从哈勃太空望远镜的论文产出看大型科学仪器对科学研究的支撑作用

高晓培，潘云涛

（中国科学技术信息研究所，北京 100038）

从哈勃太空望远镜的论文产出看大型科学仪器对科学研究的支撑作用

高晓培，潘云涛

（中国科学技术信息研究所，北京 100038）

本文运用文献计量学方法，以SAO/NASA天文数据系统（Smithsonian Astrophysical Observatory/National Aeronautics and Space Administration Astrophysics Data System，SAO/NASA ADS）为信息源，通过对1991年至2010年5月间8913篇利用哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）产生的论文的发表时间、期刊分布、作者、被引频次和科学仪器的使用情况进行了统计分析，揭示了基于哈勃太空望远镜获取的数据展开的科学研究的时间特性和规模，评述了其科研支撑的作用。

哈勃太空望远镜（HST）；文献计量学分析；天文数据系统（ADS）；科技论文；大型科学仪器

在天体观测中，为了避免大气层造成的影响，弥补地面观测的不足，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和欧洲空间局（European Space Agency，ESA）合作，共同建制了大型科学仪器——哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）。哈勃太空望远镜以星系天文学之父爱德温·哈勃（Edwin Powell Hubble）命名，主要目标是建立一个能长期在太空进行观测的轨道天文台。从1979年蓝图设计到1990年投入使用，历时10余年，耗资15亿美元，原计划服务年限为15年。时至今日，美国宇航员曾先后5次在太空对其进行维修保养和仪器升级，使哈勃太空望远镜的使用寿命得以延长。截至2010年4月，哈勃太空望远镜已投入使用20年，在这20年中这一大型科学望远镜是否完成了原定的观测任务，其获取数据是否得到了有效利用，科学家又从所利用的数据做出了怎样的科学发现，哈勃太空望远镜是否对科研的发展起到了预期的支撑作用？本文尝试从文献计量学的角度，通过对这20年来利用哈勃太空望远镜数据产出的论文进行分析以回答上述问题。

1 数据来源

本文的分析使用了美国空间望远镜科学研究所官方网站提供的哈勃论文目录（HST Bibliography）作为数据来源。哈勃论文目录是以SAO/NASA天文数据系统（Astrophysics Data System，ADS）为基础，由美国空间望远镜科学研究所筛选建立的。ADS是由美国国家航空航天局资助史密森天体物理观测台（Smithsonian Astrophysical Observatory ，SAO）建立的天体物理学数据库，收录近8300000条（2010年5月）数据［1］，是规模最大的天体物理学数据库之一。

哈勃论文目录的建立主要分两步进行：第一步，在ADS所有天文学期刊中，用Adobe Reader全文检索“Hubble ACS STIS HST HRS HSP HUDF GHRS GOODS FGS FOS NICMOS FOC WFPC WFPC1 WFPC2 HDF HLA”；第二步，对检中的每一篇文章进行筛选，删除误检的文献。哈勃论文目录编制人员选择在全文中进行检索而不仅是限于摘要字段中，这样是为了有效地避免漏检摘要中不出现相关词的利用哈勃太空望远镜数据产生的论文，筛选工作则主要是删除了一些误检的非相关论文，其中大量是关于“哈勃时间”和“哈勃常数”的文献。在此基础上哈勃论文目录对利用哈勃太空望远镜数据产生的论文作了进一步的界定：基于哈勃太空望远镜数据进行分析，得出结论的称之为利用哈勃太空望远镜数据产生的论文；如果一篇文献仅仅是引用了哈勃太空望远镜的图片，但是并没有以之为基础的分析进而得出结论，那么就不认为它是一篇利用哈勃太空望远镜数据产生的论文［2］。

笔者在哈勃论文目录中限定时间为1990—2010年进行检索，共得到8913篇文献（2010年5月15日下载数据），其中研究论文8887篇，仪器文献（Instrument Paper）26篇。哈勃论文目录提供了文章标题、第一作者、合著作者、来源刊物、发表时间、仪器设备等字段的信息。

