中國空間站的高能宇宙輻射探測設施

張雙南 徐明 董永偉 常進（ 中國科學院高能物理研究所 中國科學院紫金山天文臺）

大量的天文觀測證據表明，暗物質不但存在，而且主導宇宙的物質分布。但是目前人類對于暗物質粒子的性質還幾乎一無所知，關鍵就在于還沒有探測到暗物質粒子，這是人類對宇宙認識的重大缺憾之一。現代物理學理論的有些模型預言了種類繁多的候選暗物質粒子，但是無法明確說明哪種粒子就是暗物質粒子，所以最終探測到并且測量暗物質粒子的性質將能夠對于基礎物理學理論的發展起到巨大的推動作用。

根據不同的理論模型所預測的暗物質粒子的性質，對于這些候選暗物質粒子有不同的探測和搜尋手段。最近幾年的地下、地面和空間暗物質探測對暗物質粒子的性質給出了一些約束、甚至有一些探測到的跡象，但是暗物質粒子存在的可靠證據仍然十分缺乏，使得暗物質粒子的探測成為國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域。國際上不斷有各種各樣新的暗物質粒子探測或者搜尋的實驗投入運行或者部署中，尤其是“國際空間站”已經成為國際上最重要的通過探測高能宇宙輻射探測和搜尋暗物質的國際實驗室，而且其規模正在迅速地大幅度擴展。

中國科學家利用后發優勢，制定了中國的空間暗物質搜尋路線圖，規劃了兩個實驗，一個是正在建造的“暗物質粒子探測衛星”（DAMPE），另外一個就是將在中國空間站部署的高能宇宙輻射探測設施（HERD），這兩個實驗的先后實施將使中國在這個領域保持領先并且做出重大科學發現，這是中國科學界的一個重大機遇。毫無疑問，HERD實驗將成為中國空間站的標志性實驗。

1 任務背景

暗物質存在的天文觀測證據

在過去幾十年對宇宙成分精細觀測的基礎上，人們認識到，普通物質僅占整個宇宙能量密度4%，而暗物質則占據了23%，剩余的73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。暗物質與普通物質只發生引力相互作用，是唯一聯系已知世界和暗物質的紐帶。對于這種既不發光，也不吸收反射光的存在的本質，仍然不清楚。

星系的旋轉曲線是暗物質存在最早也是最直觀的觀測證據。按經典物理理論，星系中天體公轉速度與其距離星系中心的距離以及這段距離內的總質量符合開普勒定律，在星系核中可見物質一定的情況下，外圍天體的公轉速度一定逐次減小。然而，對大多數星系的觀測顯示，當距離星系中心的距離增加到一定程度后，公轉速度近似是一個常數，且一直延伸到可測的星系最外圍。觀測到曲線表明星系內存在更多的物質，即僅通過引力效應表現出來的暗物質。

渦旋星系M33的旋轉曲線

“錢德拉”X射線空間望遠鏡觀測子彈星系團的推論結果

星系團中的各個星系物質的運動速度很快，快到依靠星系團中的可見物質根本無法約束這些星系。而星系團的穩定存在，表明了其中應該有更多的物質，由引力相互作用約束這些星系。在兩個星系團的碰撞過程中，暗物質成分可以不受影響的相互穿過。然而，星際氣體這種星系中最主要的普通物質成分，則會因為相互作用而減慢相對速度。經過一段時間后，星系團中混合在一起的暗物質成分和發光物質成分就會被分離開。“錢德拉”X射線空間望遠鏡對子彈星系團的觀測，是近些年來天文研究對暗物質觀測最重要的結果。

對宇宙微波背景輻射（CMB）的空間觀測也是支持暗物質存在的有力證據，并賦予了更多理論模型架構的條件。“威爾金森微波各向異性探測衛星”（WMAP）實驗近期公布的對微波背景各向異性的精確測量，確定宇宙中暗物質的總量占整個宇宙組分的23%。

