日常生活中的天文学

作者：Marissa Rosenberg，Pedro Russo（EU-UNAWE，莱顿天文台/荷兰莱顿大学），Georgia Bladon，Lars Lindberg Christensen（ESO，德国）

另请参阅Rosenberg，M.、Russo，P.、Bladon，G.和Christensen，L.L.，《日常生活中的天文学》CAPjournal 2013年第14期

介绍
技术转让

从天文学到工业
从天文学到航空航天领域
从天文学到能源部门

天文学和医学
日常生活中的天文学
天文学和国际合作
总结
工具书类

介绍

纵观历史，人类仰望天空，在浩瀚的海洋中航行，决定何时种植庄稼，回答我们来自何方，如何来到这里的问题。这是一门开阔我们视野的学科，为我们在宇宙中的位置提供了背景，也可以重塑我们看待世界的方式。当哥白尼声称地球不是宇宙的中心时，引发了一场革命。宗教、科学和社会必须通过这场革命来适应这种新的世界观。

天文学一直对我们的世界观产生重大影响。早期文化将天体与诸神区分开来，并将它们在天空中的运动视为对未来的预言。我们现在称之为占星术，它与当今天文学中的确凿事实和昂贵仪器相去甚远，但现代天文学中仍有这种历史的暗示。举个例子，星座的名字：希腊神话中被锁住的少女仙女座，或者拯救她的半神珀尔修斯。

现在，随着我们对世界的理解不断进步，我们发现自己和我们的世界观与星星更加紧密相连。我们在恒星中发现的基本元素，以及恒星周围的气体和尘埃，都是构成我们身体的相同元素，这一发现进一步加深了我们与宇宙之间的联系。这种联系触动了我们的生活，它所激发的敬畏也许是天文学为我们提供的美丽图像在当今文化中如此受欢迎的原因。

天文学中仍有许多尚未解决的问题。目前的研究正在努力理解诸如“我们多大了？”、“宇宙的命运是什么？”以及可能最有趣的问题：“宇宙有多独特，一个稍有不同的宇宙能支撑生命吗？”但天文学每天都在破新纪录，建立最远的距离，最大的物体，最高的温度和最猛烈的爆炸。

追求这些问题是人类的一个基本组成部分，然而在当今世界，能够证明追求答案的合理性变得越来越重要。以下引述很好地总结了描述天文学重要性和一般基础研究的困难：

“保存知识很容易。传授知识也很容易。但创造新知识既不容易，短期内也无利可图。从长远来看，基础研究是有益的，同样重要的是，它是一种用理性和基本真理丰富任何社会文化的力量。”
-艾哈迈德·泽瓦利，诺贝尔化学奖获得者（1999年）。

虽然我们生活在一个面临饥饿、贫困、能源和全球变暖等许多紧迫问题的世界，但我们认为天文学具有长期利益，对文明社会同样重要。几项研究（见下文）告诉我们，对科学教育、研究和技术的投资不仅在经济上，而且在文化上和间接地为广大人民提供了巨大的回报，并帮助各国面对和克服了危机。一个国家或地区的科技发展与其人类发展指数密切相关，人类发展指数是衡量预期寿命、教育和收入的统计数据（Truman，1949）。

利克天文台主任罗伯特·艾特肯博士在其题为《天文学为什么重要？》的论文中向我们表明，即使在1933年，也有必要为我们的科学辩护天文学的应用（艾特肯，1933年）。他的最后一句话概括了他的情绪：“让人类对宇宙有更多的了解，并帮助他‘学会谦逊，学会升华’，这是天文学的使命。”最近，C·雷内·詹姆斯（C.Reneée James）写了一篇文章，概述了我们可以感谢天文学的最新技术进步，例如GPS、医学成像和无线互联网（雷内·詹姆士，2012）。为捍卫射电天文学，Dave Finley在Finley（2013）中指出，“总之，天文学在整个历史上一直是技术进步的基石，对未来有很大贡献，并为所有人提供了一种基本的感觉，即我们在一个无法想象的广阔而令人兴奋的宇宙中的位置。”

天文学及其相关领域处于科学技术的前沿；回答基本问题，推动创新。正是由于这个原因国际天文学联合会2010-2020年（IAU）战略计划有三个主要重点领域：技术和技能；科学研究；文化和社会。

