鄭永春,歐陽自遠(yuǎn),2

(1.中國科學(xué)院國家天文臺,中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室,北京100012;2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴陽550002)

太陽系探測的發(fā)展趨勢與科學(xué)問題分析

鄭永春1,歐陽自遠(yuǎn)1,2

(1.中國科學(xué)院國家天文臺,中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室,北京100012;2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴陽550002)

分析了太陽系探測的發(fā)展趨勢,認(rèn)為從月球到火星是未來太陽系探測的主線,太陽系探測將從普查性探測向重點天體探測轉(zhuǎn)變,從技術(shù)實現(xiàn)為主向科學(xué)牽引轉(zhuǎn)變,國際合作成為太陽系探測的必然趨勢。歸納了太陽系探測的關(guān)鍵科學(xué)問題,認(rèn)為太陽系與行星系統(tǒng)的起源和演化是探測的終極科學(xué)目標(biāo),尋找地外生命和宜居環(huán)境是探測的主要驅(qū)動力,預(yù)防太陽活動和小天體撞擊對地球的災(zāi)害性影響是探測的現(xiàn)實意義。在探月工程取得進(jìn)展之后,中國應(yīng)以月球和火星探測為主線,以火星探測為切入點,有序開展火星、小行星、太陽、金星、木星系統(tǒng)等太陽系探測任務(wù),牽引航天技術(shù)進(jìn)步,推動行星科學(xué)發(fā)展。

太陽系探測;發(fā)展趨勢;科學(xué)問題

0 引言

太陽系是以太陽為中心的所有受到太陽引力約束的天體集合體,包括8顆行星、165顆已確認(rèn)的衛(wèi)星、5顆已辨認(rèn)的矮行星(dwarf planet)和數(shù)以億計的太陽系小天體。這些小天體包括小行星、柯伊伯帶(Kuiper belt)的天體、彗星和星際塵埃等。太陽系探測是指利用航天器探測太陽系內(nèi)各層次天體和行星際空間的深空探測活動。主要探測對象是太陽系內(nèi)的行星(除地球外)、行星的衛(wèi)星、矮行星、小天體和行星際空間環(huán)境,主要探測方式包括飛越探測、環(huán)繞探測、不載人軟著陸探測、巡視探測、載人環(huán)繞和登陸考察、不載人或載人采樣返回等。

1957年,前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik,開啟了人類探測太陽系和宇宙空間的新時代。從1958年8月17日美國發(fā)射第一顆月球探測器“Pioneer 0號”開始,到首次實現(xiàn)對月球、金星、火星、太陽、水星、木星、土星、小行星與彗星等太陽系天體與行星際空間的探測,離地球最遠(yuǎn)的航天器(1977年發(fā)射的“旅行者1號”)甚至已經(jīng)通過太陽系的日球?qū)?heliosphere)邊界。進(jìn)入21世紀(jì)以來,又實施了水星探測(“信使號”)、矮行星探測(“黎明號”對谷神星和灶神星,“新地平線號”對冥王星的探測)等任務(wù)。截至目前,人類發(fā)射的航天器已經(jīng)探測過太陽系內(nèi)的所有行星和主要天體類型,形成了我們對太陽系的主要認(rèn)識。

半個多世紀(jì)的太陽系探測取得了豐碩的科學(xué)成果,回顧太陽系探測的歷程,不難發(fā)現(xiàn)它對人類文明進(jìn)步特別是科學(xué)技術(shù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),主要包括:1)顯著帶動人類社會的科學(xué)創(chuàng)新、技術(shù)突破和應(yīng)用拓展;2)加深了我們對宇宙尤其是太陽系的認(rèn)知、拓展了人類知識疆界[1];3)提高了人類認(rèn)識和保護(hù)地球、拓展生存和活動空間的能力。通過尋找人類潛在的地外宜居地,有助于實現(xiàn)地球和人類社會的可持續(xù)發(fā)展;4)激勵了人類特別是年輕一代的探索、發(fā)現(xiàn)和挑戰(zhàn)精神。

21世紀(jì)以來,基于推動科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步、爭取國家權(quán)益和保障國家安全的戰(zhàn)略需要,世界各主要航天國家和組織紛紛制定并公布了各自的太陽系探測規(guī)劃,積極規(guī)劃各自在行星科學(xué)、空間科學(xué)和航天活動方面的發(fā)展藍(lán)圖。通過對月球和火星的重點探測,以及對太陽系各類天體的深入探測,利用這些探測任務(wù)獲得的新資料和新信息,加上地基和太空的天文觀測、實驗室內(nèi)的分析和相關(guān)理論研究等,有望形成對太陽系起源和演化的整體性認(rèn)識。

