空间科学的成就和发展趋势
|
|
中国网/中国发展门户网讯 2021 年 12 月 25 日，詹姆斯 · 韦布空间望远镜经历 25 年研制，多次推延，花费约 110 亿美元巨资后，终于在法属圭亚那库鲁发射场成功升空。该望远镜作为哈勃空间望远镜的“继任者”，其发射过程被全球超过 3 亿人通过媒体观看；2022 年 7 月 12 日，美国拜登政府专门举行发布会展示了该望远镜拍摄的首批全彩色图像，引起全社会极大关注。人类探索宇宙奥秘重大活动的影响可见一斑。实际上，与名气爆棚的哈勃望远镜并称为“四大轨道天文台”的，还有斯皮策太空望远镜、钱德拉X射线天文台和康普顿伽马射线天文台，它们都取得了重大科学成果。世界多国还发射了 3 代测量宇宙微波背景的宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），以及普朗克（Plank）卫星等约 120 多颗天文卫星，为现代天文学发展作出了巨大贡献，与地面天文台的贡献各占了半壁江山。
空间科学是探索宇宙和自然规律的空间活动，包括了空间物理学和太阳物理学、空间天文学、月球与行星科学、空间地球科学、空间生命科学、微重力物理等分支，领域广泛，并孕育了新的交叉研究方向。人类进入空间 65 年来，规模宏大的空间活动此起彼伏，有力推动了社会发展和科技进步。纵观几十年的空间活动，其实际效益体现在两大方面。①空间应用。深入地渗透到经济、社会、公众生活和军事活动各方面，推动了社会信息化发展，成为当今社会不可或缺的基础保障。②空间科学探索。人类冲破地球大气层进入太空后，开辟了全新的研究途径，科学探索的广度、深度和范围极大拓展，深入研究了发生在地球、日地空间、太阳系乃至整个宇宙的物理、化学和生命等自然现象及其规律，取得重大成就。
空间科学的成就和发展趋势
空间科学的成就概述
据不完全统计，在迄今为止人类发射的全部 6 000多个空间飞行器中（近年发射的立方星和低轨大规模星座除外），有 900 多颗专门从事科学研究的卫星和深空探测器，以及多个载人空间实验室和空间站。特别是载人空间实验室和空间站作为综合性研究设施，完成了近万项科学实验，实施了几十个国际空间科学研究计划，开展了规模宏大的空间科学探测、实验和研究活动。
（1）空间物理学和太阳物理学。揭示了太阳爆发和太阳高能辐射机制；发现太阳风是携带磁场的高速等离子体流，并扩散于整个太阳系，初步揭示了太阳风与星际介质相互作用的特征和规律；发现了地球辐射带，描述了地球和行星磁层结构，以及太阳活动对地球空间环境的影响机理，建立了全新的日-地空间和行星际空间的物理图像，由此开拓了空间天气研究和保障。
（2）空间天文学。开拓了全电磁波段天文、粒子天体物理，推动天文学进入多信使新时代；发现了大批X射线、伽马射线，以及红外天体源、黑洞、中子星等致密天体和系外行星；研究了天体爆发和时变现象，揭示了极端条件下的天体物理过程，推动了宇观和微观物理研究的结合；精细测量了宇宙微波背景辐射，计算出宇宙年龄和组成，证实了宇宙的加速膨胀，推动建立了宇宙重子物质循环和爆炸宇宙学理论框架，促进对宇宙和天体认识的革命性进步。
（3）月球和行星科学（太阳系科学）。对月球和太阳系所有行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星的物质组成、形貌、地质、大气、物理场等进行了观测或原位探测取样；对月球形成演化取得新认识，发现火星存在水和甲烷，发现土卫二等内体海洋，构建了较完整的太阳系及太阳系天体的知识体系。
（4）空间地球科学。开创并推动了地球系统科学发展，获取了全球重力场、大气流场、冰水分布动态变化，描述了海洋环流、地球能量收支，初步揭示了地球大气圈、水圈、生物圈、岩石圈耦合过程，推动了全球变化等重大科学问题的深入研究。
