中国谋求成为空间科学超级大国

许林玉/编译

中国谋求成为空间科学超级大国

许林玉/编译

2017年4月，长征七号火箭搭载一艘货运飞船飞往天宫二号太空实验室

● 在实现了数个重大航天里程碑之后，中国正在努力构建自己在空间科学领域的国际声誉。

在北京市郊的国家空间科学中心，时间仿佛加快了脚步。在这个中国科学院新落成的综合大楼内，研究人员行色匆匆，期待着中国第一部X射线望远镜的发射。在指挥中心的巨大屏幕上，循环播放着关于中国航天史上几个重大里程碑的视频。工程师们聚精会神地盯着电脑屏幕，而中央电视台的一个摄影组则扛着摄像机环绕着办公室走动，为一部讲述中国迅速崛起成为航天大国的纪录片拍摄素材。墙上挂着激励性的标语：勤勉认真、一丝不苟、稳妥可靠、万无一失。

在中心主任吴季看来，这个占地19.4万平方米、耗资9.14亿元的园区是中国在空间科学领域日渐成熟的标志。吴主任告诉我们，在过去的几十年里，中国成功地将人造卫星和航天员送入太空，把探测器送上月球，但却没有利用这些优势开展太多重大的科研工作。如今，这种状况正在改变。他说：“在空间科学领域，我们才刚刚上路。”

中国正迅速成为该领域里的领导者。2013年，重达1.2吨的嫦娥三号探测器在月球着陆，上面搭载了一辆配备探地雷达的探测车。这辆探测车能以前所未有的分辨率探测月球的地下结构。2016年9月，中国成功发射最新的太空实验室，该实验室装载了10余项科学应用载荷。除此之外，在过去两年，中国还发射了4次运载火箭，将空间物理及其他领域的实验卫星送上了太空，其中一颗卫星正在进行具有开拓性的量子通信实验。

由中科院和其他机构开展的这些工作所产生的影响远远超越了国界。欧洲航天局（ESA）局长约翰-迪特里希·沃尔纳（Johann-Dietrich Worner）表示：“中国的空间科学项目极具活力和创造力，处在科学发现的最前沿。”在未来10年，中国还有很多备受期待的项目，包括从月球采样的实验、中科院和欧洲航天局合作的太空天气研究项目以及探测暗物质与黑洞的开创性项目。

然而，尽管空间科学发展势头迅猛，但中国的很多研究人员对中国空间科学的未来仍然忧心忡忡。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。问题还远不止这些。中科院国家天文台副台长、探月计划高级科学顾问李春来说道：“国际和国内的挑战都很艰巨。”在国际合作中，中国经常遭到冷落。近年来，由于美国法律禁止美国宇航局（NASA）与中国合作，中国不得不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，也没有提供长期的资金支持。李副台长说：“问题不在于中国做得如何出色，而在于这样的势头能持续多久。”

奔向月亮

中国进入太空时代是从一首歌开始的。1970年，中国第一颗人造卫星从近地轨道将爱国歌曲《东方红》的声音传回地球。但直到1976年文化大革命结束之后，中国在航天领域才取得重大进展并确立了自己的强大地位。1999年，神舟一号飞船发射成功，这是第一个里程碑。这艘无人实验飞船标志着中国载人航天计划的开始。从那时起，中国取得了一系列成功，包括将航天员送入太空和发射两个太空实验室（见“从地球轨道到浩渺太空”）。

美国科学院航天与空间科学研究委员会负责人迈克尔·莫洛尼（Michael Moloney）说：“中国的太空项目在短时间内取得了巨大进步。”在中国国家航天局（负责探月工程和行星探索工程）和中国载人航天工程办公室的任务中，科学任务占据了较大的比重。例如，中国最新发射的太空实验室天宫二号负责开展一系列科学实验，其中包括一台先进的原子钟和一个价值340万美元的伽马射线暴偏振测量仪器，用于研究伽马射线爆发，即因恒星坍缩等原因所引发的高能辐射爆发。

中国对月球的前两次探索，也就是2007年和2010年发射的绕月人造卫星，更多的是工程示范的性质，而非科学任务。但到了第一个登月探测器嫦娥三号，情况发生了变化。凭借该任务，中国成为世界上第三个在月球软着陆的国家。更重要的是，嫦娥三号的着陆地点是一个此前从未被近距离研究过的区域。雷达探测和地球化学分析显示，该地区在25亿年前有过一段火山喷发的复杂历史。中国地质大学行星地质学家、研究负责人肖龙说：“这一发现的确有助于我们了解月球的历史及其深层结构。”