暗物質粒子存在的理論依據和研究的重大意義

粒子物理學中的標準模型取得了極大的成功，但是標準模型中沒有一種粒子是暗物質粒子合適的候選者。暗物質大量存在于宇宙中得到大部分人的認可，但關于暗物質的基本問題，即它的本質是什么，由什么基本粒子組成仍然沒有得到回答。標準模型不能解釋暗物質，因此必須引入更為基本的理論模型，來解釋暗物質粒子。這對于人類認識物質的基本結構和相互作用至關重要，也是為什么天文學家和粒子物理學家乃至整個科學界都熱切關心暗物質的原因。

暗物質粒子的探測和搜尋方法

通常有三種探測機制了解暗物質的本質：直接探測、加速器實驗探測和間接探測。

直接測量暗物質粒子與探測器的相互作用，即通過暗物質粒子在普通物質上的散射，通過俘獲到的散射信號進行探測。國際上有美國的“低溫暗物質搜尋實驗”（CDMS-II）和“液氙暗物質實驗”（XENON）,意大利的“超純碘化鈉暗物質實驗”（DAMA）等實驗；國內有錦屏山地下部署的“中國暗物質實驗”（CDEX）和“大型暗物質探測實驗”（PandaX）。

暗物質粒子可以在加速器上通過對撞的方式被創造出來，可以通過探測器中丟失的能量和分布來探測暗物質和推測暗物質的性質。目前，歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上的“超環面儀”（ATLAS）、“緊湊型繆子螺線管探測器”（CMS）等實驗也在積極的尋找類似的信號。

利用暗物質粒子在宇宙中大量存在的特點，尋找宇宙中暗物質粒子之間相互作用的產物包括正負電子，正反質子，光子，中微子等，稱為暗物質的間接探測。暗物質的間接探測主要基于空間實驗。空間實驗間接探測可以了解暗物質在整個宇宙或者特定星系中的情況，與暗物質的空間分布、作用本質聯系更加緊密。這類實驗主要包括“高能γ射線試驗望遠鏡”（EGRET）、“費米”（Fermi）γ射線空間望遠鏡實驗，α磁譜儀－2（AMS02）等，以及我國將部署的“暗物質粒子探測衛星”和HERD。

暗物質粒子搜尋現狀

（1）加速器實驗。現有的加速器實驗還沒有給出明確結果。

各家實驗正電子比例的觀測結果

（2）地下直接探測實驗。2008年, 意大利的“超純碘化鈉暗物質實驗”從12年的連續積累中得到了8.2倍顯著度的年調制效應。“超純碘化鈉暗物質實驗”看到的年調制效應，可能就是人們長期以來尋找的暗物質信號。但該實驗的觀測結果并沒有被其他直接探測實驗所證實。2010年美國的“液氙暗物質實驗”公布了新的觀測結果,進一步限制了暗物質存在的參數空間。

（3）空間間接探測實驗。“高能反物質望遠鏡”（HEAT）氣球實驗在1994-2000年之間測量顯示在8GeV附近宇宙線正電子有著反常的超出。隨后“帕梅拉”（PAMELA）衛星探測結果顯示，10GeV以上的正電子比例比通常的模型計算值要高出最多1個量級。2013年4月，α磁譜儀－2實驗公布了正電子比例譜的測量結果，在10GeV處并沒有觀測到“帕梅拉”正電子的超出現象。但是在高能段，存在著正電子比例的超出。在對這些實驗的理論解釋中，暗物質模型和脈沖星模型都可以解釋正電子比例的超出。因此，究竟是哪種物理過程產生了這些超出的正電子，需要更高能量的精確測量。

