中國轉型空間科學大國的旅程已經開始

原文以China』s quest to become a space science superpower為標題

發布在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後，中國正在建立自己在空間科學上的國際聲譽。

一進懷柔的國家空間科學中心，時間彷彿也加快了腳步。在這個中國科學院新落成的園區里，研究員們步履匆匆，期待著中國第一個X光望遠鏡的發射。指揮中心裡，巨大的屏幕上循環播放著中國航空的幾項重大里程碑。工程師們聚精會神地盯著電腦屏幕，中央電視台的工作人員則帶著攝像機，為一部講述中國崛起為航天巨頭的紀錄片拍攝素材。牆上掛滿了鼓勵的標語：「嚴肅認真 周到細緻 穩妥可靠 萬無一失」。

這艘長征七號火箭四月向天宮二號太空實驗室發射了一艘貨運飛船。

VCG/Getty

對中心主任吳季來說，這個佔地19.4萬平方米，投資9.14億元的園區代表了中國在空間科學上的成熟。吳主任告訴我們，在過去的幾十年里，中國成功地將衛星和宇航員送入太空，把探測器送上月球，但是並沒有利用這些優勢做太多科學研究工作。現在就不一樣了。「在空間科學的領域裡，」他說，「我們還剛剛進場。」

中國正迅速讓自己成為這項領域裡的領軍人物。2013年，干質量達1.2噸的嫦娥三號在月球降落，並送上了一架月球車。車上的測月雷達能夠穿透月壤，以史無前例的解析度探測月球的地下結構。2016年9月中國發射的最新的太空實驗室運載了十餘項科學載荷。除此之外，近兩年來還發射了四次運載火箭，將空間物理等領域的實驗送上了太空，其中一枚衛星正在進行世界尖端的量子通信實驗。

中科院和其他機構的這些工作所產生的影響遠遠超越了國界。「中國的空間科學項目非常活躍，非常創新。」歐洲空間局（ESA）的局長Johann-Dietrich W?rner說，「它們處在科學發現的最前沿。」接下來十年里還有很多令人引頸以待的項目，包括從月球採樣的實驗、中科院和歐空局對太空氣候的合作研究，以及探測暗物質和黑洞的開創性項目。

雖然進展迅速，中國的很多研究者們對中國在空間科學上的未來仍有所擔憂。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。而遠方還有更大的烏雲。「國際和國內兩方面的挑戰都很艱巨。」中國國家天文台副台長，探月計劃資深設計師李春來說。中國在國際合作上經常被排擠。由於美國法律規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夥伴。在國內，政府並沒有為空間科學制定戰略計劃，也沒有長期的財政撥款。「問題不在於中國現在做得怎麼樣，」李台長說，「而在於這樣的勢頭能持續多久。」

探月

中國進入太空是從一首歌開始的。1970年，中國的第一顆人造衛星從近地軌道將愛國歌曲《東方紅》傳回了地球。但是，中國在航天領域真正產生影響力直到1976年文化大革命結束之後才開始。第一個里程碑是1999年的神舟一號。這艘無人實驗飛船標誌著載人航天項目的開始。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，以及發射兩艘太空實驗室。

「中國的空間項目在短時間內有了巨大的進步。」美國科學院空間研究委員會主席Michael Moloney說。在負責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目里，科學研究已經佔了越來越大的比例。中國最新的太空實驗室天宮二號負責開展了一系列科學實驗，其中包括一台先進的原子鐘和一台被稱作POLAR的探測器，用來研究伽馬射線暴，也就是恆星坍縮等原因所產生的高能輻射爆發。

中國對月球的前兩次探索，也就是2007年和2010年所發射的繞月人造衛星更偏重於工程上的驗證而非科學探索，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，嫦娥三號的落地點是一處從未被近距離研究過的區域。雷達探測和地球化學分析揭示出了晚至25億年前的一段複雜的火山噴發史。「這為我們理解月球的歷史和深層結構填上了空白的一環。」中國地質大學（武漢）的行星地質學家肖龍教授說。

這項結果也吸引了國外行星科學家的注意。「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。」美國布朗大學的行星探測專家James Head說。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升空，並帶回呂姆克山的樣本。這片區域里的火山岩比阿波羅登月地取得的火山岩要晚形成很多。「這會為月球研究帶來非常棒的新數據。」Head教授說。

五年計劃

中國空間科學裡很大一部分成果要歸功於國家空間科學中心的努力。他們在2000年起的十年里不斷遊說中國政府，要求強化他們研究的影響力。中心的努力終於帶來了金錢上的回報：2011年啟動的空間科學戰略性先導科技專項提供了36億元人民幣，用來開發四顆科學衛星。

其中的一顆已經獲得了前期成果，並受到世界矚目的是價值7億元的量子科學實驗衛星（墨子號）。這顆衛星於2016年8月發射，用來測試一種被稱為量子糾纏的奇特現象。陷入量子糾纏的粒子即使相隔兩地，其量子態仍然能保持相關性。上個月，量子衛星團隊宣布，他們使用衛星將一系列糾纏態的光子對發送給了相距1200公里的地面站，這遠遠超越了此前144公里的記錄。

歐洲航天局總幹事Johann-Dietrich W?rner和國家空間科學中心總幹事吳季在2016年的一次會議上討論了空間科學。

NSCC

這個團隊還使用衛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。他們的目標是利用光子的量子態作為密鑰安全地傳輸信息。「如果實驗成功的話，全球的量子通信網將不再是科幻小說里的場景。」中科院下屬中國科技大學物理系教授，量子衛星計劃首席科學家潘建偉這樣說。

