中國(guó)謀求成為空間科學(xué)超級(jí)大國(guó)

許林玉/編譯

中國(guó)謀求成為空間科學(xué)超級(jí)大國(guó)

許林玉/編譯

2017年4月，長(zhǎng)征七號(hào)火箭搭載一艘貨運(yùn)飛船飛往天宮二號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室

● 在實(shí)現(xiàn)了數(shù)個(gè)重大航天里程碑之后，中國(guó)正在努力構(gòu)建自己在空間科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際聲譽(yù)。

在北京市郊的國(guó)家空間科學(xué)中心，時(shí)間仿佛加快了腳步。在這個(gè)中國(guó)科學(xué)院新落成的綜合大樓內(nèi)，研究人員行色匆匆，期待著中國(guó)第一部X射線望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射。在指揮中心的巨大屏幕上，循環(huán)播放著關(guān)于中國(guó)航天史上幾個(gè)重大里程碑的視頻。工程師們聚精會(huì)神地盯著電腦屏幕，而中央電視臺(tái)的一個(gè)攝影組則扛著攝像機(jī)環(huán)繞著辦公室走動(dòng)，為一部講述中國(guó)迅速崛起成為航天大國(guó)的紀(jì)錄片拍攝素材。墻上掛著激勵(lì)性的標(biāo)語(yǔ)：勤勉認(rèn)真、一絲不茍、穩(wěn)妥可靠、萬(wàn)無(wú)一失。

在中心主任吳季看來(lái)，這個(gè)占地19.4萬(wàn)平方米、耗資9.14億元的園區(qū)是中國(guó)在空間科學(xué)領(lǐng)域日漸成熟的標(biāo)志。吳主任告訴我們，在過(guò)去的幾十年里，中國(guó)成功地將人造衛(wèi)星和航天員送入太空，把探測(cè)器送上月球，但卻沒(méi)有利用這些優(yōu)勢(shì)開(kāi)展太多重大的科研工作。如今，這種狀況正在改變。他說(shuō)：“在空間科學(xué)領(lǐng)域，我們才剛剛上路?！?/p>

中國(guó)正迅速成為該領(lǐng)域里的領(lǐng)導(dǎo)者。2013年，重達(dá)1.2噸的嫦娥三號(hào)探測(cè)器在月球著陸，上面搭載了一輛配備探地雷達(dá)的探測(cè)車(chē)。這輛探測(cè)車(chē)能以前所未有的分辨率探測(cè)月球的地下結(jié)構(gòu)。2016年9月，中國(guó)成功發(fā)射最新的太空實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室裝載了10余項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用載荷。除此之外，在過(guò)去兩年，中國(guó)還發(fā)射了4次運(yùn)載火箭，將空間物理及其他領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送上了太空，其中一顆衛(wèi)星正在進(jìn)行具有開(kāi)拓性的量子通信實(shí)驗(yàn)。

由中科院和其他機(jī)構(gòu)開(kāi)展的這些工作所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了國(guó)界。歐洲航天局（ESA）局長(zhǎng)約翰-迪特里?！の譅柤{（Johann-Dietrich Worner）表示：“中國(guó)的空間科學(xué)項(xiàng)目極具活力和創(chuàng)造力，處在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的最前沿?！痹谖磥?lái)10年，中國(guó)還有很多備受期待的項(xiàng)目，包括從月球采樣的實(shí)驗(yàn)、中科院和歐洲航天局合作的太空天氣研究項(xiàng)目以及探測(cè)暗物質(zhì)與黑洞的開(kāi)創(chuàng)性項(xiàng)目。