在電子的觀測方面，2008年以中美科學家為主的“南極長周期氣球探測器”（ATIC）發表了宇宙線高能電子觀測結果。該探測器發現高能電子流量在300～800GeV能區比理論模型高了將近3倍。這些超出可以被解釋為暗物質粒子湮滅或衰變的產物。2013年7月，α磁譜儀－2實驗公布了其電子觀測能譜，并沒有看到“南極長周期氣球探測器”和“費米”觀測到的超出。α磁譜儀－2的結果顯示，以前電子能譜的超出可能并不存在，在1TeV能區以內通過電子能譜的測量可能看不到暗物質的蹤跡，對暗物質產生的電子的搜尋，重點將會集中在更高的能區上。

綜上所述，加速器上的實驗目前沒有明確的給出暗物質搜尋的結果；地下直接探測的實驗對暗物質存在的參數空間給出了一定的限制；空間間接探測實驗看到了一些暗物質粒子存在的跡象，但仍需要進一步的數據積累以及更高能量的精確測量，以確定這些信號究竟是來自于暗物質或是其他天體物理過程。

從暗物質的概念被提出至今，從星系到星系團以及宇宙微波背景輻射各種尺度引力效應的天文觀測中，都提供了暗物質大量存在于宇宙中的證據，對暗物質的研究是現代天體物理學和粒子物理學的重要課題。暗物質的研究結果可能導致粒子物理標準模型和大爆炸宇宙論的完善，更新甚至揚棄，預示著人類對物質世界的認識的新的革命。

2 中國空間站的高能宇宙輻射探測設施

探測暗物質粒子的本質是當代物理學和天文學中的重大科學問題，這一問題的解決將直接推進人類對宇宙的演化，對物質的基本結構和基本相互作用的理解，也將是人類對自然界認識革命性的飛躍。目前，各個國家都在集中人力、物力和財力，開展這一方向的研究。暗物質的探測也正處于蓬勃發展的階段，未來10～20年將是暗物質探測的一個黃金時代。

在直接探測方面，世界上有近20家實驗在運行和建設，并且實驗的規模在不斷擴大，搜尋的參數空間更加寬廣，探測的靈敏度在不斷提高；在對撞機探測方面，歐洲核子中心的大型強子對撞機正在獲取數據，暗物質粒子搜尋仍然是大型強子對撞機的重要目標之一。在空間探測方面，“費米”和α磁譜儀－2實驗繼續運行，新的“量能器電子望遠鏡”（CALET）和“宇宙射線質能探測器”（CREAM）實驗將陸續投入“國際空間站”運行，γ－400（GAMMA400）衛星實驗也在部署中。國際上關于暗物質探測的競爭前所未有的激烈，暗物質的搜尋是突破性發現的一個制高點。

HERD基線設計示意圖

我國科學家在暗物質理論研究方面已取得了一些顯著的成果。但整體水平而言，特別是在自主領導的實驗研究方面，與世界水平還有一定的差距。結合國際上在這一領域的研究現狀發展趨勢以及我國的具體情況，經過多年的探討和研究，我國已經繪制了開展暗物質探測的路線圖。在中國的錦屏深地實驗室，正在開展“中國暗物質實驗”和“大型暗物質探測實驗”。

兩個實驗，還有更多的地下暗物質實驗在規劃中。中國即將發射的“暗物質粒子探測衛星”，在空間探測暗物質粒子方面將具有很好的潛力和國際競爭力。

晶體單元的光纖耦合

為了搶占空間暗物質探測的制高點,中科院高能所、紫金山天文臺等單位聯合提出了下一代的能夠同時進行暗物質的間接觀測和宇宙射線的直接測量的空間站前沿研究項目，稱為HERD。HERD以全新的創新設計，兼具高粒子鑒別能力、高能量分辨率、大大擴展的探測能區等突出的優勢，成倍和成量級地擴大了探測能力，將成為屆時在國際上最具優勢的暗物質空間探測設施。

