和物理过程，并运用光谱、光变等手段探索黑洞视界附近的物理状态，研究吸积和喷流产生的过程。在宏观尺度上，研究活动星系核的触发机制和与星系恒星形成爆发的关系；通过研究对周围环境的反馈作用来了解黑洞对星系形成和演化的制约，以及是如何随星系共同演化的等。 

前面一节所述重大国际观测设备，基本上是为解决这些重大科学问题而建造的。

第三节 国内星系宇宙学研究现状

一、概况 

我国的星系宇宙学研究起步较晚，但在最近几年研究队伍得到了令人瞩目的发展。一批优秀的学术带头人脱颖而出，同时从国外引进了一批高水平的中青年学者，他们成为了我国在国际上做出高显示度研究工作的主力军。现有研究人员约１５０人，主要分布在国家天文台（包括总部，云南天文台和新疆天文台）、上海天文台、紫金山天文台、中国科学技术大学、北京大学、南京大学、清华大学、中国科学院高能物理研究所等单位，其中有国家杰出青年获得者１８人，占天文界总数的１／３。主要研究方向为早期宇宙、宇宙大尺度结构、星系的形成和演化、活动星系核等。 

在 “十一五”期间，我国建造了观测星系和类星体大样本的LAMOST， 建造了探测宇宙再电离时期的射电阵列21CMA，启动了探测星系和宇宙中中性氢的FAST射电望远镜项目，这些项目的圆满完成将会极大地提升我国星系宇宙学研究的国际地位。同时，我国在星系宇宙学研究方面已经形成一支有特色的研究队伍，在宇宙早期物理过程、宇宙大尺度结构、暗物质和暗能量、引力透镜效应、S-Z效应、宇宙再电离时代、相互作用星系、星系的形成和演化、吸积盘和辐射理论、活动星系核的结构和辐射、统一模型、大样本统计、多波段监测等诸多方面，已经做出了一系列在国际上有相当显示度 的工作。

二、国内的观测设备 

（一）已投入使用的设备 

在星系宇宙学研究方面我国已投入运行的望远镜很少，且在国际上只属于小型望远镜。目前具有一定科研成果产出的望远镜如下。 

（１）２．１６米光学望远镜：于２０世纪９０年代初投入运行，配有卡焦低色散光谱仪，可进行河外天体的分类和红移测定、光谱诊断、星族分析和发射线区结构等课题研究。 

（２）６０／９０厘米施密特望远镜：配２０４８Ｘ２０４８像元 CCD加１５个滤光片的BATC巡天系统，以其１度的大视场和多色测光能力可在大样本天体光谱能量分布 （S）、高红移天体搜寻、面源测光和星系结构研究、 射线爆光学余辉监测等方面做出较有特色的工作。 

（３）经技术改造的兴隆６０厘米望远镜：在近临星系超新星巡天中已经做出一定的贡献。 

（４）云南天文台１米镜：在观测南天天体和 ＡＧＮ 监测等方面发挥一定作用。

（５）上海天文台１．５米望远镜：在 ＡＧＮ监测等方面发挥一定作用。

（６）德令哈１３．７米毫米波射电望远镜：在配备适当宽带设备后可用于研究河外星系，该望远镜也是开展毫米波 VLBI观测的合适设备。 

（７）上海佘山 VLBI站和乌鲁木齐南山 VLBI站各有一台口径２５米的厘米波多波段射电天线，北京密云VIBI站和昆明 VIBI站各有一台口径４５米的厘米波多波段射电天线，它们已成为国际 VLBI网的重要成员，可用于研究活动星系核的结构。 

（８）丽江２．４米光学望远镜：口径２．４米，位于云南丽江高美古，海拔 ３２００米，是我国目前最大的通用型光学望远镜，具有地理经度上的优势。台 址纬度低，具有较好的视宁度、夜天光背景亮度和大气透明度。目前配备有中低分辨率暗弱天体光谱仪YFOSC，可以开展光谱和直接成像观测。最新研制的视向速度仪LiJET可测量天体的视向速度，将主要用于系外行星和恒星振动方面的研究。 

（９）大面积多目标光谱巡天的LAMOST 

在 “十一五”期间，我国建成了大视场、多目标光纤的 ４ 米口径的 LAMOST。LAMOST的主要指标性能和预期的主要科学目标为：它是一台位于国家天文台兴隆站的横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜，属于光谱巡天型望远镜。应用主动光学技术控制反射改正板，使它成为大口径兼大视场的光学望远镜。它的口径达４米，预计在曝光１．５小时内可以观测到蓝波段暗达ｂ＝２０．５星等的天体；它的视场达直径５ ，在焦面上放置４０００根 光纤。该望远镜在２００８年通过工程验收，在２００９年和２０１０年主要对该望远镜进行工程和科学性能的优化和测试，预计在２０１２年底开始星系和类星体的大样本巡天观测，在５年左右的巡天观测后，获得百万个星系和类星体的光谱。利用这些巡天样本，有望在研究本领域若干关键性科学问题方面取得重要进展。

（二）建设中的设备 

预计在２０１５年左右，我国将建成低频射电波段的５００米口径球面射电望 远镜（FAST）、较高频射电波段的上海６５米射电望远镜和硬Ｘ射线波段的调制望远镜 HXMT，这些望远镜的主要性能和主要科学目标如下。 

１．FAST

FAST 是 ５００ 米 口 径 球 面 射 电 望 远 镜 （five hundred meter aperture spherical radio telescope）的英文简称，台址选定在我国贵州南部的天然碦斯特洼地，预计将在２０１４年底建成。FAST项目建设及科学目标的实现是中国射电天文界未来１０年内的首要任务。 

FAST的一个主要的研究目标就是巡视宇宙中的中性氢分布，为精确宇宙学研究提供新的观测材料。对中性氢２１厘米谱线的观测已成为现代天文学的重要研究手段，通过对其强度和速度空间分布的观测，我们认识了银河系的盘和旋臂结构，得到了河外星系中不可视物质的分布和动力学图像，为暗物质的存在提供了强有力的证据。 