2 哈勃太空望远镜获取数据促进了大量天文学及天体物理学论文的产生

哈勃太空望远镜的科学研究的实施和协调工作由位于美国马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute，STScI）负责，为保证飞船和仪器的正常运行，美国国家航空航天局对其做定期的维护，其维修和仪器升级工作分别于 1993年 2月、1997年 2月、1999年 12月、2002年3月、2009年5月先后五次进行。据美国国家航空航天局统计，迄今哈勃太空望远镜已观测到30000多个宇宙天体，其档案库中存储了超过50万张照片［3］。

哈勃太空望远镜获取的数据，经传输和处理后，研究人员可以通过美国空间望远镜科学研究所、空间望远镜欧洲协调机构（Space Telescope European Coordinating Facility，ST-ECF）或加拿大天文数据中心（Canadian Astronomy Data Centre，CADC）获取。来自世界各地的学者，也可以通过互联网访问由美国空间望远镜科学研究所、空间望远镜欧洲协调机构和加拿大天文数据中心联合建立的哈勃遗产档案（Hubble Legacy Archive ，HLA，网址 http://hla.stsci.edu/），并以付费的方式获取哈勃太空望远镜的数据。

2.1 利用哈勃太空望远镜数据产生的论文整体呈现上升趋势

如图1所示，蓝色折线代表利用哈勃太空望远镜数据产生的论文数量的年度变化（左侧主坐标轴），红色折线代表利用哈勃太空望远镜数据产生的论文占天文学和天体物理学论文数比例的年度变化情况（右侧次坐标轴）。由图可知，利用哈勃太空望远镜数据产生的论文的绝对数量大致呈逐年上升的趋势，利用哈勃太空望远镜数据产生的论文占天文学和天体物理学论文数（天文学和天体物理学论文数来源：ADS）的比例在平稳增长一段时间后，始终保持在1.2%左右上下波动。利用哈勃太空望远镜数据产生的论文不仅其基数已达8913篇的规模，并且整体上保持了逐年上升的趋势，这也从一个侧面说明了哈勃太空望远镜每年都为科学家提供了充分的基础数据，并且这些数据也得到了科学家的广泛使用以供他们开展天文学与天体物理学的科学研究工作。

2.2 哈勃太空望远镜各仪器获取的数据得到了普遍的利用

1990年发射升空时，哈勃太空望远镜携带的科学仪器有：高速光度计、暗天体照相机、广域行星照相机、戈达德高解析摄谱仪和暗天体摄谱仪，其导引系统中的精密制导传感器也可以作为科学仪器，进行天体测量。在其后的五次维修中，工作人员对部分仪器进行了升级换代或更新替换。现今，哈勃太空望远镜正在使用的设备除最初的精密制导传感器外，另有宽视野行星照相机2号（1993年安装），近红外照相机和多天体光谱仪（1997年安装），太空望远镜图像光谱仪（1997年安装），第三代高新巡天照相机（2002年安装），宇宙起源光谱仪（2009年安装）和第三代广域照相机（2009年安装）［4］。

哈勃论文目录对每篇论文涉及到的图片是由哪些仪器获取的进行了详细的标注，截至2010年5月的8913篇利用哈勃太空望远镜数据产生的论文中，所有仪器累计被使用10140次。各仪器被使用的数据的频率有所不同，其中，宽视野行星照相机2号是历史累计使用频次最多的仪器，共计3650次，占所有仪器总使用次数的41.0%；其次是第三代高新巡天照相机累计使用1935次，占所有仪器总使用次数的21.7%；另外太空望远镜图像光谱仪和近红外照相机和多天体光谱仪的使用累计次数也超过了1000次，分别为1434和1049次。

哈勃太空望远镜每台仪器设备由于自身的特点，获取的数据量有所不同，被利用程度也不尽相同。虽然被使用的频次有所不同，但是从以上统计数字显示，它们都促成了科学论文的产生，为科学家开展研究工作提供数据基础。