HERD方案初步設計

HERD載荷由中心的三維成像量能器和包裹量能器五面的硅微條徑跡探測器組成。頂部徑跡探測器由7層硅微條探測器和鎢板構成，每層硅微條探測器都按照x-y方向垂直放置。頂部硅探測器可以實現徑跡測量、電荷測量、簇射反沖識別以及光子簇射的早期發展。4個側面放置同樣的硅探測器。量能器為邊長63cm的立方體結構，用硅酸釔魯（LYSO）立方晶體拼接而成。每一個晶體立方大小為3cm×3cm×3cm，采用盤繞光纖引出閃爍光信號，用帶有像增強功能的電荷耦合元件（ICCD）進行多路光電轉換讀出。

（1）量能器晶體陣列

量能器由LYSO立方晶體拼接而成，顆粒度3cm是可實現科學能力后的最優尺寸。每個晶體采用波長轉移光纖轉移并引出晶體的閃爍光子信號。為保證達到3個總核作用長度，量能器由21×21×21陣列的晶體組裝而成。對入射粒子的能量探測的上限和精度依賴于探測器的縱向深度。縱向深度不夠，則高能區的能量分辨會很差。HERD遠遠比“費米”好的能量分辨率和遠遠比AMS02大的有效幾何因子保證了其有無法比擬的暗物質搜尋能力。

（2）ICCD系統

ICCD系統包括像增強器、光學耦合組件、CCD相機3個部分。

（3）硅微條徑跡探測器

像增強器、光錐、ICCD系統

ICCD讀出系統功能框圖

頂面硅微條陣列的布局（側視圖）

硅微條徑跡探測器包括頂面徑跡探測器和4個側面徑跡探測器，統稱STK。頂面STK采用8層碳纖維蜂窩板來支撐7組（X,Y）硅微條探測器和鎢板。為了滿足對量能器有效立體角的覆蓋，頂面探測器陣列的橫向有效幾何尺寸為80cm×80cm。4個側面的STK有效尺寸各為80cm×70cm，同樣由7組（X，Y）硅微條探測器構成。在STK的表面覆蓋一層塑料閃爍體，以識別帶電粒子并實現快觸發，同時完成對伽瑪光子的反符合。

（4）結構設計

量能器晶體陣列分為21層，每層豎直擺放，由碳纖維材料制成箱式結構,采用豎直向下吊裝的形式安裝到位。設備箱下層安裝多套ICCD系統和一套量能器觸發系統。探測光纖束和觸發光纖束分別引入這些設備中。

硅微條探測器的主體支撐結構采用碳纖維蒙皮的蜂窩板，在蜂窩板的四周需采用碳纖維空心桿件進行加強，整體多層結構采用四個支撐腿在4個角做支撐。

HERD量能器的優勢和國際影響

接受度更高。空間中的入射粒子分布是各向同性的。傳統的空間高能粒子載荷，主要使用頂面入射的量能器和磁譜儀的模式，只能接受探測器頂面小角度入射的事例，如“費米”，α磁譜儀－2以及“暗物質粒子探測衛星”，因此載荷利用率極低。HERD的三維成像量能器為五面靈敏，極大的提高了探測的有效接收度，在同等的時間內取得的觀測顯著度要比傳統載荷高很多。

單層晶體陣列和光纖排布示意圖

左：蜂窩板結構及支撐；右：頂面徑跡探測器裝配示意圖

設備箱內各設備安裝位置示意圖

HERD有效載荷整體效果圖

HERD性能指標

能量上限和探測精度更高。對入射粒子的能量探測的上限和精度，依賴于探測器的縱向深度。縱向深度不夠，則高能區的能量分辨會很差（如“費米”，100GeV能量分辨為10%）。取樣式的量能器由于取樣漲落也會對能量分辨造成較大的影響（如α磁譜儀－2，100GeV能量分辨為2%）。HERD為一個縱向深度55輻射長度的全吸收式量能器，將會是空間中最厚的一個探測器，首先能量分辨可以得到保證；其次，將會達到以前實驗所不能觸及的高能區；最后，空間中存在大量的宇宙線本底，排除宇宙線本底的影響，取決與量能器的結構，毫無疑問，三維式顆粒的結構能夠最大程度上的還原事例的原始信息，對于獲得一個干凈的能譜是至關重要的。