FAST有能力将中性氢观测延伸到宇宙边缘，获得中性氢分布和运动的详细图像，揭示星系的形成和演化规律。目前通过２１厘米氢线对中性氢进行的最遥远盲探测大约在红移０．２处，FAST的盲探测将观测到红移０．３～０．７ 处星系团核心星系内的氢，因而可以观测到所有星系族中的演化效应。 ＦＡＳＴ的高灵敏度和多波束，可以发现大量遥远的富氢星系，还可能探测到 其他系统中主导星系形成后的残余中性氢云以及前身星暴星系。 

FAST观测还有助于暗物质和暗能量研究，寻找第一代诞生的天体。利用中性氢２１厘米谱线可以对再电离过程进行观测，通过对红移了的２１厘米线平均亮度整体的绝对测量，确定再电离的红移。对高红移强射电源进行吸收线 （２１厘米森林）观测，确定中性氢自旋温度，判定电离光子源的性质。 

使用FAST探测微弱的中性氢质量函数，从而揭示近邻宇宙中的中性氢分布，寻找冷暗物质模型预言的所谓的失踪伴星系。高灵敏度ＦＡＳＴ观测还有望发现由于气体密度低而未能形成恒星的 “黑暗星系”，解开暗晕子结构之谜，研究暗物质的小尺度分布和性质。 

利用FAST对大尺度结构进行巡天观测，巡视１０７ 个星系，以这些星系作为示踪物测量大尺度结构，获得物质密度功率谱。这类的大尺度结构还可以和宇宙微波背景辐射进行相关研究，探测一些暗能量效应。在大尺度上，中性氢与物质密度的总体分布应是一致的。因此，通过对中性氢在宇宙中分布的测量，可以确定物质的总体分布。 

FAST的高灵敏度还可以用于对超强红外星系、高红移星系、活动星系和类星体进行多种分子脉泽（如羟基和甲醇）的搜寻，研究羟基超脉泽与星系类型、核的活动性及相对论性喷流的关系，这类研究有可能获得更多超大质量黑洞存在的证据。而对河外甲醇超脉泽的搜寻是至今未果。超脉泽的辐射转移、抽运机制、运动特性，以及与中心天体的关联已成为一个前沿领域。

２．上海６５米射电望远镜 

上海６５米射电望远镜将建在上海天文台松江佘山基地，将于２０１２年底前完成。该射电望远镜建成后，将在探月工程二期和三期发挥重要作用，执行 VLBI测轨和定位任务，并具备承担国家深空探测任务的能力，逐步建成国际先进水平的深空探测地面站，同时该望远镜还将在天文学研究中发挥重要作用。

上海６５米射电望远镜作为单天线观测的主要目标是分子谱线，在星系宇宙学方面可以开展的一个重要课题就是对具有宇宙学红移的一氧化碳（CO） 的观测。CO分子是研究恒星形成过程的重要的探针分子，CO分子也是探索活动星系核（中央区域动力学、吸积过程、气体角动量转移等）有力工具。对高红移天体的多波段观测表明在红移４和５时已有星系级的天体存在了， ６５米射电望远镜对这些宇宙学红移的CO观测 ［如处于红移１～５范围内的 CO （１－０）的频率覆盖在２０～５０GHz间］，将与FAST在低频端对高红移中 性氢２１厘米的观测形成有效互补，研究高红移类星体（星暴星系）与最早期的大质量氢云成团性，揭示黑洞的产生与大质量氢云的相互关系，共同揭示宇宙早期的演化。目前，世界上对高红移低跃迁的Ｊ＝１－０，２－１，３－２等 CO谱线观测主要是甚大天线阵 （VLA）、Green Bank１１０米和Effelsberg的 １００米天线在７毫米或１．３厘米接收频段获得的。对３６个高红移CO星系的 统计结果表明，其中一半以上为活动星系核的寄主星系，特别是红移大于 ３．５的１１个星系全部为活动星系核的寄主星系。 

３．作为 VLBI单元的FAST和６５米射电望远镜 

该两个大射电望远镜将会是国内外 VLBI网的一个强大单元，FAST以其超大的接收面积将主导其参加的 VLBI网，而上海６５米射电望远镜以其多工作频段亦将在地面和未来的空间 VLBI观测中发挥极其重要的作用。两者的建成使用将是我国在该领域的射电天文研究上一个新台阶。通过高动态范围的 VLBI观测，为遥远类星体和星系成像，获得活动星系核的精细结构，揭示喷流的形成、加速和准直过程的物理机制，研究天体物理中的吸积现象。 

此外，可以开展对河外星系中的超脉泽源的 VLBI高精度测量，获得精准的河外星系距离测量，进而可以测定宇宙学距离，提供对哈勃常数的一个独立测量。这类超脉译源由于距离远，流量密度很低，只有大口径射电望远 镜的参与才能使得检测成为可能。 

４．硬Ｘ射线调制望远镜（HXMT） 

HXMT 是我国自主研制的第一个天文卫星。由准直器和Ｘ射线探测器构成，工作能段为１～２５０keV。在２０～２５０keV硬 Ｘ射线波段的最大探测面 积为５０００厘米２，为国际上同类仪器中最大的。因此，对于亮的 Ｘ射线源， HXMT具有短时间积分即可获得大量 Ｘ射线光子的能力。同时，其空间扫描成像的优势 （单位面积统计信噪比、空间分辨率等）也是以往和现今类似的其他卫星设备所无法比拟的。HXMT的主要科学目标是开展银河系内恒星级黑洞、中子星等高能天体的光变性质和能谱的观测，研究致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程。在２０～２５０keV波段实现国际上最高空间分辨率的全天成像巡天、精确测量宇宙 Ｘ射线背景辐射的强度、能谱和各向异性，为揭开宇宙硬Ｘ射线背景辐射之谜获取重要数据。并能给出临近宇宙大质量黑洞的无偏的观测样本，包括大量被遮蔽的活动星系核。此外，HXMT将探索利用Ｘ射线脉冲星实现航天器导航的原理和技术。

