空間科學(xué)突破的前瞻和中國的貢獻(xiàn)

王 赤

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190

近代科學(xué)誕生以來已發(fā)生了 2 次科學(xué)革命、3 次技術(shù)革命，并催生了 3 次產(chǎn)業(yè)革命，由此奠定了現(xiàn)代航空航天誕生、發(fā)展及突破的科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)[1]。這些科技革命不僅使人類的飛天夢在 20 世紀(jì)成為現(xiàn)實(shí)，而且不斷開辟認(rèn)知世界的新窗口，激勵(lì)人們從更高、更遠(yuǎn)、更深邃的角度去思考時(shí)空與演化，深刻影響了現(xiàn)代人的宇宙觀、價(jià)值觀和世界觀。

1957年第一顆人造衛(wèi)星上天，太空時(shí)代開啟。以航天器為主要研究平臺(tái)的空間科學(xué)，則日益成為傳統(tǒng)的天文學(xué)、地學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的新前沿或重要分支集大成者。關(guān)于宇宙微波背景、暗能量、引力波、系外行星、超大質(zhì)量黑洞等的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，過去數(shù)十年來先后榮膺多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)[2]。依靠各類科學(xué)衛(wèi)星①廣義科學(xué)衛(wèi)星，含深空探測器，以下同。，人類一方面透過X射線、紫外線等原本被地球大氣阻隔的電磁波段發(fā)現(xiàn)了宇宙不為人知的神秘一面，另一方面還通過載人航天與非載人的科學(xué)衛(wèi)星探測，在地外世界豎起了人類探索未知的燈塔。

從發(fā)現(xiàn)美洲新大陸到當(dāng)今的空天博弈，空間的戰(zhàn)略制高點(diǎn)地位日益凸顯，科學(xué)認(rèn)知空間的基本需求益發(fā)旺盛。借助先進(jìn)的空間望遠(yuǎn)鏡和探測器，人類開始觀測深遠(yuǎn)的宇宙、抵達(dá)深空無人區(qū)，無論是對(duì)行星地球還是早期宇宙，都看得更遠(yuǎn)、更精確，并不斷突破認(rèn)知極限。而引力波、中微子等地基天文觀測率先捕獲的宇宙新信使，以及持續(xù)涌現(xiàn)的人工智能、先進(jìn)制造等顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，亦將倍增空間科學(xué)探索新疆域的能力，有望使其迎來革命性發(fā)現(xiàn)和突破。

進(jìn)入 21 世紀(jì)，世界正處于新一輪科技革命的前夜。因?yàn)楸娝苤脑?，中華民族曾錯(cuò)過了既往科技革命，但是今天的中國已經(jīng)大踏步趕上了時(shí)代。經(jīng)過逾一個(gè)甲子的自主創(chuàng)新發(fā)展，中國航天為空間科學(xué)厚植了騰飛的基礎(chǔ)。特別是 21 世紀(jì)的頭 20年，我國聚焦重大科學(xué)目標(biāo)的空間科學(xué)開始快速起步，從近地空間到火星表面、從探月到觀日，不斷挺進(jìn)新領(lǐng)域，獲取新知識(shí)，有望在這一輪探索宇宙奧秘的世界競技舞臺(tái)上取得優(yōu)異成績[3]。

為此，本文聚焦空間科學(xué)前沿，以重大科學(xué)問題為綱，通過對(duì)航天強(qiáng)國和地區(qū)空間科學(xué)任務(wù)布局的剖析，前瞻正在孕育和萌芽中的科學(xué)突破；對(duì)標(biāo)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，結(jié)合未來中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“空間科學(xué)”等國家重大空間科學(xué)任務(wù)規(guī)劃，對(duì)我國的可能貢獻(xiàn)進(jìn)行預(yù)判和展望。

1 亟待空間科學(xué)突破的重大前沿問題

空間科學(xué)的前沿交叉研究特征，意味著它可借力航天器平臺(tái)，以太空為天然實(shí)驗(yàn)室，突破天文學(xué)、地學(xué)、生命科學(xué)等母學(xué)科困于地面實(shí)驗(yàn)或理論模擬等難以破解的科學(xué)難題。在國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)或期刊專題梳理的當(dāng)代科技挑戰(zhàn)中，空間科學(xué)都被寄予厚望。

例如，美國科學(xué)院就建立夸克同宇宙的聯(lián)系發(fā)布了 21 世紀(jì) 11 個(gè)科學(xué)問題[4]，強(qiáng)調(diào)暗物質(zhì)暗能量應(yīng)是未來幾十年天文學(xué)的重中之重；2005年Science也梳理了當(dāng)代科學(xué)最具挑戰(zhàn)性的 125 個(gè)科學(xué)問題②Kennedy D, Norman C. 125 Questions: What we don’t know. (2005-07-01)[2022-04-06]. https://www.science.org/doi/10.1126/science.309.5731.75.[5]，其中 2012年還專題遴選評(píng)述出了當(dāng)代“天文學(xué)八大未解之謎”[6]。2018年以來，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)亦曾征集評(píng)選重大前沿科學(xué)問題和工程技術(shù)難題，5年來共評(píng)選、發(fā)布了 160 個(gè)問題或難題。

我們將上述問題當(dāng)中空間科學(xué)可能突破的歸納在表 1。綜合研讀可以發(fā)現(xiàn)，有些問題屬于科學(xué)的終極歸宿，如引力的本質(zhì)；有些問題更關(guān)乎人類生存，如近地小天體防御。結(jié)合我國空間科學(xué)相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃研究成果[7]，本文進(jìn)一步梳理出 10 個(gè)最主要重大前沿問題亟待全球空間科學(xué)界攜手率先突破和回答。

