許林玉/編譯

中國謀求成為空間科學(xué)超級大國

許林玉/編譯

2017年4月，長征七號火箭搭載一艘貨運飛船飛往天宮二號太空實驗室

● 在實現(xiàn)了數(shù)個重大航天里程碑之后，中國正在努力構(gòu)建自己在空間科學(xué)領(lǐng)域的國際聲譽。

在北京市郊的國家空間科學(xué)中心，時間仿佛加快了腳步。在這個中國科學(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)于中國航天史上幾個重大里程碑的視頻。工程師們聚精會神地盯著電腦屏幕，而中央電視臺的一個攝影組則扛著攝像機環(huán)繞著辦公室走動，為一部講述中國迅速崛起成為航天大國的紀(jì)錄片拍攝素材。墻上掛著激勵性的標(biāo)語：勤勉認(rèn)真、一絲不茍、穩(wěn)妥可靠、萬無一失。

在中心主任吳季看來，這個占地19.4萬平方米、耗資9.14億元的園區(qū)是中國在空間科學(xué)領(lǐng)域日漸成熟的標(biāo)志。吳主任告訴我們，在過去的幾十年里，中國成功地將人造衛(wèi)星和航天員送入太空，把探測器送上月球，但卻沒有利用這些優(yōu)勢開展太多重大的科研工作。如今，這種狀況正在改變。他說：“在空間科學(xué)領(lǐng)域，我們才剛剛上路。”

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

由中科院和其他機構(gòu)開展的這些工作所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了國界。歐洲航天局（ESA）局長約翰-迪特里?！の譅柤{（Johann-Dietrich Worner）表示：“中國的空間科學(xué)項目極具活力和創(chuàng)造力，處在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的最前沿?！痹谖磥?0年，中國還有很多備受期待的項目，包括從月球采樣的實驗、中科院和歐洲航天局合作的太空天氣研究項目以及探測暗物質(zhì)與黑洞的開創(chuàng)性項目。

然而，盡管空間科學(xué)發(fā)展勢頭迅猛，但中國的很多研究人員對中國空間科學(xué)的未來仍然憂心忡忡。7月2日，一枚運載通信衛(wèi)星的長征五號火箭發(fā)射失敗，這為接下來使用同型火箭進(jìn)行的探月計劃蒙上了一層陰影。問題還遠(yuǎn)不止這些。中科院國家天文臺副臺長、探月計劃高級科學(xué)顧問李春來說道：“國際和國內(nèi)的挑戰(zhàn)都很艱巨。”在國際合作中，中國經(jīng)常遭到冷落。近年來，由于美國法律禁止美國宇航局（NASA）與中國合作，中國不得不和美國爭搶合作伙伴。在國內(nèi)，政府并沒有為空間科學(xué)制定戰(zhàn)略計劃，也沒有提供長期的資金支持。李副臺長說：“問題不在于中國做得如何出色，而在于這樣的勢頭能持續(xù)多久。”

奔向月亮

中國進(jìn)入太空時代是從一首歌開始的。1970年，中國第一顆人造衛(wèi)星從近地軌道將愛國歌曲《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，中國在航天領(lǐng)域才取得重大進(jìn)展并確立了自己的強大地位。1999年，神舟一號飛船發(fā)射成功，這是第一個里程碑。這艘無人實驗飛船標(biāo)志著中國載人航天計劃的開始。從那時起，中國取得了一系列成功，包括將航天員送入太空和發(fā)射兩個太空實驗室（見“從地球軌道到浩渺太空”）。

美國科學(xué)院航天與空間科學(xué)研究委員會負(fù)責(zé)人邁克爾·莫洛尼（Michael Moloney）說：“中國的太空項目在短時間內(nèi)取得了巨大進(jìn)步?！痹谥袊鴩液教炀郑ㄘ?fù)責(zé)探月工程和行星探索工程）和中國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，中國最新發(fā)射的太空實驗室天宮二號負(fù)責(zé)開展一系列科學(xué)實驗，其中包括一臺先進(jìn)的原子鐘和一個價值340萬美元的伽馬射線暴偏振測量儀器，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)。

中國對月球的前兩次探索，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)。但到了第一個登月探測器嫦娥三號，情況發(fā)生了變化。憑借該任務(wù)，中國成為世界上第三個在月球軟著陸的國家。更重要的是，嫦娥三號的著陸地點是一個此前從未被近距離研究過的區(qū)域。雷達(dá)探測和地球化學(xué)分析顯示，該地區(qū)在25億年前有過一段火山噴發(fā)的復(fù)雜歷史。中國地質(zhì)大學(xué)行星地質(zhì)學(xué)家、研究負(fù)責(zé)人肖龍說：“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>

