来源:Nature自然科研微信公众号 发布时间:2017/7/26 17:43:39
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《自然》:中国成为空间科学超级大国的旅程

 

原文以China’s quest to become a space science superpower为标题

发布在2017年7月26日的《自然》新闻专题上

原文作者:Jane Qiu

在跨越了多个空间飞行的里程碑后,中国正在建立自己在空间科学上的国际声誉。

一进燕郊的国家空间科学中心,时间仿佛也加快了脚步。在这个中国科学院新落成的园区里,研究员们步履匆匆,期待着中国第一个X光望远镜的发射。指挥中心里,巨大的屏幕上循环播放着中国航空的几项重大里程碑。工程师们聚精会神地盯着电脑屏幕,中央电视台的工作人员则带着摄像机,为一部讲述中国崛起为航天巨头的纪录片拍摄素材。墙上挂满了鼓励的标语:“严肃认真 周到细致 稳妥可靠 万无一失”。

这艘长征七号火箭四月向天宫二号太空实验室发射了一艘货运飞船。

VCG/Getty

对中心主任吴季来说,这个占地19.4万平方米,投资9.14亿元的园区代表了中国在空间科学上的成熟。吴主任告诉我们,在过去的几十年里,中国成功地将卫星和宇航员送入太空,把探测器送上月球,但是并没有利用这些优势做太多科学研究工作。现在就不一样了。“在空间科学的领域里,”他说,“我们还刚刚进场。”

中国正迅速让自己成为这项领域里的领军人物。2013年,干质量达1.2吨的嫦娥三号在月球降落,并送上了一架月球车。车上的测月雷达能够穿透月壤,以史无前例的分辨率探测月球的地下结构。2016年9月中国发射的最新的太空实验室运载了十余项科学载荷。除此之外,近两年来还发射了四次运载火箭,将空间物理等领域的实验送上了太空,其中一枚卫星正在进行世界尖端的量子通信实验。

中科院和其他机构的这些工作所产生的影响远远超越了国界。“中国的空间科学项目非常活跃,非常创新。”欧洲空间局(ESA)的局长Johann-Dietrich Wörner说,“它们处在科学发现的最前沿。”接下来十年里还有很多令人引颈以待的项目,包括从月球采样的实验、中科院和欧空局对太空气候的合作研究,以及探测暗物质和黑洞的开创性项目。

虽然进展迅速,中国的很多研究者们对中国在空间科学上的未来仍有所担忧。7月2日,一枚运载通信卫星的长征五号火箭发射失败。这为接下来使用同型火箭进行的探月计划蒙上了一层阴影。而远方还有更大的乌云。“国际和国内两方面的挑战都很艰巨。”中国国家天文台副台长,探月计划资深设计师李春来说。中国在国际合作上经常被排挤。由于美国法律规定美国国家航空航天局(NASA)不得和中国合作,因此中国近年来必须和美国争抢合作伙伴。在国内,政府并没有为空间科学制定战略计划,也没有长期的财政拨款。“问题不在于中国现在做得怎么样,”李台长说,“而在于这样的势头能持续多久。”

探月

中国进入太空是从一首歌开始的。1970年,中国的第一颗人造卫星从近地轨道将爱国歌曲《东方红》传回了地球。但是,中国在航天领域真正产生影响力直到1976年文化大革命结束之后才开始。第一个里程碑是1999年的神舟一号。这艘无人实验飞船标志着载人航天项目的开始。从那时起,中国获得了一系列成功,包括将中国宇航员送入太空,以及发射两艘太空实验室。

“中国的空间项目在短时间内有了巨大的进步。”美国科学院空间研究委员会主席Michael Moloney说。在负责探月工程和行星探索工程的中国国家航天局,以及中国载人航天工程的项目里,科学研究已经占了越来越大的比例。中国最新的太空实验室天宫二号负责开展了一系列科学实验,其中包括一台先进的原子钟和一台被称作POLAR的探测器,用来研究伽马射线暴,也就是恒星坍缩等原因所产生的高能辐射爆发。

