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2022-2023

空间站上能做哪些实验?顾逸东院士谈我国的空间科学探索
发布时间:2023-09-21    5089   

内容来自墨子沙龙活动“开启无限可能——空间科学纵横谈”(2023年8月26日)上的演讲。演讲嘉宾是中国载人航天工程空间科学首席专家顾逸东


内容概要:

人类自古就对莽莽苍穹、斗转星移充满敬畏和好奇,屈原的《楚辞.天问》里就有对天地、日月星辰等自然本源问题的思考和求索。这一点上,不同的文明是相通的。


随着文艺复兴以来,科学体系的建立,人们突破了神学的束缚,科学的革命为人类探索空间科学打下了思想基础,也催生了早期空间科学将理论和实验相结合的探索。


随着1957年,前苏联成功发射人类第一颗人造卫星,人们迎来了空间时代。


空间科学是利用空间飞行器(在太空)研究地球、日地空间、太阳系和整个宇宙的物理、化学和生命等自然现象及其规律的科学领域的总称,与空间技术、空间应用一起,并称为航天科技领域最重要的三大支柱。


自第一颗人造卫星上天后的六十五年来,人类开展了规模宏大的空间科学探索和研究,空间物理、空间天文、月球和行星科学、空间地球科学、生命科学、微重力科学等诸多学科研究的革命性发现源源不断,深刻地改变了人类的宇宙观和自然观。


我国空间科学发端于上世纪70年代,虽然起步晚,但是发展迅速,特别是进入21世纪后,载人航天工程、探月工程和深空探测、科学卫星任务等三个方面,均取得了举世瞩目的成果。而未来,我国的空间科学更值得期待。


载人航天工程方面,2000年以来,我国科学家在神舟系列飞船、天宫空间实验室、货运飞船上开展了上百项空间科学研究;2022年,我国空间站建成,将于未来10-15年,利用空间微重力、宇宙辐射和突破大气屏障等特殊条件,开展长时间、大规模、系列化的空间科学研究,研究生命现象、物质运动基本规律,探索宇宙、天体及地球系统科学问题。


探月工程和深空探测方面,2007年以来,嫦娥1号到5号任务和天问一号火星着陆探测任务,开展了月球和火星科学研究,后续将持续开展月球探测,小行星、木星系统和火星采样返回等探测任务;2023年,我国载人月球探测工程登月阶段任务启动实施,计划于2030年前实现中国人首次登陆月球,开展月球科学考察及相关技术试验,推动载人航天技术由近地走向深空;已进入初样阶段的巡天空间望远镜,凭借其0.15″角分辨、紫外-近红外覆盖、大视场等优势,有望在宇宙学、星系科学等方面获得革命性发现;高能宇宙辐射和暗物质探测设施(HERD)将以前所未有的灵敏度搜寻暗物质、探究宇宙线起源的世纪之谜、开展高灵敏度的高能伽马射线巡天和监视,并探索脉冲星导航的新体制。


科学卫星任务方面,中科院空间科学先导专项,2015年以来圆满完成一期科学卫星任务,目前正在实施二期任务,准备新立项和预先研究多颗科学卫星,各部门支持的科学卫星均进展顺利,有望形成重大的科学产出。科学卫星,将逐步成为我国开展空间研究的主力之一。


完整报告整理



谢谢潘建伟院士和墨子沙龙的邀请,我非常荣幸能够在今天跟大家谈谈空间科学。


今天我报告的题目叫做“开启无限可能”,我想了想又加了“纵横谈”三个字。既然是“纵横谈”,我们先回顾一下空间科学的历史。大家都知道,人类自古以来就对茫茫苍穹的太空、斗转星移的现象都充满了敬畏和好奇,从未停止过对天和自然本源的探索和思辨。关于开天辟地、人与自然等一系列的主题,也存在于各种文明的传说、故事与文献中,绵延久长永久不息。



历史的回顾


中国的古代文明在空间科学方面创造了很多辉煌。中国古代伟大的诗人、思想家屈原在两千三百多年前的《楚辞·天问》中提出了四十多个问题,来问天、问地、问宇宙。有几个问题非常有意思。比如“上下未形,何由考之。”天地形成前从哪产生?怎么考证?“日月安属,列星安陈。”日月到底是什么?星星为何那样地悬挂排列在太空?这些问题都非常深遂,也足以看出即使在那个古老的时代,也有人关注着这些关于宇宙的本质问题。


中国人讲宇宙,“天地四方谓之宇,古往今来谓之宙”。“宇宙”一词,置空间时间于一体,喻空间和时间为无限。中国古代对宇宙朴素而智慧的认知,形象而精妙。


而在西方,随着科学和文明的发展,文艺复兴、思想解放和人类理性启蒙,突破了神学的束缚,推动了前两次科学革命。近代的科学体系从那时开始逐步建立起来。


众所周知,古希腊时期已经开始探讨自然哲学和宇宙本源的问题。到了哥白尼的时代,他提出了“日心说”的观点,认为地球并非宗教所认为的宇宙中心,而只是太阳系中的一颗行星,并围绕太阳旋转。然而,他的理论在当时受到了严重的非议和迫害。


继哥白尼之后,布鲁诺进一步扩展了日心说的观点,他认为太阳也不是宇宙的中心,而只是银河系中的一个组成部分,可能还围绕着其他银河系中心在旋转。不幸的是,他因坚持这一观点而被宗教裁判所处以火刑。然而,布鲁诺的学说为科学发展和思想进步冲破了更多束缚。后来伽利略发明的望远镜和牛顿提出的三大运动定律,进一步奠定了近代物理学和科学的体系,并引发了工业革命和巨大的社会变革。


