發(fā)布在2017年7月26日的《自然》新聞專題上

原文作者：Jane Qiu

在跨越了多個空間飛行的里程碑后，中國正在建立自己在空間科學(xué)上的國際聲譽(yù)。

一進(jìn)燕郊的國家空間科學(xué)中心，時間仿佛也加快了腳步。在這個中國科學(xué)院新落成的園區(qū)里，研究員們步履匆匆，期待著中國第一個X光望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射。指揮中心里，巨大的屏幕上循環(huán)播放著中國航空的幾項(xiàng)重大里程碑。工程師們聚精會神地盯著電腦屏幕，中央電視臺的工作人員則帶著攝像機(jī)，為一部講述中國崛起為航天巨頭的紀(jì)錄片拍攝素材。墻上掛滿了鼓勵的標(biāo)語：“嚴(yán)肅認(rèn)真 周到細(xì)致 穩(wěn)妥可靠 萬無一失”。

這艘長征七號火箭四月向天宮二號太空實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了一艘貨運(yùn)飛船。

VCG/Getty

對中心主任吳季來說，這個占地19.4萬平方米，投資9.14億元的園區(qū)代表了中國在空間科學(xué)上的成熟。吳主任告訴我們，在過去的幾十年里，中國成功地將衛(wèi)星和宇航員送入太空，把探測器送上月球，但是并沒有利用這些優(yōu)勢做太多科學(xué)研究工作�，F(xiàn)在就不一樣了。“在空間科學(xué)的領(lǐng)域里，”他說，“我們還剛剛進(jìn)場。”

中國正迅速讓自己成為這項(xiàng)領(lǐng)域里的領(lǐng)軍人物。2013年，干質(zhì)量達(dá)1.2噸的嫦娥三號在月球降落，并送上了一架月球車。車上的測月雷達(dá)能夠穿透月壤，以史無前例的分辨率探測月球的地下結(jié)構(gòu)。2016年9月中國發(fā)射的最新的太空實(shí)驗(yàn)室運(yùn)載了十余項(xiàng)科學(xué)載荷。除此之外，近兩年來還發(fā)射了四次運(yùn)載火箭，將空間物理等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)送上了太空，其中一枚衛(wèi)星正在進(jìn)行世界尖端的量子通信實(shí)驗(yàn)。

中科院和其他機(jī)構(gòu)的這些工作所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了國界。“中國的空間科學(xué)項(xiàng)目非�；钴S，非常創(chuàng)新。”歐洲空間局（ESA）的局長Johann-Dietrich Wörner說，“它們處在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的最前沿。”接下來十年里還有很多令人引頸以待的項(xiàng)目，包括從月球采樣的實(shí)驗(yàn)、中科院和歐空局對太空氣候的合作研究，以及探測暗物質(zhì)和黑洞的開創(chuàng)性項(xiàng)目。

雖然進(jìn)展迅速，中國的很多研究者們對中國在空間科學(xué)上的未來仍有所擔(dān)憂。7月2日，一枚運(yùn)載通信衛(wèi)星的長征五號火箭發(fā)射失敗。這為接下來使用同型火箭進(jìn)行的探月計(jì)劃蒙上了一層陰影。而遠(yuǎn)方還有更大的烏云。“國際和國內(nèi)兩方面的挑戰(zhàn)都很艱巨。”中國國家天文臺副臺長，探月計(jì)劃資深設(shè)計(jì)師李春來說。中國在國際合作上經(jīng)常被排擠。由于美國法律規(guī)定美國國家航空航天局（NASA）不得和中國合作，因此中國近年來必須和美國爭搶合作伙伴。在國內(nèi)，政府并沒有為空間科學(xué)制定戰(zhàn)略計(jì)劃，也沒有長期的財(cái)政撥款。“問題不在于中國現(xiàn)在做得怎么樣，”李臺長說，“而在于這樣的勢頭能持續(xù)多久。”