（三）提案阶段的设备 

“十二五”期间需要大力推动、进行前期预研究的项目有南极天文台（包括１５米级太赫兹望远镜和６～８米的宽视场光学红外望远镜）、美国３０米望远镜国际合作和下一代大型空间天文Ｘ射线卫星XTP计划。 

１．南极天文台 

在南极冰穹Ａ获得的初步天文观测数据表明，冰穹Ａ极可能是地球上最好的天文观测台址，尤其是对红外和亚毫米波段，高纬度、低水汽和稀薄的大气都使得该波段的观测是地球上其他地方不能相比的。当前计划推进的项目近期有２．５米光学／红外望远镜和５米级太赫兹频段望远镜；中长期有６～ ８米光学／红外望远镜和１５米太赫兹望远镜及干涉阵。 

２．太赫兹频段望远镜及干涉阵 

根据目前南极台址初步观测数据的推断，太赫兹频段望远镜及干涉阵可以在解决从恒星形成到早期宇宙第一代星系形成的不同尺度的重大天文科学问题上起到独特作用，可以在星系宇宙学领域以下几个重点研究方向取得突破。

１）第一代恒星及星系是如何形成的 

在宇宙早期，冷却过程主要以氢分子在红外波段的谱线辐射为主。在红移ｚ＝１０～１５时，这些谱线被移到了太赫兹频段。太赫兹观测将为探测第一代恒星的主要组成物质冷氢分子提供了前所未有的独特手段。冰穹Ａ太赫兹望远镜可以探测到氢分子静止波段１２微米、１７微米、２８微米的旋转跃迁发射线，捕捉星系“第一缕曙光”或第一代恒星形成过程印记。 

２）大质量星系如何形成和演化的 

大质量星系中的恒星多形成于红移２之前，这是宇宙中星系形成的重要时期。早期星系大多是星暴星系，其恒星形成率比银河系这样的正常星系高一个量级以上。由尘埃消光影响，高红移星暴星系绝大部分的能量通过尘埃 连续谱的形式从远红外波段发射出去，在太赫兹波段观测这些高红移星系能 够有效探测其主要的能量分布并且获得最高的灵敏度。另一方面，太赫兹窗口有大量的新谱线。这将为诊断星暴与 AGN 提供极其重要的新信息。从太赫兹窗口对银河系内星团形成区、银心的黑洞及周围的大质量恒星形成的物理过程研究也将为星暴与 AGN 的关联、星暴规律、星暴星系和并合星系、 亚毫米波星系等宇宙各层次的恒星形成、进而星系形成与演化提供基础规律。 

３）ｚ＜１宇宙星系恒星形成活动演化的完整图像 

冰穹Ａ１５米级太赫兹望远镜的高灵敏度远红外波观测可以探测红移１以来的从星暴星系到正常星系中尘埃连续谱，揭示被尘埃遮蔽的恒星形成活动，从而建立起各类星系中的恒星形成活动及其随红移的演化的完整图像。这相当于把目前基于SDSS、紫外和红外全天巡天的近邻星系恒星形成活动的认识，宽展至对ｚ＜１以来的８０亿年的宇宙时期，无疑会大大推进对星系形成和演化的研究。 

４）揭示近邻宇宙中物质循环的完整规律 

宇宙物质循环是指从星系际介质—星系中星际介质—致密星际介质—星系中的恒星—星系际和星际介质的过程。理解这一物质循环链中主要过程一直是天体物理的基本问题。冰穹 Ａ太赫兹望远镜观测有助于找到目前尚未探测到的星系际介质中形成星系的“原初”气体团块，并探知其分布和物理特性。这亦有助于解决重子物质缺失问题。星系中星际介质冷却形成致密气体，进而形成恒星。致密气体云核中的原恒星胚胎的温度只有几十 Ｋ，能谱集中在太赫兹频段。太赫兹连续谱是捕捉深藏在分子云内部的原恒星、揭示恒星形成规律的最佳波段。人们今天能跟踪的是恒星（光学）和分子气体 （毫米波射电），而热气体与冷中性气体的关系是其中缺失的一环。处于太赫兹频段的［CI］、［CII］、［NII］、［OI］等特征发射线是揭示介质不同相变的主要探针，对理解原子云的形成、中性氢云转化为分子云以及 GMC的形成等十分重要。银河系和近邻星系中恒星形成的物理过程研究将为星系形成与演化、星暴星系和并合星系、亚毫米波星系等宇宙各层次的恒星形成提供基础规律。因此，太赫兹观测对理解近邻宇宙中物质循环过程有不可替代的作用。 

３．宽视场光学红外望远镜

具有视宁度好和热红外背景低的特点，预计能在暗能量性质的观测研究、第一代星系（恒星）和类星体的搜寻、宇宙的再电离过程等方面发挥重要作用。

精确宇宙学研究所发展的几项技术分别是：①Ｉａ型超新星作为标准烛光；②宇宙微波背景辐射；③由大尺度结构引起的星系形状的重力变形（弱透镜效应）；④宇宙大尺度结构中重子声波振荡。冰穹 Ａ 为以上所有探索都提供了最好的台址。采用南极大视场望远镜的多色深场巡天，并结合 WMAP 和PLANCK卫星的数据，探讨暗物质的分布、暗能量的状态方程并对宇宙学及宇宙大尺度结构的形成模型给出重要限制。此外，相关的引力透镜的研究还包括星系星系引力透镜研究小尺度的暗晕结构、超新星和类星体的多重透镜的时间延迟作为宇宙学检验。 