3 哈勃太空望远镜凝聚了一定规模的科研队伍并形成了相对稳固的交流平台

哈勃太空望远镜产出的8913篇论文涉及作者56294人次，他们主要来自欧洲、美国和加拿大。从1991年最初的415位作者利用哈勃太空望远镜的数据展开科学研究到2009年的5401位作者（见表1），涨幅近13倍。由哈勃太空望远镜所凝聚的科研工作者的队伍是在这20年中逐渐发展起来的，呈现出了接近于线性增长的态势。

虽然利用哈勃太空望远镜进行科学研究的人员来自世界各地，但是，在哈勃太空望远镜投入使用的20年中，某些期刊备受科学家青睐并逐渐发展，为科学交流提供了一个相对稳固的平台。据统计，这8193篇文献刊载在41种期刊上，其中累计刊载论文最多的是由美国天文学会主办的Astrophysical Journal（天体物理学杂志）（不包括Astrophysical Journal Supplement Series），载文 4096 篇，占总数的45.96%；其次依次是Astronomical Journal（天文学杂志），载文1322篇，占总数的14.83%，也是由美国天文学会主办，以上两本期刊2009年起委托英国物理学会出版社（IOP Publishing）出版；由法国EDP sciences出版社出版的Astronomy and Astrophysics（天文学与天体物理学），载文1194篇，占总数的13.40%； 由 WILEY-BLACKWELL PUBLISHING，INC出 版 的 MonthlyNoticesoftheRoyal Astronomical Society（英国皇家天文学会月刊），载文939篇，占总数的10.54%。这四种期刊累计载文7551篇，占到了总数的84.72%。

图2给出了居于前4位的期刊每年刊载利用哈勃太空望远镜数据产生的论文占当年利用哈勃太空望远镜数据产生的论文总数比例的变化趋势。由图可知，在哈勃太空望远镜数据应用于科学研究的第一年（1991年），80%以上的作者选择了把自己的文章发表在Astrophysical Journal上，在随后的几年中，学者对期刊的选择稍有分散，但Astrophysical Journal仍然是其发表论文的主要阵地，并且保持了年最低刊载40%当年利用哈勃太空望远镜数据产生的论文的水平。另外Astronomical Journal、Astronomy and Astrophysics和Monthly Notices of the Royal Astronomical Society这三种期刊刊载的利用哈勃太空望远镜数据产生的论文也保持了一定的比例，长期以来，形成了四刊并存，年刊载80%以上的局面。由此可见，20年来，这四种期刊在逐年的发展中已经为利用哈勃太空望远镜数据展开研究的学者提供了一个相对稳固的交流平台。

4 以哈勃太空望远镜数据为基础建立了广泛的合作与有效的交流

随着科学研究规模的不断扩大和内容的日益加深，某些领域科学研究也更多地以多人合作的形式展开。在对利用哈勃太空望远镜数据产生的论文进行著者分析时我们发现，这8913篇论文多采取合著形式，篇均著者数为6.3人/篇，其中单作者论文有408篇，不足总数的5%，且呈逐年递减的趋势（见图3）；合著论文有8505篇，占总数的95.4%；三作者论文最多，有1454篇，占总数的16.3%；其次是四作者论文1294篇，五作者论文1153篇和两作者论文1123篇；作者数大于等于50人的文章有27篇，其中发表于AstrophysicalJournalSupplement Series1995年第97卷第2期由欧洲和美国学者共同完成的文章“Steps toward determination of the size and structure of the broad-line region in active galatic nuclei.8:an intensive HST，IUE，and groundbased study of NGC 5548”的作者数最多，达112人。自哈勃太空望远镜投入科学研究以来，利用其数据产生的论文的年度篇均作者数整体呈现了增加的趋势，2009年篇均作者数最大为8.1人/篇。以上数据表明，在利用哈勃太空望远镜数据进行的科学研究中，由单作者独自完成的论文数量基数不大且正在逐步减少，合作是学者们采用的普遍方式，并且合作的规模有逐步扩大的趋势，而在这一合作的趋势中哈勃太空望远镜的数据不仅提供了研究的素材，还起到了连接各科学家并使他们就共同关心的问题展开科学研究的桥梁作用。