HERD技術創新點

各空間實驗主要性能參數對比

總結而言，五面靈敏、大縱向深度、全吸收式的三維量能器，是HERD探測方案的創新點，國際上尚未實現過。HERD在比α磁譜儀－2實驗重量低很多而只比其他實驗稍重的情況下能夠具有大接收度、高能量分辨、寬探測能區、高本底排除能力。HERD實驗在能量分辨率指標保持世界領先水平的同時，探測能區更高，接受度要比在軌和計劃中的同類載荷高一個量級以上。也就是說，其他實驗運行10年甚至20年的觀測結果，HERD只需要1年就可以達到。HERD的探測能力將遠超過現有的所有實驗，這一點對于在激烈的國際競爭中取得領先的地位是至關重要的。

HERD的國際影響

高能物理研究所于2012年10月和2013年12月分別召開了兩次HERD國際研討會議，共有100人次的國內外專家和學者出席。其中，國外學者分別來自意大利國家核物理研究院和意大利天體物理和空間科學研究院及其下屬的多個研究所、意大利的多所知名大學、瑞士日內瓦大學、美國麻省理工大學、瑞典皇家工學院；國內學者分別來自中科院空間科學和應用系統總體部、紫金山天文臺、西安光學精密機械研究所、高能物理研究所和中國科學技術大學。與會國內外學者對HERD基于宇宙線探測和暗物質探測的基線設計方案進行了深入討論并達成了共識，對方案的創新性和強大的載荷能力給予了充分肯定。歐方多家單位希望通過參與硅徑跡探測器的研制，以促成主科學目標的實現，并加強伽瑪射線天文的觀測能力。在這兩次會議的基礎上，已經成立了由國內外科學家組成的HERD項目國際協調組和六個專題工作組，工作組成員總數近百位，其中四個工作組的組長為歐美學者。工作組的主要任務是繼續凝練優化科學目標，完成載荷科學能力的評估，完善載荷設計方案。這兩次會議的成功召開極大提升了HERD的國際影響力，為HERD項目的方案優化和深入研究打下了很好的基礎。

3 HERD實驗在中國空間站運行的意義和預期成果

為什么中國有了“暗物質粒子探測衛星”還需要HERD？

增加搜尋手段和擴大搜尋參數空間是未來暗物質搜尋的重點。目前國際上對暗物質粒子的搜尋和馬航370的搜尋有類似之處，科學家在原來可能認為暗物質存在的地方和參數空間進行了大量的搜尋，目前仍然沒有確定的結果，但暗物質存在是肯定的，或早或晚總是會找到的，所以盡管國內外已有多個搜尋暗物質的實驗在運行中，又不斷開始部署通過增加搜尋途徑和擴展搜尋的參數空間的暗物質探測。以“國際空間站”為例，α磁譜儀－2實驗于20世紀90年代初開始立項建造，于2011年5月16號發射到“國際空間站”運行。但是在α磁譜儀－2發射之前，日本就通過了“量能器電子望遠鏡”實驗預期于2014年在“國際空間站”開展暗物質搜尋實驗（目前推遲到2015年實施），中國也立項了“暗物質粒子探測衛星”（2015年底或者2016年發射）。而在“量能器電子望遠鏡”和“暗物質粒子探測衛星”發射之前、α磁譜儀－2剛剛發射之后，美國航空航天局（NASA）又通過了也在“國際空間站”運行的“國際空間站-宇宙射線質能探測器”實驗（原計劃2014年發射，目前推遲到2015年），和“量能器電子望遠鏡”、“暗物質粒子探測衛星”互相補充。而在“量能器電子望遠鏡”、“宇宙射線質能探測器”和“暗物質粒子探測衛星”發射之前，日本又通過了預期2017年發射到“國際空間站”上面運行的極端“日本實驗艙-宇宙空間天文臺”（JEM-EUSO）實驗，該實驗團隊有日本、美國、歐洲和俄羅斯的280位科學家組成，實驗目標和上述實驗互相補充，重點在探測高能宇宙輻射的高端能區。該實驗目前由于日本政府的經費原因還沒有全面啟動，但是近期將由俄羅斯牽頭在“國際空間站”開展技術驗證實驗，同時項目團隊目前正在尋求在歐洲航天局（ESA）支持成為ESA主導的“國際空間站”大型實驗項目。

