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(gè)空間飛行的里程碑后，中國(guó)正在建立自己在空間科學(xué)上的國(guó)際聲譽(yù)。

一進(jìn)燕郊的國(guó)家空間科學(xué)中心，時(shí)間仿佛也加快了腳步。在這個(gè)中國(guó)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(guó)第一個(gè)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(guó)航空的幾項(xiàng)重大里程碑。工程師們聚精會(huì)神地盯著電腦屏幕，中央電視臺(tái)的工作人員則帶著攝像機(jī)，為一部講述中國(guó)崛起為航天巨頭的紀(jì)錄片拍攝素材。墻上掛滿了鼓勵(lì)的標(biāo)語(yǔ)：“嚴(yán)肅認(rèn)真 周到細(xì)致 穩(wěn)妥可靠 萬(wàn)無(wú)一失”。

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

VCG/Getty

對(duì)中心主任吳季來(lái)說(shuō)，這個(gè)占地19.4萬(wàn)平方米，投資9.14億元的園區(qū)代表了中國(guó)在空間科學(xué)上的成熟。吳主任告訴我們，在過(guò)去的幾十年里，中國(guó)成功地將衛(wèi)星和宇航員送入太空，把探測(cè)器送上月球，但是并沒(méi)有利用這些優(yōu)勢(shì)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(shuō)，“我們還剛剛進(jìn)場(chǎng)。”

中國(guó)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(hào)在月球降落，并送上了一架月球車(chē)。車(chē)上的測(cè)月雷達(dá)能夠穿透月壤，以史無(wú)前例的分辨率探測(cè)月球的地下結(jié)構(gòu)。2016年9月中國(guó)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(lái)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(guó)界。“中國(guó)的空間科學(xué)項(xiàng)目非常活躍，非常創(chuàng)新。”歐洲空間局（ESA）的局長(zhǎng)Johann-Dietrich Wörner說(shuō)，“它們處在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的最前沿。”接下來(lái)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(duì)太空氣候的合作研究，以及探測(cè)暗物質(zhì)和黑洞的開(kāi)創(chuàng)性項(xiàng)目。

雖然進(jìn)展迅速，中國(guó)的很多研究者們對(duì)中國(guó)在空間科學(xué)上的未來(lái)仍有所擔(dān)憂。7月2日，一枚運(yùn)載通信衛(wèi)星的長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射失敗。這為接下來(lái)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(guó)際和國(guó)內(nèi)兩方面的挑戰(zhàn)都很艱巨。”中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)，探月計(jì)劃資深設(shè)計(jì)師李春來(lái)說(shuō)。中國(guó)在國(guó)際合作上經(jīng)常被排擠。由于美國(guó)法律規(guī)定美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）不得和中國(guó)合作，因此中國(guó)近年來(lái)必須和美國(guó)爭(zhēng)搶合作伙伴。在國(guó)內(nèi)，政府并沒(méi)有為空間科學(xué)制定戰(zhàn)略計(jì)劃，也沒(méi)有長(zhǎng)期的財(cái)政撥款。“問(wèn)題不在于中國(guó)現(xiàn)在做得怎么樣，”李臺(tái)長(zhǎng)說(shuō)，“而在于這樣的勢(shì)頭能持續(xù)多久。”

探月

中國(guó)進(jìn)入太空是從一首歌開(kāi)始的。1970年，中國(guó)的第一顆人造衛(wèi)星從近地軌道將愛(ài)國(guó)歌曲《東方紅》傳回了地球。但是，中國(guó)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(kāi)始。第一個(gè)里程碑是1999年的神舟一號(hào)。這艘無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛船標(biāo)志著載人航天項(xiàng)目的開(kāi)始。從那時(shí)起，中國(guó)獲得了一系列成功，包括將中國(guó)宇航員送入太空，以及發(fā)射兩艘太空實(shí)驗(yàn)室。