（5）空间生命科学。取得了人体和各类生物及其不同组成层次对微重力响应机制的重要认识，发现辐射的生物学旁效应，揭示了空间条件影响人体各系统的重要机理及对抗措施，保障了近地轨道航天员较长时间生存和活动；拓展了对生命存在条件的认识，发现了地外生命可能存在的迹象，取得生物药物空间制备的一系列成果。
（6）微重力物理科学。揭示了被重力对流掩盖的流体界面张力/浓度梯度驱动的特殊流动规律，发现微重力下物质与能量输运、相变等特殊规律；揭示了微重力燃烧过程重要本征参数，并发现冷焰燃烧等特殊现象；空间材料科学在晶体生长动力学、过冷与非平衡相变等过程机理方面取得重要进展；基础物理方面验证了广义相对论的重要效应和超冷条件下量子新奇现象。
空间科学是当代规模空前的科学探索活动，突破性地拓展了人类视野和探索疆域，开创了地面无法实现或受限的全新实验方法，取得了革命性的重大成就，深刻地改变着人类的宇宙观和自然观；带动了高新技术突破和地面新兴产业，推动空间技术向更高水平发展，为当代科学技术发展作出了重大贡献。近年来，与空间科学探测密切相关的诺贝尔奖项频次显著增加（表 1）。
空间科学酝酿新的突破
各航天大国持续重视空间科学，当前研究更加聚焦基础科学重大问题，如暗物质性质和暗能量本质、恒星和星系演化、黑洞性质、太阳系形成演化、外太空生命和宜居行星探索、基本物理规律研究、地球变化趋势等。
近期任务规划面向科学前沿
美国一直致力于引领空间科学发展。美国国家科学研究委员会（NRC）和各学科领域专门委员会依靠科学家群体共同形成的《十年调查》（Decade Survey）规划，是美国科学发展的顶层指导。空间科学各领域基本囊括在《十年调查》框架中，由 NRC、美国科学院空间研究委员会（SSB）及相关领域委员会共同研究，对空间科学未来 10 年或更长时间的科学问题、研究目标、任务建议和经费投入进行优先级排序。2021 年发布的《21 世纪 20 年代天文学与天体物理学发现之路》（Astro2020），2022 年发布的《2023—2032 年行星科学和天体生物学》规划了相关领域的发展方向和主要任务，美国国家航空航天局（NASA）将滚动制定路线图并组织任务实施，实施中对项目的科学发现、技术进步、计划等进行中期评议，提出优化意见，近年陆续发布了《NASA 战略规划（2018 年）》《科学 2020—2024 年：科学卓越的愿景》等空间科学发展规划。
欧洲航天局（ESA）空间科学中长期规划建立了大型（L）、中型（M）、小型（S）、国际合作、机遇任务等层次分明的分类架构，成功实施了“地平线”（Horizon）计划（1985—2005 年，1995—2015 年）和“宇宙憧憬”计划（Cosmic Vision，2015—2025 年），代表性的项目有太阳和日球层观测台（SOHO，1995 年）、牛顿 X 射线望远镜（XMM-Newton，1999 年）、红外/亚毫米波望远镜（Herschel，2009 年）、Plank 卫星（2009 年）、天体测量卫星（Gaia，2013 年）等，也参与了哈勃望远镜、卡西尼-惠更斯土星探测等国际重大项目，取得了独具特色的科学成果。2021 年，ESA 发布了最新版中长期发展规划“远航 2050”（Voyage 2050）。该规划面向2050年，聚焦科学前沿和未来技术，提出 3 个大型、14 个中型任务方向，以及 4 个国际合作任务等；最终还将遴选出 10 项大中型任务，再征集遴选小型任务灵活实施。
美国和欧洲的空间科学规划重视平衡投资，采取多层次灵活的计划和滚动机制，采用征集竞争性提案优选科学研究项目，规划重视基础性工作和技术发展，如 NASA 从 1998 年起资助“创新先进概念”（NIAC），为未来计划提供富有想象力的可选方案；各国规划顶层协调，并在任务实施、科学统筹、协同观测等方面深入合作，大范围集聚智力和技术资源，形成相互配合互补的发展格局。
美国和欧洲的大型空间科学任务规划集中于宇宙起源演化、天体高能过程、太阳系生命和系外行星生命探索等重大方向（表 2），中小型任务涉及的领域更加广泛。