中国对月球的前两次探索,也就是2007年和2010年所发射的绕月人造卫星更偏重于工程上的验证而非科学探索,但是到了登月探测器嫦娥三号就不一样了。这艘探测器让中国成为了世界上第三个在月球上软着陆的国家。更重要的是,嫦娥三号的落地点是一处从未被近距离研究过的区域。雷达探测和地球化学分析揭示出了晚至25亿年前的一段复杂的火山喷发史。“这为我们理解月球的历史和深层结构填上了空白的一环。”中国地质大学(武汉)的行星地质学家肖龙教授说。

这项结果也吸引了国外行星科学家的注意。“我们急需确定月球上最近一次火山活动的精确历史和形成。”美国布朗大学的行星探测专家James Head说。这可能很快就会变成现实。只要等到12月,嫦娥五号月球探测器就会升空,并带回吕姆克山的样本。这片区域里的火山岩比阿波罗登月地取得的火山岩要晚形成很多。“这会为月球研究带来非常棒的新数据。”Head教授说。

五年计划

中国空间科学里很大一部分成果要归功于国家空间科学中心的努力。他们在2000年起的十年里不断游说中国政府,要求强化他们研究的影响力。中心的努力终于带来了金钱上的回报:2011年启动的空间科学战略性先导科技专项提供了36亿元人民币,用来开发四颗科学卫星。

其中的一颗已经获得了前期成果,并受到世界瞩目的是价值7亿元的量子科学实验卫星(墨子号)。这颗卫星于2016年8月发射,用来测试一种被称为量子纠缠的奇特现象。陷入量子纠缠的粒子即使相隔两地,其量子态仍然能保持相关性。上个月,量子卫星团队宣布,他们使用卫星将一系列纠缠态的光子对发送给了相距1200公里的地面站,这远远超越了此前144公里的记录。

欧洲航天局总干事Johann-Dietrich Wörner和国家空间科学中心总干事吴季在2016年的一次会议上讨论了空间科学。

NSCC

这个团队还使用卫星测试了在奥地利格拉茨、维也纳周边和北京之间建立量子信道的可能性。他们的目标是利用光子的量子态作为密钥安全地传输信息。“如果实验成功的话,全球的量子通信网将不再是科幻小说里的场景。”中科院下属中国科技大学物理系教授,量子卫星计划首席科学家潘建伟这样说。

研究者们对价值20亿的暗物质粒子探测器(悟空)也寄予厚望。根据瑞士日内瓦大学的天体物理学家,同时也是项目共同负责人的Martin Pohl所说,这个2015年升空的探测器上用来接收高能宇宙射线的是最尖端的设备。

国际空间站的阿尔法磁谱仪在高能电子和正电子中探测到了意外的现象,而暗物质探测器可以通过大量高能粒子的数据确定这种现象到底是来源于暗物质还是来源于脉冲星等天体现象。同样参与了阿尔法磁谱仪工作的Pohl教授告诉我们,暗物质探测器对高能粒子比阿尔法磁谱仪更加灵敏,因此一定能产生“至关重要的贡献”。

三路并进

暗物质和量子通信卫星的发射之后不久,国家空间科学中心的空间科学资助就到期了。包括吴季在内的科学家不得不为下一批资金而奋斗。中国政府近期提高了应用研究的优先度,科学家们花了2016年的一大半在游说上,终于说服政府在接下来的五年里拨出50亿元人民币给中心的空间科学项目。“真是不容易,”吴主任说,“不过最后还是拿到了。”

从今年开始的新计划资助了一批预计会在2020年到2030年发射的项目。这其中包括中国的第一颗太阳探测卫星,以及观测地球水循环的遥感卫星。

国家航天局和中国载人航天工程也加紧了努力。其中一个令人激动的项目是国家航天局主导,价值4.4亿美元的X射线时变与偏振天文台(eXTP)。这个项目预计于2025年发射,投资方还包括欧洲的合作伙伴,有20多个国家的数百名科学家参与。天文台的研究目标是只有在太空中才会出现的极端密度、重力、磁场下的物态,例如中子星内部或黑洞边缘的物质。

“双星计划”在2003年和2004年发射了两颗卫星来探索地球的磁层空间。

NSCC

意大利天体物理研究所教授,项目共同负责人Marco Feroci告诉我们,这颗卫星最为创新的特点是它能够同时以很高的精度测量X射线的时间、能量分布和偏振,因此可以提高我们对一系列X射线源的认识。它还会携带一架广角望远镜,用来捕捉异常的瞬时信号。“当它发现一个可能有意思的信号的时候,所有其他设备都会聚焦到那个方向。”项目负责人,中科院高能物理研究所的天体物理学家张双南说,“这是X射线天文学的无死角武器。”