４．Ｘ射线时变与偏振探测卫星（XTP） 

XTP是继 HXMT和POLAR之后，针对中国空间科学中长期发展规划中的大型空间卫星所提出的一个计划，计划于２０１８年发射。 

考虑到国际上下一代的Ｘ射线天文卫星着眼于对遥远天体的高灵敏度、 高空间分辨率观测并具有偏振观测能力。我国计划未来将重点放在对邻近的黑洞、中子星等致密天体的高时间分辨研究。通过大的探测面积收集足够多的光子，观测这些天体的短时标光变，研究靠近黑洞视界和中子星表面区域的物理规律和过程。XTP是一台大探测面积（＞２平方米）、宽波段（１～３０ keV）的Ｘ射线天文望远镜。其主要科学目标是研究Ｘ射线双星和亮的活动星系核的多波段快速光变，旨在研究极端条件下物质的行为和物理规律，包括在强引力场、强磁场下物质的运动规律和基本物理过程以及在高密度下物质的状态方程。XTP也将观测弥散Ｘ射线辐射，研究银河系内热气体和中性气体的分布以及低能宇宙线的密度，研究宇宙Ｘ射线背景。XTP可以测量黑洞和 射线暴的偏振Ｘ射线辐射，研究 射线的辐射机制。此外，XTP将全面试验脉冲星导航技术。 

５．３０～５０米巨型光学／红外望远镜 

中国正在计划建造巨型光学／红外望远镜和参加国外巨型光学／红外望远镜的国际合作。这类望远镜的集光面积是当前主流大望远镜的１０倍，空间分辨率则是哈勃空间望远镜的１２倍，探测深度将是当前望远镜的１０～１００倍。 这类望远镜能够给天文学和天体物理学的每一个领域提供新的观测机会。星系宇宙学方面： 

１）它们将对天体物理学的一个显著问题---宇宙的 “第一缕光”做出重大贡献。在红移大约１０００，宇宙３０万年时，它经历了一个电离粒子的复合过程，从而进入了我们所称的 “黑暗时代”。“黑暗时代”结束于第一个光源的产生。它们和詹姆斯 韦伯空间望远镜（JWST，将于２０１４年发射，预计使用寿命５～１０年）的协作，将可拍摄第一代光源的光谱，为我们研究它们的物理性质以及第一代天体对宇宙的初次化学增丰提供详细信息。 

２）它们巨大的集光能力使我们能够观测到遥远的星系，从而可以解析我们视线方向上的宇宙结构，而不是像以前那样只能观测作为背景源的类星体。更高的可探测天体密度使我们了解三维宇宙物质结构分布成为可能，不论是在大尺度结构上还是在小尺度上。这项研究还将能使我们探测暗物质暗能量的本质，验证物理常量的恒定性，以及通过分析结构的形成过程来探索宇宙化学增丰和回馈机制。 

３）在整个宇宙时间尺度上对大质量黑洞进行普查。它们有能力探测更加遥远的星系中心的大质量黑洞和那些质量相对较小的大质量黑洞。人类将第一次收集到一个具有统计学意义的大样本来研究黑洞与星系质量、星系动力特征、星系形态的关系，研究从近邻宇宙一直到红移０．４处的黑洞的演化（如果结合其他技术手段甚至可以探测到更远的红移处）。通过探测更多的恒星，可以使用基础的方法来研究银河系中心的大质量黑洞。通过探测高轨道偏心率的恒星，还有可能测量到广义相对论效应。

三、已取得的若干重要成果 

“十一五”期间，我国在星系宇宙学研究方面有较大的发展，发表了一系列重要的学术论文，在国际上具有较高的显示度。以下列举一些代表性的工作。

１．暗能量和暗物质的物理本质 

利用美国南极长周期气球项目（ATIC），经过１０年观测研究，发现高能电子流量在３０００亿～８０００亿电子伏特能量区间远远超出了模型预计流量。 如果这一成果被进一步证实，这可能会是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。通过数值计算，首次指出非热产生中性伴随子可以降低暗物质在小尺度上的成团性，从而解决冷暗物质模型在小尺度上的遇到的困难；提出了解释暗能量的物态方程系数 ｗ随红移变化的新模型———Quintom模型，该模型预言今天 ｗ＜－１而宇宙早期时 ｗ＞－１；提出结合星系红移畸变和弱引力透镜测量时空相对扰动检验宇宙加速膨胀的暗能量模型和非标准引力模型；用最新的超新星、大尺度结构和微波背景辐射观测数据确定了暗能量状态方程，得到目前宇宙学常数仍可以很好的拟合数据，动力学模型仍然没有被排除，而且数据略微支持该课题组提出的Quintom模型；提出了一种对宇宙微波背景辐射偏振数据进行分析的新方法，并使用 WMAP和Boomerang的观测数据，对CPT对称性进行了检验，发现了CPT破坏的迹象；用 射线暴观测 数据并结合其他观测数据限制了宇宙学参数和暗能量的性质。 

２．宇宙大尺度结构的观测统计分析 

自主地建立了从星系光谱数据测量星族成分和尘埃的主成分方法和独立成分方法，该方法在测量星系的恒星质量和星系速度弥散方面具有明显的优势，已成功应用于SDSS红移巡天，并发现了一批双黑洞的候选者；对SDSS的星系样本进行了多种统计研究，发现潮汐相互作用是引起强star-forming星系的剧烈恒星形成的主因，而伴星的存在不影响星系核的活动性；发现卫星星系有更大的几率是沿着中心星系的主轴方向分布的，而且对于颜色较红的中心星系和卫星星系有更强的信号；建立了SDSSDR４的星系团样本，研究星系条件光度函数、暗晕占据数、星系团质光比等星系与暗物质晕之间的关系；优化了探测引力透镜的软件包，建立了星系团产生的引力透镜样本，研究了星系真实空间分布特性和星系－星系引力透镜效应。 

