中國空間科學展望：走向星辰大海的未來之路

王聰

想知道宇宙和生命是如何起源的嗎？想知道太陽系和人類的未來命運嗎？想知道黑洞里究竟有什么嗎？想知道“第二顆地球”究竟在哪里嗎？這些，都是空間科學正在努力研究的方向。

2017年3月17日，中國科學院國家空間科學中心宣布，我國空間科學任務概念征集工作已完成，有80個應征項目通過遴選。應征項目涵蓋了空間科學全部學科領域，將會推動我國空間科學、空間技術、空間應用的全面發(fā)展，使我國的空間科學水平更上一層樓。

空間科學是以空間飛行器為主要平臺，研究發(fā)生在日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理、天文、化學、生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學。伴隨著人類探索太空的腳步越走越遠，空間科學對于人類社會和文明的影響也越來越大，因此成為世界強國高度重視和爭相支持的學科。

不看不知道，中國空間科學研究已經(jīng)做了這么多事

21世紀以來，空間科學與技術的發(fā)展日新月異，空間科學作為能夠引領密集技術創(chuàng)新的前沿交叉學科，在國家發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2013年，由“長征二號F”改進型運載火箭發(fā)射的“神舟十號”成功對接“天宮一號”，并開展了首次太空授課活動；同年，“嫦娥三號”登月探測器成功發(fā)射，并順利完成探月任務，這表明中國在空間技術方面已經(jīng)具備了一定的基礎。同時，由中國科學院牽頭的“空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項”（簡稱“空間科學先導專項”）也有了重大的突破，暗物質粒子探測衛(wèi)星、“實踐十號”科學衛(wèi)星、量子科學試驗衛(wèi)星等先后成功發(fā)射，標志著我國的空間科學事業(yè)進入了新的發(fā)展階段。

暗物質粒子探測衛(wèi)星是通過高能粒子、伽馬射線來尋找和研究暗物質粒子的，被命名為“悟空”，希望它可以像擁有火眼金睛的孫悟空一樣探測到神秘的暗物質?！拔蚩铡币延?015年12月17日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，升空后成功地接收到了來自黑洞的伽馬射線輻射，并取得了一系列的成果。

“實踐十號”返回式科學衛(wèi)星于2016年4月6日成功發(fā)射，返回艙于4月18日成功返回，其間開展了微重力科學、空間生命科學等19項科學試驗。

量子科學試驗衛(wèi)星，又名“墨子號”，已于2016年8月16日成功發(fā)射，這是世界上首顆量子通訊衛(wèi)星，也是國際上首次在空間大尺度下實現(xiàn)星地自由空間量子密鑰生成和分發(fā)、星地自由空間量子保密通信等試驗，這將有助于我國在量子通信技術上保持和擴大國際領先地位。

目前，雖然我國在空間科學的各個分支領域，包括空間天文、空間物理、行星科學等方面都有了一定的進步，但是因為我們依然大量使用國外科學衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，導致在空間科學領域很難有重大的原始成果。因此，我們需要盡快地推動我國的空間科學水平得到發(fā)展。

重點關注兩大主題：宇宙和生命、太陽系和人類

在未來一段時間內，中國空間科學究竟要做些什么事？這或許可以在中國科學院2016年發(fā)布的《2016-2030年空間科學規(guī)劃研究報告》中找到答案。

在2030年前，中國的空間科學研究將重點關注兩大主題：宇宙和生命是如何起源的；太陽系和人類的關系是怎樣的。對于這兩大主題，將會從宇宙的構成、是否存在突破現(xiàn)有理論的新規(guī)律以及生命的起源和演化、獲取地球以外存在生命的證據(jù)等多方面進行展開。

為了解決上述的科學問題，必須有目標明確、技術可行、階段發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。因此，中國空間科學的發(fā)展目標是，至2020年，發(fā)射“十二五”立項的4顆科學衛(wèi)星，新立項研制5-6顆衛(wèi)星；至2025年完成“十三五”立項的科學衛(wèi)星發(fā)射，新立項研制6-7顆科學衛(wèi)星；至2030年，完成“十四五”立項的科學衛(wèi)星發(fā)射，新立項研制7-8顆科學衛(wèi)星。預計這些衛(wèi)星將在宇宙學、量子物理、系外類地行星、引力波、太陽磁場測量等方面取得重大的科學發(fā)現(xiàn)，為人類認識宇宙、探索太空作出重大貢獻。

這些未來科學衛(wèi)星都會研究啥？下面讓我們選取幾個“積極分子”進行詳細介紹吧。

“刺向”黑洞的神奇探針，研究宇宙中最極端的東西

為了回答黑洞等極端和致密天體的性質是什么，以及這些天體如何與它們周圍的環(huán)境相互作用等重要前沿科學問題，中國科學家啟動了“黑洞探針”計劃。

這項計劃的科學目標就是通過觀測宇宙中的各種黑洞等致密天體及伽馬射線暴，來研究和理解宇宙極端物理性質。計劃包含了硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星（簡稱HXMT）、天基多波段空間變源監(jiān)視器（簡稱SVOM，中法合作的太空望遠鏡項目）、“天極”伽馬暴偏振探測儀（簡稱POLAR，搭載在“天宮二號”上）這3個項目。