這項結(jié)果也吸引了國外行星科學(xué)家的關(guān)注。位于美國羅德島普羅維登斯的布朗大學(xué)的行星探測專家詹姆斯·海德（James Head）說：“我們急需確定月球上最近一次火山活動的精確年代和形成過程。”這可能很快就會變成現(xiàn)實。只要等到12月，嫦娥五號月球探測器就會發(fā)射，并帶回呂姆克山（Mons Rümker）的樣本，而這片區(qū)域內(nèi)的火山巖的形成時間要比阿波羅著陸地點獲取的火山巖更晚。海德說：“這對月球科學(xué)將會是一個極好的補充?！?/p>

從地球軌道到浩渺太空

在實現(xiàn)了數(shù)個重大航天里程碑之后，中國為具有科學(xué)目標(biāo)的項目提供了更多支持。

1970中國發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號。

1999 發(fā)射第一艘無人實驗飛船神舟一號，拉開了中國載人航天計劃的序幕。

2003航天員楊利偉乘坐中國第一艘載人飛船神舟五號進(jìn)入軌道。

2007發(fā)射中國第一顆繞月軌道衛(wèi)星嫦娥一號。

2011中國首個太空實驗室天宮一號進(jìn)入軌道。

2013 發(fā)射嫦娥三號月球探測器，這是中國首次實現(xiàn)月球軟著陸。

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

2016發(fā)射搭載14項科學(xué)實驗的天宮二號太空實驗室。

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 計劃發(fā)射嫦娥五號探測器，完成月球取樣任務(wù)并返回地球。

嫦娥五號探測器

五年計劃

中國空間科學(xué)的長足進(jìn)步部分歸功于中國科學(xué)院的努力。從2000年起的10年時間，中科院努力說服中國政府加強其太空探測任務(wù)的科學(xué)影響力。該機構(gòu)的努力最終得到了一大筆資金的回報。2011年，為期5年的空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)計劃啟動，并為4顆科學(xué)衛(wèi)星的開發(fā)提供了5.1億美元。

其中一項已經(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驗（QUESS）任務(wù)。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星已于2016年8月發(fā)射，用來測試一種被稱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)也會相互關(guān)聯(lián)。最近，QUESS團隊宣布，他們利用衛(wèi)星向相距1 200公里的兩個地面站點發(fā)送了一對糾纏光子，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了此前144公里的紀(jì)錄。

該團隊還利用量子衛(wèi)星測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)中的密鑰來安全傳輸信息。中國科技大學(xué)物理學(xué)家、量子衛(wèi)星計劃首席科學(xué)家潘建偉說：“如果實驗成功，全球量子通信網(wǎng)絡(luò)將不再只是科幻小說里的場景?！?/p>

研究人員對投資3億美元的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（DAMPE）也寄予厚望。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)天體物理學(xué)家、該項目聯(lián)合首席科學(xué)家馬丁·波爾（Martin Pohl）聲稱，這顆發(fā)射于2015年的探測衛(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到令人驚訝的現(xiàn)象，而暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)有助于確定這種現(xiàn)象是來源于暗物質(zhì)還是來源于脈沖星等天體。由于暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星對高能粒子比阿爾法磁譜儀更加靈敏，因此波爾說它一定能做出重大貢獻(xiàn)。

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

在2016年的一次會議上，歐洲航天局局長約翰-迪特里?！の譅柤{和中國國家空間科學(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。中國政府近期提高了應(yīng)用研究的優(yōu)先度，而科學(xué)家們在2016年花了大半年時間，終于說服政府在接下來的5年另外撥款7.3億美元給中科院開展空間科學(xué)項目。吳主任說：“真是來之不易，不過最后還是拿到了?！?/p>

始于2017年的新計劃資助了一批將要在2020年代啟動的計劃，其中包括中國的第一顆太陽探測衛(wèi)星和觀測地球水循環(huán)的遙感衛(wèi)星。

國家航天局和中國載人航天工程辦公室也加緊了空間科學(xué)工作，其中一個令人激動的項目是由國家航天局主持的投資4.4億美元的增強型X射線時變與偏振衛(wèi)星（eXTP）。該衛(wèi)星預(yù)計于2025年發(fā)射，投資方還包括歐洲的合作伙伴，參與人員包括來自20多個國家的數(shù)百名科學(xué)家。它被設(shè)計用來研究極端密度、重力、磁場條件下的物質(zhì)。這種條件只在太空中找得到，例如中子星內(nèi)部或黑洞周圍。