３．宇宙结构和星系形成的理论研究 

建立了自适应的宇宙学 Ｎ-体模拟程序和具有高阶精度的宇宙多相流体动力学的 WENO数值模拟程序，取得了一组高质量宇宙学数值模拟样本。建立了独立的星系形成的半解析模型，对气体冷却和星系并合等部分物理过程给出更合理的描述，成功地解释星系的颜色星等图上的双模 （bimodal）分布、中等红移处大质量红星系的数目等重要观测问题；首次提出了描述暗晕内部物质分布的三轴椭球密度分布模型；总结出暗物质晕的质量吸积历史统一模型和密度轮廓统一模型；研究了星系的并合时标，给出了暗物质模型中星系并合时标的精确拟合公式；研究暗晕成团性与其年龄关系的成因，说明宇宙尺度结构的潮汐力是导致该关系主要原因；解析研究了暗物质晕并合关联性对暗晕质量函数和并合历史的影响，较好解释了数值模拟结果；研究了宇宙早期的再电离过程和紫外背景的形成，并与高红移类星体的高分辨光谱比较，成功解释了Ｌｙ 泄漏；针对弱引力透镜观测，分析了星系测光红移中catastrophic error所带来的影响，结果显示这个误差对于像SNAP这样的未来观测是重要的。 

４．近邻星系的观测性质 

利用SDSS数据和消光对星系光度函数中特征光度的影响，测量星系的内消光规律，从多个波段的光度函数的研究，发现消光曲线可以很好地用n＝－１的幂率谱拟合；利用Spitzer红外卫星数据并结合SDSS光学光谱研究近邻星系的中红外发射的性质，建立星系中红外的发射与星系恒星形成率的关系。开展银河系分子云的物理性质、局域恒星形成定律、高红移星系中的 HCN观测研究，发现星系中的恒星形成率和 HCN的线性相关，并把此相关从近邻星系尺度推广到高红移及巨分子云核。 

５．高红移星系和星系的演化 

在一类高红移的特殊星系的外流性质研究上获得了突破性进展；发表了大天区高红移 Lyman-Alpha巡天所获得的 Chandra Ｘ射线源星表，探测到１８８个Ｘ射线源，利用 Magellan IMACS光谱观测证认出１１０个红移４．５的高红移ＬＡＥ星系，是目前最大的高红移光谱星表；发展了四种不同分类的方法，运用于COSMOS天区的极红天体大样本的分类中，结果发现年老星系和尘埃星系的比例与极限星等、红移、颜色判据等都有关系，解决了以前研究结果差异的内在原因；我们发展出一套针对ＩＲＡＣ深场图像特征（观测到的源数目众多且发布密集）的测光软件工具，获得较高质量的IRAC测光星表，结合两波段哈勃空间望远镜的深场观测，用双色图法选出一完备的包括～５０００个高红移（１．５＜ｚ＜３）星系的大样本；观测获得了８８个红移为ｚ～ ０．６的遥远中等质量星系的 ＶＬＴ中等分辨率光谱，获得了其质量金属丰度关系，结果表明，这些中等红移的星暴及亮红外星系的金属丰度相比于近邻星系而言，在给定质量，其金属丰度约低一半。 

６．国内中小望远镜的观测结果 

利用６０／９０厘米Schmidt望远镜开展以近邻星系为主要研究对象的大视场多色巡天（BATC）。结合SDSS多色测光以及 Ｘ 射线的观测资料，对 Ａ２２５５、Ａ１６８、Ａ３９９和 Ａ４０１等一批邻近星系团的结构、光度函数和演化进行了整体研究；利用BATC测光系统大视场多颜色的特点，结合星族合成模型对 Ｍ８７、Ｍ８１、Ｍ８２、NGC３０７７近邻星系中的恒星及星团成分进行了研究。基于国家天文台２．１６米光学望远镜的光谱、Ｈ 成像观测数据和其他国外多波段数据，获得了如下重要结果：在星系 NGC４５６５中发现了极亮 Ｘ射 线源 （ULX）的光学对应体，这是当时能够明确确认的最高精度的两个光学对应体之一；研究了尘埃星暴星系，提出“选择消光”的概念，解释了亮红外星系光谱中强发射和强巴尔末吸收的同时存在；选出并研究了一个当时最大的（２５个）红外类星体样本，发现其基本特征为具有很强的Fe II发射和气体外流；发现 Mkn２７３有一个延展热气体Ｘ射线晕非常类似于椭球星系，这为星系并合最终形成椭球星系提供了证据；证认了一个有１５５个Ｉ型活动星系核的样本，发现爱丁顿比是各种相关关系的物理驱动；研究了具有强光变（光学或Ｘ射线）的天体，尤其首次在星系SDSS J０９５２＋２１４３中观测到“光 的回声”（light echo）现象。 

７．活动星系核、黑洞吸积和喷流 

利用国际上先进的观测数据，尤其是SDSS，在活动星系核物理性质方面取得了一系列研究成果。系统性地研究了窄线赛弗特１星系的整体性质，指出它们偏离黑洞质量与速度弥散关系。发现存在一类具有相对论性的喷流的窄线１型活动星系核，该结论被美国的Fermi-GLAST卫星的 射线观测 所证实，表明喷流可以在黑洞质量偏小、吸积率偏高的漩涡星系的核中产生。发现存在极向外流的宽吸收线射电类星体，其Ｘ射线没有显著的吸收。利用光学Fe II线给出了活动星系核存在内流的证据。估计了星系核的负载循环 （duty cycle），并给出了高红移活动星系核反馈的证据。提出存在吸积率较高 的双峰宽发射线活动星系核。发现产生 Mg II发射线的 “Baldwin效应”的物理本质实际上是源自等值宽度与爱丁顿比的相关性。提出了描述共同演化的辐射效率方程，指出黑洞吸积的方式为随机吸积。发现了当时第三例观测证 据充足的、黑洞质量最小的活动星系核。提出传统的宽线区实际上是由物理 上两个独立的区域组成的模型。利用国内望远镜，发现近邻红外极亮类星体有高的恒星形成率和黑洞吸积率，表明它们很可能处在一个核球和黑洞都快速增长的、从富气体星系通过并合演化到早型星系的阶段。系统研究了高红移类星体的Ｘ射线吸收效应，并给出吸收气体的柱密度分布及其宇宙学演化。通过 VLBI观测获得了一批 射线活动星系核的亚毫角秒射电喷流的结构和宽发射线类星体高分辨射电结构。喷流 射线辐射的理论计算的结果也得到了国际上的关注。 