HXMT衛(wèi)星是中國第一顆空間天文衛(wèi)星，它所使用的硬X射線波段成像的方法，是李惕碚院士和吳枚研究員發(fā)展的直接解調成像法。通俗來說，X射線就是能量較高的光子，它的能量要比可見光的光子能量高出上萬倍，這些X射線攜帶了天體本身的大量活動信息，科學家也會通過X射線來研究天體，而能量較高的X射線，通常稱為硬X射線。同時，HXMT還是國際上已有計劃中，唯一能對黑洞等高能天體在硬X射線能區(qū)進行高靈敏度（窄視場）、高時間分辨（大面積）定點觀測的空間設備。它可以對銀河系進行非常詳細的掃描，可以觀測黑洞、中子星、超新星爆發(fā)等。HXMT衛(wèi)星已經(jīng)于2011年正式工程立項，并預計將于2017年發(fā)射。

中醫(yī)號脈不稀奇，這里有給各種天體“號脈”的衛(wèi)星們

宇宙中存在著各種各樣的天體（黑洞、白矮星、類星體等），這些天體發(fā)出的電磁波輻射信號隨時間的變化，會提供天體內部結構和自身活動的一些信息。為了了解各種天體的內部結構和劇烈活動過程，科學家們提出了“天體號脈”計劃。

這個計劃包括很多項目，其中的“愛因斯坦探針”計劃（簡稱EP）、X射線時變與偏振探測衛(wèi)星（簡稱XTP）已經(jīng)入選空間科學先導專項“十二五”背景型號項目，該項目的目標是遴選出科學意義重大、創(chuàng)新性強且具備下一個五年計劃發(fā)射技術可行性的衛(wèi)星任務。endprint

“愛因斯坦探針”的主要科學目標，涉及宇宙中幾乎所有尺度的黑洞、中子星、伽馬暴、超新星激波暴、恒星冕活動等。它能夠采用國際先進的大視場龍蝦眼望遠鏡技術，在軟X射線波段開展超快速、高靈敏度、高空間分辨率的全天巡天，并能實時警報其他天文設備以開展聯(lián)合觀測。它將揭示作為宇宙黑洞主體的、各種尺度上的寧靜“潛伏”黑洞，將探測各類已知或未知的X射線暫現(xiàn)源和瞬變源，甚至有望為下一代引力波探測器捕獲到引力波暴源的電磁對應體。

X射線時變與偏振探測衛(wèi)星的特點是具有大探測面積和寬波段探測能力，并將致力于觀測黑洞、普通中子星和磁星，研究黑洞、中子星等極端天體中的物理規(guī)律和高能輻射過程，研究銀河系的彌散X射線輻射的性質。它計劃搭載的有效載荷包括高能X射線望遠鏡、低能X射線望遠鏡、X射線全天監(jiān)視器、高能X射線偏振望遠鏡和低能X射線偏振望遠鏡等，總探測面積將比以往的X射線天文望遠鏡大5倍左右。該衛(wèi)星計劃將于2020年前發(fā)射。

“開普勒”靠邊站，看看中國人怎樣尋找“地球的兄弟”

要想回答生命從哪里來、我們是否是唯一的這些問題，科學家就必須努力搜尋太陽系外的類地行星，而且它們必須位于自己恒星的宜居帶內。目前確認的系外行星大多是類木行星，且距離宿主恒星很近，不利于生命的存在?！跋低庑行翘綔y”計劃將致力于搜索太陽系外類地、類木行星，并確定其質量、軌道（是否處于宜居帶內）、物理特性、大氣化學成分等，初步對宇宙中是否存在另一個地球這一基本問題作出回答。

這一計劃包括了“系外類地行星探測”（簡稱STEP）、“外星黃道塵盤成像和系外類木/類地行星譜征研究”（簡稱JEEEDIS）、“尋找宜居地球——新地球”（簡稱NEarth）3個項目，其中STEP項目已經(jīng)入選空間科學先導專項“十二五”背景型號項目。

STEP項目計劃發(fā)射一顆針對太陽系外行星系統(tǒng)的空間高精度光學測量衛(wèi)星，衛(wèi)星攜帶一臺口徑1-2米的望遠鏡系統(tǒng)，采用空間亞微角秒級別的高精度天體測量和定位技術，對太陽系附近幾百顆恒星開展高精度定位測量，對其行星系統(tǒng)和位于宜居帶的類地行星等進行更全面、更深入的探測研究。它的科學目標是，搜尋太陽系附近的類地行星，對太陽系附近行星樣本和三維軌道進行精確研究，以及標定宇宙距離尺度。