尽管像天文学这样的“蓝天研究”很少在短时间内直接产生实际成果，但追求这项研究需要尖端技术和方法，这些技术和方法可以在更长的时间内通过更广泛的应用产生影响。

下面列举了大量例子，其中许多例子说明了天文学研究如何通过不断推动超出我们现有能力的仪器、过程和软件，为技术、经济和社会做出贡献。

天文学科学和技术发展的成果，特别是在光学和电子等领域的成果，已成为我们日常生活中必不可少的，应用领域包括个人计算机、通信卫星、移动电话、，全球定位系统、太阳能电池板和磁共振成像（MRI）扫描仪。

虽然天文学的研究提供了大量有形的、金钱的和技术的收益，但天文学最重要的方面可能不是经济计量。天文学已经并将继续在全球范围内革命性地改变我们的思维。在过去，天文学被用来测量时间、标记季节和导航浩瀚的海洋。天文学作为最古老的科学之一，是每种文化历史和根源的一部分。它以美丽的图像激励我们，并承诺回答重大问题。它充当了一扇窗户，让我们了解太空的巨大规模和复杂性，让我们对地球有一个正确的认识，并促进我们在地球上的全球公民身份和自豪感。

美国国家研究委员会（National Research Council，2010）和欧洲（Bode et al.，2008）的几份报告表明，天文学的主要贡献不仅仅是技术和医学应用(技术转让，见下文），但这是一个独特的视角，它扩展了我们的视野，帮助我们发现宇宙的宏伟和我们在其中的位置。更紧迫的是，天文学帮助我们研究如何延长我们物种的生存时间。例如，研究太阳对地球气候的影响以及它将如何影响天气、水位等至关重要。只有研究太阳和其他恒星才能帮助我们全面了解这些过程。此外，绘制太阳系中所有物体的运动图，使我们能够预测来自太空对我们星球的潜在威胁。这些事件可能会给我们的世界带来重大变化，正如车里雅宾斯克陨石撞击2013年，俄罗斯。

就个人而言，教年轻人天文学也很有价值。事实证明，在小学或中学从事天文相关教育活动的学生更有可能从事科学和技术职业，并跟上科学发现的步伐（国家研究委员会，1991年）。这不仅有利于天文学领域，而且涉及其他科学学科。

天文学是少数几个与社会直接互动的科学领域之一。不仅超越国界，而且积极促进世界各地的合作。在下面的文章中，我们概述了天文学对各个领域做出贡献的具体方面。

技术转让

从天文学到工业

天文学和工业之间技术转让的一些最有用的例子包括成像和通信方面的进步。例如，一部名为柯达技术手册被医学和工业分光镜学家、工业摄影师和艺术家广泛使用，最初是为了让太阳天文学家能够记录太阳表面结构的变化。此外，Technical Pan的开发——再次受到天文学家的要求的驱动——被用于检测患病的作物和森林、牙科和医学诊断，以及探测绘画层以发现伪造品（国家研究委员会，1991年）。

2009年，威拉德·S·博伊尔和乔治·E·史密斯被授予诺贝尔物理学奖用于开发另一种在工业上广泛使用的设备。为天文图像开发的图像捕捉传感器，称为电荷耦合器件（CCD）于1976年首次用于天文学。在短短几年内，他们不仅取代了望远镜上的胶卷，还取代了许多人的个人相机、网络摄像头和手机上的胶卷。CCD的改进和普及归功于NASA决定在哈勃太空望远镜（Kiger&English，2011）。

在通信领域，射电天文学提供了大量有用的工具、设备和数据处理方法。许多成功的通信公司最初是由射电天文学家创建的。计算机语言福斯最初创建用于基特峰36英尺望远镜，为一家高利润公司提供了基础(福斯公司。). 现在，联邦快递正在全球范围内使用它来提供跟踪服务。

下面列出了天文学和工业之间技术转让的其他一些例子（国家研究委员会，2010年）：

  • 通用汽车公司使用天文学编程语言交互式数据语言（IDL）分析车祸数据。

  • 一家公司获得了第一批检测重力辐射技术的专利，该技术是在大型物体加速时产生的，目的是帮助他们确定地下油藏的重力稳定性。

  • 电信公司美国电话电报公司使用图像还原和分析设施（IRAF）-在国家光学天文台-分析计算机系统和固态物理图形。

  • 天文学家拉里·阿尔特舒勒（Larry Altschuler）通过其从投影重建太阳日冕的工作，负责开发层析成像技术，即使用穿透波分段成像的过程。（舒勒，M.D.1979）