被引频次是指一篇文献发表后被引用的次数，一篇文献的被引频次反映了其在学科交流中的使用情况和受重视程度。截至2010年5月，ADS的统计数据显示，这8913篇利用哈勃太空望远镜数据产生的论文累计被引用311642次，其中不乏被引频次在1000次以上的文献。

除了一些重要文献被广泛引用之外，利用哈勃太空望远镜数据产生的论文篇均被引频次为34.9次/篇，这说明在交流过程中经典问题和文献存在一定程度的集中，但是就全部利用哈勃太空望远镜数据产生的论文而言，它们之间的交流也是十分频繁而有效的。

5 哈勃太空望远镜取得了巨大的历史成就

投入使用20年来，哈勃太空望远镜源源不断地从太空为我们传来关于宇宙的数据，为科学家们证实或完善某些理论提供了基础。美国学者马里奥·利维奥在哈勃太空望远镜16周年之际盘点其科学发现时就曾说：“历史上，很少有望远镜能够像哈勃太空望远镜这样，对天文学研究产生如此深远的影响。要在一篇文章中公平对待哈勃的所有贡献，决非易事。［5］”为尽量避免评述哈勃成就时的个人偏好，我们仅对2010年美国空间望远镜科学研究所列出的哈勃太空望远镜最杰出的五项科学发现［6］进行简单的介绍：

（1）宇宙加速膨胀。证实了暗能量存在的假说，从而解释了宇宙加速膨胀之谜。

（2）宇宙年龄的测算。哈勃常数是宇宙年龄测算中的关键，哈勃太空望远镜通过对造父变星（Cepheid variable）的研究，测定了它们的距离，为计算哈勃常数奠定了基础，最终完成宇宙年龄的测算。

（3）星系的形成过程。拍摄到不同年龄的许多星系的照片，这些照片反映了星系从幼年到成年的不同阶段。

（4）太阳系之外的世界。哈勃太空望远镜对人类首次发现的掩食（transit）行星——HD209458的伴星所做的观测，提供了太阳系外该行星最翔实的数据。并且在太阳系外成功检测到其他行星的存在，也是2001年美国天文学会请行星科学家投票表决选出的他们心中过去10年最重大的科学发现。

（5）首次证实暗物质的存在。天文学家基于哈勃太空望远镜的观测数据研究土星与星系群碰撞时，找到了暗物质存在的证据［7］。

6 结论与思考

哈勃太空望远镜自1990年发射以来的20年间，为科学研究提供了大量的数据，并聚集了一定规模的科学家根据其数据进行天文学方面的研究。以哈勃太空望远镜提供的数据为基础，科学家完成了关于宇宙加速膨胀，宇宙年龄的测算，星系的形成过程，太阳系之外的世界，暗物质的存在等［6］方面的重大科学发现，为我们揭开宇宙之谜提供了不可或缺的证据，有效地支撑并促进了人类天文学的发展。

哈勃太空望远镜之所以能取得如此辉煌的成就固然归功于其良好的性能，但是其科研支撑作用的有效发挥同时也与其健全的管理与运行机制有很大的关系。在投入使用后数据收集和共享工作对于大型科学仪器的有效利用显得尤为重要。美国空间望远镜科学研究所、空间望远镜欧洲协调机构和加拿大天文数据中心建设的数据库可以满足来自美国、欧洲和加拿大的研究人员的信息需求，由以上三者联合建立的哈勃遗产档案更是为全世界的研究人员提供了获取哈勃太空望远镜数据的渠道。而由美国空间望远镜科学研究所筛选建立的哈勃论文目录数据库则为有效地评估哈勃太空望远镜的产出提供了准确而全面的数据基础［8］。由此我们得出启示，我国的大型科学仪器在建成使用后，其主要负责机构应承担起原始数据及成果产出的收集和建库工作，以利于大型科学仪器的有效利用和科学数据的进一步共享，从而胜任其科研支撑的重要角色。