到了19世纪末20世纪初,科学自身的逻辑发展引起了一场重要的革命。相对论和量子力学的发展,使科学家们意识到物理学的大厦还远没有建成,当时物理学中还有巨大的破绽。迈克尔逊和莫雷的光速不变实验证明了光速在不同方向的运动中速度相同。同时,黑体辐射的研究也揭示了波长越短时越不符合一般辐射规律的特点。


在这个基础上,爱因斯坦等伟大科学家提出了狭义相对论和广义相对论的理论,普朗克、海森堡、薛定谔等发展了完备的量子力学理论。第三次科学革命建立了物理学的大厦,改变了单一连续性、静止的经典物理观念,形成了量子与连续性统一,宇观与微观统一、时空相对性以及客观统计性的自然观,是人类科学思想的深刻革命,也奠定了当代科学和新技术基础。


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赫斯1912年乘坐气球开展实验


当代科学是实验、观测与理论研究的结合,空间科学也不例外。比较早期的一个例子是,1912年德国科学家维克多·赫斯携带着沃尔夫型金箔验电器,七次乘坐气球升空探险。他发现随着高度增加,验电器指示的大气电离率上升。由此可以猜测在天外宇宙有辐射存在,而在进入地球大气后被大气阻挡,这一结果从而促成了宇宙射线的发现,并极大地促进了粒子物理学的发展。在此基础上,物理学家们后来陆续发现了正电子、μ子、π介子等。维克多·赫斯也因此获得1936年诺贝尔物理学奖。

 

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大气电离率随高度变化

(左:赫斯 1912;右:柯尔霍斯特 1913)


随着科学技术的进步,航天飞行的理论在科学的基础上进行了探索。康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基1903年发表了第一部喷气推进理论著作《利用喷气工具研究宇宙空间》,他与美国的罗伯特·戈达德和德国的赫尔曼·奥伯特等人通过计算和实验为宇宙航行奠定了基础。赫尔曼·奥伯特第一个使用汽油和液压制造了小型火箭,为宇宙航行的理论提供了支持。


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赫尔曼·奥伯特制造的小型火箭


在二战结束前后,美国和苏联之间展开了一场激烈的洲际导弹竞争。苏联在这场竞争中抢得了先机,已经具备了将火箭加速到第一宇宙速度的能力,并利用火箭进行了高空大气探测、对太阳日冕和X射线的观测等探索,开启了亚轨道空间科学的探索。


1957年4月,前苏联成功发射了第一颗人造卫星——这一事件被广大科学界视为重大突破。尽管我当时还是一名小学生,对此也感到非常震撼。值得一提的是,1957年至1959年正值第三次国际地球物理年,全球67个国家的学者们联合开展了一项观测活动。在这一期间,由于卫星的首次应用,科学家们获得了开创性的发现。


例如,1958年美国探险者一、三、四号卫星帮助科学家发现了地球辐射带——这是在距离地球不远的一个位置上,通过盖格计数器记录粒子数量时发现计数器饱和。后来经过重复实验确认,这些粒子大量聚集在该区域。此外,科学家们还探索到了内外辐射带、太阳磁层等现象。1959年,苏联的月球一号卫星首次发现太阳风粒子,后经美国的水手二号卫星证实。空间探索逐渐成为太空活动的重要领域。在当时的背景之下,美苏两国之间的太空竞赛虽然是为了展示国家力量和军事实力,但客观上都为空间科学的进步做出了重要贡献,人类也由此进入了空间时代。


六十五年来,人类开展了规模宏大的空间科学探索和研究,开始了一次井喷式的科学突破。有人甚至认为这些成果超过了历史上几千年的总和。几十年间革命性的发现源源不断,深刻地改变了人类的宇宙观和自然观。如今我们的眼界已经发生了巨大的变化。过去,我们常常认为月球是遥不可及的;而现在我们已经有能力实现登月任务,许多国家都在积极开展相关研究。



空间时代的大科学



空间科学,是指利用空间飞行器(在太空)研究地球、日地空间、太阳系和整个宇宙的物理、化学和生命等自然现象及其规律的科学领域的总称。空间科学是一门重要的基础科学,也是航天科学的支柱之一。


我们之所以要利用空间飞行器,是因为宇宙中除了可见光的一部分能够进入地球外,其他像X射线、伽马射线和紫外线等,基本上都被大气阻挡了。我们可以从下面这幅图中了解到这一点。即使是对于可见光波段来讲,由于地球大气层的厚度和不断抖动的特性,以及从地面进行光学观测的衍射极限等限制,也需要我们借助空间飞行器才能进行更好的观测。

 

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地球大气对宇宙电磁辐射的吸收,仅可见光、部分红外和射电波段的电磁波可在地面观测


这里我们需要关注一下空间科学、空间技术与空间应用的区别与联系。与空间技术不同,空间科学作为基础研究,主要关注自然界的规律研究。与此同时,空间技术则是空间活动的基石和保障。而在空间应用领域,更多的涉及了人类社会和公众的应用,包括军事应用。


空间科学也形成了多学科的研究体系,可以简单归纳为空间物理、空间天文、月球和新兴科学,以及空间地球科学、生命科学、微观科学等。


此外,空间科学还涉及了许多交叉学科的研究,如与天体物理学、粒子物理学的交叉,与地球行星科学、生命科学的交叉等领域。目前,我们还在寻找外星生命等方向进行研究,这里无法一一列举。下面我简要介绍一下空间科学各个领域的发展。