从天文学到航空航天领域

航空航天部门的大部分技术与天文学共享，特别是在望远镜和仪器硬件、成像和图像处理技术方面。

自天基望远镜发展以来，国防信息获取技术已从地面技术转向空中和天基技术。国防卫星本质上是指向地球的望远镜，需要与天文卫星相同的技术和硬件。此外，处理卫星图像使用与天文图像相同的软件和过程。

下面给出了一些用于防御的天文发展的具体示例（国家研究委员会，2010年）：

  • 恒星观测和恒星大气模型用于区分火箭羽流和宇宙物体。目前正在研究将同样的方法用于预警系统。

  • 天空中恒星分布的观测——用于指向和校准望远镜——也用于航空航天工程。

  • 天文学家开发了一种日盲光子计数器，这种设备可以在白天测量来自光源的光粒子，而不会被来自太阳的粒子淹没。现在，它被用于检测导弹排气中的紫外线光子，从而实现几乎无误报警紫外线导弹预警系统。同样的技术也可用于检测有毒气体。

  • 全球定位系统（GPS）卫星依靠类星体和遥远星系等天文物体来确定准确位置。

从天文学到能源部门

天文方法可用于寻找新的化石燃料以及评估新的可再生能源的可能性（国家研究委员会，2010年）：

  • 两家石油公司，德士古和英国石油公司，使用IDL分析油田周围的岩芯样品以及一般石油研究。

  • 一家澳大利亚公司，名为Ingenero公司，创造了太阳辐射收集器，利用太阳的能量在地球上获取能量。他们已经制造出直径达16米的收集器，这只有使用为轨道望远镜阵列开发的石墨复合材料才能实现。

  • 设计用于成像X射线的技术X射线望远镜-这些望远镜的设计必须与可见光望远镜不同，现在用于监测等离子体聚变如果聚变（两个轻原子核融合形成一个更重的核）成为可能，它可能是安全、清洁能源的答案。

天文学和医学

天文学家一直在努力观察那些越来越暗、越来越远的物体。医学也面临着类似的问题：要看到人体内模糊的东西。这两个学科都需要高分辨率、准确和详细的图像。也许这两项研究之间知识转移最显著的例子是孔径合成由射电天文学家和诺贝尔奖获得者马丁·莱尔（瑞典皇家科学院，1974年）开发。该技术用于计算机断层扫描（也称为CT或CAT扫描仪），磁共振成像（MRI），正电子发射断层扫描（PET）和许多其他医学成像工具。

随着这些成像技术的发展，天文学发展了许多编程语言，使图像处理变得更加容易，特别是IDL和IRAF。这些语言广泛用于医学应用（Shasharina，2005）。

天文学研究如何为医学界做出贡献的另一个重要例子是清洁工作区的开发。天基望远镜的制造需要一个极为清洁的环境，以防止灰尘或颗粒遮挡望远镜上的镜子或仪器（如NASA的STEREO任务; Gruman，2011年）。为实现这一目标而开发的洁净室协议、空气过滤器和兔子服现在也在医院和制药实验室中使用（Clark，2012）。

下面列出了天文工具在医学中的一些更直接的应用：

  • 制药公司与剑桥自动钢板测量设备允许更快地分析白血病患者的血样，从而确保更准确地改变药物（国家研究委员会，1991年）。

  • 射电天文学家开发了一种检测肿瘤的非侵入性方法。通过结合其他传统方法，乳腺癌患者的真阳性检出率为96%（Barret等人，1978年）。

  • 最初开发用于控制望远镜仪器温度的小型热传感器现在用于控制新生儿病房的加热，新生儿病房是新生儿护理病房（国家研究委员会，1991年）。

  • NASA开发的低能X射线扫描仪目前用于门诊手术、运动损伤和第三世界诊所。美国食品和药物管理局（FDA）也使用它来研究某些药片是否受到污染（国家研究委员会，1991年）。

  • 用于处理从太空拍摄的卫星照片的软件现在正在帮助医学研究人员建立一种简单的方法，以实现阿尔茨海默病的大规模筛查（ESA，2013年）。

  • 通过充满液体的、不断移动的活人眼睛观察与试图通过湍流大气观察天文物体没有太大区别，而且相同的基本方法似乎对两者都有效。天文学中使用的自适应光学可用于活体患者的视网膜成像，以研究早期黄斑变性和视网膜色素变性等疾病。（波士顿微型机器公司2010）