意大利天體物理和行星研究所天體物理學(xué)家、項目聯(lián)合首席科學(xué)家馬克·費羅西（Marco Feroci）介紹說，這顆衛(wèi)星最具創(chuàng)新性的方面是它能夠同時以高精度測量X射線信號的發(fā)出時間、能量分布和偏振，因此可以提供關(guān)于一批X射線源的深刻見解。它還會搭載一架廣角望遠(yuǎn)鏡，用來捕捉異常的瞬時信號。該項目負(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：“當(dāng)它發(fā)現(xiàn)一個可能有價值的信號時，所有其他設(shè)備都會聚焦到那個方向，這是X射線天文學(xué)的無死角武器。”

中國載人航天工程辦公室所領(lǐng)導(dǎo)的項目也不斷取得進(jìn)展。其中一項是一個暗物質(zhì)探測器，其靈敏度是暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的15倍。它會放入中國的永久空間站內(nèi)，預(yù)計將于2022年完成。另外一項計劃是將一架價值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、中國載人航天工程辦公室高級顧問顧逸東說，它的視野是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍，獲取的觀測數(shù)據(jù)可用于研究暗物質(zhì)、暗能量以及尋找系外行星。

國際合作

這些項目表明，中科院和中國其他航天機構(gòu)之間的合作正在不斷深化，國際合作也呈同樣的趨勢。沃爾納認(rèn)為，中國在航天項目方面“已經(jīng)變得更加自信和開放”。過去，中國只有在發(fā)射成功之后才會發(fā)布公告，如今則會定期公布發(fā)射計劃。中國科學(xué)家也加強了與國際同行之間的聯(lián)系，通過小規(guī)模合作強化合作伙伴關(guān)系。

早在10多年前，歐洲航天局和中國就在雙星項目上展開合作，共同研究磁暴現(xiàn)象。但該項目由中國單方面主持。通過SMILE計劃，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，希望這將為未來大規(guī)模合作開辟道路?！?/p>

迄今為止，美國仍然未曾與中國合作過。在過去，中國曾為NASA的發(fā)射任務(wù)提供過關(guān)鍵部件。但在2011年，美國通過了一項法案，禁止NASA與中國開展此類合作，中國由此不能參與到國際空間站之中。空間站上則有美國、中國和一些其他國家合作的產(chǎn)物：阿爾法磁譜儀。

NASA和中國航天機構(gòu)的代表仍然會定期互訪，但是因為不能開展官方合作，很多項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射線光譜時間分辨天文臺（STROBE-X）項目，用于進(jìn)一步研究。該項目和中國的eXTP項目相似，將會在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項目成員科琳·威爾森-霍奇(Colleen Wilson-Hodge)說：“同時出現(xiàn)兩個極其相似的項目并不是理想的結(jié)果，希望我們能夠找到大家一起合作的辦法，而不是互相競爭?！?/p>

2013年，中國的登月車“玉兔”號登陸月球，利用具有穿透性的雷達(dá)對月球地表以下進(jìn)行探測

前景展望

然而，中國空間科學(xué)家面臨的主要挑戰(zhàn)是說服自己的政府進(jìn)行長期投資。除了eXTP項目，張雙南還是其他多個天體物理項目的負(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：“接下來的5年我們都沒問題，但誰也不知道以后會怎么樣。”

工程和探測的功績?nèi)匀槐瓤茖W(xué)更受重視，例如，中國的空間站預(yù)算達(dá)145億美元。然而，盡管中國國家主席習(xí)近平曾表示該空間站是中國在太空中的國家實驗室，但目前仍然沒有用于發(fā)展其科學(xué)有效荷載的專用資金。該空間站可能會和天宮二號一樣承載各種科學(xué)實驗，為各項研究提供足夠的能源和通訊，但也有可能會淪落為張雙南所說的“沒有家具的房子”。

國家空間科學(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，因為獲得了下一撥經(jīng)費而看起來很是放松。他承認(rèn)制度存在缺陷，但對未來仍然非常樂觀?！暗浆F(xiàn)在都沒出什么問題，”他一邊說，一邊看了一眼書架上擺成一排的衛(wèi)星模型，“我們不能指望一夜之間解決所有的問題?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：岳 峰]