然而，盡管空間科學(xué)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但中國(guó)的很多研究人員對(duì)中國(guó)空間科學(xué)的未來(lái)仍然憂(yōu)心忡忡。7月2日，一枚運(yùn)載通信衛(wèi)星的長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射失敗，這為接下來(lái)使用同型火箭進(jìn)行的探月計(jì)劃蒙上了一層陰影。問(wèn)題還遠(yuǎn)不止這些。中科院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、探月計(jì)劃高級(jí)科學(xué)顧問(wèn)李春來(lái)說(shuō)道：“國(guó)際和國(guó)內(nèi)的挑戰(zhàn)都很艱巨?！痹趪?guó)際合作中，中國(guó)經(jīng)常遭到冷落。近年來(lái)，由于美國(guó)法律禁止美國(guó)宇航局（NASA）與中國(guó)合作，中國(guó)不得不和美國(guó)爭(zhēng)搶合作伙伴。在國(guó)內(nèi)，政府并沒(méi)有為空間科學(xué)制定戰(zhàn)略計(jì)劃，也沒(méi)有提供長(zhǎng)期的資金支持。李副臺(tái)長(zhǎng)說(shuō)：“問(wèn)題不在于中國(guó)做得如何出色，而在于這樣的勢(shì)頭能持續(xù)多久?！?/p>

奔向月亮

中國(guó)進(jìn)入太空時(shí)代是從一首歌開(kāi)始的。1970年，中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星從近地軌道將愛(ài)國(guó)歌曲《東方紅》的聲音傳回地球。但直到1976年文化大革命結(jié)束之后，中國(guó)在航天領(lǐng)域才取得重大進(jìn)展并確立了自己的強(qiáng)大地位。1999年，神舟一號(hào)飛船發(fā)射成功，這是第一個(gè)里程碑。這艘無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛船標(biāo)志著中國(guó)載人航天計(jì)劃的開(kāi)始。從那時(shí)起，中國(guó)取得了一系列成功，包括將航天員送入太空和發(fā)射兩個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室（見(jiàn)“從地球軌道到浩渺太空”）。

美國(guó)科學(xué)院航天與空間科學(xué)研究委員會(huì)負(fù)責(zé)人邁克爾·莫洛尼（Michael Moloney）說(shuō)：“中國(guó)的太空項(xiàng)目在短時(shí)間內(nèi)取得了巨大進(jìn)步。”在中國(guó)國(guó)家航天局（負(fù)責(zé)探月工程和行星探索工程）和中國(guó)載人航天工程辦公室的任務(wù)中，科學(xué)任務(wù)占據(jù)了較大的比重。例如，中國(guó)最新發(fā)射的太空實(shí)驗(yàn)室天宮二號(hào)負(fù)責(zé)開(kāi)展一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中包括一臺(tái)先進(jìn)的原子鐘和一個(gè)價(jià)值340萬(wàn)美元的伽馬射線暴偏振測(cè)量?jī)x器，用于研究伽馬射線爆發(fā)，即因恒星坍縮等原因所引發(fā)的高能輻射爆發(fā)。

中國(guó)對(duì)月球的前兩次探索，也就是2007年和2010年發(fā)射的繞月人造衛(wèi)星，更多的是工程示范的性質(zhì)，而非科學(xué)任務(wù)。但到了第一個(gè)登月探測(cè)器嫦娥三號(hào)，情況發(fā)生了變化。憑借該任務(wù)，中國(guó)成為世界上第三個(gè)在月球軟著陸的國(guó)家。更重要的是，嫦娥三號(hào)的著陸地點(diǎn)是一個(gè)此前從未被近距離研究過(guò)的區(qū)域。雷達(dá)探測(cè)和地球化學(xué)分析顯示，該地區(qū)在25億年前有過(guò)一段火山噴發(fā)的復(fù)雜歷史。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)行星地質(zhì)學(xué)家、研究負(fù)責(zé)人肖龍說(shuō)：“這一發(fā)現(xiàn)的確有助于我們了解月球的歷史及其深層結(jié)構(gòu)?！?/p>

這項(xiàng)結(jié)果也吸引了國(guó)外行星科學(xué)家的關(guān)注。位于美國(guó)羅德島普羅維登斯的布朗大學(xué)的行星探測(cè)專(zhuān)家詹姆斯·海德（James Head）說(shuō)：“我們急需確定月球上最近一次火山活動(dòng)的精確年代和形成過(guò)程。”這可能很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。只要等到12月，嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器就會(huì)發(fā)射，并帶回呂姆克山（Mons Rümker）的樣本，而這片區(qū)域內(nèi)的火山巖的形成時(shí)間要比阿波羅著陸地點(diǎn)獲取的火山巖更晚。海德說(shuō)：“這對(duì)月球科學(xué)將會(huì)是一個(gè)極好的補(bǔ)充?！?/p>