中國的太陽系探測從月球起步,作為國家重大科技專項的探月工程共分為“繞、落、回”三期。一期工程為“嫦娥1號”,二期為“嫦娥2號”“嫦娥3號”和“嫦娥4號”,三期為“嫦娥5號”“嫦娥6號”。2007年10月24日,中國第一顆繞月探測衛(wèi)星“嫦娥1號”成功發(fā)射。2010年10月1日,探月二期先導(dǎo)星“嫦娥2號”成功發(fā)射并取得圓滿成功[2]。2013年12月2日,“嫦娥3號”成功發(fā)射,使中國成為世界上第3個獨立實施月球軟著陸的國家,標(biāo)志著我國已進(jìn)入世界具有深空探測能力的國家行列。預(yù)計于2017年前后發(fā)射的探月三期“嫦娥5號”任務(wù)正在研制,將實現(xiàn)月表無人自動采樣返回[3]。隨著月球探測的進(jìn)展,月球之外的其他主要天體已經(jīng)成為中國航天技術(shù)和空間科學(xué)發(fā)展的重要目標(biāo)。中國已經(jīng)開展了深空探測的專項論證,正在推進(jìn)對太陽系行星、小天體和太陽等的探測活動,我國的太陽系探測將迎來重要的戰(zhàn)略機(jī)遇期。

1 太陽系探測發(fā)展趨勢分析

1.1 從月球到火星是太陽系探測的主線

21世紀(jì)的太陽系探測將以月球和火星探測為主線,從月球走向火星的大方向已經(jīng)明確,同時將適當(dāng)開展巨行星及其衛(wèi)星、金星、小天體和太陽探測。表1為截至2014年共計255次太陽系探測任務(wù)的基本情況。從首次探測任務(wù)的目標(biāo)天體來看,人類開展太陽系探測從離地球最近的月球起步,然后逐漸擴(kuò)展到離地球最近的兩顆行星——火星和金星,接著擴(kuò)展到太陽、太陽系其他天體、巨行星和小天體。

從探測任務(wù)次數(shù)來看,依次為:月球(123次)、火星(45次)、金星(44次),其他分別為太陽、小行星、木星等。20世紀(jì)70—80年代,金星探測的熱度超過火星,其中前蘇聯(lián)集中力量探測金星,美國集中力量探測火星。隨著火星探測取得的大量新成果,特別是火星上水和生命信息的發(fā)現(xiàn),吸引了科學(xué)界越來越多的興趣和支持,20世紀(jì)90年代以來火星探測的熱度已經(jīng)遠(yuǎn)超金星。因此,雖然太陽系探測的目標(biāo)天體數(shù)量眾多,但主線是從月球到火星。

作為地球唯一的天然衛(wèi)星,月球?qū)Φ厍蚝腿祟惖闹匾圆谎远鱗4]。一是通過多種探測方式,開展月球表面形貌、物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間環(huán)境的探測,加深對月球和地月系形成演化的認(rèn)識;二是把月球作為永不墜落的天然空間站和太空實驗室,利用月球獨特的空間位置、特殊的空間環(huán)境和自然資源,開展對地監(jiān)視、天文觀測以及就位資源利用、材料科學(xué)、生命科學(xué)、信息傳輸和基礎(chǔ)物理等多學(xué)科實驗和觀測;三是把月球作為載人深空探測的演練場和中轉(zhuǎn)站,通過載人登月的發(fā)展,逐步降低載人深空探測(特別是載人飛往火星)的技術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)成本。

表1 太陽系探測概況(截至2014年)Table 1 History of Solar system exploration missions(Till to 2014)

月球探測是太陽系探測的起點。1958—1976年第一次月球探測高潮期間,美蘇兩國共發(fā)射108顆月球探測器,成功率僅為48%,美國實現(xiàn)了6次載人登月,在美蘇太空爭霸戰(zhàn)中取得最終勝利;1976—1994年是月球探測的寧靜期,期間沒有發(fā)射過任何月球探測器。1994年1月25日發(fā)射的Clementine探測器[5]和1998年1月7日發(fā)射的Lunar Prospector探測器,開展了對月球的全球性普查[6],掀起了新的月球探測熱潮。月球探測的新發(fā)現(xiàn),特別是月球水冰和極區(qū)探測的進(jìn)展[7],重新激發(fā)了人類的探索興趣,目標(biāo)就是實現(xiàn)載人重返月球和建立月球基地。進(jìn)入21世紀(jì)以來,歐洲、日本、中國、美國、印度已經(jīng)先后開展了11次探測任務(wù),如表2所示。

表2 21世紀(jì)已開展的月球探測任務(wù)(截至2014年)Table 2 Lunar missions in the 21 century(Till to 2014)

通過對月球的全球性勘查和區(qū)域詳查,為未來載人登月和建設(shè)月球基地提供技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)支持。