这项结果也吸引了国外行星科学家的关注。位于美国罗德岛普罗维登斯的布朗大学的行星探测专家詹姆斯·海德（James Head）说：“我们急需确定月球上最近一次火山活动的精确年代和形成过程。”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发射，并带回吕姆克山（Mons Rümker）的样本，而这片区域内的火山岩的形成时间要比阿波罗着陆地点获取的火山岩更晚。海德说：“这对月球科学将会是一个极好的补充。”

从地球轨道到浩渺太空

在实现了数个重大航天里程碑之后，中国为具有科学目标的项目提供了更多支持。

1970中国发射第一颗人造卫星东方红一号。

1999 发射第一艘无人实验飞船神舟一号，拉开了中国载人航天计划的序幕。

2003航天员杨利伟乘坐中国第一艘载人飞船神舟五号进入轨道。

2007发射中国第一颗绕月轨道卫星嫦娥一号。

2011中国首个太空实验室天宫一号进入轨道。

2013 发射嫦娥三号月球探测器，这是中国首次实现月球软着陆。

2015 暗物质粒子探测卫星（DAMPE）进入地球轨道。

2016发射搭载14项科学实验的天宫二号太空实验室。

2017发射第一部X射线望远镜——硬X射线调制望远镜（HXMT）。

2017 计划发射嫦娥五号探测器，完成月球取样任务并返回地球。

嫦娥五号探测器

五年计划

中国空间科学的长足进步部分归功于中国科学院的努力。从2000年起的10年时间，中科院努力说服中国政府加强其太空探测任务的科学影响力。该机构的努力最终得到了一大笔资金的回报。2011年，为期5年的空间科学战略先导计划启动，并为4颗科学卫星的开发提供了5.1亿美元。

其中一项已经取得前期成果并获得全世界关注的任务是预算达1亿美元的空间尺度量子实验（QUESS）任务。量子科学实验卫星已于2016年8月发射，用来测试一种被称为量子纠缠的奇特现象。这种现象指的是陷入量子纠缠的粒子即使相隔甚远，其量子态也会相互关联。最近，QUESS团队宣布，他们利用卫星向相距1 200公里的两个地面站点发送了一对纠缠光子，这远远超越了此前144公里的纪录。

该团队还利用量子卫星测试了在奥地利维也纳附近的格拉茨和北京之间建立量子通信道的可能性。其目标是利用编码于光子态中的密钥来安全传输信息。中国科技大学物理学家、量子卫星计划首席科学家潘建伟说：“如果实验成功，全球量子通信网络将不再只是科幻小说里的场景。”

研究人员对投资3亿美元的暗物质粒子探测卫星（DAMPE）也寄予厚望。瑞士日内瓦大学天体物理学家、该项目联合首席科学家马丁·波尔（Martin Pohl）声称，这颗发射于2015年的探测卫星是用于接收高能宇宙射线的最尖端设备。

同样参与了阿尔法磁谱仪工作的波尔告诉我们，国际空间站的阿尔法磁谱仪在大量高能电子和正电子中探测到令人惊讶的现象，而暗物质粒子探测卫星获取的数据有助于确定这种现象是来源于暗物质还是来源于脉冲星等天体。由于暗物质粒子探测卫星对高能粒子比阿尔法磁谱仪更加灵敏，因此波尔说它一定能做出重大贡献。

“双星计划”的两颗卫星分别于2003年和2004年发射升空，用于探测地球的磁层空间

在2016年的一次会议上，欧洲航天局局长约翰-迪特里希·沃尔纳和中国国家空间科学中心主任吴季一起讨论空间科学

三路并进

暗物质和量子通信卫星发射后不久，中科院的空间科学基金就到期了。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，而科学家们在2016年花了大半年时间，终于说服政府在接下来的5年另外拨款7.3亿美元给中科院开展空间科学项目。吴主任说：“真是来之不易，不过最后还是拿到了。”

始于2017年的新计划资助了一批将要在2020年代启动的计划，其中包括中国的第一颗太阳探测卫星和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办公室也加紧了空间科学工作，其中一个令人激动的项目是由国家航天局主持的投资4.4亿美元的增强型X射线时变与偏振卫星（eXTP）。该卫星预计于2025年发射，投资方还包括欧洲的合作伙伴，参与人员包括来自20多个国家的数百名科学家。它被设计用来研究极端密度、重力、磁场条件下的物质。这种条件只在太空中找得到，例如中子星内部或黑洞周围。