從地球軌道到浩渺太空

在實(shí)現(xiàn)了數(shù)個(gè)重大航天里程碑之后，中國(guó)為具有科學(xué)目標(biāo)的項(xiàng)目提供了更多支持。

1970中國(guó)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)。

1999 發(fā)射第一艘無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛船神舟一號(hào)，拉開(kāi)了中國(guó)載人航天計(jì)劃的序幕。

2003航天員楊利偉乘坐中國(guó)第一艘載人飛船神舟五號(hào)進(jìn)入軌道。

2007發(fā)射中國(guó)第一顆繞月軌道衛(wèi)星嫦娥一號(hào)。

2011中國(guó)首個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室天宮一號(hào)進(jìn)入軌道。

2013 發(fā)射嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器，這是中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)月球軟著陸。

2015 暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星（DAMPE）進(jìn)入地球軌道。

2016發(fā)射搭載14項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的天宮二號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室。

2017發(fā)射第一部X射線望遠(yuǎn)鏡——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）。

2017 計(jì)劃發(fā)射嫦娥五號(hào)探測(cè)器，完成月球取樣任務(wù)并返回地球。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器

五年計(jì)劃

中國(guó)空間科學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)步部分歸功于中國(guó)科學(xué)院的努力。從2000年起的10年時(shí)間，中科院努力說(shuō)服中國(guó)政府加強(qiáng)其太空探測(cè)任務(wù)的科學(xué)影響力。該機(jī)構(gòu)的努力最終得到了一大筆資金的回報(bào)。2011年，為期5年的空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃啟動(dòng)，并為4顆科學(xué)衛(wèi)星的開(kāi)發(fā)提供了5.1億美元。

其中一項(xiàng)已經(jīng)取得前期成果并獲得全世界關(guān)注的任務(wù)是預(yù)算達(dá)1億美元的空間尺度量子實(shí)驗(yàn)（QUESS）任務(wù)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已于2016年8月發(fā)射，用來(lái)測(cè)試一種被稱(chēng)為量子糾纏的奇特現(xiàn)象。這種現(xiàn)象指的是陷入量子糾纏的粒子即使相隔甚遠(yuǎn)，其量子態(tài)也會(huì)相互關(guān)聯(lián)。最近，QUESS團(tuán)隊(duì)宣布，他們利用衛(wèi)星向相距1 200公里的兩個(gè)地面站點(diǎn)發(fā)送了一對(duì)糾纏光子，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了此前144公里的紀(jì)錄。

該團(tuán)隊(duì)還利用量子衛(wèi)星測(cè)試了在奧地利維也納附近的格拉茨和北京之間建立量子通信道的可能性。其目標(biāo)是利用編碼于光子態(tài)中的密鑰來(lái)安全傳輸信息。中國(guó)科技大學(xué)物理學(xué)家、量子衛(wèi)星計(jì)劃首席科學(xué)家潘建偉說(shuō)：“如果實(shí)驗(yàn)成功，全球量子通信網(wǎng)絡(luò)將不再只是科幻小說(shuō)里的場(chǎng)景?！?/p>

研究人員對(duì)投資3億美元的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星（DAMPE）也寄予厚望。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)天體物理學(xué)家、該項(xiàng)目聯(lián)合首席科學(xué)家馬丁·波爾（Martin Pohl）聲稱(chēng)，這顆發(fā)射于2015年的探測(cè)衛(wèi)星是用于接收高能宇宙射線的最尖端設(shè)備。

同樣參與了阿爾法磁譜儀工作的波爾告訴我們，國(guó)際空間站的阿爾法磁譜儀在大量高能電子和正電子中探測(cè)到令人驚訝的現(xiàn)象，而暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)有助于確定這種現(xiàn)象是來(lái)源于暗物質(zhì)還是來(lái)源于脈沖星等天體。由于暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星對(duì)高能粒子比阿爾法磁譜儀更加靈敏，因此波爾說(shuō)它一定能做出重大貢獻(xiàn)。