探月

中國進(jìn)入太空是從一首歌開始的。1970年，中國的第一顆人造衛(wèi)星從近地軌道將愛國歌曲《東方紅》傳回了地球。但是，中國在航天領(lǐng)域真正產(chǎn)生影響力直到1976年文化大革命結(jié)束之后才開始。第一個里程碑是1999年的神舟一號。這艘無人實(shí)驗(yàn)飛船標(biāo)志著載人航天項(xiàng)目的開始。從那時起，中國獲得了一系列成功，包括將中國宇航員送入太空，以及發(fā)射兩艘太空實(shí)驗(yàn)室。

“中國的空間項(xiàng)目在短時間內(nèi)有了巨大的進(jìn)步。”美國科學(xué)院空間研究委員會主席Michael Moloney說。在負(fù)責(zé)探月工程和行星探索工程的中國國家航天局，以及中國載人航天工程的項(xiàng)目里，科學(xué)研究已經(jīng)占了越來越大的比例。中國最新的太空實(shí)驗(yàn)室天宮二號負(fù)責(zé)開展了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中包括一臺先進(jìn)的原子鐘和一臺被稱作POLAR的探測器，用來研究伽馬射線暴，也就是恒星坍縮等原因所產(chǎn)生的高能輻射爆發(fā)。

中國對月球的前兩次探索，也就是2007年和2010年所發(fā)射的繞月人造衛(wèi)星更偏重于工程上的驗(yàn)證而非科學(xué)探索，但是到了登月探測器嫦娥三號就不一樣了。這艘探測器讓中國成為了世界上第三個在月球上軟著陸的國家。更重要的是，嫦娥三號的落地點(diǎn)是一處從未被近距離研究過的區(qū)域。雷達(dá)探測和地球化學(xué)分析揭示出了晚至25億年前的一段復(fù)雜的火山噴發(fā)史。“這為我們理解月球的歷史和深層結(jié)構(gòu)填上了空白的一環(huán)。”中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的行星地質(zhì)學(xué)家肖龍教授說。

這項(xiàng)結(jié)果也吸引了國外行星科學(xué)家的注意。“我們急需確定月球上最近一次火山活動的精確歷史和形成。”美國布朗大學(xué)的行星探測專家James Head說。這可能很快就會變成現(xiàn)實(shí)。只要等到12月，嫦娥五號月球探測器就會升空，并帶回呂姆克山的樣本。這片區(qū)域里的火山巖比阿波羅登月地取得的火山巖要晚形成很多。“這會為月球研究帶來非常棒的新數(shù)據(jù)。”Head教授說。

五年計(jì)劃

中國空間科學(xué)里很大一部分成果要?dú)w功于國家空間科學(xué)中心的努力。他們在2000年起的十年里不斷游說中國政府，要求強(qiáng)化他們研究的影響力。中心的努力終于帶來了金錢上的回報(bào)：2011年啟動的空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)提供了36億元人民幣，用來開發(fā)四顆科學(xué)衛(wèi)星。

其中的一顆已經(jīng)獲得了前期成果，并受到世界矚目的是價值7億元的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（墨子號）。這顆衛(wèi)星于2016年8月發(fā)射，用來測試一種被稱為量子糾纏的奇特現(xiàn)象。陷入量子糾纏的粒子即使相隔兩地，其量子態(tài)仍然能保持相關(guān)性。上個月，量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)宣布，他們使用衛(wèi)星將一系列糾纏態(tài)的光子對發(fā)送給了相距1200公里的地面站，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了此前144公里的記錄。

歐洲航天局總干事Johann-Dietrich Wörner和國家空間科學(xué)中心總干事吳季在2016年的一次會議上討論了空間科學(xué)。

NSCC

這個團(tuán)隊(duì)還使用衛(wèi)星測試了在奧地利格拉茨、維也納周邊和北京之間建立量子信道的可能性。他們的目標(biāo)是利用光子的量子態(tài)作為密鑰安全地傳輸信息。“如果實(shí)驗(yàn)成功的話，全球的量子通信網(wǎng)將不再是科幻小說里的場景。”中科院下屬中國科技大學(xué)物理系教授，量子衛(wèi)星計(jì)劃首席科學(xué)家潘建偉這樣說。