在太陽系主要天體中,火星的環(huán)境與地球最為相似,最有可能存在過生命或適宜生命繁衍。因此,火星在太陽系探測中占有最重要的地位。進(jìn)入21世紀(jì)以來,各國已經(jīng)開展了12次火星探測任務(wù),基本上在每隔26個月一次的火星探測窗口中都會發(fā)射2個探測器,如表3所示。

表3 21世紀(jì)已開展的火星探測任務(wù)(截至2014年)Table 3 Mars missions in the 21 century(Till to 2014)

目前,火星探測的技術(shù)能力日趨成熟,對火星全球的了解也已不輸月球,未來將朝著重點地區(qū)精細(xì)探測、采樣返回、載人環(huán)繞和登陸的方向邁進(jìn)。NASA在2013年11月發(fā)射MAVEN探測器后將不再開展針對火星的小型探測任務(wù),而以經(jīng)費投入巨大的大型任務(wù)為主。如:火星科學(xué)實驗室(MSL,“好奇號”)耗資25億美元;計劃中的火星采樣返回任務(wù)MAX-C將耗資35億美元。這些大型任務(wù)將詳細(xì)了解火星表面環(huán)境,預(yù)選火星著陸區(qū),為火星采樣返回、載人環(huán)繞和登陸火星奠定基礎(chǔ)。

1.2 從普查性探測向重點天體探測轉(zhuǎn)變

通過50多年的探測,人類對太陽系的全景已經(jīng)有了整體認(rèn)識,類似“旅行者1號”“旅行者2號”那樣的太陽系穿越任務(wù)的科學(xué)回報將不再顯著。未來太陽系探測將聚焦某些重點天體,包括月球、火星、小行星、金星、木星以及木衛(wèi)一(Io)和木衛(wèi)二(Europa)、土星以及土衛(wèi)二(Enceladus)和土衛(wèi)六(Titan)。同時,適當(dāng)兼顧其他天體,使探測任務(wù)覆蓋太陽系內(nèi)的主要天體類型,精細(xì)刻畫太陽系的結(jié)構(gòu)。

除月球和火星之外,小天體是未來太陽系探測的重點目標(biāo)之一。小行星和彗星的探測和采樣返回對太陽系的形成和演化、生命的起源和演化這兩個基本科學(xué)問題的求解具有重要意義,因此在未來太陽系探測中占有重要地位。NASA未來10年可能開展的小天體探測任務(wù)包括:針對碳質(zhì)小行星1999 RQ36的原始光譜解譯與資源勘查采樣探測器(OSIRIS-Rex)、彗星表面采樣返回任務(wù)(Comet Surface Sample Return)、特洛伊小行星探測計劃(Trojan Tour and Rendezvous)。小天體探測的重要意義在于:1)小行星是形成太陽系的原始物料,保留了太陽系形成早期的諸多信息,一些小行星具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和利用前景;2)小行星和彗星上存在的有機(jī)物和生命物質(zhì),可能與地球上的生命起源有關(guān);3)小天體撞擊地球?qū)?dǎo)致生物界和人類社會的災(zāi)難性后果。

巨行星體積巨大且具有特殊的行星環(huán)、磁層和流體運動,其衛(wèi)星數(shù)量較多,一些天然衛(wèi)星還有液態(tài)海洋、適宜生命存在的環(huán)境等特征,可以在較大范圍內(nèi)作為檢驗地球物理、等離子物理、氣象學(xué)甚至海洋學(xué)理論的實驗室。未來的巨行星探測一方面將重點探測巨行星本身的環(huán)帶結(jié)構(gòu)、大氣層、磁層、與太陽風(fēng)的相互作用等,如預(yù)計2016年進(jìn)入木星軌道的“朱諾號”(Juno),以及計劃中的土星探測器(Saturn Probe)等。另一方面將重點探測木衛(wèi)一和木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和土衛(wèi)六等與地球相似、可能存在原始生命的天然衛(wèi)星,如NASA擬議中的木衛(wèi)一觀測者(Io Observer)等。

1.3 從技術(shù)實現(xiàn)為主向科學(xué)牽引轉(zhuǎn)變

20世紀(jì)90年代以前,太陽系探測以技術(shù)實現(xiàn)為主要目標(biāo),服務(wù)于展示國家航天技術(shù)能力和國防實力的政治目的。而90年代以來的新一輪探測活動,主要以科學(xué)為驅(qū)動,并逐漸向科學(xué)引領(lǐng)方向轉(zhuǎn)變。

科學(xué)驅(qū)動體現(xiàn)在太陽系探測的任務(wù)建議由科學(xué)家提出,在整個任務(wù)論證和實施過程中始終圍繞科學(xué)問題求解、科學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)和科學(xué)成果的最大化為核心。在技術(shù)可實現(xiàn)的前提下,不同探測任務(wù)的優(yōu)選應(yīng)保證投入的經(jīng)費獲得的科學(xué)產(chǎn)出最大化,以所解決的科學(xué)問題的重要性來評價探測任務(wù)的成果。“科學(xué)引領(lǐng)、共同參與、透明公開”已經(jīng)成為NASA未來10年在太陽系探測領(lǐng)域的3項指導(dǎo)原則。