中国载人航天工程所领导的项目也在行动。其中的一项是一个暗物质探测器,其灵敏度是悟空的15倍。它会被放入中国的永久空间站上,预计2022年完成。另外一项计划是发射一架50亿人民币的光学望远镜,使之绕空间站旋转。中科院空间应用工程与技术中心的物理学家,载人航天工程资深设计师顾逸东说,它的视野是哈勃望远镜的300倍,产生的观测数据可以用来研究暗物质、暗能量,以及寻找系外行星。

国际合作

这些项目都表明中科院和其他航天机构之间的合作正在不断加深。国际上的合作也有同样的趋势。Wörner认为中国在航天项目上“变得更加自信和开放”。过去,只有在成功发射之后才会有公告,现在中国会定期公布发射计划。中国科学家也加强了和国际同行之间的联系,通过小规模的合作强化纽带。

大多数中科院主导的项目都有欧洲的合作伙伴,合作关系由哪方发起的都有。但是欧空局希望能和这个冉冉升起的太空新星建立起更高等级的合作。2015年初,欧空局和中科院开始联合征集太空科研项目。最后选择了太阳风—磁层相互作用全景成像卫星(SMILE),由双方共同主导,各出资5300万美元。“两个机构在每个阶段都紧密合作。”吴主任说。

欧空局和中国早在十多年前就在研究磁暴的双星计划上有所合作,但是那个项目是中国主导的。通过SMILE,双方可以磨合一个新的,更加紧密的合作模式。“我们需要建立起信任和桥梁,这样才能强化互相的理解。”欧空局空间科学部科学协调办公室主任Fabio Favata说,“我希望这能够开辟通向未来大规模合作的一条路。”

2013年,中国的月球车“玉兔”号登陆月球,利用具有穿透性的雷达对月球表面进行测量。

Xinhua via ZUMA Wire

一个没有出现在中国目前的合作伙伴名单里的大国是美国。曾经,中国为美国航天局的发射任务提供了很多关键部件。但是2011年美国通过的一项法案禁止美国航天局进行这种合作,因此中国被排除在了国际空间站之外。空间站上则有着美国、中国和一些其他国家合作的产物:阿尔法磁谱仪。

美国航天局和中国航天机构的代表仍然会定期互访。但是因为不能进行官方的合作,很多项目就可能出现重复劳动。今年3月,美国航天局选择了STROBE-X(时间分辨光谱宽能量带X射线天文台)作为下一步的研究对象。这个项目和中国的eXTP项目相似,预计比eXTP迟5年,也就是2030年升空。“同时出现两个非常类似的项目不怎么理想,”美国航天局马歇尔太空飞行中心的天体物理学家,STROBE-X项目成员Colleen Wilson-Hodge说,“我希望我们能有什么方法合作,而不是互相竞争。”

前景展望

对中国的空间科学家来说,主要的挑战是说服自己的政府进行长期投资。包括eXTP在内的多个天体物理项目组的领导人张双南用“朝不保夕”描述现在的局面。“我们接下来五年都没问题,”他说,“不过之后谁也不知道会怎么样。”

技术和探测的手段仍然比科学更受重视。比如说,中国的空间站有145亿美元的拨款。虽然中国国家主席曾说这会是中国在太空中的国家实验室,目前仍然没有专用的资金用来开发上面的科学载荷。空间站可能会和天宫二号一样承载各种科学实验,为各项研究提供足够的能源和通讯设备。但是也有可能会沦落到张院士所说的“虽有广厦,却家徒四壁”的窘境。

在国家空间科学中心的广厦里摆着全新的家具,空气中甚至能闻到新刷的油漆。吴主任坐在书桌后的办公椅上,由于拿到了下一拨经费而看起来很是放松。他承认虽然系统中有缺点,但是对未来非常乐观。“到现在都没出什么问题,”他说着,看了一眼书架上摆成一排的卫星模型,“这毕竟不是一朝一夕能改进的。”

Nature|doi:10.1038/547394a

 
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