作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/19 11:47:37
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潘永信院士:行星探测“探”什么?

 

 潘永信

日前,以“行星宜居性及演化”为主题的双清论坛在京召开,50多位相关领域专家就行星宜居性、生命起源环境和地外生命等重大科学问题进行探讨,明确了深空探测的科学目标和方向。

在“天问一号”即将飞抵火星,行星探测蓬勃兴起之际,我国行星科学研究处于什么水平?我们在该领域有何布局?行星科学要如何发展等问题备受关注。为此,本报采访了中科院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员、中国科学院大学地球与行星科学学院岗位教授潘永信。

审视过去 预判未来

《中国科学报》:行星科学和行星宜居性基础研究涉及哪些内容?

潘永信:行星科学是研究太阳系内与系外行星、卫星、彗星等天体和行星系的基本特征,以及它们的形成和演化规律的一门学科。行星科学快速发展于上世纪下半叶深空探测之中。追根溯源,地球科学和天文学是行星科学的两个根学科。行星科学目前研究主要聚焦于太阳系内不同天体研究,研究内容包括行星的地表特征、岩浆活动、大气、海洋、物理场及内部过程等。其中探测地外生命一直是深空探测的重要目标。行星宜居性是指行星适宜生命发育的潜力。人们仰望星空的同时,总想知道我们从哪里来,到哪里去,人类是否孤独。地球为什么适宜生命发育和繁衍生息?科学家把其他行星与地球相互比较,既从地球出发研究地外行星宜居性,也从其他行星,如金星和火星探测中,发现地球宜居性演化密码。从长远看,未来人类可能走出地球摇篮,需要找到一个适合居住的地方,或找到太空“驿站”,迈向更远的深空。

《中国科学报》:在当前形势下,行星宜居性及演化研究有什么重要意义?

潘永信:行星宜居性及演化是深空探测科学研究中重要一环,其中很多基础研究和前沿问题亟须搞清楚。只有夯实这方面的基础研究,才能为深空探测、寻找地外生命、未来开发太空资源等提供科学依据。

目前科学家主要基于地球及地球生命来判断地外生命存在与否,为什么地球宜居,为什么地球上会出现生命?有些问题仅从地球上难以找到答案,需要从其他行星宜居性演化研究来理解。控制地球宜居性因素,除了恒星的状态、行星与恒星距离外,还有哪些因素,决定因素又是什么,行星外部和内部过程扮演了什么角色?很多基础问题需要深入研究。比如,火星和地球形成时间相当,地球因为有板块运动,30亿年前的古老东西遗留很少,火星上没有板块运动,火星巡视探测在那里找到许多古老的有机质和沉积岩记录,表明可能早期存在生命;金星的情况又不同,表面温度高达400多度,处于失控温室效应的状态。现在看来,太阳系是整体进行演化的,行星又具有显著的多样性,从火星、金星甚至更远的星球来审视地球的过去,甚至可以来预判地球的未来,这是全新的视角和研究范式,相信将不断地取得重要科学发现和突破。

或能更新我们的认知

《中国科学报》:我国目前行星宜居性研究处于怎样的水平?

潘永信:我国行星探测工程刚起步,行星科学研究整体水平与欧美相比有明显差距。今年7月23日我国发射的“天问一号”探测火星,将实现“环绕、着陆和巡视”三步走的探测目标。目前,火星探测的重要目标是宜居性演化和寻找生命。在学科发展方面,欧美很多院校地质系很早就改名为地球与行星科学系,美国航天局对大学和研究机构资助了很多项目,在基础研究和人才培养方面有长期的积累。国内行星科学研究队伍正在快速壮大,中国科学院大学在国内率先启动建设行星学科作为一级学科,牵头成立了高校行星科学联盟,正在积极推进教育部行星学科建设,许多高校和研究机构已经拥有一批有才华的中青年行星科学家,有条件的高校和研究机构积极建设行星科学学科,以培养出更多的人才。

《中国科学报》:行星科学研究的难点是什么,行星科学学科和其他学科相比有什么特点?

潘永信:它的特点可以说是学科交叉跨度大,这也是研究的难点。以地球科学和天文学为主,还涉及生命科学、数学、物理学、化学、材料科学、信息科学等学科。另外,行星科学高度依赖深空探测工程,工程费用大,技术要求高,获得科学发现和突破需要科学家与工程技术人员共同努力来实现。它的魅力在于,探索璀璨星空,常常会有新的发现,还可能会是重大发现。行星科学事业适合有梦想、有创造力的青年人,可以放飞他们的梦想。在行星探测中可能会发现地球上根本没有的一些物理化学现象和新规律,这可能会更新我们的宇宙观认知,同时也会促进相关学科的发展。

火星“发电机”之谜

《中国科学报》:作为深空探测的第一步,火星探测要重点研究哪些基础科学问题?

潘永信:行星科学研究涉及其形成、起源和演化,包括空间环境、地表和内部过程。“天问一号”的科学目标包括地表地形、地质、水冰、浅层结构、矿物组成、大气、磁场等。火星探测的重要科学问题有:火星现今地下是否存在微生物活动,早期是否宜居、北半球古海洋,大气和水逃逸过程与机制,内禀磁场出现和消失时间,内部结构及动力学机制,水和挥发分含量、分布,可利用资源,以及如何从火星研究地球起源和演化等。

以磁场为例,地磁场在保护地球生命(屏蔽掉太阳风携带的大量高能带电粒子),地磁场对许多生物导航等方面意义重大,甚至直接或间接影响生命过程。科学家正在形成一个共识,行星磁场既是判断行星内部活动的一个物理场,也是行星宜居性发展的条件之一。对于火星而言,根据火星陨石研究和原位探测,火星早期曾存在磁场,但后来消失了。火星“发电机”停止的时间和机制不明,可能是内部热状态演化导致的结果。火星早期是有液态水的,指示火星早期有可能是宜居的,火星大气和水逃逸也与磁场消失有关,这些都需要进一步研究。

深空探测路线图

《中国科学报》:我国在行星科学研究方面有哪些规划或路线图?

潘永信:对于深空探测领域发展,我国发布的《2016中国的航天》白皮书中已有明确的规划和路线图。在月球以远的深空探测中,“天问一号”火星探测是我们走出的第一步。接下来会探测小行星,准备火星的采样返回,还计划探测到木星和木星的卫星(太阳系的巨行星带),将来还要继续探测太阳系的边界。我国行星科学研究正处于一个重要的发展机遇期。

《中国科学报》:您对行星科学研究有什么建议?

潘永信:当前,太空探索已经成为科技前沿、市场需求和国家战略结合的产物,推动行星科学研究发展既是机遇也是使命。一是要认识到行星科学研究需要地球科学、天文学、生命科学、信息科学等多个领域的科学家走到一起,从多个视角来研讨行星科学的重大问题,这是行星科学学科研究内涵和特点所决定的。二是要在人才培养上下功夫,行星科学领域国家需要专门人才,抓紧建设高水平行星科学专业人才队伍,从学生培养做起,吸引有梦想的青年学子学习行星科学,补齐缺乏专业人才这个短板。三是要瞄准科学前沿和国家深空探测发展规划,凝练好重大科学问题,布局相关的研究项目和课题,倡导和推进科学与工程技术的融合,助力国家进入世界深空探测的第一方阵。建议完善跨部门联动联合机制,做好顶层设计和规划。同时,我们要发扬科学家精神,发挥行星科学联盟作用,聚焦科学前沿和重大需求,扎扎实实地做好研究工作,建设高水平研究队伍,为我国科技发展和深空探测战略作出贡献。

 
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