（1）暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么？粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型只能涵蓋宇宙中 4.9% 的可見物質(zhì)，“普朗克”衛(wèi)星、“哈勃”望遠(yuǎn)鏡等證實(shí)存在 26.8% 的暗物質(zhì)和 68.3% 的暗能量。但迄今對(duì)它們的本質(zhì)知之甚少。

（2）宇宙是如何起源和演化的？“大爆炸理論”認(rèn)為可觀測宇宙起源于約 140 億年前發(fā)生的一次大爆炸，而觀測證實(shí)宇宙目前仍在加速膨脹。宇宙黑暗時(shí)代和黎明時(shí)代等幾乎是科學(xué)觀測空白。

（3）高能宇宙線是如何起源與加速的？宇宙線是來自外空的高能粒子，能量跨越了約 11 個(gè)量級(jí)，其中的帶電粒子受星際磁場作用改變了傳播方向。它們是天體演化、太陽爆發(fā)等的信使，其加速與溯源之謎仍待破解。

（4）引力波是什么？引力波是由天體的質(zhì)能變化產(chǎn)生的時(shí)空波動(dòng)。激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）地面直接探測到了引力波。亟待借助科學(xué)衛(wèi)星等手段，拓展引力波全頻段觀測窗口，揭示宇宙演化的新奧秘。

（5）宇宙中是否存在第二個(gè)地球？空間觀測證實(shí)系外行星普遍存在。若發(fā)現(xiàn)存在第二個(gè)地球，將革命性地改變“人類在宇宙中是否孤獨(dú)”的認(rèn)知。系外行星研究正從探測發(fā)現(xiàn)向表征與成像的精細(xì)刻畫跨越，目標(biāo)直指探尋地外生命跡象。

（6）生命在何處產(chǎn)生、如何產(chǎn)生？目前僅知地球存在生命。探尋太陽系宜居帶和巨行星冰衛(wèi)星上的生命印記，已成為 21 世紀(jì)破解生命起源與演化的重大新興交叉前沿。

（7）行星系統(tǒng)是如何形成與演化的？基于太陽系的行星系統(tǒng)模型不具有普適性。大量系外行星空間觀測新發(fā)現(xiàn)為顛覆或完善引力不穩(wěn)定性、核吸積等理論模型，以及發(fā)展行星形成/演化的普適理論奠定了研究基礎(chǔ)。

（8）太陽爆發(fā)活動(dòng)與人類文明的關(guān)系是什么？空間天氣影響現(xiàn)代社會(huì)天地基技術(shù)系統(tǒng)。揭示太陽爆發(fā)及其行星際空間傳播機(jī)制，預(yù)報(bào)并規(guī)避災(zāi)害性空間天氣的影響，對(duì)于人類文明賡續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

（9）地球物質(zhì)循環(huán)和能量平衡如何變化？全球變化顯著改變地球系統(tǒng)能量平衡與物質(zhì)循環(huán)過程，關(guān)乎全球水資源與糧食安全。開展地球系統(tǒng)關(guān)鍵要素及多圈層耦合過程的高效空間對(duì)地觀測至關(guān)重要。

（10）空間環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和生命活動(dòng)的規(guī)律是什么？空間環(huán)境是人類利用空間的“雙刃劍”。揭示地球生命在地外環(huán)境的生存和發(fā)展規(guī)律，認(rèn)知空間環(huán)境下的流體、材料、燃燒機(jī)理，以及基礎(chǔ)物理新規(guī)律，均是亟待突破的新興交叉前沿。

2 國際空間科學(xué)發(fā)展重點(diǎn)

雖然空間科學(xué)是航天事業(yè)的重要內(nèi)容，但并非所有航天國家都有意愿投資這一功在本國、利在世界、關(guān)乎人類文明進(jìn)步的前沿交叉領(lǐng)域，這也是受限于本國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r?？v觀全球空間科學(xué)發(fā)展態(tài)勢和國別情況，顯然應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注美歐等航天強(qiáng)國和地區(qū)。它們長期以來重視空間科學(xué)對(duì)科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，制定了長期、全面的空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并予以持續(xù)高強(qiáng)度財(cái)政預(yù)算支持，已成為人類空間科學(xué)探索重大原創(chuàng)進(jìn)展的主角。

2.1 全球空間科學(xué)突破回眸

千禧年以來，全球空間科學(xué)突飛猛進(jìn)。借助新媒體傳播，社會(huì)公眾對(duì)宇宙觀測、太陽爆發(fā)、系外行星等空間科學(xué)熱點(diǎn)耳熟能詳，觀測超新星、發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹等被授予諾貝爾獎(jiǎng)更使空間科學(xué)成為科學(xué)界關(guān)注焦點(diǎn)。鑒于反映空間科學(xué)進(jìn)展的論文每年數(shù)以萬計(jì)，縱使僅細(xì)數(shù) 21 世紀(jì)的突破與成就也難以為之。

為此，我們通過Science年度十大科學(xué)突破、Nature年度十大科學(xué)新聞、中國科學(xué)十大進(jìn)展、世界十大科技進(jìn)展新聞、中國十大科技進(jìn)展等榜單窺一斑而知全豹，對(duì)過去 10 余年的全球空間科學(xué)突破進(jìn)行了分析（表 2），總結(jié)出 3 個(gè)特征。