首先是太阳物理学。太阳物理学研究太阳和日地空间、行星际空间的物理现象和规律。太阳从外层辐射区、对流层、光球层、色球层,到最外层的日冕,吹出被称为太阳风的等离子体。这个等离子体由带电的原子核和电子组成,其速度相当高,因此可以吹向四面八方,基本上整个太阳系都被它充满。


对于我们居住的地球而言,其磁场是偶极子的磁场。然而,当太阳风经过行星际空间吹过地球时,它会带动地球的磁场并产生压缩变形,并影响电离层和高层大气。

 

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太阳外层辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕吹出太阳风经过行星际空间,挤压地球磁层、并影响电离层和高层大气。


下面是一个表示日球层的示意图。在图中,我们可以看到中间是地球,而太阳风则扩展到了星际的边缘,与太阳系的其他星际风在那里相互平衡。太阳本身是一个活跃的热核天体,拥有一个巨大的核反应系统。

 

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日球层:太阳风控制的区域,之外为星际介质(LISM)。日球层顶把太阳风等离子体与星际起源的等离子体分开,大约位于50~150AU


第二个领域是空间天文学。空间天文学是一门在空间开展天体和宇宙研究的学科。人类对于天体的观测历史悠久,从最早的肉眼观测,到后来的利用地面光学望远镜和地面射电望远镜等工具进行观测。而在空间进行天地和宇宙的研究是整个天文学发展史上的革命性阶段,其手段和方法与过去相比有了巨大的进步。


天文卫星和其他一些亚轨道探测工具的主要成就是开辟了全电磁波段的天文学。过去,天文学主要依赖光学观测,而现在人们可以从紫外、红外、远红外、亚毫米波到X射线、伽马射线等多个波段进行观测。天文卫星还能观测宇宙射线中的大量粒子,这些粒子中携带了许多天体的信息。


下面这张图介绍了现代物理学的两大理论支柱。粒子物理领域的发展已经相当成熟,从量子力学开始发展,目前已经达到了粒子物理标准模型的阶段。目前,而天体物理方面,基于相对论,如今宇宙演化已经形成了一个主流模型。然而,这个主流模型是否完备呢?我相信并非如此。空间天文学的发展在不断地丰富和完善现代物理学的两大理论支柱,甚至在未来可能会对这两大理论支柱有所突破。

 

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空间天文学的发展过程中,有几个重要的例子对天体物理理论的发展产生了深远的影响。首先是宇宙微波背景辐射的测量,这一观测有力地支持了宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸理论最初被提出时仅被视为一种假说,而现在已经成为了被广泛认可的理论。


下面这幅图是1989年发射的宇宙背景探测器COBE卫星测量的43个数据点在0.25%精度上符合2.73开尔文理论黑体辐射曲线,验证了宇宙确实存在完美符合普朗克黑体辐射理论的背景辐射。当时结果发表时,有2000多人参加了发布会,全体起立热烈鼓掌几分钟以示赞赏,因为这个结果是如此令人惊叹。

 

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1989年发射的宇宙背景探测器(COBE)测量的43个数据点在0.25%精度上符合2.73 K理论黑体辐射曲线;


宇宙大爆炸理论认为,宇宙在形成时非常短的时间内(10的-35次方到10的-32次方秒)发生大爆炸。如果这一假说成立,则爆炸中形成的高密度等离子体物质充分混合后,在爆炸后的扩张中形成了现在的宇宙背景;宇宙背景中的一些涨落导致了现代宇宙背景中微小的变化。而通过这一理论计算得出的宇宙背景辐射2.73开尔文的结果与测量的结果相符合,无疑成为了宇宙大爆炸理论重要的里程碑。


后来,威尔金森卫星和普朗克卫星分别与2001年、2009年给出了关于宇宙微波背景辐射更加精确的测量结果。在此之前的1998年,BOOMERANG气球在南极飞行了1011天,用于测量宇宙背景的微小变化。其最终结论认为宇宙是平直的,意味着总质量和产生的张力基本上平衡——这意味着宇宙目前不会爆炸,也不会完全坍缩。而根据普朗克卫星结果计算,宇宙年龄为138.2 亿年、普通物质4.9%、暗物质26.8%、暗能量68.3%。这些都是在天体物理学发展过程中的重要结果。


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COBE(1989,上图)、威尔金森(2001,中图)和Plank(2009,下图)宇宙背景测量结果。


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不同波段的空间望远镜


随着技术的发展,不同波段的天文观测设备也被引入。从X射线到红外光学等。其中美国国家航空航天局(NASA)发射的四颗轨道天文台卫星、哈勃望远镜等最为著名,成为了天体物理学观测和研究的重要工具。而2021年底发射的,詹姆斯·韦布空间望远镜则承担了哈勃望远镜继任者的使命,它也被认为是空间天文学的新里程碑。


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哈勃空间望远镜获得图像(左)与詹姆斯·韦布空间望远镜图像(右)比较


上面这张图是哈勃与詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄获得的图像比较。由于詹姆斯·韦布望远镜的激光面积更大,所以它可以观测的深度更深,同时对天体观测的精细程度更好,从这个图像可以明显地看出它相对于哈勃望远镜的优势。图像主体是SMACS 0723星系团,该星系团质量非常大,扭曲时空,形成引力透镜效应,把背后更遥远更暗的星系图像放大、扭曲、拉伸。由此看到了更为遥远的暗弱星系,远至130亿光年。