意大利天体物理和行星研究所天体物理学家、项目联合首席科学家马克·费罗西（Marco Feroci）介绍说，这颗卫星最具创新性的方面是它能够同时以高精度测量X射线信号的发出时间、能量分布和偏振，因此可以提供关于一批X射线源的深刻见解。它还会搭载一架广角望远镜，用来捕捉异常的瞬时信号。该项目负责人、中科院高能物理研究所天体物理学家张双南说：“当它发现一个可能有价值的信号时，所有其他设备都会聚焦到那个方向，这是X射线天文学的无死角武器。”

中国载人航天工程办公室所领导的项目也不断取得进展。其中一项是一个暗物质探测器，其灵敏度是暗物质粒子探测卫星的15倍。它会放入中国的永久空间站内，预计将于2022年完成。另外一项计划是将一架价值7.3亿美元的光学望远镜发射到空间站旁边的轨道上。中科院空间应用工程与技术中心物理学家、中国载人航天工程办公室高级顾问顾逸东说，它的视野是哈勃望远镜的300倍，获取的观测数据可用于研究暗物质、暗能量以及寻找系外行星。

国际合作

这些项目表明，中科院和中国其他航天机构之间的合作正在不断深化，国际合作也呈同样的趋势。沃尔纳认为，中国在航天项目方面“已经变得更加自信和开放”。过去，中国只有在发射成功之后才会发布公告，如今则会定期公布发射计划。中国科学家也加强了与国际同行之间的联系，通过小规模合作强化合作伙伴关系。

早在10多年前，欧洲航天局和中国就在双星项目上展开合作，共同研究磁暴现象。但该项目由中国单方面主持。通过SMILE计划，双方正在探索一种关系更加紧密的崭新合作模式。欧洲航天局战略计划与合作负责人法比奥·法瓦塔(Fabio Favata)表示：“我们需要建立信任的桥梁，这样才能更好地相互了解，希望这将为未来大规模合作开辟道路。”

迄今为止，美国仍然未曾与中国合作过。在过去，中国曾为NASA的发射任务提供过关键部件。但在2011年，美国通过了一项法案，禁止NASA与中国开展此类合作，中国由此不能参与到国际空间站之中。空间站上则有美国、中国和一些其他国家合作的产物：阿尔法磁谱仪。

NASA和中国航天机构的代表仍然会定期互访，但是因为不能开展官方合作，很多项目就不可避免地出现重叠。2017年3月，NASA决定进行宽频带能量X射线光谱时间分辨天文台（STROBE-X）项目，用于进一步研究。该项目和中国的eXTP项目相似，将会在2030年发射升空，比eXTP晚5年。NASA马歇尔太空飞行中心的天体物理学家、STROBE-X项目成员科琳·威尔森-霍奇(Colleen Wilson-Hodge)说：“同时出现两个极其相似的项目并不是理想的结果，希望我们能够找到大家一起合作的办法，而不是互相竞争。”

2013年，中国的登月车“玉兔”号登陆月球，利用具有穿透性的雷达对月球地表以下进行探测

前景展望

然而，中国空间科学家面临的主要挑战是说服自己的政府进行长期投资。除了eXTP项目，张双南还是其他多个天体物理项目的负责人，他认为现在的处境是一种朝不保夕的状态。他说：“接下来的5年我们都没问题，但谁也不知道以后会怎么样。”

工程和探测的功绩仍然比科学更受重视，例如，中国的空间站预算达145亿美元。然而，尽管中国国家主席习近平曾表示该空间站是中国在太空中的国家实验室，但目前仍然没有用于发展其科学有效荷载的专用资金。该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，但也有可能会沦落为张双南所说的“没有家具的房子”。

国家空间科学中心内陈设着全新的家具，空气中甚至能闻到新刷油漆的气味。吴主任坐在办公桌后的真皮椅子上，因为获得了下一拨经费而看起来很是放松。他承认制度存在缺陷，但对未来仍然非常乐观。“到现在都没出什么问题，”他一边说，一边看了一眼书架上摆成一排的卫星模型，“我们不能指望一夜之间解决所有的问题。”

[资料来源：Nature][责任编辑：岳 峰]