部進(jìn)大術(shù)十技————學(xué)學(xué)科科國中面試表制”（CE-2）7 m分聞軟月行飛地研回新球功全成選展評(píng)進(jìn)布返測*率集入士技發(fā)辨據(jù)—院科探”（CE-3）圖再學(xué)像期功*圖國兩十院大號(hào)影二月號(hào)科三成三展套30 m分?jǐn)?shù)制合程滿娥全國感聯(lián)娥開中嫦率嫦陸工圓首遙贈(zèng)1．“月獲國蓋捐 著 辨探2．“3． 驗(yàn)中4． 并 覆破突聞新探選展探星間技火陸*測著功科空士技評(píng)進(jìn)星67P院科成內(nèi)層*彗國”（Curiosity）”（Voyager 1）院大陸和1號(hào)球兩十測火日登在功際者出”界奇空國成行飛世的旅性”奇號(hào)萊好升“射好選國發(fā)“史國歷菲評(píng)美美號(hào)各星界1． 器2．“3．4．“ 器 2 2011—2021年展*Table 2 Space science and tech breakthroughs released by Science, Nature, and domestic agency during 2011-2021力勒星天發(fā)普衛(wèi)宙聞航勃開自新國來蓬、星來學(xué)中到務(wù)息行能科，在星任信系”（Planck）宇束正火索星外可大結(jié)代陸析十—探彗顆克分號(hào)表度代時(shí)登和回多朗同信Nature年時(shí)新功學(xué)傳機(jī)間成認(rèn)普共波科”確“鏡力飛空”間號(hào)天，號(hào)空塔鏡局遠(yuǎn)引航起奇遠(yuǎn)間望的的塞望空基炸國崛好國羅美各間洲地爆1． 量2．“3．4．“ 空歐5． 與 大成回鏡完返遠(yuǎn)力現(xiàn)”（Hayabusa 1）樣望夫破鏡 發(fā)助骸莫突采間遠(yuǎn)殘留學(xué)星空望星”（Philae）-楚究科行星間新”（Rosetta）萊陸研大小火空超號(hào)菲登學(xué)十陸塔科度系著源塞的“次”（Kepler）隼”（Itokawa）”（sky-crane）（Fermi）于首（67P）*于Science年鳥1號(hào)星勒行功線羅載類星用普的機(jī)成射“搭人彗運(yùn)開異重”米宙局器現(xiàn)克始本“川“奇起號(hào)中奇費(fèi)宇間測實(shí)門開糸國現(xiàn)空好國能空探器希星日美洲星陸拉方 “美2．1． 發(fā)3．“ “4． 高歐5． 彗 著 格立6．份年2011年2012年2013年2014年

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（1）空間科學(xué)研究直面基礎(chǔ)研究最前沿、最重大的方向，挑戰(zhàn)最有重大科學(xué)意義的難題；雖然空間科學(xué)研究成果不能規(guī)劃，但研究方向可以聚焦和瞄準(zhǔn)，一旦取得突破就可能是里程碑性質(zhì)的。例如，引力波是愛因斯坦在 1916年基于廣義相對(duì)論做出的科學(xué)預(yù)言。100 多年來，科學(xué)家們雖窮盡辦法，但終因引力波過于微弱而難以探測。縱如此，美國科學(xué)家赫爾斯（Russell A. Hulse）和泰勒（Joseph H. Taylor，Jr）就因 1974年用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖雙星間接證實(shí)了引力波的存在，而獲得 1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2016年2 月美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的研究人員向世界宣布人類首次直接探測到了引力波；1年后，2017年10 月瑞典皇家科學(xué)院就將諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給 LIGO 團(tuán)隊(duì)的核心成員雷納·韋斯（Rainer Weiss）、巴里 · 巴里什（Barry C. Barish）和基普 · 索恩（Kip S. Thorne），以表彰他們在 LIGO 探測器和引力波觀測方面的突出貢獻(xiàn)。至于來自雙中子星合并產(chǎn)生的引力波（GW170817）位列Science2017年度十大科學(xué)突破之首也就顯得合情合理。究其原因，在于引力波已成為人類探索宇宙的新信使、觀測宇宙的新窗口。鑒于空間探測將極大拓展引力波至中低頻，甚至?xí)援?dāng)今不可預(yù)見的方式拓展我們對(duì)物理學(xué)和天文學(xué)的認(rèn)知，隨之而來的科學(xué)突破令人期待。目前，歐洲空間局（ESA）的“麗莎”引力波探測激光干涉空間天線計(jì)劃，以及我國的“太極計(jì)劃”和“天琴計(jì)劃”都瞄準(zhǔn)了這一新窗口。

（2）空間科學(xué)助力科學(xué)家揭示自然奧秘，推動(dòng)基礎(chǔ)前沿研究和綜合交叉探索，其每一步進(jìn)展都將拓展人類對(duì)宇宙演化、生命起源的認(rèn)知。例如，“我們?nèi)祟愂欠袷怯钪嬷形ㄒ簧嬖?？”既是個(gè)哲學(xué)命題，也是重大科學(xué)前沿。美國的火星探測計(jì)劃（MEP）一直將尋找火星生命“指紋”作為首要科學(xué)目標(biāo)。1996年，時(shí)任美國總統(tǒng)克林頓宣布美國國家航空航天局（NASA）基于火星隕石 ALH84001 做出了關(guān)于火星生命的重大發(fā)現(xiàn)。這一新聞后被科學(xué)界認(rèn)為可能是個(gè)“烏龍”。但是，“好奇號(hào)”登陸火星的新聞，位列 2012年多個(gè)榜單的頭條，依然反映了人們對(duì)火星是否存在生命或曾經(jīng)存在生命的極大關(guān)注。同樣，我國“嫦娥”系列任務(wù)、“天問一號(hào)”任務(wù)等[8]，也多次入選，這反映了我國空間科學(xué)領(lǐng)域高新技術(shù)研發(fā)和關(guān)鍵核心技術(shù)突破能力，這些成就為空間科學(xué)領(lǐng)域理論突破提供重要的平臺(tái)和關(guān)鍵的手段。