目前,NASA太陽系探測的小型任務(wù)(偵察型任務(wù),又稱發(fā)現(xiàn)級,針對“主任務(wù)”開展補充性、輔助性的探測)采用首席科學(xué)家(Principle Investigator, PI)負(fù)責(zé)制,完全由科學(xué)家提出任務(wù)建議并主導(dǎo)任務(wù)實施。如2007年8月4日發(fā)射的“鳳凰號”火星著陸器就是一項典型的小型任務(wù),耗資4.2億美元,設(shè)計壽命90天。中型任務(wù)(又稱“新前沿級”任務(wù),規(guī)模中等、適度)通過科學(xué)家之間的競爭機(jī)制,針對重要科學(xué)問題開展太陽系探測。大型任務(wù)(旗艦型任務(wù),技術(shù)上十分困難和復(fù)雜)雖然是由NASA直接主導(dǎo)和實施的戰(zhàn)略性、綜合性探測計劃,但探測器上的科學(xué)載荷采用競爭機(jī)制產(chǎn)生,并實行首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制。如原定2009年10月發(fā)射、后被推遲到2011年10月發(fā)射的“火星科學(xué)實驗室”,屬于下一代核動力火星探測器,技術(shù)復(fù)雜,耗資巨大。

2011年3月,NASA委托美國國家研究委員會論證與制定未來10年的行星科學(xué)與太陽系探測規(guī)劃,共征集1669位科學(xué)家通過獨立或合作的方式遞交的199份探測任務(wù)建議書,最終形成《2013—2022年行星科學(xué)十年規(guī)劃與展望》報告[8],規(guī)劃的25項科學(xué)任務(wù)將成為未來10年太陽系探測任務(wù)優(yōu)選和實施的基本科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)性文件,如表4所示。

表4 NASA太陽系探測的任務(wù)規(guī)劃(2013—2022)Table 4 NASA's programs on solar system exploration(2013—2022)

1.4 國際合作成為太陽系探測的必然趨勢

從20世紀(jì)50年代末到80年代,只有前蘇聯(lián)和美國開展過太陽系探測。90年代至今,歐空局、俄羅斯、日本、中國和印度紛紛開展各類太陽系探測任務(wù),從兩強爭霸到群雄逐鹿,多國參與和國際合作將成為太陽系探測的必然趨勢。

美國:2011年美國發(fā)布《2013—2022年行星科學(xué)十年規(guī)劃與展望》,詳細(xì)規(guī)劃了未來10年太陽系探測的科學(xué)主題、目標(biāo)天體、探測任務(wù)等[8]。2014年發(fā)布的《2014 NASA戰(zhàn)略規(guī)劃》在太陽系探測方面的目標(biāo)包括:(1)擴(kuò)展人類在太陽系中的活動范圍并到達(dá)火星表面,以推進(jìn)探索、科學(xué)、創(chuàng)新、人類福祉和國際合作;(2)理解太陽、太陽系及其與地球的相互作用,包括空間天氣[9];(3)查明太陽系的內(nèi)涵、起源和演化及可能的生命。

歐空局:近年來占據(jù)太陽系探測的第二位, 2003年發(fā)布《曙光計劃》(Aurora),確立了未來30年歐洲太陽系探測的發(fā)展戰(zhàn)略和路線,2005年發(fā)布的《宇宙憧憬2005—2025》描繪了歐洲未來20年的空間科學(xué)發(fā)展藍(lán)圖。

俄羅斯:于2012年先后制定了《俄羅斯2030年前航天活動發(fā)展戰(zhàn)略》和《俄羅斯2012—2025年太陽系探測總體規(guī)劃》,充分展現(xiàn)了俄羅斯在太陽系探測領(lǐng)域的雄心。

日本:于2005年發(fā)布《日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)長期發(fā)展規(guī)劃——JAXA 2025》,提出了月球與太陽系探測的發(fā)展規(guī)劃,發(fā)展?jié)摿Σ豢傻凸?