上述發展過程可以看出：①這個領域的國際競爭空前激烈，各國都在通過不斷地立項新的實驗項目調整搜尋策略和優化搜尋的途徑，說明盡管暗物質比科學家以前猜測的更難發現，但是仍然是國際科學研究的主要前沿；②國際空間站平臺已經成為空間暗物質搜尋的主要競爭平臺；③上述實驗除了暗物質之外都有其他的重大科學目標，如“費米”的伽瑪射線研究、α磁譜儀－2反物質和宇宙線能譜的測量、“量能器電子望遠鏡”和“暗物質粒子探測衛星”的宇宙線和伽瑪射線、“國際空間站-宇宙射線質能探測器”的宇宙線、“日本實驗艙-宇宙空間天文臺”的宇宙線和中微子。

“國際空間站”在已有AMS－2實驗的基礎上，在不斷部署新的重要實驗繼續開展宇宙高能輻射的探測研究，將把“國際空間站”打造成為宇宙高能輻射研究的國際實驗室

縱觀國內外部署的以暗物質為主要科學目標的重大實驗，沒有一個實驗在設計之初保證可以發現暗物質粒子，因此，需要持續不斷地布局具有新的指標、覆蓋更大搜尋范圍的實驗，設計出更高性能更靈敏的探測器。HERD就是在這一指導思想下誕生的，其有效接受度將是“暗物質粒子探測衛星”的10倍多，其性能將遠超現有的所有實驗。HERD運行之后將成為世界上高能電子、宇宙射線和伽瑪射線探測最靈敏的探測器，因此其暗物質搜尋能力必然是前所未有的，能夠保證中國占領空間暗物質搜尋的制高點，充分發揮我國的后發優勢。

HERD為什么選擇空間站而不是衛星？

HERD科學目標對指向沒有特殊要求，觀測模式為巡天觀測，采樣模式為逐事例采樣而不是圖像采樣，因此中國空間站是適合HERD載荷的空間平臺。有人操作的空間站能夠更換備份件將為HERD實現其科學目標提供必要的保障。有效延續一個大型的空間科學探測設施的運行時間，正好可以發揮空間站的獨特優勢。

空間站大容量數傳將確保HERD科學目標實現的最大化。通過空間站平臺，可以便利借用天鏈衛星完成HERD大容量科學數據的中繼下傳。考慮數據壓縮和可能的數據合并，總科學數據率估計在150Mbit/s。因此HERD各種類型科學數據總數據量龐大，必須依賴空間站的數據下傳能力。

因此，HERD將能夠充分利用空間站開展這種實驗的有利條件以及空間站的大平臺的豐富資源，開展一般衛星平臺所無法開展的先進和復雜的空間科學實驗，這也是美國航空航天局選擇在“國際空間站”而不是在衛星上開展多個類似實驗的關鍵因素。

HERD將成為中國空間站標志性的空間科學實驗

隨著空間α磁譜儀－2和“費米”實驗、地面和地下實驗結果的不斷發布，科學家對于暗物質粒子搜尋的理解不斷深化，同時新的實驗手段和技術也開始出現。利用中國科學家最近發展出來的新技術，我們設計的HERD實驗不但在暗物質搜尋方面將具有領先的能力，而且將在新的參數空間開展高精度伽瑪射線巡天和高能宇宙射線各成分能譜的直接測量。