这里顺便提一下,在宇宙学研究中,引力透镜现象成为了重要的工具。强引力透镜效应是遥远背景星的光线经过前景星的引力作用形成的透镜效应。此外,还有弱引力透镜效应的研究,通过每个星点的椭率变化来研究暗物质在宇宙中的分布。这些研究已经变得更加定量化。

 

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宇宙演化图景:a.大爆炸和暴涨过程 b.核合成时代 c.复合时代-宇宙微波背景 d.黑暗时代-再电离-第一代恒星生成 e.星系-星系团-大尺度结构-暗能量和加速膨胀


目前,得益于空间天文学的发展,整个天文学领域对于宇宙演化的图景已经形成了主流观点:宇宙大爆炸过程作为宇宙演化的开端过程,形成了宇宙微波背景,并最终形成星系团的大尺度结构。目前,宇宙仍然处于加速膨胀的过程中。然而对于宇宙为何加速膨胀,尽管已经有了一些观测现象(如红移),但原因仍然未知。


另外,科学家还在研究构成天体的物质,在天体的一生,以及消亡之后,是怎样流动的。当恒星耗尽核燃料并发生聚热核反应时,其最终会演化成红巨星。在红巨星的末期,恒星会发生超新星爆炸,形成几种可能的致密天体,包括白矮星、中子星和黑洞。这些星际物质在宇宙中循环流动,有可能导致新的恒星的形成。上述过程就是宇宙重子物质循环基本的理论框架。得益于空间天文学带来的观测技术的提升,我们对这一理论才有了更深入的理解。


第三个领域是月球和行星科学。月球和行星科学实际上是早期天体物理研究的一个重要领域。现在,它已经发展成为一个相对独立的研究领域,主要关注离地球最近的天体——月球,以及太阳系中的其他主要天体。过去的几十年间,人类已经用200多个深空探测器对太阳系中的行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星进行了抵近或着陆巡视,实现了对各天体大气、磁场、重力场、物质组成、形貌、地质进行观测或取样。

 

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阿波罗11号登上月球


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好奇号发现的火星上流水作用冲刷的沟渠


月球和行星科学的发展总体上构建了新的太阳系及其他天体的知识体系。这个知识体系目前仍然是研究的热点,包括月球的形成演化和地球的关系。主流的观点认为,在月球诞生早期,有一个较大的行星与地球相撞,将地球的一部分撞成熔融状态形成了我们现在所看到的月球,这就是地月同源的现象。月球上的极区,特别是阴影区,可能有水冰的存在。月球上也可能有潜在的其他资源,这些资源引起了人们的高度关注。


此外,人类还在一些可能存在液态水的行星或卫星上探索是否曾经有生命的存在,以及对这些星球的环境和大气进行考察。有些星球可能曾经存在与地球类似大气层,但由于这些星球早期内禀磁场的衰亡等其他因素造成大气的逃逸,导致这些星球如今呈现出一种死寂的状态。例如,美国的火星探测车勇气号、机遇号、凤凰号、好奇号,以及最近的毅力号等,都是在这个方向上进行探索。如今已经发现火星表面水、甲烷和水冰。此外,人们还发现土星的卫星土卫二存在内体海洋等。这些任务的目标都是寻找早期可能存在的生命迹象。

 

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左:双探测器-勇气号/机遇号火星巡视器;200右:凤凰号火星探测器,2008


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左:好奇号火星巡视器,2012 右:毅力号火星巡视器,2021


在过去的20年里,中国的月球和火星探测也取得了重大进展。例如,嫦娥1号到5号的任务取得了重要的结果;火星探测方面实现了首次在火星背面着陆,以及祝融号火星车的成功。同时,天问一号任务也取得了重大的技术和科学探索成果。

 

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2021年5月15日7时18分,我国首次火星任务,2022年5月5日, “祝融号”火星车顺利着陆火星,在火星表面工作347个火星日,累计行驶1921米


第四个领域是空间地球科学大家可能会疑惑,为什么现在有许多气象卫星、海洋卫星和资源卫星,我们还要专门将空间地球科学作为一个独立的研究方向。实际上,不同于前面提到的这几种遥感业务卫星的目标,空间地球科学是通过空间观测研究地球作为太阳系中的一颗行星的其整体行为和变化(尤其是动态变化)的学科。空间地球科学的概念是在空间探索中提出的,它要求我们系统性地研究其各个圈层,包括水圈、大气圈、岩石圈以及人类活动圈层的相互作用。


除了各圈层相互作用与气候调控过程,空间地球科学研究的重点还有地球上水、碳、能量的循环,人类活动、生态、农牧业、水资源和人类健康对气候变化的敏感性和适应性以及地球系统的稳定性和变化规律。在过去的几十年里,空间地球科学取得了一系列的重大成就,包括获得诺贝尔奖的发现极区大气臭氧洞,获取全球重力场、冰水动态变化,对海洋环流、地球能量收支、陆-海-气相互作用的定量化研究等等。


空间地球科学具有许多重要的意义,它是应对全球变化等重大问题的重要科学方向之一;同时也在保障着人类生活质量和永续发展,与我们的生活息息相关。正如我们现在可以感受到的,今年的夏天大家都觉得非常炎热,全球变暖已经越来越贴近我们的日常生活。