（3）我國空間科技已成為國家科技強(qiáng)國進(jìn)展的重要標(biāo)志，但空間科學(xué)原創(chuàng)能力與美歐航天強(qiáng)國和地區(qū)相比仍有明顯差距，亟待抓重點(diǎn)、補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)。一方面，過去 10 余年，Science、Nature及我國兩院院士評(píng)選的世界十大科技進(jìn)展榜單中，并未出現(xiàn)我國主導(dǎo)的空間科學(xué)任務(wù)或者成果（表 2）。顯然，應(yīng)對(duì)我國空間科學(xué)的世界位置有客觀認(rèn)識(shí)，不能將中國航天的工程技術(shù)成就與空間科學(xué)突破混淆；另一方面，在一些重大前沿上，如 2017年人類首次直接探測雙中子星并合產(chǎn)生的引力波，我國科學(xué)家雖有貢獻(xiàn)，但尚未作出核心貢獻(xiàn)。我國空間科學(xué)在產(chǎn)出有重要影響力的科學(xué)成果方面仍有較大差距。當(dāng)然，我國空間科學(xué)系列衛(wèi)星、深空探測器和空間站[9]等大國重器，已為實(shí)現(xiàn)“從 0 到 1”的突破奠定了基礎(chǔ)，未來可期。

2.2 美歐空間科學(xué)未來布局剖析

空間探索，戰(zhàn)略先行。美國科學(xué)院（NAS）自 20世紀(jì) 60年代中期開始，持續(xù)公開發(fā)布了逾 10 份《十年調(diào)查》發(fā)展規(guī)劃系列報(bào)告，為 NASA 布局實(shí)施各學(xué)科不同類型的空間科學(xué)任務(wù)提供主要依據(jù)，同時(shí)也對(duì)其他國家的空間科學(xué)布局產(chǎn)生重要影響。其中，天文學(xué)和行星科學(xué)領(lǐng)域分別于 2021年11 月和 2022年4 月發(fā)布了新版《十年調(diào)查》報(bào)告[10,11]（表 3）。NASA 科學(xué)任務(wù)部（SMD）作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，努力將美國空間科學(xué)發(fā)現(xiàn)宇宙奧秘，探尋地外生命，賡續(xù)人類文明的使命變成現(xiàn)實(shí)[12]。

年報(bào)文文十201天202天201太陽間理空“源來—MIDEX）SMEX）MO）（（（務(wù)務(wù)務(wù)任任任型型遇中小機(jī)劃計(jì)”劃計(jì)者”（Flagship）索艦探Explorer Program）旗“（“——MIDEX/SMEX ”（STP）”（LWS）劃計(jì)星衛(wèi)學(xué)””劃科劃劃計(jì)計(jì)計(jì)在器/“在者同測同索日探日探與地與““日“MIDEX SMEX”劃計(jì)者索探“MO務(wù)任學(xué)科點(diǎn)重來未的劃規(guī)部務(wù)任學(xué)科（NASA）局天航空航家國國表3 美Table 3 Future space science missions selected or adopted by NASA SMD 型/小類大（L/M/S）/中L S L M S L M S射間定定定定發(fā)時(shí)2026年2024年2025年2023年待待待2027年2025年2024年待2028年2024年2024年2024年2024年2025年2025年2026年2023年載 SPHEREx））星方立搭，）星SPHEREx）戶Gateway）））星載 IMAP）陽 C 衛(wèi)門空PUNCH，4 顆（TRACERS，2 顆向（深星+8 子（星方星載座雙）（GLIDE 搭載 JAXA 太或衛(wèi)出4個(gè)星測（SunRISE，6 顆星搭稱測選方探座衛(wèi)名探遴立學(xué)星測務(wù)計(jì)鏡待（MUSE）測力方探載 ISS）任度，星探動(dòng)立像搭光遠(yuǎn)務(wù)（HERMES搭衛(wèi)振電驗(yàn)（EZIE，3 顆成光望任）包測HelioSwarm，1 母偏區(qū)實(shí)座法分間鏡劃6 顆測探（系尖間星爾冰XRISM）空遠(yuǎn)計(jì)監(jiān)陽劃聯(lián)極空方阿（AWE，水COSI）（外望鏡者IMAP）氣太計(jì)層和儀立曼（Solar Cruiser）（Solar C_EUVST，儀RST）及（星間遠(yuǎn)索（天譜測球聯(lián)涉測萊星鏡測代星衛(wèi)光/紫空望器探（GDC，器間光探日重干探層衛(wèi)遠(yuǎn)探時(shí)衛(wèi)測見像間測學(xué)座測空縫”和磁電像逸驗(yàn)望波（離像探/可成空探文星探球多隊(duì)冕聯(lián)射成外試譜力鏡電成譜外線像間天學(xué)速月外艦日串陽曼球術(shù)光重遠(yuǎn)再和光/成空使力加”紫“””太塞地技量氣望和譜和譜學(xué)信動(dòng)和斯極星號(hào)號(hào)”流””通大間史光像率 X 射光理多間繪墨”衛(wèi)拳物號(hào)激號(hào)帆高層空歷頓成代 6 m 紅辨外物和空測爾斯層合蹤出電翔陽外中曼宙普線一分紅體域球際赫繆球組示日光滑太紫球羅宇康X射下高遠(yuǎn)天時(shí)地星““日“““極““極全題問學(xué)科鍵關(guān)外度證系比命期動(dòng)居對(duì)生早口驅(qū)源宜高尋索窗的起征過搜探新長宙表通像使的成宇和，成信宙系索現(xiàn)星接多宇星用態(tài)示素 探 發(fā)行直據(jù) 利動(dòng) 揭因球的間地質(zhì)空對(duì)介括其際包及星，陽和用太響系作知影陽互氣 認(rèn)的 太相天學(xué)題科主宙測宇觀球探日層測