印度:雖與中國幾乎同時起步,但已實施“月船1號”探月計劃和火星探測計劃,公布了載人航天計劃。

未來,德國、英國、巴西等國家也將加入到太陽系探測隊伍,參與太陽系探測的國家將越來越多。

隨著人類對太陽系認(rèn)識的加深,科學(xué)探測方式將越來越多樣化、復(fù)雜化、精細(xì)化,對航天發(fā)射技術(shù)、測控技術(shù)、航天器生產(chǎn)、科學(xué)儀器的創(chuàng)新設(shè)計和研制提出了更高要求,技術(shù)難度和經(jīng)費需求顯著增加,對參與任務(wù)的科學(xué)家和工程師的專業(yè)能力要求更高,學(xué)科覆蓋要求更廣。開展太陽系探測所需的技術(shù)能力、經(jīng)費需求、人才儲備對任何一個國家而言都越來越難以獨立承擔(dān)。因此,太陽系探測的國家間合作將越來越普遍,多國分工合作,各自發(fā)揮技術(shù)專長,共同分擔(dān)經(jīng)費,合作開展數(shù)據(jù)分析和科學(xué)研究,將成為未來太陽系探測的顯著特點。

2 太陽系探測的關(guān)鍵科學(xué)問題分析

2.1 太陽系與行星系統(tǒng)的起源和演化是太陽系探測的終極科學(xué)目標(biāo)

當(dāng)代太陽系探測的三大科學(xué)主題是太陽系的起源和演化、尋找地外生命和宜居環(huán)境、行星的起源和演化。只有通過系統(tǒng)的太陽系探測活動,對不同天體目標(biāo)、用不同探測方式獲得有關(guān)這些天體的第一手探測資料,才能使這些追根溯源性的基本科學(xué)問題得到詮釋[10](表5)。

表5 未來10年太陽系探測的科學(xué)主題和優(yōu)先探測任務(wù)Table 5 The science topics and prior missions in the next decade

續(xù)表5

根據(jù)太陽星云演化理論,約46億年前在原始太陽周圍的太陽星云盤物質(zhì)經(jīng)分餾、凝聚、吸積、增生等過程,形成了太陽系。太陽系最初10億年的歷史,決定了地球和其他行星的演化方向。由于后期的地質(zhì)作用等因素,地球上缺失了太陽系形成最初10億年歷史的地質(zhì)記錄,使得人類對太陽系早期歷史的了解非常有限,包括行星的形成和演化過程、太陽系早期撞擊體大小和通量及其隨時間的變化等。但這段歷史在月球、水星等后期地質(zhì)作用較弱的天體上卻得以完整保留。小行星作為太陽星云凝聚的殘留物,對恢復(fù)太陽系早期歷史具有探針作用。通過對太陽系內(nèi)不同位置、不同層次的天體的探測,有望恢復(fù)太陽星云的物質(zhì)組成和初始狀態(tài)。

2.2 尋找地外生命和宜居環(huán)境是太陽系探測的主要驅(qū)動力

尋找地外生命和宜居環(huán)境的主要目的是通過探測太陽系中可能存在生命的天體,研究生命及相關(guān)物質(zhì)的起源,這已經(jīng)成為太陽系探測的主要驅(qū)動力。關(guān)鍵科學(xué)問題包括:

1)生命是如何產(chǎn)生的,生命的產(chǎn)生需要什么條件?主要通過太陽系中原始有機(jī)物的形成,探索這些有機(jī)物合成過程目前是否依然存在;2)對生命起源起決定性作用的因素有哪些?彗星和小行星與地球生命起源的關(guān)系?3)地球之外是否有生命,哪里有可能存在地外生命?主要通過探測火星、木星和土星的衛(wèi)星等地外天體上的水,回答這些天體是否有適合生命存在的環(huán)境;4)生命怎樣隨行星環(huán)境變化而進(jìn)化?太陽系中的生命如何演化?5)我們能否找到第二個地球?當(dāng)人類面臨滅頂之災(zāi)時,能否讓人類在其他星球上得以延續(xù)?

以火星探測為例。作為NASA在2000— 2010年火星探測的基礎(chǔ)科學(xué)目標(biāo)和最高戰(zhàn)略目標(biāo),“追蹤水的痕跡”(follow the water)在火星探測科學(xué)目標(biāo)制定和探測任務(wù)實施中發(fā)揮了指導(dǎo)性作用,從“火星全球勘探者號”(1996—2006年),到“火星奧德賽”(2001年至今),再到“機(jī)遇號”和“勇氣號”火星車(2003年至今),以及火星勘測軌道器(MRO, 2005年至今)和“鳳凰號”(2007—2008年),已經(jīng)獲得了大量火星上存在水的證據(jù)。如:“火星全球勘探者號”拍攝到大量火星表面水流沖刷和侵蝕的地貌特征[11];“機(jī)遇號”和“勇氣號”火星車探測到火星土壤中硅質(zhì)的沉積物[12];火星勘測軌道器探測到火星高原地區(qū)的層狀硅酸巖礦物(Phyllosilicate)[13];“鳳凰號”拍攝到火星上在“下雪”,探測到火星土壤中存在氯酸鹽,并首次獲得火星上液態(tài)水存在的直接證據(jù)[14]。這些都說明美國“追蹤水的痕跡”的戰(zhàn)略目標(biāo)獲得了巨大成功。