与太阳物理中的日冕物质抛射理论类比，原创地提出一个关于间断性喷流形成的磁流体力学模型。预言极低光度活动星系核的高能辐射来源于喷流而不是吸积盘，并已得到国际同行的观测支持。建立和发展了关于黑洞吸积的盘和冕的蒸发／凝聚模型，是目前国际上唯一一个能解释吸积盘的冕存在的物理机制的模型。 

８．银河系中心超大质量黑洞的观测证据 

１０年来，对银河系中心人马座 A*(SgrA*)进行了一系列高分辨率 VLBI观测，成功获得了SgrA*在５个波段上的准同时 VLBI图，精确定出了二维的星际散射角与波长的关系；独立发展并建立了一套模型拟合算法，开展了３．５毫米 VLBA成图，测得SgrA* 的固有大小仅一个天文单位，相当于史瓦西半径的１３倍。这提供了SgrA*是超大质量黑洞的强有力证据。开展了关于银河系中心超大质量黑洞阴影的数值模拟计算，对目前尚无法进行的亚毫米波VLBI观测提出了理论预言，有助于研究寻找黑洞存在的更直接的观测证据。 

９．黑洞物理研究及黑洞参数的观测测定 

获得了物质向黑洞塌缩的精确解。发现在物理宇宙中实际上不存在物理上的奇点，物质在黑洞内部也是以分布的形式存在的。指出Birkhoff定理不适用于外部有物质存在（非真空）情况。该结论将影响穿越任何物质分布的光线的偏折角（引力透镜效应）和延迟时间（Shapiro延迟）等各种广义相对论效应的计算。研究了考虑广义不确定性原理之后黑洞的蒸发现象，发现黑洞在蒸发到最后时将不会发生霍金所预言的爆炸现象，而是会留下一个具有普朗克质量的稳定物体。 

给出了星系核宽发射线区半径与发射线光度的经验关系，扩大了利用一 次观测光谱估计活动星系核中心黑洞质量方法的适用范围。利用斯隆类星体 大样本统计间接估计黑洞的自转角动量，结果表明类星体中黑洞有很快的自转。发现较大质量黑洞具有较大的辐射效率和自转，这与等级成团星系形成与演化理论相一致。通过对Ｘ射线背景辐射研究发现活动星系核晚期中央巨型黑洞生长极为缓慢，只有不到５％是来自低吸积效率吸积的阶段。

第四节 优先发展领域和重点研究方向

一、优先发展领域 

瞄准国际星系宇宙学研究的前沿，优先支持暗物质与暗能量，宇宙结构的形成与演化，活动星系核的结构、辐射与演化，星系和超大质量黑洞的形成与演化等领域的观测和理论研究，完成一系列国际上具有高显示度的研究工作，并为我国的重大观测设备提供科学支持。 

（１）暗物质与暗能量：利用各种天体物理观测手段测量和限制暗物质和暗能量的含量、分布、组分、属性；通过多种理论研究途径相结合 （包括数值模拟在内），研究暗物质和暗能量的物理本质和机制。 

（２）宇宙早期极端物理过程与原初扰动谱：研究宇宙极早期处于极端物理条件下的物理过程，并用宇宙学观测事实对宇宙早期的理论模型进行检验。 

（３）宇宙结构的形成：研究宇宙中各种天体和结构的形成及由此构成的大尺度结构，研究各种尺度的天体形成和演化中的主导物理过程、物质构成及其在宇宙整体演化中的作用。 

（４）星系内星族和介质的研究：对星系内星族的年龄和金属元素分布，星际气体和尘埃的性质开展系统性的研究，以期对星系尺度上恒星形成、反馈等物理过程给出限制。 

（５）星系相互作用和不同哈勃类型星系之间的演化：研究星系相互作用 与所在环境之间的关系，相互作用对星族、介质的影响以及在星系类型转换中所起的作用。 

（６）高红移天体：发展高效寻找高红移星系的方法；研究高红移星系的恒星、气体和金属元素成分以及空间分布；研究导致宇宙再电离的第一代天体的产生及其物理机制；研究高红移星系际介质的分布。 

（７）大质量黑洞的观测证据和活动星系核的多波段观测研究：获取星系中心黑洞存在的更为可靠的证据。开展多波段观测，以了解活动星系核的结构、辐射等物理性质。 

（８）大质量黑洞的形成和演化以及与星系形成和演化的关系：研究大质量黑洞的形成和演化，活动星系核个体和整体的吸积率、黑洞质量和自旋等参数的演化。研究黑洞与星系演化之间的关系。 

（９）吸积和喷流的动力学和辐射：研究大质量黑洞附近的吸积流的物理过程，不同吸积率下吸积盘（流）模型；研究外流和以及喷流的形成和加速、粒子加速等动力学过程。 

（１０）活动星系核的燃料供给和统一模型：研究活动星系核的气体原料供给；认识各类活动星系核之间的联系和演化关系。 

二、重要方向和前沿 

１．暗物质、暗能量及广义相对论在宇宙学尺度上的检验 

利用各种天体物理观测手段测量和限制暗物质和暗能量的含量、分布、组分、属性；通过多种理论研究途径相结合（包括数值模拟在内），研究暗物质和暗能量的物理本质和机制；研究修正引力理论在星系和宇宙尺度上的观测特性，进行广义相对论在宇观尺度上的检验。具体研究内容包括：研究不同暗物质、暗能量性质及不同的引力理论中的大尺度结构的形成及其在不同天文观测中的体现及探测的可能性；结合已有超新星、微波背景辐射和宇宙大尺度结构等数据，通过整体拟合和数值分析确定暗能量状态方程；发展用微波背景辐射、大尺度结构包括引力透镜、本动速度等宇宙学观测数据检验引力模型，区分一般暗能量、暗物质与修正引力理论的方法；研究相关的宇宙学观测手段中所涉及的物理系统误差和分离；研究引力是否存在红外修正，宇宙加速膨胀是暗能量引起的还是修正引力引起的，修正引力下宇宙如何演化等问题；研究进一步探测暗能量的可行性，特别针对我国 LAMOST探测 暗能量的具体方案和冰穹Ａ 开展暗能量研究的可行性进行深入细致的研究；运用天体物理方法如引力透镜、再电离历史、星系暗晕子结构等限制暗物质性质；用未来引力波数据研究宇宙学的可行性研究。 