表續(xù)（年報(bào)十科“201行星科202行星科202行星科2023年學(xué)201行星科202行星科劃201行星科計(jì)NF）劃201行星科（SIMPLEx）源計(jì)務(wù)LDEP）來任（”（New Frontiers，”（Discovery）索劃探計(jì)MEP）星索（劃行”（Planetary Defense）探劃計(jì)型御與計(jì)”域新防現(xiàn)索艦疆現(xiàn)創(chuàng)星發(fā)探旗新發(fā)型行球星“““小“月火型/小類大（L/M/S）/中L M S M M/S M M射間定定年發(fā)時(shí)2020—2031年2024年2031—2032年2038年2027年待待2026年2022年2024年2028—2030年2028—2030年2023—2032年2024年2025年2022年2028年定待紀(jì)30年代中期21世星者火選本落日 7 個(gè)載搭 &NF6 的”）2022年號(hào)神靈務(wù)MEGANE，“任（儀載”（TRIDENT）測搭（Psyche Discovery-15）探向子方中（ESCAPADE）或和器稱線測名戟射（Janus A&B，探務(wù)叉馬務(wù)學(xué)任任（Dragonfly）三（Enceladus Orbilander）力伽（UOP）“星星動(dòng)雙一衛(wèi)速星器測VERITAS）加測衛(wèi)探火體海（LunaH-Map）（NEO Surveyor）（器探統(tǒng)子星星鏡MLE）（MSR）*測器（Europa Clipper）六”號(hào)衛(wèi)務(wù)系離方遠(yuǎn)（探測測號(hào)奇+”（DAVINCI+）”任星等立望器氣探衛(wèi)探鏡芬理劃行與繪間（NEO characterization mission）Endurance-A）**～2025年陸大陸木星眼達(dá)真計(jì)小散測空務(wù)（著和著”行現(xiàn)雙逸度者任車者回器和號(hào)，7 進(jìn) 1，8 進(jìn) 1，8 進(jìn) 1—小務(wù)MMX）發(fā)號(hào)）（Lunar Trailblazer）豐測征球索返船道繞蜓選選選”任”氣者氫勘表月探樣快軌環(huán)蜻遴遴遴號(hào)測斯大拓區(qū)體體命采巴星二待待待神探選 5 個(gè)納星開極天天-A 號(hào)生星羅王衛(wèi)靈星遴杰火球球地地韌星火歐天土NF4：“NF5：NF6：NF7：“Discovery-16：“衛(wèi)Discovery-17：“Discovery-18：“待“（月月近近堅(jiān)火題問學(xué)科鍵關(guān)是太球?qū)で?月冰？—化演古何居水地的考如宜星、源期是和火據(jù)系起早體命從證生命陽何系星？索—生 太如陽 行的 探性找學(xué)題科主陽探太系索

表續(xù)年報(bào)學(xué)（十201空間科“）球源載地來—EVM）搭EVI，回返品（（樣作作務(wù)荷（Invest/星合合作作任載劃蘭度合合投投計(jì)球 -荷-印-歐-法創(chuàng)創(chuàng)星球球方地美美美美地地立CubeSate）約600 g火回有帶將品型/小類大（L/M/S）/中L M S射將100 kg樣，2031年射間發(fā)員發(fā)時(shí)2022年2023年2025年2022年2024年2024年2027年2022年2022年2022年2023年2022年2026年2022年2028年2022年2022年2022年2022年星天火航施 1 次劃計(jì)實(shí)，2028年”（Artemis））射斯星發(fā)彌方球忒立地爾施 2 次阿“由實(shí)，向（SNoOPI）將地方星還盆或PACE）））TROPICS，6 顆方稱（載星（立艾名星搭衛(wèi)座測，2026年肯極務(wù)衛(wèi)小星（GLIMR）（LIBERA）CTIM）觀南任統(tǒng)方計(jì)儀（外球系立射量星號(hào)此月態(tài)/B（SENTINEL-6 B)儀-2（TSIS-2）測PREFIRE 2）輻（OMPS-Limb）測方信；至生星測觀（務(wù)測測度立遇場射洋衛(wèi)監(jiān)（GeoCarb，辨星任監(jiān)探衡證機(jī)（NACHOS）首發(fā)海NISAR）希SWOT）度儀INCUS，3 顆TEMPO）分方和邊平驗(yàn)段星的、（利（照測（（間立像射測方該（CLPS）里（MAIA）（EMIT）包-臨（HyTI））P波務(wù)云星星輻監(jiān)座儀時(shí)驗(yàn)成輻監(jiān)立任、衛(wèi)-弗衛(wèi)譜環(huán)星測度儀實(shí)帶測氣度星量測膠達(dá)爾高光循測監(jiān)強(qiáng)像外儀岸探大照方當(dāng)觀是溶雷克測和碳監(jiān)放暴成紅測海線球輻立雪譜務(wù)氣徑邁洋度道流排風(fēng)度遠(yuǎn)監(jiān)道廓地總像和光”服、孔”海照軌氣染和角能源軌和”陽成度高號(hào)遞兵6號(hào)力物成和輻步升污構(gòu)多射塵步繪拉太熱濕學(xué)快生合水總同上層結(jié)膠輻礦同測貝型譜壤化毅荷游頻哨表陽球流流水溶地表球氧利湊光土氣“載的浮雙“地太地對(duì)對(duì)降氣極地地臭“緊高（大效空有升球已月合量災(zāi)題耦質(zhì)性質(zhì)商問的氣定地，2020年業(yè)局學(xué)環(huán)化空確、施天科循變和不升學(xué)實(shí)航鍵量統(tǒng)象候上力步空關(guān)能系氣氣面動(dòng)警和態(tài)進(jìn)報(bào)知平表預(yù)分航 水 生 改 預(yù) 認(rèn) 海 地 害回家返國樣國學(xué)題采美科主間球測星過空地觀* 火** 通* Mars Sample Return (MSR) is implemented in two steps. Perseverance is the first mission launched in 2020. In addition, the second step includes two Earth launches in 2026, one Mars launch in 2028, and about 600 g samples will return to Earth in 2031** Endurance-A will be launched by NASA’s Commercial Lunar Payload Service (CLPS) to the Aiken Basin at the south pole of the Moon, then 100 kg of lunar samples will be brought back to Earth by Artemis program astr

