中國謀求成為空間科學超級大國

許林玉/編譯

中國謀求成為空間科學超級大國

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

● 在實現了數個重大航天里程碑之后，中國正在努力構建自己在空間科學領域的國際聲譽。

在北京市郊的國家空間科學中心，時間仿佛加快了腳步。在這個中國科學院新落成的綜合大樓內，研究人員行色匆匆，期待著中國第一部X射線望遠鏡的發射。在指揮中心的巨大屏幕上，循環播放著關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錄片拍攝素材。墻上掛著激勵性的標語：勤勉認真、一絲不茍、穩妥可靠、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9.14億元的園區是中國在空間科學領域日漸成熟的標志。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：“在空間科學領域，我們才剛剛上路。”

中國正迅速成為該領域里的領導者。2013年，重達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構。2016年9月，中國成功發射最新的太空實驗室，該實驗室裝載了10余項科學應用載荷。除此之外，在過去兩年，中國還發射了4次運載火箭，將空間物理及其他領域的實驗衛星送上了太空，其中一顆衛星正在進行具有開拓性的量子通信實驗。

由中科院和其他機構開展的這些工作所產生的影響遠遠超越了國界。歐洲航天局（ESA）局長約翰-迪特里希·沃爾納（Johann-Dietrich Worner）表示：“中國的空間科學項目極具活力和創造力，處在科學發現的最前沿。”在未來10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與黑洞的開創性項目。

然而，盡管空間科學發展勢頭迅猛，但中國的很多研究人員對中國空間科學的未來仍然憂心忡忡。7月2日，一枚運載通信衛星的長征五號火箭發射失敗，這為接下來使用同型火箭進行的探月計劃蒙上了一層陰影。問題還遠不止這些。中科院國家天文臺副臺長、探月計劃高級科學顧問李春來說道：“國際和國內的挑戰都很艱巨。”在國際合作中，中國經常遭到冷落。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，政府并沒有為空間科學制定戰略計劃，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多久。”

奔向月亮

中國進入太空時代是從一首歌開始的。1970年，中國第一顆人造衛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年文化大革命結束之后，中國在航天領域才取得重大進展并確立了自己的強大地位。1999年，神舟一號飛船發射成功，這是第一個里程碑。這艘無人實驗飛船標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射兩個太空實驗室（見“從地球軌道到浩渺太空”）。

美國科學院航天與空間科學研究委員會負責人邁克爾·莫洛尼（Michael Moloney）說：“中國的太空項目在短時間內取得了巨大進步。”在中國國家航天局（負責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中，科學任務占據了較大的比重。例如，中國最新發射的太空實驗室天宮二號負責開展一系列科學實驗，其中包括一臺先進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，即因恒星坍縮等原因所引發的高能輻射爆發。

中國對月球的前兩次探索，也就是2007年和2010年發射的繞月人造衛星，更多的是工程示范的性質，而非科學任務。但到了第一個登月探測器嫦娥三號，情況發生了變化。憑借該任務，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域。雷達探測和地球化學分析顯示，該地區在25億年前有過一段火山噴發的復雜歷史。中國地質大學行星地質學家、研究負責人肖龍說：“這一發現的確有助于我們了解月球的歷史及其深層結構。”

這項結果也吸引了國外行星科學家的關注。位于美國羅德島普羅維登斯的布朗大學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實。只要等到12月，嫦娥五號月球探測器就會發射，并帶回呂姆克山（Mons Rümker）的樣本，而這片區域內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：“這對月球科學將會是一個極好的補充。”

從地球軌道到浩渺太空

在實現了數個重大航天里程碑之后，中國為具有科學目標的項目提供了更多支持。

1970中國發射第一顆人造衛星東方紅一號。

1999 發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入軌道。

2007發射中國第一顆繞月軌道衛星嫦娥一號。

2011中國首個太空實驗室天宮一號進入軌道。

2013 發射嫦娥三號月球探測器，這是中國首次實現月球軟著陸。

2015 暗物質粒子探測衛星（DAMPE）進入地球軌道。

2016發射搭載14項科學實驗的天宮二號太空實驗室。

2017發射第一部X射線望遠鏡——硬X射線調制望遠鏡（HXMT）。

2017 計劃發射嫦娥五號探測器，完成月球取樣任務并返回地球。

嫦娥五號探測器

五年計劃

中國空間科學的長足進步部分歸功于中國科學院的努力。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的科學影響力。該機構的努力最終得到了一大筆資金的回報。2011年，為期5年的空間科學戰略先導計劃啟動，并為4顆科學衛星的開發提供了5.1億美元。