２．宇宙早期极端物理过程与原初扰动谱 

研究宇宙极早期处于极端物理条件下的物理过程，并用宇宙学观测事实对宇宙早期的理论模型进行检验。具体研究内容包括：开展宇宙原初引力波背景辐射能谱的研究和大型引力波激光干涉仪探测原初引力波背景辐射的可行性研究；利用 WMAP和PLANCK卫星实验数据，将在更高的精度上确定宇宙学参数，进一步检验以暗物质暗能量为主的暴涨宇宙学模型；利用CMB 的极化数据，探测基本对称性CPT的破坏，探测PLANCK标度的物理。 

３．宇宙结构的形成 

研究宇宙中各种天体和结构的形成及由此构成的大尺度结构，研究各种尺度的天体形成和演化中的主导物理过程、物质构成及其在宇宙整体演化中的作用。具体研究内容包括：利用邻近宇宙的观测资料，重构邻近宇宙密度场，反演人类所处真实宇宙各个时期的结构演化特征，研究初始扰动是否满足高斯分布、尺度结构的增长历史、星系在这一背景中是如何形成等问题；研究S-Z效应与气体分布、宇宙热历史的关系，从S-Z效应精确反推出重子分布和宇宙热历史的方法，从星系团的S-Z流量精确反推出星系团的质量并从而反推出暗能量等宇宙学参数方法。 

４．星系内星族和介质的研究 

对星系内星族的年龄和金属元素分布，星际气体和尘埃的性质开展系统性的研究，以期对星系尺度上恒星形成、反馈等物理过程给出限制。具体研究内容包括：用 Herschel,ALMA、JWST等新一代设备，对高低红移星系的分子气体和尘埃的空间分布及其组分和性质进行更深入的研究来揭示星系的演化过程，回答星系内部的尘埃是如何分布的、又有那些成分组成、它们的存在与恒星形成有何关系、随着红移是如何演化等问题；对采用不同的颜色方法 （如LBGs、DRGs、BzKs、DOGs、UVLGs等）所发现各种高红移的星系进行研究，扩大高红移星系的样本，研究各类星系之间的联系，从而对高红移宇宙的星系有一个完整的图像；星系中恒星演化产生的重元素如何使星际介质和星系际介质化学增丰的，化学增丰反过来又如何影响气体冷却及恒星形成的。 

５．星系相互作用和不同哈勃类型星系之间的演化 

研究星系相互作用与所在环境之间的关系，相互作用对星族、介质的影响以及在星系类型转换中所起的作用。具体研究内容包括：利用下一代大口径望远镜和自适应仪器观测和研究星系的形态的形成、演化及与环境的关系；研究星系环境对星系的恒星形成、并合率、活动星系核的活动、气体冷却、质量分布的影响。 

６．高红移天体 

发展高效寻找高红移星系的方法；研究高红移星系的恒星、气体和金属元素成分以及空间分布；研究导致宇宙再电离的第一代天体的产生及其物理机制；研究高红移星系际介质的分布；具体研究内容：高红移以及宇宙黑暗时期Ly 发射线星系的搜寻与研究，搜寻宇宙第一代星系，搜寻高红移ＰPOP III星族，研究宇宙早期极高红移星系的形成与演化，对宇宙再电离过程给出进一步限定；开展第一代天体（暗晕、恒星、星系、黑洞）形成的理论研究，包括其中一些重要物理过程和机制的研究和模拟，反馈对后续恒星形成的影响，再电离的模型，观测第一代天体的方法和可行性研究；极早期宇宙中尘埃的产生机制、尘埃特征及对恒星形成过程的影响；从第一代星系形成，随宇宙暗物质晕主导的大尺度结构的演化，不同宇宙时期星系中气体和恒星如何联系；激发星系大规模恒星形成的物理机制，尤其是早期宇宙（ｚ＞２）大质量星系是如何形成的；不同时期和不同环境的恒星ＩＭＦ是否普适，观测上研究高红移星系的恒星形成率密度（SFR density）与恒星质量密度（stellar mass density）之间的自洽问题。 

７．大质量黑洞的观测证据和活动星系核的多波段观测研究 

宇宙中活动星系核和大质量黑洞的统计普查，遮蔽的活动星系核、黑洞的质量函数、密度函数、吸积历史的研究。黑洞质量和自旋的测量。黑洞的宇宙大尺度分布，成团性，与暗物质晕分布的成协性。Ｘ射线背景辐射的精确测定和５keV以上的宇宙Ｘ射线背景辐射的来源。大质量黑洞的质量下限。低光度活动星系核的观测和理论研究。活动星系核的组成、结构、辐射和统一模型深入研究；尘埃环的物理及其作用；特殊类型活动星系核的研究。高能 射线和甚高能的辐射的观测和理论。活动星系核的光变观测及其物理过程的研究。 

黑洞视界近邻（约几十个史瓦西半径以内）的物理过程：在 Ｘ 射线波段，高分辨的铁 谱线已经开始可以用来探测强引力下的广义相对论效应，如引力红移、光线弯曲等，并且可能利用谱线的回波成图方法来测量黑洞质量，更精确地测量大质量黑洞的质量和自旋。 

基于时域天文观测的对黑洞剧烈活动的研究，发展探索正常星系中的大质量黑洞的方法，如黑洞俘获并潮汐摧毁和吸积恒星的过程及产生的耀发辐射，被黑洞引力散射后的高速恒星等。 