2020年7 月，NASA 發(fā)布了《太空探索：空間科學(xué) 2020—2024年——科學(xué)卓越的愿景》，提出了 SMD 的 4 個(gè)交叉領(lǐng)域的優(yōu)先事項(xiàng)和相應(yīng)的戰(zhàn)略[13]。優(yōu)先事項(xiàng) 1“空間探索和科學(xué)發(fā)現(xiàn)”實(shí)施了平衡的項(xiàng)目組合，涵蓋空間天文學(xué)、行星科學(xué)、日球?qū)游锢韺W(xué)、空間地球科學(xué)四大領(lǐng)域。2022年3 月，NASA 發(fā)布《2022 戰(zhàn)略規(guī)劃》[14]，要求 SMD 牽頭開展理解地球系統(tǒng)和氣候變化，認(rèn)知太陽、太陽系和宇宙，科學(xué)數(shù)據(jù)研究等工作，以通過科學(xué)發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展人類知識(shí)。

SMD 根據(jù)美國科學(xué)院各學(xué)科諸版《十年調(diào)查》報(bào)告給出的高水平科學(xué)任務(wù)排序建議，從 2022年起至 2035年前后，聚焦宇宙觀測、日球?qū)犹綔y、太陽系探索和空間對(duì)地觀測的重大科學(xué)問題；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，NASA 實(shí)施逾 60 個(gè)各種類型的空間科學(xué)任務(wù)，繼續(xù)打造美國的世界領(lǐng)先優(yōu)勢。表 3 為 SMD 給出的各領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題和發(fā)展重點(diǎn)方向研判，以及未來重點(diǎn)任務(wù)。

歐洲空間局（ESA）作為泛歐一體化框架下發(fā)展歐洲空間科學(xué)的主要機(jī)構(gòu)，從 20 世紀(jì) 80年代開始已經(jīng)連續(xù)推出 4 輪空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃。現(xiàn)行的第 3 個(gè)規(guī)劃《宇宙憧憬》（Cosmic Vision）2005年發(fā)布，明確了 ESA 自 2015—2025年的空間科學(xué)任務(wù)，其中包括 3 個(gè)大型（L 級(jí)）任務(wù)、4 個(gè)中型（M 級(jí)）任務(wù)。著眼長遠(yuǎn)，ESA 科學(xué)部 2021年6 月發(fā)布了第 4 個(gè)中長期發(fā)展規(guī)劃《遠(yuǎn)航 2050》（Voyage 2050）[19]，瞄準(zhǔn)2035—2050年發(fā)展周期，聚焦重大科學(xué)前沿，前瞻未來技術(shù)創(chuàng)新?！哆h(yuǎn)航 2050》規(guī)劃繼續(xù)以宇宙觀測和太陽系探索為主題，涵蓋了空間天文學(xué)、日球?qū)游锢韺W(xué)、行星科學(xué)三大領(lǐng)域的空間科學(xué)任務(wù)，目前已經(jīng)確定了太陽系巨行星之衛(wèi)星探測、早期宇宙新物理觀測、溫潤系外行星或銀河系觀測 3 個(gè) L 級(jí)任務(wù)的科學(xué)方向。2021年12 月，ESA 發(fā)布通知開始組建方向 1：“太陽系巨行星之衛(wèi)星探測”專家委員會(huì)，要求其對(duì)探測土衛(wèi)二（Enceladus）地下海洋 L 級(jí)任務(wù)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性提出評(píng)估意見，為征集和遴選相關(guān)探測任務(wù)做準(zhǔn)備。

需要說明的是，ESA 將空間科學(xué)任務(wù)列為強(qiáng)制性計(jì)劃進(jìn)行部署并由其空間科學(xué)部負(fù)責(zé)，將空間地球科學(xué)列為選擇性計(jì)劃并其對(duì)地觀測中心負(fù)責(zé)，納入歐洲對(duì)地觀測計(jì)劃中，并通過科學(xué)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)接續(xù)健康發(fā)展。ESA 的空間地球科學(xué)任務(wù)主要指“地球探索者”（Earth Explorers）衛(wèi)星計(jì)劃，通過深入研究地球環(huán)境、氣候等現(xiàn)象，加強(qiáng)對(duì)地球系統(tǒng)各過程的理解[20]。

與美國相比，歐洲的空間科學(xué)發(fā)展歷史晚了約 20年，但是 ESA 亦科學(xué)規(guī)劃了令人印象深刻的科學(xué)任務(wù)，產(chǎn)出了多項(xiàng)標(biāo)志性成果。2022—2050年，ESA 也計(jì)劃實(shí)施逾 30 項(xiàng)科學(xué)任務(wù)（表 4）；這些任務(wù)聚焦系外行星發(fā)現(xiàn)、表征和精細(xì)刻畫，空間引力波探測，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和地球系統(tǒng)科學(xué)。

3 我國空間科學(xué)未來突破及對(duì)世界的貢獻(xiàn)