下面简要介绍一些有代表性的工作。比如利用卫星对全球洋流及其他变化进行探测。大家知道,洋流是输送热量的重要途径。除了大气循环之外,海洋循环对地球不同大洲、不同地区的气候变化都有重要影响。下面这幅图片展示的是NASA用2005年到2007年的卫星数据,用可视化技术展现的全球海洋表层洋流图像。通过这些卫星获得的图像,科学家可以分析海洋中热量和碳元素的输送过程。

 

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全球海洋表层洋流图像


此外,还有一些关于固体地球的测量工作,如GRACE和GRACE-FO卫星。GRACE和GRACE-FO项目各有两颗一模一样的卫星。它们都是地球重力测量卫星,通过两颗卫星的微波干涉来精密地测量两颗卫星轨道的相对变化,从而进行地球高阶重力场测量。后来发射的GRACE-FO卫星除了微波干涉之外,还增加了激光干涉。这些卫星除了测量静态的地球重力场,还可以监测地球重力场的动态高级变化。比如,GRACE-FO卫星显示出了对地球水资源的全球运动和冰雪融化的极高敏感性,这使得科学家得以利用它们监测地球上冰层融化、冰川退缩、海平面上升、地下水减少等现象和趋势。


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第二代重力恢复和气候卫星GRACE-FO(微波-激光)


第五个领域是空间生命科学和人体科学研究。在这方面,我也算是一个门外汉,因此讲得稍微简略一些。生命是最复杂的物质组成形式,它的复杂性不仅仅体现在各种生物大分子的复杂上,还包括新陈代谢、遗传变化以及意识的产生。从低等的生物到人类,不同的生命形式也具有不同的复杂程度。然而,无论是低等还是高等的生命形式,包括人类在内,都是在地球重力场和大气层遮挡的条件下逐步演化和进化的。那么,当生物进入太空后,会面临哪些变化?它们如何响应这些变化?这是一个重要问题。


关于生命如何产生的问题也备受关注。生命是在地球内部自然产生的,还是在星际环境中产生的?这些问题是空间生命科学聚焦的重大课题,也与未来人类进一步探索外太空的基本问题、防护问题以及生存保障问题密切相关。


空间生命科学研究的就是地球生物进入空间后的响应以及宇宙中生命存在这两个方面。目前该领域的研究重点主要集中在微重力和辐射条件下的生物学。此外地球上存在磁场,许多生物与磁活动密切相关。然而,在太空中,磁场可能较弱甚至不存在,这将对生物的认知和脑活动产生影响。此外,宇宙生物学还研究在整个宇宙形成演化的大框架下生命的存在和发展问题。

 

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空间站上的小鼠培养装置,已经利用小鼠开展了多批次、大量的生理学和行为学研究


值得一提的是,美国曾进行过一项著名的实验,将一对宇航员双胞胎中的一位送入太空生活三百四十天,另一位则留在地面。结果发现,兄弟二人中8%的基因表达似乎发生了不可逆的改变。这可能是由于宇宙中的辐射和微重力复合效应引起的一些问题。尽管目前还没有完全了解造成这种改变的原因,但科学家已经利用了大量细胞、微生物、水生生物、植物和动物在太空中开展关于这方面的实验,这成为了生命科学研究领域中一个独特而重要的分支。


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宇航员斯科特·凯利在太空生活了340天,与此同时他的兄弟马克·凯利则留在地面上


第六个领域是微重力科学。由于地球的重力存在,许多物理规律在地面上进行实验时无法完全理解或观察到。然而,在没有重力的情况下,对于液体、熔融体、气体以及原子分子等可以流动的物质体系的研究具有极其重要的影响。


例如,沉降、浮力对流和分层等效应的产生都是由于重力的存在。然而,在微重力环境下,这些现象都无法再观察。此外,在微重力情况下的流动行为也会有所不同。由于温度梯度引起的表面张力不均匀性以及溶质浓度差异等因素,会出现热毛细现象,使得流动现象更加突出。

 

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微重力下的液滴燃烧


此外,地面上发生的燃烧过程中,化学动力学过程常常被重力导致对流引起的影响所掩盖。而在微重力环境下,没有了对流的影响,人们可以对燃烧过程的化学动力学过程进行更加仔细和有针对性的研究。

 

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微重力下的一种新奇量子物态——玻色-爱因斯坦凝聚体


在过去的几十年里,微重力科学揭示了界面张力、浓度梯度驱动的特殊流动规律,发现了微重力环境下物质与能量输运、相变等特殊规律。微重力环境下的晶体生长动力学、过冷与非平衡相变等也取得重要进展。


以上就是空间科学的主要研究领域。实际上,除了以上提到的六个领域,空间科学还在基础物理研究中不断拓展,在开拓新物理的道路上不断探索。例如引力物理和广义相对论的检验,包括惯性拖拽效应、等效原理、引力量子化、引力相互作用的宇称守恒破缺、引力红移等。以及发现了微重力和超冷条件下的量子新奇现象,例如超冷原子分子在空间中的玻色-爱因斯坦凝聚。量子物理方面,借助空间科学卫星开展了广域量子非定域性检验,弯曲时空下量子态演化等方面的检验。此外,还有对远平衡态系统和研究。可以看出,空间物理研究探索基础物理的规律具有重要意义。



我国空间科学的发展和展望


接下来,我将介绍一些关于我国在空间科学领域所做的工作和取得的成果。中国空间科学的起步相对较晚,而早期的时候,在20世纪70年代后期到80年代期间,我们主要致力于高空气球的研究。我们发展了科学气球技术,并在这一时期完成了一些重要的实验,其中包括脉冲星的测量。我们利用高空气球在国内首次测量了脉冲星周期,成功地测得了一颗脉冲星的周期为33.3毫秒。尽管当时的设备条件相对简陋,但我们仍然在信噪比较低的情况下取得了这一成果。