８．大质量黑洞的形成和演化、与星系的关系 

高红移宇宙的星系中心是否也普遍存在大质量黑洞，以及黑洞与星系核球的紧密关系？这些大质量黑洞在宇宙形成后百分之几的宇宙年龄阶段就已经存在，它们是如何在短时间内形成的？大质量黑洞和星系谁先形成？它们的形成和演化是如何关联的？黑洞在星系形成早期的作用是什么？探测宇宙第一批黑洞，它们提供了探索早期宇宙中星系际介质电离状态和宇宙重新电离过程的重要线索。

活动星系核的反馈效应的定量研究。由吸积产生的大量能量和物质通过喷流、外流和辐射的形式注入星系及其周围环境，将对星系产生作用和影响（反馈），包括星系介质和星系演化，并进而制约黑洞的吸积的增长。 

与黑洞相关的物理过程产生的引力波的探测，其中最为重要的是大质量黑洞的并合。在这一领域需要更多的观测证据和理论数值模拟。 

９．黑洞的吸积和喷流的动力学和辐射 

寻找能够探测黑洞附近被吸积物质物理性质的观测特征，通过观测来检验和限制理论模型。如何用各种黑洞吸积模型来解释所观测到的活动星系核的多样性。吸积盘冕的加热机制。黑洞吸积的数值模拟是一个重要的手段。相对论性喷流是如何产生的？其物质组成是什么？活动星系核喷流有不同类型吗？是什么决定了射电强和射电宁静这两大类活动星系核？活动星系核外流的产生、性质和作用。 

１０．活动星系核的燃料供给和统一模型 

活动星系核与恒星爆发形成的联系。吸积原料的来源和供应机制，以及活动星系核的触发机制。活动星系核是如何触发的？被吸积气体是如何从星系尺度进入到星系核的？活动星系核状态在星系一生中是否是间歇性发生的？ 建立各类活动星系核之间的联系以及它们之间的演化。研究活动星系核个体和整体在吸积率、黑洞质量和角动量以及其他参数上演化。 

第五节 对未来发展的建议 

对未来的发展，应该优先支持以下几类模式的研究。 

１．基于国内大型设备获得的原创性、发现性数据开展的研究 

在未来５～１０年，我国将会有几个大型观测设备 （LAMOST、HXMT、FAST）相继投入运行。这将是我国首批在性能和指标将达到国际先进水平的大型天文观测设备。按照预期将产出大量的在某些方面具有国际领先的水平的观测数据。如果能够有效地利用这些数据，预期将会在一些方向取得系统性的、原创性的研究成果，并有可能产生某些突破性的发现。使中国在星系宇宙学、黑洞和活动星系核领域的研究水平有一个整体性的提高。并将使得我国在活动星系核领域的研究从严重依赖于国外数据逐渐向利用自主获取的观测数据转型。使国内观测设备在国际上有一定的发言权。以下列出一些具体的领域和课题。 

２．利用国内中小型设备开展的有特色和影响力的系统性的观测研究

包括丽江２．４米、兴隆２．１６米和６０／９０施密特望远镜、国内射电 VLBI网等一系列设备。有可能在活动星系核的长期监测、光变研究、瞬变天体的后随观测等方面做出有一定影响的成果。利用国内外设备开展多波段联合或后随观测，优势互补。如加入国际 VLBI网的联测、多波段或时间接力的联测、巡天监测发现的顺变天体的后随观测。具有灵活性的中小望远镜可以在这些领域发挥重要作用。 

３．通过合作方式直接利用国外重大设备开展研究 

由于目前我们的国力和技术水平有限，天文观测设备总体水平和规模远远落后于国际先进水平，这一状况在今后相当长的一段时期内难以得到较大改善。同时，考虑到我国的天文研究规模和国际上大型设备的发展趋势，没有可能也没有必要在每个波段都发展自己的大型设备。我们可以通过资金或 技术的参与，有选择性地与国际上的先进设备合作而获取第一手的高质量观测数据，如参加第四代暗能量观测项目BigBOSS LSST和LSST。在中国科学院国 家天文台的经费支持下，目前已经开展了“购买望远镜时间项目”，中国天文学家可以使用包括 Magellan（６．５米）、MMT （６．５米）、CHFT （３．６米）、Palomar Hale （５．１米）在内的大中型望远镜，可用时间大约为每个望远镜每年几夜到几个星期。项目目前已取得了一些很好的成果。将来可能的合作项目包括LAMOST与Ｘ射线巡天eROSITA的合作等。 

４．通过科学提案竞争直接获得国外空间和地面重大设备开展的研究 

目前国内的大部分学者主要是靠利用国外的巡天开放数据 （如SDSS）和数据库公开数据开展工作。国际上的很多一流设备尤其是空间设备是对外竞争性地开放使用的，而且并不耗费任何国内的资源。要鼓励更多的学者，尤其是年轻学者通过科学提案的竞争来获得国外重大设备的观测时间开展研究。我国学者在这方面的起点较低，意识也相对较弱，尚需进一步鼓励加强。

此外，要鼓励创新性地利用国外大型巡天设备的开放数据的研究。国际先进设备包括目前正在运行的空间的Chandra、XMM-Newton、Suzaku、Fermi-GLAST、Swift、HST、Spitzer等卫星，地面的8～10米及望远镜和 VLA,VLBI，VLBA，H.E.S.S., MAGIC等设备；将来的设备包括JWST、eROSITA等和地面的ALMA和20～30米级光学红外望远镜。 

５．高水平的理论及数值模拟研究 

计算机数值模拟在国内起步较晚，近年来我国在宇宙大尺度结构的研究取得了一系列国际上高显示度的研究成果，目前应该鼓励拓展研究方向，向星系形成、活动星系核和黑洞物理的数值模拟研究延伸。 

致谢：本章作者感谢曹新伍、陈学雷、范祖辉、冯珑珑、高亮、高煜、孔旭、沈志强、束成刚、王建民、王俊贤、王挺贵、吴学兵、夏晓阳、杨小虎、张鹏杰、张双南、张新民、朱宗宏、郑宪忠等提供相关资料。