研究者們對價值20億的暗物質粒子探測器（悟空）也寄予厚望。根據瑞士日內瓦大學的天體物理學家，同時也是項目共同負責人的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象，而暗物質探測器可以通過大量高能粒子的數據確定這種現象到底是來源於暗物質還是來源於脈衝星等天體現象。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，因此一定能產生「至關重要的貢獻」。

三路並進

暗物質和量子通信衛星的發射之後不久，國家空間科學中心的空間科學資助就到期了。包括吳季在內的科學家不得不為下一批資金而奮鬥。中國政府近期提高了應用研究的優先度，科學家們花了2016年的一大半在遊說上，終於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項目。「真是不容易，」吳主任說，「不過最後還是拿到了。」

從今年開始的新計劃資助了一批預計會在2020年到2030年發射的項目。這其中包括中國的第一顆太陽探測衛星，以及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也加緊了努力。其中一個令人激動的項目是國家航天局主導，價值4.4億美元的X射線時變與偏振天文台(eXTP)。這個項目預計於2025年發射，投資方還包括歐洲的合作夥伴，有20多個國家的數百名科學家參與。天文台的研究目標是只有在太空中才會出現的極端密度、重力、磁場下的物態，例如中子星內部或黑洞邊緣的物質。

「雙星計劃」在2003年和2004年發射了兩顆衛星來探索地球的磁層空間。

NSCC

義大利天體物理研究所教授，項目共同負責人Marco Feroci告訴我們，這顆衛星最為創新的特點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射線源的認識。它還會攜帶一架廣角望遠鏡，用來捕捉異常的瞬時信號。「當它發現一個可能有意思的信號的時候，所有其他設備都會聚焦到那個方向。」項目負責人，中科院高能物理研究所的天體物理學家張雙南說，「這是X射線天文學的無死角武器。」

中國載人航天工程所領導的項目也在行動。其中的一項是一個暗物質探測器，其靈敏度是悟空的15倍。它會被放入中國的永久空間站上，預計2022年完成。另外一項計劃是發射一架50億人民幣的光學望遠鏡，使之繞空間站旋轉。中科院空間應用工程與技術中心的物理學家，載人航天工程資深設計師顧逸東說，它的視野是哈勃望遠鏡的300倍，產生的觀測數據可以用來研究暗物質、暗能量，以及尋找系外行星。

國際合作

這些項目都表明中科院和其他航天機構之間的合作正在不斷加深。國際上的合作也有同樣的趨勢。W?rner認為中國在航天項目上「變得更加自信和開放」。過去，只有在成功發射之後才會有公告，現在中國會定期公布發射計劃。中國科學家也加強了和國際同行之間的聯繫，通過小規模的合作強化紐帶。

大多數中科院主導的項目都有歐洲的合作夥伴，合作關係由哪方發起的都有。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合徵集太空科研項目。最後選擇了太陽風—磁層相互作用全景成像衛星（SMILE），由雙方共同主導，各出資5300萬美元。「兩個機構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划上有所合作，但是那個項目是中國主導的。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樑，這樣才能強化互相的理解。」歐空局空間科學部科學協調辦公室主任Fabio Favata說，「我希望這能夠開闢通向未來大規模合作的一條路。」

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對月球表面進行測量。

Xinhua via ZUMA Wire

一個沒有出現在中國目前的合作夥伴名單里的大國是美國。曾經，中國為美國航天局的發射任務提供了很多關鍵部件。但是2011年美國通過的一項法案禁止美國航天局進行這種合作，因此中國被排除在了國際空間站之外。空間站上則有著美國、中國和一些其他國家合作的產物：阿爾法磁譜儀。

美國航天局和中國航天機構的代表仍然會定期互訪。但是因為不能進行官方的合作，很多項目就可能出現重複勞動。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射線天文台）作為下一步的研究對象。這個項目和中國的eXTP項目相似，預計比eXTP遲5年，也就是2030年升空。「同時出現兩個非常類似的項目不怎麼理想，」美國航天局馬歇爾太空飛行中心的天體物理學家，STROBE-X項目成員Colleen Wilson-Hodge說，「我希望我們能有什麼方法合作，而不是互相競爭。」

前景展望

對中國的空間科學家來說，主要的挑戰是說服自己的政府進行長期投資。包括eXTP在內的多個天體物理項目組的領導人張雙南用「朝不保夕」描述現在的局面。「我們接下來五年都沒問題，」他說，「不過之後誰也不知道會怎麼樣。」

技術和探測的手段仍然比科學更受重視。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驗室，目前仍然沒有專用的資金用來開發上面的科學載荷。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設備。但是也有可能會淪落到張院士所說的「雖有廣廈，卻家徒四壁」的窘境。

在國家空間科學中心的廣廈里擺著全新的傢具，空氣中甚至能聞到新刷的油漆。吳主任坐在書桌後的辦公椅上，由於拿到了下一撥經費而看起來很是放鬆。他承認雖然系統中有缺點，但是對未來非常樂觀。「到現在都沒出什麼問題，」他說著，看了一眼書架上擺成一排的衛星模型，「這畢竟不是一朝一夕能改進的。」

Naturedoi:10.1038/547394a

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