“中國(guó)的空間項(xiàng)目在短時(shí)間內(nèi)有了巨大的進(jìn)步。”美國(guó)科學(xué)院空間研究委員會(huì)主席Michael Moloney說(shuō)。在負(fù)責(zé)探月工程和行星探索工程的中國(guó)國(guó)家航天局，以及中國(guó)載人航天工程的項(xiàng)目里，科學(xué)研究已經(jīng)占了越來(lái)越大的比例。中國(guó)最新的太空實(shí)驗(yàn)室天宮二號(hào)負(fù)責(zé)開(kāi)展了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中包括一臺(tái)先進(jìn)的原子鐘和一臺(tái)被稱作POLAR的探測(cè)器，用來(lái)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(guó)對(duì)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(cè)器嫦娥三號(hào)就不一樣了。這艘探測(cè)器讓中國(guó)成為了世界上第三個(gè)在月球上軟著陸的國(guó)家。更重要的是，嫦娥三號(hào)的落地點(diǎn)是一處從未被近距離研究過(guò)的區(qū)域。雷達(dá)探測(cè)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(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）的行星地質(zhì)學(xué)家肖龍教授說(shuō)。

這項(xiàng)結(jié)果也吸引了國(guó)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(dòng)的精確歷史和形成。”美國(guó)布朗大學(xué)的行星探測(cè)專家James Head說(shuō)。這可能很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。只要等到12月，嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器就會(huì)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(huì)為月球研究帶來(lái)非常棒的新數(shù)據(jù)。”Head教授說(shuō)。

五年計(jì)劃

中國(guó)空間科學(xué)里很大一部分成果要?dú)w功于國(guó)家空間科學(xué)中心的努力。他們?cè)?000年起的十年里不斷游說(shuō)中國(guó)政府，要求強(qiáng)化他們研究的影響力。中心的努力終于帶來(lái)了金錢(qián)上的回報(bào)：2011年啟動(dòng)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(lái)開(kāi)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(jià)值7億元的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（墨子號(hào)）。這顆衛(wèi)星于2016年8月發(fā)射，用來(lái)測(cè)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(gè)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(duì)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(guó)家空間科學(xué)中心總干事吳季在2016年的一次會(huì)議上討論了空間科學(xué)。

NSCC

這個(gè)團(tuán)隊(duì)還使用衛(wèi)星測(cè)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(shuō)里的場(chǎng)景。”中科院下屬中國(guó)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(shuō)。

研究者們對(duì)價(jià)值20億的暗物質(zhì)粒子探測(cè)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(shí)也是項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人的Martin Pohl所說(shuō)，這個(gè)2015年升空的探測(cè)器上用來(lái)接收高能宇宙射線的是最尖端的設(shè)備。

國(guó)際空間站的阿爾法磁譜儀在高能電子和正電子中探測(cè)到了意外的現(xiàn)象，而暗物質(zhì)探測(cè)器可以通過(guò)大量高能粒子的數(shù)據(jù)確定這種現(xiàn)象到底是來(lái)源于暗物質(zhì)還是來(lái)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(cè)器對(duì)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(guó)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(guó)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(shuō)上，終于說(shuō)服政府在接下來(lái)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(shuō)，“不過(guò)最后還是拿到了。”

從今年開(kāi)始的新計(jì)劃資助了一批預(yù)計(jì)會(huì)在2020年到2030年發(fā)射的項(xiàng)目。這其中包括中國(guó)的第一顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星，以及觀測(cè)地球水循環(huán)的遙感衛(wèi)星。

國(guó)家航天局和中國(guó)載人航天工程也加緊了努力。其中一個(gè)令人激動(dòng)的項(xiàng)目是國(guó)家航天局主導(dǎo)，價(jià)值4.4億美元的X射線時(shí)變與偏振天文臺(tái)(eXTP)。這個(gè)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(gè)國(guó)家的數(shù)百名科學(xué)家參與。天文臺(tái)的研究目標(biāo)是只有在太空中才會(huì)出現(xiàn)的極端密度、重力、磁場(chǎng)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(lái)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(shí)以很高的精度測(cè)量X射線的時(shí)間、能量分布和偏振，因此可以提高我們對(duì)一系列X射線源的認(rèn)識(shí)。它還會(huì)攜帶一架廣角望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)捕捉異常的瞬時(shí)信號(hào)。“當(dāng)它發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能有意思的信號(hào)的時(shí)候，所有其他設(shè)備都會(huì)聚焦到那個(gè)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(shuō)，“這是X射線天文學(xué)的無(wú)死角武器。”