在利用哈勃太空望远镜展开的研究中，合作是学者们采用的普遍方式，并且合作的规模有逐步扩大的趋势。由于资源利用便利等原因，来自欧洲、美国和加拿大的学者利用哈勃太空望远镜的数据展开了最广泛的合作也构成了利用哈勃太空望远镜数据产生的论文的主要作者群，而中国、日本、俄罗斯等国家的研究人员虽然也利用哈勃太空望远镜的数据开展了一定规模的研究，但与主体作者群的研究规模相比仍存在较大差距。为此，我国在大型科学仪器的建设中有必要有选择地在相对薄弱的或是急需发展的领域加大投入，以便利用其资源优势加强同该领域强国的合作，最终实现促进自身发展、提高国际竞争力的目标。

哈勃太空望远镜作为国际间合作制造的大型科学仪器，已经出色地完成了其天体观测的使命，并超出了其预设的15年的服役年限，经过2009年的维修后哈勃太空望远镜的功能更是已经超过发射时的100倍［1］。作为哈勃太空望远镜后续机的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）由于制造方面的问题，不得不延迟到2013年升空，为此，哈勃太空望远镜将继续在太空服役，并为科学家探索宇宙的奥秘、促进科学研究进步发展提供更多的影像资料的支持。

［1］High Energy Astrophysics Division.The SAO/NASA Astrophysics Data System［DB］.http://adswww.harvard.edu/，2010-06-09.

［2］Basic Methodology ［EB/OL］.http://archive.stsci.edu/hst/bibliography/basic_methodology.html,2010-06-09.

［3］Ray Villard，Mario Livio.Starry-Eyed Hubble Celebrates 20 Years of Awe and Discovery ［EB/OL］.（2010-04-22）.http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2010/13/full/,2010-06-09.

［4］HST Instruments［EB/OL］.http://www.stsci.edu/hst/HST_overview/instruments/,2010-06-09.

［5］［美］马里奥·利维奥，［译］虞骏.16年哈勃 10 大发现［J］.世界科幻博览,2006，（12）:72-75.

［6］Space Telescope Science Institute.Hubble space telescopes’s top science findings ［EB/OL］，（2010）.http://nextgen.stsci.edu/hubble_20/downloads/hubble_topscience_lo-res.pdf,2010-06-09.

［7］盘点哈勃望远镜 12 项重大太空发现［J］.光机电信息.2009，26（5）:42-44.

［8］Georges Meylan，Brett S.Blacker，Duccio Macchetto，ect.The scientific output of the Hubble Space Telescope from objective metrics［J］.Proceedings of SPIE,2004，5493：42-53.

（责任编辑 张九庆）

Supporting Role of Large-scale Scientific Instrument in Science Research by Studying the Paper Out-put of HST

Gao Xiaopei，Pan Yuntao
（Institute of Scientific and Technical Information of China,Beijing 100038,China）

Adopting the biblio-metrological analysis,and taking the SAO/NASA ADS（Smithsonian Astrophysical Observatory/National Aeronautics and Space Administration Astrophysics Data System）as the investigation and statistics resource,this paper analyzes the publishing time,periodical distribution,author,citation frequency and the using of the scientific instrument of the papers from 1991 to May 2010,which used the HST(Hubble Space Telescope)data.The paper reveales the time characteristics and scale of the research basd on the data of HST and the supporting role of HST in science research.

Hubble Space Telescope（HST）； bibliometric analysis； astrophysics data system（ADS）； scientific papers； large-scale scientific instrument

G31

A

国家十一五科技支撑项目“基于海量信息分析的科技评价方法、技术研究与应用”（项目编号：2006BAH03B05）。

2010-07-19

高晓培（1986-），女，河北省人，情报学硕士；研究方向：科学计量学。