3.1 中國開始在世界空間科學(xué)舞臺(tái)占有一席之地

自 2011年啟動(dòng)以來，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)部署實(shí)施的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號(hào)、“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星、量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”、硬 X 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”已經(jīng)或正在產(chǎn)出系列有國際影響的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和原創(chuàng)成果。中國空間站將在軌運(yùn)營 10年以上，開展多達(dá) 11 個(gè)研究方向、有人參與的大規(guī)模、高水平空間科學(xué)與應(yīng)用；巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST）也即將升空開展空間天文觀測。月球探測與“天問一號(hào)”任務(wù)的成功實(shí)施，已極大推動(dòng)了中國行星科學(xué)研究，中國雖起步較晚但正在大踏步追趕國際先進(jìn)水平。

其中，“悟空”號(hào)獲取了宇宙射線電子、質(zhì)子和氦核能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)[21]；“實(shí)踐十號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物胚胎太空發(fā)育[22]；“墨子號(hào)”不僅完成千公里級(jí)星地量子糾纏分發(fā)等全部科學(xué)目標(biāo)，而且在國際上率先完成引力誘導(dǎo)量子糾纏退相干實(shí)驗(yàn)[23]；“慧眼”首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化，對(duì)于理解黑洞吸積過程和相對(duì)論效應(yīng)意義重大[24]。利用“玉兔 2 號(hào)”中國科學(xué)家首次在月表原位識(shí)別出了“天外來客”——年齡在 1 個(gè)百萬年內(nèi)的碳質(zhì)球粒隕石撞擊體殘留物[25]；對(duì)“嫦娥五號(hào)”月球樣品的研究表明月球最“年輕”玄武巖年齡為 20 億年[26]，為完善月球演化歷史提供了關(guān)鍵科學(xué)證據(jù)。

此外，空間引力波探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“太極一號(hào)”[27]實(shí)現(xiàn)了我國迄今最高精度的激光干涉測量，邁出了中國空間引力波探測第一步；引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測器衛(wèi)星“懷柔一號(hào)”[28]已探測到一批伽馬暴、磁星爆發(fā)、X射線暴等高能天體爆發(fā)現(xiàn)象。先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)（ASO-S）、愛因斯坦探針（EP）、中歐太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星聯(lián)合“微笑計(jì)劃”等系列科學(xué)衛(wèi)星也將陸續(xù)發(fā)射升空。

3.2 瞄準(zhǔn)重大原創(chuàng)突破加緊布局重大科學(xué)任務(wù)

面向世界空間科學(xué)前沿和建設(shè)科技強(qiáng)國、航天強(qiáng)國的國家重大戰(zhàn)略需求，基于 2006年以來中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織完成的空間科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略重大成果，未來我國應(yīng)圍繞兩大主題——“宇宙和生命是如何起源和演化的”和“太陽系與人類的關(guān)系是怎樣的”加快發(fā)展空間科學(xué)。結(jié)合國內(nèi)學(xué)科基礎(chǔ)和優(yōu)勢，我國空間科學(xué)界已將上述兩大主題深化為極端宇宙、時(shí)空漣漪、日地全景、宜居行星 4 個(gè)前沿探索方向，凝練出了宇宙演化探測、空間引力波探測等 10 項(xiàng)未來重大科學(xué)任務(wù)（表 5），并與國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃、航天強(qiáng)國發(fā)展綱要等國家發(fā)展規(guī)劃有效銜接?？v覽全球航天強(qiáng)國空間科學(xué)未來發(fā)展態(tài)勢，可以深刻感受到未來 10—15年對(duì)中國空間科學(xué)騰飛至關(guān)重要。時(shí)不我待，聚焦最優(yōu)先的科學(xué)前沿方向，直面最重大的科學(xué)問題勇闖“無人區(qū)”，盡快將承載了我國空間科學(xué)界集體智慧和共識(shí)的重點(diǎn)任務(wù)方向，通過科學(xué)論證和公正遴選，形成可實(shí)施的系列科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)，就顯得相當(dāng)急迫。

務(wù)任點(diǎn)重來未的劃規(guī)學(xué)科間空（ESA）局間空洲表4 歐Table 4 Future space science missions selected or adopted by ESA”憬劃憧規(guī)宙Cosmic 宇（Vision）“）作型合類大/中/小/核心任務(wù)機(jī)遇任務(wù)（L/M/S/C/O）L M 際國S（間時(shí)射發(fā)2034年2037年2023年2026年2029年2024—2025年向方（ARIEL）或（Plato）（Athena）”（LISA）星稱衛(wèi)”（SMILE）名天劃務(wù)巡計(jì)任鏡劃星模笑遠(yuǎn)計(jì)衛(wèi)規(guī)微望莎蕩大“間麗振外星空“星紅衛(wèi)理線恒感像物天（Euclid）和遙成體間鏡星氣景天空遠(yuǎn)凌大全能涉望星星用高干間行行作進(jìn)光空外外互先激”系系相”測得””層娜探里圖爾典波幾拉麗風(fēng)-磁雅力歐柏愛陽“引“““太測規(guī)探理題波物問力本學(xué)引基科宙鍵間宇關(guān)空解、理洞，黑等律太陽風(fēng)與地球磁層相互作用的大尺度結(jié)構(gòu)和基本模式題測主觀學(xué)宙科宇務(wù)F）L M任響快S（初代2023年紀(jì)30年21世2029年（JUICE）器測探星（EnVision）（Comet interceptor）衛(wèi)器務(wù)冰測任星探空木星深號(hào)金器””截汁望攔果展星““彗探孕等命星生金持、支現(xiàn)星發(fā)衛(wèi)期冰以索星，線的木測育系索陽太探