研究者們對價值20億的暗物質(zhì)粒子探測器（悟空）也寄予厚望。根據(jù)瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的天體物理學(xué)家，同時也是項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人的Martin Pohl所說，這個2015年升空的探測器上用來接收高能宇宙射線的是最尖端的設(shè)備。

國際空間站的阿爾法磁譜儀在高能電子和正電子中探測到了意外的現(xiàn)象，而暗物質(zhì)探測器可以通過大量高能粒子的數(shù)據(jù)確定這種現(xiàn)象到底是來源于暗物質(zhì)還是來源于脈沖星等天體現(xiàn)象。同樣參與了阿爾法磁譜儀工作的Pohl教授告訴我們，暗物質(zhì)探測器對高能粒子比阿爾法磁譜儀更加靈敏，因此一定能產(chǎn)生“至關(guān)重要的貢獻(xiàn)”。

三路并進(jìn)

暗物質(zhì)和量子通信衛(wèi)星的發(fā)射之后不久，國家空間科學(xué)中心的空間科學(xué)資助就到期了。包括吳季在內(nèi)的科學(xué)家不得不為下一批資金而奮斗。中國政府近期提高了應(yīng)用研究的優(yōu)先度，科學(xué)家們花了2016年的一大半在游說上，終于說服政府在接下來的五年里撥出50億元人民幣給中心的空間科學(xué)項(xiàng)目。“真是不容易，”吳主任說，“不過最后還是拿到了。”

從今年開始的新計(jì)劃資助了一批預(yù)計(jì)會在2020年到2030年發(fā)射的項(xiàng)目。這其中包括中國的第一顆太陽探測衛(wèi)星，以及觀測地球水循環(huán)的遙感衛(wèi)星。

國家航天局和中國載人航天工程也加緊了努力。其中一個令人激動的項(xiàng)目是國家航天局主導(dǎo)，價值4.4億美元的X射線時變與偏振天文臺(eXTP)。這個項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2025年發(fā)射，投資方還包括歐洲的合作伙伴，有20多個國家的數(shù)百名科學(xué)家參與。天文臺的研究目標(biāo)是只有在太空中才會出現(xiàn)的極端密度、重力、磁場下的物態(tài)，例如中子星內(nèi)部或黑洞邊緣的物質(zhì)。

“雙星計(jì)劃”在2003年和2004年發(fā)射了兩顆衛(wèi)星來探索地球的磁層空間。

NSCC

意大利天體物理研究所教授，項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人Marco Feroci告訴我們，這顆衛(wèi)星最為創(chuàng)新的特點(diǎn)是它能夠同時以很高的精度測量X射線的時間、能量分布和偏振，因此可以提高我們對一系列X射線源的認(rèn)識。它還會攜帶一架廣角望遠(yuǎn)鏡，用來捕捉異常的瞬時信號。“當(dāng)它發(fā)現(xiàn)一個可能有意思的信號的時候，所有其他設(shè)備都會聚焦到那個方向。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，中科院高能物理研究所的天體物理學(xué)家張雙南說，“這是X射線天文學(xué)的無死角武器。”

中國載人航天工程所領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目也在行動。其中的一項(xiàng)是一個暗物質(zhì)探測器，其靈敏度是悟空的15倍。它會被放入中國的永久空間站上，預(yù)計(jì)2022年完成。另外一項(xiàng)計(jì)劃是發(fā)射一架50億人民幣的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，使之繞空間站旋轉(zhuǎn)。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的物理學(xué)家，載人航天工程資深設(shè)計(jì)師顧逸東說，它的視野是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍，產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)可以用來研究暗物質(zhì)、暗能量，以及尋找系外行星。

國際合作

這些項(xiàng)目都表明中科院和其他航天機(jī)構(gòu)之間的合作正在不斷加深。國際上的合作也有同樣的趨勢。Wörner認(rèn)為中國在航天項(xiàng)目上“變得更加自信和開放”。過去，只有在成功發(fā)射之后才會有公告，現(xiàn)在中國會定期公布發(fā)射計(jì)劃。中國科學(xué)家也加強(qiáng)了和國際同行之間的聯(lián)系，通過小規(guī)模的合作強(qiáng)化紐帶。