日常生活中的天文学

人们每天都会遇到很多来自天文技术的事情。也许最常用的天文学衍生发明是无线局域网（无线局域网）。1977年，约翰·奥沙利文（John O'Sullivan）发明了一种从射电望远镜中锐化图像的方法。同样的方法也适用于一般的无线电信号，特别是那些致力于加强计算机网络的信号，计算机网络现在是所有无线局域网实现的一个组成部分（Hamaker等人，1977年）。

以下列出了最初为天文学开发的对日常生活重要的其他技术（国家研究委员会，2010年）：

  • X射线观测技术也被用于目前机场的X射线行李带。

  • 在机场，为火星任务设计的用于分离和分析化合物的气相色谱仪被用于调查毒品和爆炸物的行李。

  • 警方使用手持化学需氧量（COD）光度计（天文学家开发的用于测量光强度的仪器）来检查车窗是否透明，这是法律规定的。

  • A类γ射线光谱仪最初用于分析月球土壤的方法现在被用作一种非侵入性的方法，以探测历史建筑的结构弱化或查看脆弱马赛克的背后，例如威尼斯的圣马可大教堂。

比这些对技术的贡献更微妙的是天文学对我们时间观的贡献。第一种历法是基于月球的运动，甚至我们定义第二种历法的方式也是由于天文学。1955年研制的原子钟使用天文星历时间进行校准，星历时间是1952年IAU采用的前标准天文时间刻度。这导致了国际上对第二个概念的重新定义（Markowitz等人，1958年）。

这些都是天文学对我们日常生活影响的非常具体的例子，但天文学在我们的文化中也发挥着重要作用。有很多关于天文学的书籍和杂志是为非天文学家准备的。时间简史斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）是一本畅销书，销量超过1000万册（2007年，巴黎），卡尔·萨根（Carl Sagan）的电视连续剧， 宇宙：个人旅行已经有超过5亿人在60多个国家观看了该节目（NASA，2009年）。

许多非天文学家在2009国际天文年（IYA2009），科学领域最大的教育和公众推广活动。通过数千项活动，IYA2009在148多个国家惠及超过八亿人（IAU，2010）。

天文学和国际合作

科技成就给任何国家都带来了巨大的竞争优势。各国为拥有最高效的新技术而自豪，并争相实现新的科学发现。但也许更重要的是，科学可以将各国团结在一起，鼓励合作，并在研究人员环游全球，在国际设施中工作时创造持续流动。

天文学特别适合国际合作，因为需要在世界各地使用望远镜才能看到整个天空。至少早在1887年，来自世界各地的天文学家就汇集了他们的望远镜图像，绘制了第一张天空地图，在天文学方面进行了国际合作，1920年，国际天文学联合会成为第一个国际科学联合会。

除了需要从地球上不同的有利位置观看天空外，在地面和太空建造天文观测台的费用也极其昂贵。因此，目前和计划中的大多数天文台都归几个国家所有。迄今为止，所有这些合作都是和平和成功的。其中最引人注目的是：

总结

在上述文本中，我们概述了天文学是社会重要组成部分的有形和无形原因。虽然我们主要关注技术和知识转让，但最重要的贡献或许还是天文学让我们意识到自己如何融入浩瀚的宇宙。美国天文学家卡尔·萨根在他的书中向我们展示了天文学对社会最简单、最鼓舞人心的贡献之一，淡蓝色圆点:

据说，天文学是一种令人谦卑和塑造个性的经历。也许没有什么能比这张我们这个渺小世界的遥远图像更好地证明人类自负的愚蠢。对我来说，这强调了我们有责任更加友好地对待彼此，保护和珍惜这个淡蓝色的圆点，这是我们唯一的家园。”

工具书类

艾特肯，R.G.1933，天文学的应用.太平洋天文学会。传单591933年12月，33-36

Bode，Cruz&Molster 2008，ASTRONET基础设施路线图：欧洲天文学战略计划,http://www.eso.org/public/archives/books/pdfsm/book_0045.pdf2013年8月

波士顿微型机器公司，https://www.photonicsonline.com/doc/adaptive-optics-101-0001, 2010

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Hamaker，J.P.、O'Sullivan，J.D.和Noodam J.D.，1977年，图像清晰度、傅里叶光学和冗余间距干涉测量，J.选项。《美国社会》，67（8），1122-1123

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用其他语言阅读：

2013年10月出版