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1984年5月23日,3万立方米的气球在飞行6小时后,首次观测到蟹状星云脉冲星PSR B0531+21的脉冲周期。该成果获中科院自然科学二等奖。


八十年代我国一些机构,比如紫金山天文台,还利用气球在X射线天文学、红外天文学等领域开展了一系列的研究和实验。例如,我们研究了宇宙尘捕获、太阳的物理过程,高层大气的特性以及激光传输特性等。

 

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紫金山天文台航恒荣团队研制的硬X射线天文气体探测器,1983-1986年间多次飞行

 

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紫金山天文台刘彩萍团队研制的30公分球载远红外望远镜,采用液氦制冷,偏置导星5万立方米,1986-1988年间观测到塞弗特星系的红外辐射等


我还想特别提到一项给我们留下深刻印象的实验,这是安徽光机所进行的大气湍流精细观测实验。在研究地球大气流动的过程中,他们利用极其灵敏的温度传感器探测到了地球大气在非常小(几十厘米)尺度下的温度波动。这让我想到了未来在进行激光传输或量子传输研究时,地球大气在不同尺度上与光学传播的湍流结构之间的有趣关联,这是一个相当复杂的过程。

 

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大气中激光传输特性研究


我们还与德国合作进行了一项微重力实验。实验中,我们在40公里的高度的气球上让一个流线型的、受到空气阻力很小的落舱使用自由落体方式下落,同时在落舱后加入了微推进器,以保持下降过程中的微重力水平在10的-4次方左右。研究人员当时在下落的60秒过程内,利用自由落体产生的微重力环境共进行了5个实验。其中包括细胞电融合实验。通过在微重力下对不同大小和质量的细胞进行随机排列,并观察它们的融合效果;此外还有V型火焰燃烧实验。这些的目的之一就是为了我国后续的空间站实验做准备,实验都取得了良好的实验结果。

 

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1996年,与德国OHB公司合作开展气球微重力实验


我们还利用气球进行HAPI-4望远镜直接解调成像方法验证的实验。通过对天鹅座X射线源CygX-1的观测,我们成功验证了利用准直器和非位置灵敏的探测器进行成像的方法,并且发现这种方法的分辨率要远高于当时美国使用的编码孔径的成像方法。这项研究为我国后续 “慧眼”成像的立项卫星奠定了基础。

 

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1993年HAPI-4望远镜对CygX-1的直接解调成像观测


总体来说,尽管起步较晚,但近年来我国空间科学发展速度较快,已经取得了一系列重要成果,并进入了蓬勃发展的新阶段。目前,我国的空间科学的研究重点主要是以下三个方面。


首先是载人航天工程方面,自2000年以来,我国在神舟系列飞船、天宫空间实验室、货运飞船上开展了上百项空间科学研究。2022年,我国的空间站建成,这意味着我国也开展了一段将持续10-15年的长时间、大规模、系列化的空间科学研究。


其次探月工程和深空探测方面,自2007年以来,我国实施了嫦娥1号至5号的绕月、月球的软着陆巡视和采样返回、月背着陆巡视任务。此外,天问一号火星探测器也已成功着陆并进行巡视探测,未来还将持续开展月球探测,实施火星的采样返回,以及对小行星、木星系统探测的更多任务。我国载人登月任务也已经开始启动实施。


最后一个方面就是科学卫星。科学卫星在我国空间研究中的地位越来越重要,逐渐成为主力。目前,我国的空间科学先导专项一期4颗卫星已经圆满完成任务,其中包括“墨子号”量子科学试验卫星。目前我国正在实施先导专项二期任务,还将有4颗卫星发射升空并开展科学实验。同时,我国还准备立项和开始研究其他多颗科学卫星,其他相关部门和高校也在积极开展空间科学卫星的工作,逐步建立我国的科学卫星系列。


下面我先讲一下我国载人航天工程的前期的空间科学研究。前期的时间范围大致是指1992年至2017年,这段时间我国载人航天工程主要利用神舟号飞船和天宫空间实验室进行空间科学研究。


2001年利用神舟二号飞船进行的伽马射线暴和太阳高能辐射探测,是我国第一次进行真正意义上的外太空的空间天文研究。中国科学院高能物理研究所和紫金山天文台合作研制了宽谱段、高时间精度的X和伽马射线探测器系统。


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左:紫金山天文台研制的软X射线探测器-薄窗气体正比计数器;右:中国科学院高能物理研究所研制的X射线探测器-NaI(TI)闪烁晶体探测器


利用该系统,研究人员观测到30例宇宙伽马射线暴及它们在传播中的吸收特性,通过与国外卫星的联测定位确定了伽马射线暴的源头,探测到80多例太阳爆发活动事例高能辐射流量和能谱。


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2001年1月17日神舟二号搭载的X射线探测器发现第一个宇宙伽马射线暴


2016年,天宫二号进行了一个空间冷原子钟的实验,同时也是国际上首个空间冷原子钟实验。该实验利用激光做原子冷却,然后通过微波相互作用,得到一个非常高精度的频率。据其自评估的结果,其稳定度达到了7.2×10-16每天,比欧洲和美国ACES计划规划达到该稳定度量级的预期时间提早了至少七年。

 

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冷原子钟测试后在酒泉卫星发射中心装入天宫二号舱内

 