“雙星計(jì)劃”的兩顆衛(wèi)星分別于2003年和2004年發(fā)射升空，用于探測(cè)地球的磁層空間

在2016年的一次會(huì)議上，歐洲航天局局長(zhǎng)約翰-迪特里?！の譅柤{和中國(guó)國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季一起討論空間科學(xué)

三路并進(jìn)

暗物質(zhì)和量子通信衛(wèi)星發(fā)射后不久，中科院的空間科學(xué)基金就到期了。包括吳季在內(nèi)的科學(xué)家不得不為下一批資金而奮斗。中國(guó)政府近期提高了應(yīng)用研究的優(yōu)先度，而科學(xué)家們?cè)?016年花了大半年時(shí)間，終于說(shuō)服政府在接下來(lái)的5年另外撥款7.3億美元給中科院開(kāi)展空間科學(xué)項(xiàng)目。吳主任說(shuō)：“真是來(lái)之不易，不過(guò)最后還是拿到了?！?/p>

始于2017年的新計(jì)劃資助了一批將要在2020年代啟動(dòng)的計(jì)劃，其中包括中國(guó)的第一顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星和觀測(cè)地球水循環(huán)的遙感衛(wèi)星。

國(guó)家航天局和中國(guó)載人航天工程辦公室也加緊了空間科學(xué)工作，其中一個(gè)令人激動(dòng)的項(xiàng)目是由國(guó)家航天局主持的投資4.4億美元的增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振衛(wèi)星（eXTP）。該衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2025年發(fā)射，投資方還包括歐洲的合作伙伴，參與人員包括來(lái)自20多個(gè)國(guó)家的數(shù)百名科學(xué)家。它被設(shè)計(jì)用來(lái)研究極端密度、重力、磁場(chǎng)條件下的物質(zhì)。這種條件只在太空中找得到，例如中子星內(nèi)部或黑洞周?chē)?/p>

意大利天體物理和行星研究所天體物理學(xué)家、項(xiàng)目聯(lián)合首席科學(xué)家馬克·費(fèi)羅西（Marco Feroci）介紹說(shuō)，這顆衛(wèi)星最具創(chuàng)新性的方面是它能夠同時(shí)以高精度測(cè)量X射線信號(hào)的發(fā)出時(shí)間、能量分布和偏振，因此可以提供關(guān)于一批X射線源的深刻見(jiàn)解。它還會(huì)搭載一架廣角望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)捕捉異常的瞬時(shí)信號(hào)。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中科院高能物理研究所天體物理學(xué)家張雙南說(shuō)：“當(dāng)它發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能有價(jià)值的信號(hào)時(shí)，所有其他設(shè)備都會(huì)聚焦到那個(gè)方向，這是X射線天文學(xué)的無(wú)死角武器?！?/p>

中國(guó)載人航天工程辦公室所領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目也不斷取得進(jìn)展。其中一項(xiàng)是一個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)器，其靈敏度是暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的15倍。它會(huì)放入中國(guó)的永久空間站內(nèi)，預(yù)計(jì)將于2022年完成。另外一項(xiàng)計(jì)劃是將一架價(jià)值7.3億美元的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到空間站旁邊的軌道上。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心物理學(xué)家、中國(guó)載人航天工程辦公室高級(jí)顧問(wèn)顧逸東說(shuō)，它的視野是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍，獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于研究暗物質(zhì)、暗能量以及尋找系外行星。

國(guó)際合作

這些項(xiàng)目表明，中科院和中國(guó)其他航天機(jī)構(gòu)之間的合作正在不斷深化，國(guó)際合作也呈同樣的趨勢(shì)。沃爾納認(rèn)為，中國(guó)在航天項(xiàng)目方面“已經(jīng)變得更加自信和開(kāi)放”。過(guò)去，中國(guó)只有在發(fā)射成功之后才會(huì)發(fā)布公告，如今則會(huì)定期公布發(fā)射計(jì)劃。中國(guó)科學(xué)家也加強(qiáng)了與國(guó)際同行之間的聯(lián)系，通過(guò)小規(guī)模合作強(qiáng)化合作伙伴關(guān)系。