近年來，美國國家航空航天局和歐洲航天局部署了多個系外行星探測衛(wèi)星計劃，比如大名鼎鼎的美國“開普勒”空間望遠鏡和歐洲航天局正在籌劃的“宇宙愿景”計劃，他們都希望自己能夠成為第一個發(fā)現(xiàn)可能存在生命行星的“撞線者”。這一領域留給中國的空間還有多少？答案是，不要太擔心沒有走到第一步，因為美國國家航空航天局和歐洲航天局已批準的計劃都存在不同程度的缺陷，而STEP有我們自己的優(yōu)勢——高測量精度。據(jù)介紹，STEP設計定位測量精度達到0.5微角秒，是目前國際上定位測量精度最高的空間科學項目。STEP的預期科學成果不僅著眼于位于宜居帶的類地行星，對可居住行星和地外生命的搜尋、探索作出重要貢獻，還將對行星科學、太陽系演化和動力學、太空生命科學、空間高精度測量學等有巨大的促進和推動作用。

從微觀到宏觀，以“尺度”的名義研究太陽

在國際上，太陽物理的研究目前有兩個發(fā)展趨勢：一是對小尺度的精細結構進行高時間分辨率和高空間分辨率的觀測和研究；二是對大尺度活動和長周期結構及演化進行觀測和研究。我國研究太陽的奧秘是中國科學家在未來幾年內也將實施一系列的太陽探測計劃，比如“太陽顯微”計劃、“太陽全景”計劃、“鎖鏈”計劃等，這些計劃將會針對太陽活動的微觀現(xiàn)象和規(guī)律、太陽活動的宏觀現(xiàn)象和規(guī)律、太陽活動如何影響地球空間環(huán)境等問題進行一系列的觀測和研究。

對太陽的小尺度精細結構研究，將會圍繞著“一磁二爆”（太陽磁場、耀斑爆發(fā)、日冕物質拋射）來開展，并試圖回答太陽磁場的-磁元本質、磁場的小尺度特征、耀斑能量過程和日冕物質拋射的源區(qū)特征等一系列問題。這一任務主要由“太陽顯微”計劃來完成，包括了“深空太陽天文臺”（簡稱DSO）、“太陽極區(qū)探測器”（SPORE）等4個項目。其中的DSO將攜帶口徑1米的太陽磁場望遠鏡、多波段紫外望遠鏡等多種載荷，為了可以長期對太陽進行觀測，衛(wèi)星將被發(fā)射到拉格朗日L1點。

研究太陽活動不僅要關注小尺度的特征，同時也需要關注太陽整體行為的研究，“太陽全景”計劃就是希望可以解答太陽磁場起源、磁場大尺度特征、耀斑特性等問題。該計劃包括了太陽磁場立體測量等5個項目，其中的“先進天基太陽天文臺”（簡稱ASO-S）是在原先的“空間太陽望遠鏡”基礎上再次提出的項目，將致力于研究耀斑和日冕物質拋射之間的相互關系、行程規(guī)律等一系列重大問題。

太陽的活動和變化在各種時間尺度上影響著地球空間活動，因此我們需要了解太陽和行星際空間的相互作用。事實上，太陽比我們肉眼看到的更加活躍和復雜，黑子的半徑甚至比地球半徑更大，日冕物質拋射也能引起大的地磁暴現(xiàn)象，而這些磁暴也將影響電網(wǎng)之類的地面設施系統(tǒng)。“鏈鎖”計劃就是為了觀測日地整體聯(lián)系中的關鍵耦合環(huán)境，致力于解決空間天氣事件的大尺度擾動能量的形成、釋放、傳輸、轉換和耗散的問題。該計劃包含了“磁層一電離層一熱層耦合小衛(wèi)星星座探測”計劃（簡稱MIT）在內的3個項目。其中的MIT項目由4顆極軌衛(wèi)星構成，包括2顆電離層/熱層衛(wèi)星和2顆磁層衛(wèi)星，致力于了解磁層一電離層一熱層系統(tǒng)相互作用的關鍵途徑和變化規(guī)律，該項目也已經(jīng)進入空間科學先導專項“十二五”背景型號項目。

空間科學的研究是涉及人類生存和發(fā)展的基礎科學，因此隨著探測手段的不斷完善和人類認知水平的不斷提升，空間科學領域必將向著更深、更廣、更精細的方向發(fā)展。除了上述介紹的計劃外，隨著國家的投入越來越多，“微星”計劃、“火星探測”計劃、“小行星探測”計劃等一系列的計劃也將逐步進行，我們對于宇宙和生命的了解也將進一步加深，人類走向星辰大海的道路也將越來越堅實和寬廣。

（責任編輯：白玉磊 責任校對：夏越）endprint