從1996年《尋找火星上的古老生命:火星隕石ALH84001殘存有可能的生命活動痕跡》[15]發(fā)表以來,火星生命信息的探測熱情高漲。2007年5月,美國國家研究委員會發(fā)布《火星探測的天體生物學(xué)戰(zhàn)略》(An Astrobiology Strategy for the Exploration of Mars)[16]研究報告,指出火星探測的科學(xué)目標(biāo)應(yīng)從水進(jìn)一步延伸到生命,未來火星探測應(yīng)以火星生命探測為重點,以“尋找碳”和其他生命相關(guān)元素作為火星探測的科學(xué)方向。2011年NASA正式宣布美國火星探測的科學(xué)戰(zhàn)略將從“追蹤水的痕跡”正式轉(zhuǎn)變?yōu)椤八褜ど盘枴?seeking signs of life),標(biāo)志著未來10年美國火星探測的科學(xué)重心將轉(zhuǎn)變?yōu)殚_展與火星生命信號搜尋相關(guān)的各類探測活動。

對火星生命的探測,主要圍繞:探測火星現(xiàn)在有無生命活動信息、探尋火星過去是否存在過生命、火星生命活動的環(huán)境即火星水體的活動與演化等問題開展?？傮w而言,火星生命探測需要經(jīng)過3個步驟,首先是詳細(xì)探測火星表面環(huán)境,特別是火星曾經(jīng)有水的證據(jù),回答火星大氣中的甲烷是否屬于有機(jī)成因。其次是探測微生物在火星上生存和繁衍的可能性[17]。最后是直接尋找火星上的生命。

此外,對小行星和彗星生命信息的探測,主要是通過探測小行星和彗星中的有機(jī)成分和水來研究地球生命物質(zhì)的來源。目前,一些小行星和彗星的隕石中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有各類烷烴、氨基酸、脂肪酸、多環(huán)芳烴和卟啉等有機(jī)化合物。對巨行星衛(wèi)星生命物質(zhì)的探測,主要探測對象是土衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)六。

2.3 預(yù)防太陽活動和小天體撞擊對地球的災(zāi)害性影響

太陽及其活動對地球和行星際空間環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響,對太陽及其活動的探測主要有向局部高分辨觀測和整體長周期觀測兩極發(fā)展的趨勢。一是對太陽的小尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行高時空分辨率的觀測和研究,了解太陽活動的內(nèi)在本質(zhì);二是對太陽大尺度活動和長周期結(jié)構(gòu)與演化進(jìn)行觀測和研究,了解太陽活動的整體行為。

為深入認(rèn)識和理解太陽磁場基本結(jié)構(gòu)、太陽活動周的形成機(jī)制、太陽風(fēng)暴的起因等熱點問題,特別是太陽活動對空間環(huán)境的災(zāi)害性影響,需要在遠(yuǎn)離地球的近日空間和太陽極區(qū)對太陽進(jìn)行大尺度、全時域、高分辨、高精度三維立體多波段探測。

從地球生物演化歷史看,小天體撞擊多次導(dǎo)致地球氣候環(huán)境災(zāi)變和生物滅絕事件,如6 500萬年前的恐龍大滅絕、100多年前的通古斯大爆炸等[18]。1994年舒梅克—列維9號彗星連串撞擊木星,帶去巨量的含S、N物質(zhì)和金屬元素[19],釋放的能量大約相當(dāng)于20億顆原子彈的爆炸;2013年2月15日,俄羅斯車?yán)镅刨e斯克(Chelyabinsk)隕石撞擊導(dǎo)致人員受傷和建筑物受損[20],而這顆小行星的直徑不足20 m。

通過太陽系探測,確定這些小天體的精密軌道、運動速度、體積、物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu),研究并評估其撞擊地球的可能性和災(zāi)害程度,提出排危和規(guī)避方案,進(jìn)一步了解并保護(hù)地球和人類的安全。我國在近地小行星和空間碎片觀測,以及古環(huán)境、古氣候和隕石學(xué)研究方面已有豐富積累,可以支撐這方面的太陽系探測任務(wù)的開展。

3 關(guān)于我國太陽系探測的科學(xué)設(shè)想

3.1 基本思路

在戰(zhàn)略規(guī)劃層面。隨著探月工程的進(jìn)展,我國目前已具備持續(xù)開展太陽系探測的能力,在規(guī)劃未來任務(wù)時:1)應(yīng)圍繞關(guān)鍵和熱點科學(xué)問題,堅持科學(xué)需求牽引、帶動技術(shù)發(fā)展;2)堅持高起點和前瞻性,突出創(chuàng)新和特色;3)堅持有限目標(biāo)、突出重點,有所為有所不為;4)堅持以我為主,積極開展國際合作。