中國(guó)載人航天工程所領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目也在行動(dòng)。其中的一項(xiàng)是一個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)器，其靈敏度是悟空的15倍。它會(huì)被放入中國(guó)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(shuō)，它的視野是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍，產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用來(lái)研究暗物質(zhì)、暗能量，以及尋找系外行星。

國(guó)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(guó)際上的合作也有同樣的趨勢(shì)。Wörner認(rèn)為中國(guó)在航天項(xiàng)目上“變得更加自信和開(kāi)放”。過(guò)去，只有在成功發(fā)射之后才會(huì)有公告，現(xiàn)在中國(guó)會(huì)定期公布發(fā)射計(jì)劃。中國(guó)科學(xué)家也加強(qiáng)了和國(guó)際同行之間的聯(lián)系，通過(guò)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(gè)冉冉升起的太空新星建立起更高等級(jí)的合作。2015年初，歐空局和中科院開(kāi)始聯(lián)合征集太空科研項(xiàng)目。最后選擇了太陽(yáng)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(wàn)美元。“兩個(gè)機(jī)構(gòu)在每個(gè)階段都緊密合作。”吳主任說(shuō)。

歐空局和中國(guó)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(gè)項(xiàng)目是中國(guó)主導(dǎo)的。通過(guò)SMILE，雙方可以磨合一個(gè)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(shuō)，“我希望這能夠開(kāi)辟通向未來(lái)大規(guī)模合作的一條路。”

2013年，中國(guó)的月球車(chē)“玉兔”號(hào)登陸月球，利用具有穿透性的雷達(dá)對(duì)月球表面進(jìn)行測(cè)量。

Xinhua via ZUMA Wire

一個(gè)沒(méi)有出現(xiàn)在中國(guó)目前的合作伙伴名單里的大國(guó)是美國(guó)。曾經(jīng)，中國(guó)為美國(guó)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(guó)通過(guò)的一項(xiàng)法案禁止美國(guó)航天局進(jìn)行這種合作，因此中國(guó)被排除在了國(guó)際空間站之外�？臻g站上則有著美國(guó)、中國(guó)和一些其他國(guó)家合作的產(chǎn)物：阿爾法磁譜儀。

美國(guó)航天局和中國(guó)航天機(jī)構(gòu)的代表仍然會(huì)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(dòng)。今年3月，美國(guó)航天局選擇了STROBE-X（時(shí)間分辨光譜寬能量帶X射線天文臺(tái)）作為下一步的研究對(duì)象。這個(gè)項(xiàng)目和中國(guó)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(shí)出現(xiàn)兩個(gè)非常類(lèi)似的項(xiàng)目不怎么理想，”美國(guó)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(shuō)，“我希望我們能有什么方法合作，而不是互相競(jìng)爭(zhēng)。”

前景展望

對(duì)中國(guó)的空間科學(xué)家來(lái)說(shuō)，主要的挑戰(zhàn)是說(shuō)服自己的政府進(jìn)行長(zhǎng)期投資。包括eXTP在內(nèi)的多個(gè)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(lái)五年都沒(méi)問(wèn)題，”他說(shuō)，“不過(guò)之后誰(shuí)也不知道會(huì)怎么樣。”

技術(shù)和探測(cè)的手段仍然比科學(xué)更受重視。比如說(shuō)，中國(guó)的空間站有145億美元的撥款。雖然中國(guó)國(guó)家主席曾說(shuō)這會(huì)是中國(guó)在太空中的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，目前仍然沒(méi)有專用的資金用來(lái)開(kāi)發(fā)上面的科學(xué)載荷。空間站可能會(huì)和天宮二號(hào)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(huì)淪落到張?jiān)菏克f(shuō)的“雖有廣廈，卻家徒四壁”的窘境。

在國(guó)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(shū)桌后的辦公椅上，由于拿到了下一撥經(jīng)費(fèi)而看起來(lái)很是放松。他承認(rèn)雖然系統(tǒng)中有缺點(diǎn)，但是對(duì)未來(lái)非常樂(lè)觀。“到現(xiàn)在都沒(méi)出什么問(wèn)題，”他說(shuō)著，看了一眼書(shū)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。”