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天宫二号空间冷原子钟实验结果


此外,天宫二号还进行了一项关于伽马射线暴偏振探测的实验,该实验对伽马射线暴的研究具有重要价值。前面讲的神舟二号的伽马射线暴探测是对总的流量进行探测。而对伽马射线暴的偏振进行探测将使人们能对伽马暴辐射源性质和辐射机制有更深入的了解。该实验在半年内探测到55例伽马暴,对其中5例伽马暴偏振分析获得首批最精确的伽马暴偏振测量结果,并发现了偏振度的时间变化新现象,显示偏振度低于流行的物理模型,且偏振度随极化角演变。


天宫二号上还开展了高等植物生长研究。我国首次完成高等植物“从种子到种子”包括萌发、生长、开花结籽的的空间长周期培养实验。实验首次发现拟南芥荧光蛋白标记开花基因表达强烈,长日照下植物生命周期显著长于地面等科学结果;首次证明光周期诱导植物开花受到了微重力的影响;并研究了微重力对于水稻吐水、向性生长的影响。

 

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天宫二号上利用长日照植物(拟南芥),短日照植物(水稻)开展高等植物生长研究


这是天宫二号上的液桥热毛细对流实验。此实验在两个固态的柱体之间夹住液体。两个柱体的温度不一样从而在液体中产生了温度梯度,导致的热毛细对流在不同条件下有振荡、转捩等复杂的现象。天宫二号上还进行了多样品材料空间制备研究,开展了热电、红外、磁性、合金及亚稳、金属基复合材料,功能晶体、纳米及复合材料等12项实验。

 

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天宫二号上的液桥热毛细对流实验


2017年,研究人员在天舟一号货运飞船上开展了我国最大规模的空间细胞(干细胞)培养。8种共48个培养室中全部细胞增殖和分化正常,取得丰富成果。与地面相比,空间中细胞分化发育时间普遍提前。研究人员还首次在微重力条件下观察到体外诱导人类胚胎干细胞获得的原始生殖细胞。

 

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首次在微重力条件下观察到体外诱导人类胚胎干细胞获得原始生殖细胞


航天领域光谱成像仪的发展经历了三代。过去,光谱成像主要是对地观测中的一般图像和彩色图像。然而,随着技术的进步,现在每个像素都具有几十个甚至上百个波段,形成了一种新的光谱成像体制,被称为数据立方体或光谱立方体。2002年,神舟二号首次实现了这一技术,使中国成为第二个实现全谱段光谱成像的国家。


到了2011年,天宫一号成功发射,配备了高分辨率的成像光谱仪。而在2016年,天宫二号进一步升级,采用了宽波段的高光谱成像仪,并具备调整通道宽度的能力。这一突破性技术对于大气、地表以及环境水系等方面的研究具有重要意义,已经成为全球环境研究的重要工具。

 

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天宫二号上宽幅全谱段高光谱通带可调成像光谱仪获得的图像


在天宫二号上,还发展了第二代云和大气偏振探测红外设备,这在国内尚属首台长波红外探测器,对于地表热传感能力具有重要意义。通过该仪器,我们可以观察到43毫开尔文的温度变化。例如在傍晚时,水体温度仍然偏高,而附近的庄稼和山林温度已经降低。同样地,城市中的房屋温度也相对较高。这些数据对于气候变化研究具有重要价值。

 

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我国利用天宫二号上第二代云和大气偏振探测红外设备,首次观测到水云的高偏振虹圈现象和洋面耀斑偏振


三维成像雷达高度计也是地球科学领域的一项关键技术。虽然人类在过去全球变化的研究工作中取得了一些成果,但并不全面。然而,随着仪器技术的发展,三维成像雷达高度计为全球变化的研究和相关领域的应用提供了极其重要的手段。通过该仪器获取的海面波浪形态数据,可以揭示海洋动力现象,如海浪、海风等。这对于了解海陆地形附近的海洋现象具有重要意义。

 

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天宫二号微波成像高度计获取的广东省雷州市和安镇、新寮镇、锦和镇、外罗镇沿海海陆交界及岛屿三维形貌

 

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天宫二号微波成像高度计获取的十分清晰的海岸带和海洋浪涌现象


下面我将介绍载人空间站的科学任务及主要设施。去年我们国家成功建成了空间站组合体。这是我国历经近30年的载人航天积累的技术突破的结果,也是我国相关领域科学家们所期盼的。这为国内外科学家未来在这一领域的研究提供了重要的历史机遇。


空间站的主要目标是利用空间微重力辐射和突破大气屏障等特殊条件,研究生命物质运动的基本规律,同时也探索宇宙天体和地球系统科学的问题。主要研究方面包括生命科学人体研究、微重力科学、空间天文以及新技术实验等。我们期望通过10至15年的努力,推动我国基础科学研究和空间科学研究走向世界前沿。

 

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目前,空间站是我国规模最大、领域最广的空间研究计划。下面我将简要介绍其中的一些实验装置。这些实验装置主要是以实验柜的形式存在的。实验柜是采用先进测试诊断技术的小型空间实验室,能够适应一系列不同领域的科学研究工作。


生命科学方面有两个主要的实验装置。生命生态科学实验柜是一个用于开展生物个体研究的实验柜,可以容纳植物、昆虫、小鼠以及微生物、水生生物等生物,以这些生物为对象开展个体水平上的空间生命科学基础和应用研究。