大多數(shù)中科院主導(dǎo)的項(xiàng)目都有歐洲的合作伙伴，合作關(guān)系由哪方發(fā)起的都有。但是歐空局希望能和這個冉冉升起的太空新星建立起更高等級的合作。2015年初，歐空局和中科院開始聯(lián)合征集太空科研項(xiàng)目。最后選擇了太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE），由雙方共同主導(dǎo)，各出資5300萬美元。“兩個機(jī)構(gòu)在每個階段都緊密合作。”吳主任說。

歐空局和中國早在十多年前就在研究磁暴的雙星計(jì)劃上有所合作，但是那個項(xiàng)目是中國主導(dǎo)的。通過SMILE，雙方可以磨合一個新的，更加緊密的合作模式。“我們需要建立起信任和橋梁，這樣才能強(qiáng)化互相的理解。”歐空局空間科學(xué)部科學(xué)協(xié)調(diào)辦公室主任Fabio Favata說，“我希望這能夠開辟通向未來大規(guī)模合作的一條路。”

2013年，中國的月球車“玉兔”號登陸月球，利用具有穿透性的雷達(dá)對月球表面進(jìn)行測量。

Xinhua via ZUMA Wire

一個沒有出現(xiàn)在中國目前的合作伙伴名單里的大國是美國。曾經(jīng)，中國為美國航天局的發(fā)射任務(wù)提供了很多關(guān)鍵部件。但是2011年美國通過的一項(xiàng)法案禁止美國航天局進(jìn)行這種合作，因此中國被排除在了國際空間站之外�？臻g站上則有著美國、中國和一些其他國家合作的產(chǎn)物：阿爾法磁譜儀。

美國航天局和中國航天機(jī)構(gòu)的代表仍然會定期互訪。但是因?yàn)椴荒苓M(jìn)行官方的合作，很多項(xiàng)目就可能出現(xiàn)重復(fù)勞動。今年3月，美國航天局選擇了STROBE-X（時間分辨光譜寬能量帶X射線天文臺）作為下一步的研究對象。這個項(xiàng)目和中國的eXTP項(xiàng)目相似，預(yù)計(jì)比eXTP遲5年，也就是2030年升空。“同時出現(xiàn)兩個非常類似的項(xiàng)目不怎么理想，”美國航天局馬歇爾太空飛行中心的天體物理學(xué)家，STROBE-X項(xiàng)目成員Colleen Wilson-Hodge說，“我希望我們能有什么方法合作，而不是互相競爭。”

前景展望

對中國的空間科學(xué)家來說，主要的挑戰(zhàn)是說服自己的政府進(jìn)行長期投資。包括eXTP在內(nèi)的多個天體物理項(xiàng)目組的領(lǐng)導(dǎo)人張雙南用“朝不保夕”描述現(xiàn)在的局面。“我們接下來五年都沒問題，”他說，“不過之后誰也不知道會怎么樣。”

技術(shù)和探測的手段仍然比科學(xué)更受重視。比如說，中國的空間站有145億美元的撥款。雖然中國國家主席曾說這會是中國在太空中的國家實(shí)驗(yàn)室，目前仍然沒有專用的資金用來開發(fā)上面的科學(xué)載荷。空間站可能會和天宮二號一樣承載各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為各項(xiàng)研究提供足夠的能源和通訊設(shè)備。但是也有可能會淪落到張?jiān)菏克�說的“雖有廣廈，卻家徒四壁”的窘境。

在國家空間科學(xué)中心的廣廈里擺著全新的家具，空氣中甚至能聞到新刷的油漆。吳主任坐在書桌后的辦公椅上，由于拿到了下一撥經(jīng)費(fèi)而看起來很是放松。他承認(rèn)雖然系統(tǒng)中有缺點(diǎn)，但是對未來非常樂觀。“到現(xiàn)在都沒出什么問題，”他說著，看了一眼書架上擺成一排的衛(wèi)星模型，“這畢竟不是一朝一夕能改進(jìn)的。”