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“慧眼”卫星在轨交付与未来产出成果离不开Ta

来源:网络 作者:上海新闻网 人气: 发布时间:2018-02-02
摘要:来源:科学大院编者按:2017年6月15日,硬X射线调制望远镜卫星(HXMT)成功发射;2018年1月30日,卫星成功在轨交付。What?我还以为发射成功就万事大吉了呢!其

  2017年6月15日,硬X射线调制望远镜卫星(HXMT)成功发射;2018年1月30日,卫星成功在轨交付。

  What?我还以为发射成功就万事大吉了呢!

  其实,发射成功只是第一步。为了顺利在轨交付,需要对硬件和科学载荷分别进行测试,其中重要的工作就是结合在轨实验数据完善数据校准流程。这就要说到在天文学研究中举足轻重的数据科学。

  今天大院er要为大家介绍的正是这位“幕后英雄”。

  纵观天文学研究的各种前沿问题,尽管层次和名目繁多,看起来关系错综复杂,但是主干工作仍然是围绕着各种奇怪的人名地名命名的天文台、各种有着长还要更长名字的望远镜开展的。

  望远镜的论证、设计和建造

  要建造一台望远镜,一般来说,流程是这样:

图1 天文学家提议建造望远镜,天文学家和工程师共同设计望远镜,工程师建造望远镜并交付天文学家,望远镜开光(与寺庙无关)后投入使用。(绘图:付宇盈)

  图1 天文学家提议建造望远镜,天文学家和工程师共同设计望远镜,工程师建造望远镜并交付天文学家,望远镜开光(与寺庙无关)后投入使用。(绘图:付宇盈)

  从17世纪至今,望远镜越造越庞大,所需资源不断上涨,论证、设计、建造和使用过程也日益复杂。

  一方面是因为天文学本身就是观测驱动的,另一方面则是得益于人类社会也在不断发展。教育不断发展,培养了更多的科学家、工程师;产业不断发展,提高了生产效率;社会管理和动员能力不断发展,成千上万的科技工作者围绕同一个项目工作也能实现。

  以2017年6月15日发射的硬X射线调制望远镜卫星为例,在20世纪90年代提出设想之后,便是研发和论证两条腿走路。

图2 硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星

图2 硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星

  1、研发方面,不是首席科学家一个人在办公室、实验室或者小作坊就把工作全都完成了,而是需要不同单位的合作者一起研究。

图3 三家单位在卫星研制过程中承担的工作

图3 三家单位在卫星研制过程中承担的工作

  其中,卫星平台负责科学载荷的供配电,负责实现导航制导与控制(由于科学载荷本身不能转动,所以需要依靠卫星将望远镜对准需要观测的目标进行定点观测,或者围绕目标进行扫描观测)。

  不同单位承担不同的工作,而卫星总体又要与运载、发射场、测控等其他系统协同工作。

  2、论证方面,通俗的说,就是与经费支持单位、工程技术单位和科学共同体一起探讨和迭代出具备足够的科学价值、技术可行性和经费可承受性的方案。

  在数百年前的科学草创阶段,经费支持单位一般是贵族阶级,工程技术单位是各种工匠,或者科学家兼职工匠,科学共同体的圈子很小。而现在,上述各方的职能日益分化,因此相互之间的接口也更为复杂。因此,往往一个望远镜项目的首席科学家除了具备学界响当当的声望,广泛的工程技术敏感性,还具备项目管理和运作能力。

  获取科学产出

  望远镜建成并投入使用后,天文学家将利用它进行天文观测,并基于观测数据,进行科学研究。

  这个过程中,最为核心的问题就是观测时间的分配。

图4  望远镜观测时间的调配是核心问题(绘图:付宇盈)

图4  望远镜观测时间的调配是核心问题(绘图:付宇盈)

  有限的望远镜、探测器总是无法满足同时在所有波段观察所有目标的需求,因此,观察什么/不观察什么、什么时候观察、用何种模式观察,等等,都与望远镜有限资源有限寿命能取得的科学产出有关。

  瞧,这又是一个管理问题。

  因此,现代望远镜、天文台成立科学委员会,来针对上述问题进行决策。观测时间分配同样兼顾效率和公平。笔者认为,所谓效率,就是有限资源科学产出最大化;所谓公平,就是论证、设计、研发阶段不能白出力。

  所以,深度参与望远镜前期工作的科学家代表可以进入科学委员会,获得望远镜的观测时间,开展与望远镜主要科学目标相关的观测;其他天文学家也可以向科学委员会提交观测建议书,针对自己感兴趣的目标申请观测时间。

  望远镜的使用中,除了观测时间分配,另一个问题是观测数据的获取。

  观测的建议者无疑能够最先获得观测数据。一般来说,观测数据只给观测建议者,供建议者慢慢研究,或许最符合建议者的利益(不过考虑到拖延症,或许还是有个截止时间更好);而对于科学委员会来说,把所有观测数据都公开,让所有感兴趣的人来挖掘里面的科学价值,显然最符合提升望远镜科学产出的需求;对于目前以各国政府机构为主体的经费资助单位,将不同阶段的科学产出释放出来,也符合社会需求。

  在X射线天文学中,望远镜的观测时间分配和观测数据获取都具有显著的开放性,这或许与X射线天文学足够年轻有关吧。

  天文学与数据科学

  在笔者看来,天文观测堪比建造通天塔(巴别塔)。每一砖、每一瓦都从观测数据中取得;望远镜则好比建造者使用的工具,从徒手进化到瓦刀,又从瓦刀进化到起重机、搅拌机;一代又一代先驱、学者不断向塔顶攀登,又努力把塔修建得更高,然后向更多的人讲述塔顶的风景。

  观测数据本身并不带来知识,但它是知识的基础。观测数据除了包含来自天体的信息,更与观测过程和探测器有关。探测器能力越来越强,观测过程也越来越复杂,积累的观测数据堪称海量。天文数据分析的模式也在悄然发生改变。过去,一人一镜走天下,观测设施是分散化、去中心化的;现如今,观测设施越来越集中化,借助虚拟天文台等技术,身处世界各地的研究者都能获取观测资源和观测数据。

图5 中国虚拟天文台的主页面()

图5 中国虚拟天文台的主页面()

  因此,现代天文学的数据分析需求日益强烈,且与统计学、计算科学等不断交叉。

责任编辑:上海新闻网
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