表4）續(xù)劃（規(guī)航2050”Voyage 遠(yuǎn)2050）“ （歐”（Earth 觀地對(duì)劃洲計(jì)“測Observation）型類小/核心任務(wù)機(jī)遇任務(wù)（L/M/S/C/O）中/大/L）選6—7個(gè)遴待M（L C O C定待S間時(shí)射發(fā)定待2023年2023年2025年2026年定待2031—2032年2023年2024年向方或稱名務(wù)任題問學(xué)科鍵關(guān)測 觀理物新宙宇期早測觀系河銀或星行外系潤溫量測體天度精高外紅近測探震星度精高學(xué)理測物探子的粒用體作天中和化積演吸系的星體和天成密形致星：恒測在探質(zhì)能介高際宙星宇相端多極理的物星新行的地宙類外宇系期潤早溫索、等征探學(xué)表量測涉干電射合聯(lián)地天的學(xué)理物洞黑務(wù)任圖構(gòu)結(jié)宙宇的線子分和子原、子重失缺、質(zhì)物暗含包制繪測探質(zhì)介際系星度尺大宙宇域近驗(yàn)的實(shí)線間收空吸論的對(duì)線相X射義廣和和外學(xué)紫力助子借量測探統(tǒng)系層磁星行測理探機(jī)合的耦速度加尺測子跨觀粒體場能子磁高離陽陽等太太探程過系聯(lián)體整統(tǒng)系地等日測測觀區(qū)極陽太測測探探理星物衛(wèi)球之地星質(zhì)行地巨的系星陽金太外地的等內(nèi)尋系探陽命太生EarthCARE），Scout-1），作合歐-日（FLEX）（FORUM）星（星衛(wèi)星衛(wèi)（Harmony），4進(jìn)1）（ESP-MACCS，3顆測衛(wèi)測星選遴座監(jiān)測監(jiān)雙星射（Biomass）監(jiān)和學(xué)待方輻星被知科立和衛(wèi)植認(rèn)球測膠”器射地者-11（監(jiān)溶量測輻”索氣氣物探外諧探大、生光紅和球程云熒遠(yuǎn)地過EE-6：EE-7：“EE-8：EE-9：EE-10：“EE-11：統(tǒng)系球地水文全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）反射測量衛(wèi)星（HydroGNSS，Scout-2）地”（Earth 索探”“（Scout）Explorers，兵球察務(wù)EE）偵任“者候統(tǒng)氣系、球境地環(huán)對(duì)球強(qiáng)地加解究，理研象的入現(xiàn)程過深等各題主學(xué)科測觀宙宇系索陽探太球地學(xué)間科空

實(shí)際上，表 5 給出的還只是科學(xué)任務(wù)規(guī)劃方向，在具體實(shí)施過程中，應(yīng)統(tǒng)籌大型（戰(zhàn)略性）、中型、小型及機(jī)遇型等諸類科學(xué)衛(wèi)星工程任務(wù)，以及空間科學(xué)基礎(chǔ)研究及數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目。一方面堅(jiān)持重大科學(xué)目標(biāo)和重大產(chǎn)出導(dǎo)向，另一方面不以大小論英雄，平衡各項(xiàng)目的配置，帶動(dòng)新興交叉領(lǐng)域研究。在人類的星際探索之旅標(biāo)記中國腳印，確?？臻g科學(xué)發(fā)展真正體現(xiàn)國家意志，將重大基礎(chǔ)前沿突破早日變成有重要國際影響的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)成果。

表5 中國空間科學(xué)至 2045年預(yù)期重大突破設(shè)想Table 5 Potential major breakthroughs in China’s space science up to 2045

4 結(jié)語

如果從美國發(fā)射世界首顆空間科學(xué)衛(wèi)星“探索者一號(hào)”（Explorer 1）開始，全球空間科學(xué)發(fā)展甚至不到 70年，迄今全球累計(jì)發(fā)射約 865 顆空間科學(xué)衛(wèi)星（含 279 個(gè)深空探測器）。距離 2021年12 月發(fā)射升空也就半年時(shí)間，集各種卓越技術(shù)和多個(gè)關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)的美國“韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）即將完成在軌測試，開啟探索宇宙第一代恒星和星系誕生奧秘之旅。有美國四大空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)成功在先，JWST 的科學(xué)成果必將大幅推動(dòng)人們對(duì)早期宇宙的深入了解。

實(shí)際上，空間科學(xué)已推動(dòng)和見證了當(dāng)代科技發(fā)展的“太空時(shí)代”新紀(jì)元，取得了一批重大發(fā)現(xiàn)和革命性基礎(chǔ)研究突破，極有可能成為新一輪科技革命的主戰(zhàn)場之一。揭示極端條件下的物理規(guī)律、發(fā)現(xiàn)和表征溫潤系外行星、利用多信使探索早期動(dòng)態(tài)宇宙、在巨行星/衛(wèi)星探尋太陽系地外生命、太陽爆發(fā)活動(dòng)及其對(duì)人類和太陽系的影響、地球復(fù)雜系統(tǒng)的多圈層耦合等是全球科學(xué)界厚望的重大突破點(diǎn)，并將推動(dòng)天文學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)，以及天體生物學(xué)、系外行星學(xué)等新型交叉研究實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍（圖 1）。

圖1 空間科學(xué)重要突破與前瞻Figure 1 Breakthroughs and prospects in global space science

空間科學(xué)是我國自然科學(xué)有望取得諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)突破的優(yōu)勢領(lǐng)域之一?；诳臻g科學(xué)系列衛(wèi)星、深空探測器，以及空間站巡天望遠(yuǎn)鏡等大國重器，加強(qiáng)建制化、定向性基礎(chǔ)研究，我們相當(dāng)有信心在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)信號(hào)、直接探測到低頻引力波、探索宇宙黑暗時(shí)代和黎明時(shí)代、日地相互作用等科學(xué)前沿方向上率先突破，這必將成為 2035年我國進(jìn)入創(chuàng)新型國家前列的一項(xiàng)重要標(biāo)志[29]，也將拓展人類認(rèn)知邊界，開辟新的發(fā)展疆域，豎起全球探索太空的新豐碑。