其中一項已經取得前期成果并獲得全世界關注的任務是預算達1億美元的空間尺度量子實驗（QUESS）任務。量子科學實驗衛星已于2016年8月發射，用來測試一種被稱為量子糾纏的奇特現象。這種現象指的是陷入量子糾纏的粒子即使相隔甚遠，其量子態也會相互關聯。最近，QUESS團隊宣布，他們利用衛星向相距1 200公里的兩個地面站點發送了一對糾纏光子，這遠遠超越了此前144公里的紀錄。

該團隊還利用量子衛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。其目標是利用編碼于光子態中的密鑰來安全傳輸信息。中國科技大學物理學家、量子衛星計劃首席科學家潘建偉說：“如果實驗成功，全球量子通信網絡將不再只是科幻小說里的場景。”

研究人員對投資3億美元的暗物質粒子探測衛星（DAMPE）也寄予厚望。瑞士日內瓦大學天體物理學家、該項目聯合首席科學家馬丁·波爾（Martin Pohl）聲稱，這顆發射于2015年的探測衛星是用于接收高能宇宙射線的最尖端設備。

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象，而暗物質粒子探測衛星獲取的數據有助于確定這種現象是來源于暗物質還是來源于脈沖星等天體。由于暗物質粒子探測衛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。

“雙星計劃”的兩顆衛星分別于2003年和2004年發射升空，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-迪特里希·沃爾納和中國國家空間科學中心主任吳季一起討論空間科學

三路并進

暗物質和量子通信衛星發射后不久，中科院的空間科學基金就到期了。包括吳季在內的科學家不得不為下一批資金而奮斗。中國政府近期提高了應用研究的優先度，而科學家們在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項目。吳主任說：“真是來之不易，不過最后還是拿到了。”

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星和觀測地球水循環的遙感衛星。

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射線時變與偏振衛星（eXTP）。該衛星預計于2025年發射，投資方還包括歐洲的合作伙伴，參與人員包括來自20多個國家的數百名科學家。它被設計用來研究極端密度、重力、磁場條件下的物質。這種條件只在太空中找得到，例如中子星內部或黑洞周圍。

意大利天體物理和行星研究所天體物理學家、項目聯合首席科學家馬克·費羅西（Marco Feroci）介紹說，這顆衛星最具創新性的方面是它能夠同時以高精度測量X射線信號的發出時間、能量分布和偏振，因此可以提供關于一批X射線源的深刻見解。它還會搭載一架廣角望遠鏡，用來捕捉異常的瞬時信號。該項目負責人、中科院高能物理研究所天體物理學家張雙南說：“當它發現一個可能有價值的信號時，所有其他設備都會聚焦到那個方向，這是X射線天文學的無死角武器。”

中國載人航天工程辦公室所領導的項目也不斷取得進展。其中一項是一個暗物質探測器，其靈敏度是暗物質粒子探測衛星的15倍。它會放入中國的永久空間站內，預計將于2022年完成。另外一項計劃是將一架價值7.3億美元的光學望遠鏡發射到空間站旁邊的軌道上。中科院空間應用工程與技術中心物理學家、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鏡的300倍，獲取的觀測數據可用于研究暗物質、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。沃爾納認為，中國在航天項目方面“已經變得更加自信和開放”。過去，中國只有在發射成功之后才會發布公告，如今則會定期公布發射計劃。中國科學家也加強了與國際同行之間的聯系，通過小規模合作強化合作伙伴關系。

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系更加緊密的嶄新合作模式。歐洲航天局戰略計劃與合作負責人法比奧·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模合作開辟道路。”

迄今為止，美國仍然未曾與中國合作過。在過去，中國曾為NASA的發射任務提供過關鍵部件。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物：阿爾法磁譜儀。

NASA和中國航天機構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重疊。2017年3月，NASA決定進行寬頻帶能量X射線光譜時間分辨天文臺（STROBE-X）項目，用于進一步研究。該項目和中國的eXTP項目相似，將會在2030年發射升空，比eXTP晚5年。NASA馬歇爾太空飛行中心的天體物理學家、STROBE-X項目成員科琳·威爾森-霍奇(Colleen Wilson-Hodge)說：“同時出現兩個極其相似的項目并不是理想的結果，希望我們能夠找到大家一起合作的辦法，而不是互相競爭。”

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對月球地表以下進行探測

前景展望

然而，中國空間科學家面臨的主要挑戰是說服自己的政府進行長期投資。除了eXTP項目，張雙南還是其他多個天體物理項目的負責人，他認為現在的處境是一種朝不保夕的狀態。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。”

工程和探測的功績仍然比科學更受重視，例如，中國的空間站預算達145億美元。然而，盡管中國國家主席習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展其科學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”。

國家空間科學中心內陳設著全新的家具，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費而看起來很是放松。他承認制度存在缺陷，但對未來仍然非常樂觀。“到現在都沒出什么問題，”他一邊說，一邊看了一眼書架上擺成一排的衛星模型，“我們不能指望一夜之間解決所有的問題。”

[資料來源：Nature][責任編輯：岳 峰]