在戰(zhàn)略實施層面。太陽系探測應(yīng)立足我國現(xiàn)有科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、航天技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展能力,整體規(guī)劃,分步實施,循序漸進(jìn),持續(xù)發(fā)展。用20多年的時間,以火星探測為切入點,分為啟動、推進(jìn)、發(fā)展3個階段,漸次、有序地統(tǒng)籌開展對小行星、太陽、金星、木星系統(tǒng)等的探測活動。

在科學(xué)發(fā)展層面。太陽系探測應(yīng)圍繞和針對重大關(guān)鍵科學(xué)問題,以火星探測為切入點,統(tǒng)籌開展小行星、太陽、金星、木星系統(tǒng)等探測,在太陽系的起源與演化、太陽和小天體活動對地球的災(zāi)害性影響、地外生命信息探尋等研究領(lǐng)域取得一批重大科學(xué)成果,建立較為完善的太陽系探測的科學(xué)研究體系,推動我國天文學(xué)、空間科學(xué)、行星科學(xué)與地球科學(xué)等學(xué)科發(fā)展和空間技術(shù)應(yīng)用。

3.2 科學(xué)設(shè)想

火星探測。自然環(huán)境最接近地球的火星是太陽系探測的切入點,通過火星全球遙感探測、著陸巡視探測和采樣返回,實現(xiàn)從全球普查到局部詳查、著陸就位分析、再到樣品實驗室分析的科學(xué)遞進(jìn)。主要科學(xué)目標(biāo)包括:探測火星地下水體分布與土壤特征,大氣層甲烷與二氧化碳的成因,研究火星生命信息和生命存在環(huán)境;探測火星磁層、電離層與大氣層的結(jié)構(gòu)、成分和演化趨勢,研究火星氣候的變化及其演化歷史;火星全球性地形地貌的類型與特征,研究風(fēng)、水(冰)、火山、撞擊和構(gòu)造活動在火星表面形貌的形成與改造中的作用,揭示火星地質(zhì)特征和演化歷史;火星表面的化學(xué)成分、礦物組成與巖石類型,反演火星巖漿演化歷史;火星表面的地質(zhì)建造與構(gòu)造區(qū)劃;探測火星內(nèi)部物理場(電場、磁場、重力場)和核、幔、殼結(jié)構(gòu);火星與類地行星的比較研究與火星的演化歷史。

小行星探測。通過對近地小行星和主帶小行星(如:谷神星)進(jìn)行飛越、伴飛、附著探測和取樣返回,實現(xiàn)對目標(biāo)小行星的整體性探測和局部區(qū)域的就位分析及樣品的系統(tǒng)分析,研究小行星的起源與演化,為將來可能的小行星撞擊地球事件的應(yīng)對措施和早期太陽系形成與演化過程提供科學(xué)依據(jù)。主要科學(xué)目標(biāo)包括:精確監(jiān)測對地球有潛在威脅的小行星的大小、形狀、結(jié)構(gòu)和運行軌道及其變化,評估其撞擊地球的可能性,探測其形貌、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分;獲取和分析太陽系形成時的早期物質(zhì),研究行星的形成與演化;探測小行星的空間風(fēng)化層,研究太陽風(fēng)與小行星的相互作用;探測小行星的有機(jī)物和可能的生命信息,研究生命起源與演化。

太陽探測。通過對太陽的深空定點觀測、極軌觀測和太陽風(fēng)暴全景觀測,實現(xiàn)由點到面再到體的系統(tǒng)的太陽探測任務(wù)目標(biāo),研究太陽磁場和太陽活動的起源和演化,探究太陽活動對近地空間環(huán)境的災(zāi)害性影響,提高對太陽風(fēng)暴的預(yù)報和警報能力。主要科學(xué)目標(biāo)包括:探測太陽矢量磁場、速度場和輻射場,監(jiān)測太陽活動,研究太陽磁場和太陽活動的起源和演化,揭示太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)現(xiàn)象的物理機(jī)制,探索太陽活動對近地空間環(huán)境的災(zāi)害性影響,提高對太陽風(fēng)暴的預(yù)報和警報能力。

金星探測。金星是研究地球溫室效應(yīng)和全球變暖的天然實驗室,金星探測可以通過環(huán)繞和氣球浮空探測的方式進(jìn)行。主要科學(xué)目標(biāo)包括:探測金星大氣層、電離層與磁層,研究大氣組成與結(jié)構(gòu)、閃電和氣輝、溫室效應(yīng)、大氣環(huán)流等的成因機(jī)制以及整體演化過程,研究大氣層、電離層與太陽風(fēng)的相互作用過程,探討水逃逸的機(jī)制;探測地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造與物質(zhì)成分,研究金星表面改造的地質(zhì)營力與地質(zhì)構(gòu)造演化史;探測金星重力場與磁場,研究金星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