载人空间探索路线趋于明朗
载人空间探索路线经过长期徘徊和论证已经明确。2019 年，NASA 发布《前往月球：NASA 月球探索战略规划》，正式启动了阿尔忒弥斯（Artemis）计划，明确了无人月球探测、载人月球探索、开发利用月球和初期载人火星探索的载人探索总体规划。第一阶段（~2024 年，将延期至 2025 年后）实现载人登陆月球南极（图 1）；第二阶段完成月球南极大本营和“门户空间站”建造，“门户空间站”运行在近直线晕轨道（NRHO），可接待往返月球的飞行器，容纳航天员驻留，支持探月任务并筹备前往火星。
Artemis 提出 7 大科学目标，包括：理解行星过程、了解挥发物周期、解释地-月撞击史、揭示太阳远古历史、利用月球观测宇宙、开展科研实验、研究深空对人体的影响及防护措施。这些科学目标基于长期的研究基础，体现了国际科学界对月球探索顶层科学问题的共识。截至 2022 年 4 月，共有 16 个国家参加了 Artemis 计划。
近地空间站仍扮演重要角色
作为有人参与的空间研究设施，国际空间站（International Space Station，ISS）运行 24 年来一直发挥着近地空间实验室的优势和重要作用，2022 年初美国宣布将 ISS 运营期延长到 2030 年。
ISS 装载了 20 多台设备开展天文、空间环境和地球科学研究，配置了 30 多个专用和通用科学实验机柜开展微重力等特殊环境下人体、生命和微重力科学实验，共完成了近 4 000 项科学实验和应用项目，吸引了 103 个国家的科学家参与，在宇宙和天体、物质运动规律、人类长期太空飞行、生物药物研发、复杂流体、燃烧科学等方面获得大量成果，在 Nature、Science、Physical Review Letters 等期刊和会议上发表了近 3 000 篇高水平论文，出版了 2 200 多份科学出版物。2020 年 NASA 发布了 ISS“ISS 运行 20 年 20 大科学突破”。贯彻“将 ISS 利用效能最大化”的方针，美国和各参与国制定实施了多个不断滚动、科学内涵逐步扩展的实验研究计划，产出的新知识和新技术不断惠及人类健康和地面产业水平提升。
技术变革和商业航天助力空间科学
2014 年起，美国太空探索技术公司（Space-X）开始发展垂直回收重复使用火箭技术，迄今猎鹰 9 号运载火箭（Falcon 9）已实现一级火箭和助推器的同时回收和一箭十几次重复使用；正在开发的全部可重用超重型航天器星舰（Starship），直径为 12 m、近地轨道（LEO）运载能力超过 100 吨，已完成了 10 km 高度的飞行和垂直降落测试，正在快速迭代开发推进。这种变革性技术可望将进入空间的成本降低两个量级，实现航班化的空间运输服务。此外，空间核推进、空间核能源等技术发展，将推动包括科学探索在内的人类空间活动规模和水平进入新时代，更复杂和更强大的科学装置、更具规模的深空探索可望实现，开拓新发现的机遇。
商业航天近年来爆发性增长，例如一批商业航天巨头鹊起，已在大型空间任务中承担重要角色。NASA“商业航天员计划”采购了 Space-X 货运龙飞船接送 ISS 航天员，货运龙飞船已向 ISS 运货 20 多次，为 NASA 节约了大量经费。NASA 还花费 4.15 亿美元支持了 3 个商业空间站提案的初期开发，期望在后 ISS 时代继续保持 LEO 的空间研究能力。在 Artemis 计划中，NASA 同样通过商业采购征集舱段设计，推进商业月球载荷服务，向月面运送科学设备、实验载荷等物资。
综上所述，长期的前瞻性科学规划、更具雄心的空间探索计划、不断升级的科学项目安排、变革性技术的推动，将成为国际空间科学未来更高水平发展的要素，未来 20—30 年空间科学将取得更大的成就。
（作者：顾逸东，中国科学院空间应用工程与技术中心；《中国科学院院刊》供稿）