早在10多年前，歐洲航天局和中國(guó)就在雙星項(xiàng)目上展開(kāi)合作，共同研究磁暴現(xiàn)象。但該項(xiàng)目由中國(guó)單方面主持。通過(guò)SMILE計(jì)劃，雙方正在探索一種關(guān)系更加緊密的嶄新合作模式。歐洲航天局戰(zhàn)略計(jì)劃與合作負(fù)責(zé)人法比奧·法瓦塔(Fabio Favata)表示：“我們需要建立信任的橋梁，這樣才能更好地相互了解，希望這將為未來(lái)大規(guī)模合作開(kāi)辟道路。”

迄今為止，美國(guó)仍然未曾與中國(guó)合作過(guò)。在過(guò)去，中國(guó)曾為NASA的發(fā)射任務(wù)提供過(guò)關(guān)鍵部件。但在2011年，美國(guó)通過(guò)了一項(xiàng)法案，禁止NASA與中國(guó)開(kāi)展此類(lèi)合作，中國(guó)由此不能參與到國(guó)際空間站之中。空間站上則有美國(guó)、中國(guó)和一些其他國(guó)家合作的產(chǎn)物：阿爾法磁譜儀。

NASA和中國(guó)航天機(jī)構(gòu)的代表仍然會(huì)定期互訪，但是因?yàn)椴荒荛_(kāi)展官方合作，很多項(xiàng)目就不可避免地出現(xiàn)重疊。2017年3月，NASA決定進(jìn)行寬頻帶能量X射線光譜時(shí)間分辨天文臺(tái)（STROBE-X）項(xiàng)目，用于進(jìn)一步研究。該項(xiàng)目和中國(guó)的eXTP項(xiàng)目相似，將會(huì)在2030年發(fā)射升空，比eXTP晚5年。NASA馬歇爾太空飛行中心的天體物理學(xué)家、STROBE-X項(xiàng)目成員科琳·威爾森-霍奇(Colleen Wilson-Hodge)說(shuō)：“同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)極其相似的項(xiàng)目并不是理想的結(jié)果，希望我們能夠找到大家一起合作的辦法，而不是互相競(jìng)爭(zhēng)?！?/p>

2013年，中國(guó)的登月車(chē)“玉兔”號(hào)登陸月球，利用具有穿透性的雷達(dá)對(duì)月球地表以下進(jìn)行探測(cè)

前景展望

然而，中國(guó)空間科學(xué)家面臨的主要挑戰(zhàn)是說(shuō)服自己的政府進(jìn)行長(zhǎng)期投資。除了eXTP項(xiàng)目，張雙南還是其他多個(gè)天體物理項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，他認(rèn)為現(xiàn)在的處境是一種朝不保夕的狀態(tài)。他說(shuō)：“接下來(lái)的5年我們都沒(méi)問(wèn)題，但誰(shuí)也不知道以后會(huì)怎么樣。”

工程和探測(cè)的功績(jī)?nèi)匀槐瓤茖W(xué)更受重視，例如，中國(guó)的空間站預(yù)算達(dá)145億美元。然而，盡管中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平曾表示該空間站是中國(guó)在太空中的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，但目前仍然沒(méi)有用于發(fā)展其科學(xué)有效荷載的專(zhuān)用資金。該空間站可能會(huì)和天宮二號(hào)一樣承載各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為各項(xiàng)研究提供足夠的能源和通訊，但也有可能會(huì)淪落為張雙南所說(shuō)的“沒(méi)有家具的房子”。

國(guó)家空間科學(xué)中心內(nèi)陳設(shè)著全新的家具，空氣中甚至能聞到新刷油漆的氣味。吳主任坐在辦公桌后的真皮椅子上，因?yàn)楂@得了下一撥經(jīng)費(fèi)而看起來(lái)很是放松。他承認(rèn)制度存在缺陷，但對(duì)未來(lái)仍然非常樂(lè)觀。“到現(xiàn)在都沒(méi)出什么問(wèn)題，”他一邊說(shuō)，一邊看了一眼書(shū)架上擺成一排的衛(wèi)星模型，“我們不能指望一夜之間解決所有的問(wèn)題?！?/p>

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：岳 峰]