木星系統(tǒng)探測。木星系統(tǒng)被稱為是小太陽系,是研究太陽系起源和演化的關(guān)鍵。木星系統(tǒng)探測需要掌握長期星際飛行、行星際借力飛行、穿越小行星帶、長壽命航天器設(shè)計、核同位素電源、遠(yuǎn)距離測控等關(guān)鍵技術(shù),將顯著牽引航天技術(shù)進(jìn)步。主要科學(xué)目標(biāo)包括:探測木星的磁層結(jié)構(gòu),研究太陽風(fēng)與木星磁場的相互作用;探測木星大氣層及其變化,研究大氣環(huán)流模式和動力學(xué)機(jī)制;探測金星—地球——木星的行星際太陽風(fēng)結(jié)構(gòu),研究太陽風(fēng)在行星際空間的傳播特性;探測木衛(wèi)二空間環(huán)境和表面冰層形貌,研究大氣模式和冰層厚度分布特性;開展巡航段飛行器生物艙試驗,研究地球生命的地外生存特性。

4 結(jié)論與展望

1)21世紀(jì)是人類全面探測太陽系的新時代,未來的太陽系探測以月球和火星探測為主線,適當(dāng)兼顧太陽、小行星、木星系統(tǒng)等其他天體的探測;中國在探月工程取得重要進(jìn)展的同時,應(yīng)以火星探測為切入點,盡快開展我國的太陽系探測活動。

2)未來的太陽系探測將以科學(xué)為主要驅(qū)動力,在推動航天技術(shù)發(fā)展的同時,加深我們對太陽系的認(rèn)識,拓展人類的知識疆界。其中,太陽系及其行星的起源和演化是太陽系探測的終極科學(xué)目標(biāo),尋找地外生命和宜居環(huán)境是太陽系探測的主要驅(qū)動力,預(yù)防太陽活動和小天體撞擊對地球的災(zāi)害性影響是太陽系探測的現(xiàn)實意義。

3)我國的太陽系探測應(yīng)圍繞和針對重大關(guān)鍵科學(xué)問題,以月球和火星探測為主線,統(tǒng)籌開展小行星、太陽、金星、木星系統(tǒng)等探測,爭取在太陽系的起源與演化、太陽和小天體活動對地球的災(zāi)害性影響、地外生命信息探尋等研究領(lǐng)域取得一批重大科學(xué)成果,推動我國天文學(xué)、空間科學(xué)、行星科學(xué)、地球科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和空間技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

致謝

中國科學(xué)院和國防科工局組織的我國月球與深空探測科學(xué)目標(biāo)論證專家委員會的論證成果對本文幫助極大。嚴(yán)俊、李春來、鄒永廖、林楊挺、王世杰、劉建忠、張福勤等帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊的長期積累是完成本文的主要基礎(chǔ)。感謝編輯部和審稿人提出了很好的修改建議。

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[責(zé)任編輯:宋宏]

Development Trend Analysis of Solar System Exploration and the Scientific Vision for Future Missions

ZHENG Yongchun1,OUYANG Ziyuan1,2
(1.Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration,National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012,China;2.Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guiyang 550002,China)

This paper summarizes the history of solar system exploration and the major scientific achievements. We can find out significant trends for future solar system exploration.Firstly,from the Moon to the Mars is the mainline for future solar system exploration.China has carried out three lunar missions.The next objective body will focus on the Mars.Secondly,the general survey of the solar system is not popular as before.Future solar system exploration will focus on some high interested asteroids,planets and their moons.Thirdly,the solar system exploration in the last century was focused on technology realization,whilethat in the new century will be driven by science.Fourthly,we must face the technology difficulties,shortage of professionals,and unaffordable budgets in the solar system missions.These problems are difficult for any country to solve by itself.Therefore,international cooperation is necessary and needed.This paper also analyzes the three major science themes of the solar system exploration:the origin and evolution of the solar system and planets,and the search for extraterrestrial life and habitable environment,guard against the catastrophic events of the strong solar activity and asteroid impact on the Earth.With the progress of China's Lunar Exploration Program,China should carry out its Mars mission as soon as possible.After that,China will promote its missions to the asteroids,Sun,Venus,Jupiter system,and other bodies.

solar system exploration;development trend;science theme

P181

:A

:2095-7777(2014)02-0083-10

鄭永春(1977—),男,博士,副研究員,從事月球與行星科學(xué)研究,主要研究興趣為行星地質(zhì)與行星遙感。

E-mail:zyc@nao.cas.cn

歐陽自遠(yuǎn)(1935—),男,中國科學(xué)院院士,第三世界科學(xué)院院士,國際宇航科學(xué)院院士,主要從事天體化學(xué)與比較行星學(xué)研究。

2014-04-04

2014-05-01

中國科學(xué)院西部之光“聯(lián)合學(xué)者”項目、香江學(xué)者計劃、澳門科技發(fā)展基金(048/2012/A2)