科學研究的歷史表明，新的參數空間的探索往往能夠帶來意想不到的重大科學發現。事實上，天文學領域的十多個諾貝爾獎中，只有微波背景輻射的各向異性的成果是預期的，其他的獲獎成果都不在預期的科學目標中甚至和預期結果恰好相反。這些看似偶然的重大發現，也具有一定的必然性，也就是儀器的設計在某些參數空間必須有超越以前儀器的能力，確保具有新的科學發現的能力，確保項目有獲得預料之外的重大發現的機會。這正是科學研究中偶然和必然的辯證統一。這是因為人類對宇宙和自然界的理解是非常有限的，而預料之外的成果往往是重大的和開創性的。因此HERD的科學目標的可實現性并不是說一定能夠發現或者探測到暗物質粒子，而在于為了具有探測暗物質粒子的最高靈敏度，HERD所具有的超越以前和其它儀器的能力將能夠確保HERD做出重大的科學發現。

與“國際空間站”已經成為參加其參與國開展宇宙高能輻射探測的標志性國際實驗室一樣，HERD實驗將使我國的空間站成為國際上最先進的宇宙高能輻射探測的國家實驗室，因此在中國空間站開展HERD實驗無論是科學、技術還是政治上都是有必要的。為中國的空間站提出HERD這樣水平的實驗是中國科學家的責任。我們將努力和中國優秀的工程師和具有高度責任感的管理者一起實現HERD實驗，把HERD實驗建設成為中國空間站標志性的空間科學實驗。

4 結語

近年來關于暗物質、暗能量的探索研究成科學界關注的前沿熱點，其原因正如科學家形象比喻的“暗物質、暗能量是籠罩在現代物理學上的兩朵烏云”。回顧科學發展的歷史，19世紀末至20世紀初，由于X射線、放射性和電子的發現，開展了原子結構的研究，在探索微觀世界以及電磁波傳播、黑體輻射等研究中，牛頓力學和經典電磁理論遇到巨大困難，推動了理論物理創新。愛因斯坦于1905年提出了相對性原理和光速不變原理，創立了狹義相對論，1915年又建立了以彎曲時空描述引力為核心的廣義相對論，突破了牛頓絕對時空和運動框架；1900年普朗克提出能量子假說和黑體輻射公式，在愛因斯坦、玻爾的推動和許多科學家努力下，形成了量子力學的完整體系，成為人類科學認識史上最深刻的一次革命，天文學的觀測研究對于這次科學革命起到了奠基性的作用。事實上，這次科學革命奠定了當代科學技術的幾乎全部基礎，推動了新的產業革命，深刻地改變了人類社會的面貌。

當前科學研究的發展又有跡象表明到了可能新的突破點。天文學研究提出的“暗物質和暗能量”之謎又一次使得物理學在基本問題上出現了明顯的巨大困難和挑戰，圍繞暗物質和暗能量等重大科學問題的天文學研究又一次站在了自然科學發展的最高點和最前沿。

在過去的幾個世紀中，我國由于種種原因已經屢次失去了在科技革命中有所作為的機遇。從1609年伽利略發明天文望遠鏡至今，天文學研究帶來了人類認識自然和宇宙的世界觀的七次飛躍，對現代自然科學體系的建立起了根本性的作用，并且獲得了多個諾貝爾物理學和化學獎，但是中國對這些都幾乎毫無貢獻。這實際上和近代我國多次受外國欺辱甚至被亡國有密切的聯系。今天和未來我們不可再錯失參加甚至引領新的科學革命的機會。在我們可能有所創新和突破的領域，比如暗物質搜尋和空間高能宇宙輻射的探測，我們應當更加重視，抓住機遇，重點突破。