另外一个是生物技术科学实验柜,它主要应用于生命体的部件研究,如细胞、干细胞组织、类器官培养以及蛋白质生物分子的研究。这些研究需要大量的仪器支持,并配备生命保障条件来确保实验样品的安全运输和存储。实验结束后,样品可以被存储在低温存储装置中,既可以返回地面,也可以通过观察设备在天上获取部分研究成果。

 

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左:生命生态科学实验柜 右:生物技术科学实验柜


在材料科学方面,我们也有两个主要装置。首先是静电悬浮的无容器材料科学实验柜,它通过静电作用使各种带电材料悬浮在一个容器中,并通过激光进行加热。这个实验柜可以用于研究材料的凝固、熔融和过冷现象,尤其是热物性的测试。目前已经完成金属锆,钛钴钆、锆钒、铌硅合金等大批研究,首次在轨获取了材料深过冷凝固再辉、结晶生长等重要科学数据。

 

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实验过程——锆钒合金样品融化前(左)、融化后(中)和凝固后的状态(右)


其次是高温材料科学实验柜,它利用高温炉体对金属合金、无机材料以及光电子材料、纳米材料等进行熔融、凝固、处理。该实验柜具备X射线成像和原位检测能力。样品通常包裹在石英鞘体(安瓿瓶)中,像左轮手枪的子弹一样装在批量样品管理模块里,从而使得这个装置每批可以处理16个样品。

 

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高温材料科学实验柜


通用流体物理实验柜是流体研究的基本设备之一。它可用于开展流体动力学、复杂流体、其他透明体系材料、生物体等材料在微重力下的流体和传热传质实验研究。该实验柜配备了先进的光学诊断系统,包括数字全息技术等。实验容器可以根据需要更换,以便开展不同的实验。此外,还有两相流体实验柜,用于研究蒸发冷却、微重力下的蒸发冷却以及两相流动现象。它可用于相变传热研究和工程技术研究。

 

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左:通用流体物理实验柜  右:两相流体实验柜


燃烧科学实验柜可以在封闭的燃烧室内进行气体、液体、固体的燃烧实验,通过插件来模拟不同类型的燃烧过程。该实验柜同样具备丰富的诊断设备,可用于开展近极限低碳燃烧、节能减排、发动机内外燃和材料防火等研究,以及研究燃烧过程中的化学动力学过程。

 

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左:燃烧室和气体供给组件  中:光学板背面诊断设备  右:燃烧实验插件(气体)


超冷原子科学实验柜,可通过二维磁光阱、三维磁光阱和光阱蒸发对铷原子进行多级冷却,将铷原子的温度冷却到几个纳开尔文级别。该装置还具有光晶格,将铷原子装载到光晶格后可进行更丰富的超低温原子物理实验,比如开展极低温下量子新物态、声波黑洞等基础物理前沿研究。


高精度时间频率科学实验柜包括了主动氢钟、冷原子铷微波钟等。实验柜各项性能已经满足了高精度时间频率实验的要求,并可与位于密云、嘉定、西安地面固定站和流动站进行时频比对。该实验柜将提供最高稳定度和准确度的时间频率,支持相对论洛伦兹不变性、精细结构常数测定、全球重力位测量等基础物理研究和广泛的应用研究。

 

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左:超冷原子科学实验柜 中、右:高精度时间频率科学实验柜


科学手套箱和低温存储柜可用于航天员直接操作科学实验,提供洁净密闭、环境可控、具有微操作能力、实验装置可更换且便于操作的手套箱。该装置支持生命科学和人体研究,材料科学和其他研究,同时可对生物样品进行低温保存,是空间站中航天员使用最频繁的设备。

 

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科学手套箱和低温存储柜


高微重力科学实验柜利用两级悬浮技术实现电磁悬浮。通过电磁作用和位置调整,实验装置能够与外部隔离,实现震动隔离和短时间漂浮。整个实验装置可以被拉到舱外,通过微推开展无拖曳实验过程。同时,实验装置的位置和姿态也可以调整。目前测试结果显示,实验装置已经达到了10-7重力加速度的重力水平。内部装置可以容纳不同的实验装置,用于开展相对论效应验证、引力物理等高精度基础物理研究及精密测量等不同实验。


变重力科学实验柜可以提供在轨变重力实验环境,开展重力相关科学实验。目前已有实验证明它在空间利用转子模拟重力效果非常有效。通过旋转产生的离心加速在天上没有重力的情况下更为实际。

 

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左:高微重力科学实验柜 右:变重力科学实验柜


在线维修装调操作实验柜具有多功能性。可用于维修操作;同时能提供洁净环境,可用于流体科学和颗粒物质等重要实验研究,并避免与其他设备干扰。

 

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在线维修装调操作实验柜


此外,在空间站舱外还有专门的暴露实验装置,可直接接受宇宙辐射并在空间暴露环境下开展不同实验。通过机械臂将样品送至实验装置进行实验,完成后再通过机械臂将其送回空间站的气闸舱。在气闸舱内充实气体后,再返回舱内进行分解、获取样品或进一步研究。

 

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空间应用材料舱外暴露实验装置


介绍完这些安装在空间站上的实验柜之后,接下来我要介绍一个重量级的空间站旗舰级科学设施——巡天空间望远镜。

 

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中国空间站巡天望远镜效果图


空间站巡天望远镜是一个两米口径的主镜,利用离轴三反光学系统进行观测。它具有非常高的分辨率,动态分辨率可达到0.15个角秒,覆盖波段从紫外到近红外,它对紫外波段的覆盖在国际上都是很独特的。此外,它的视场较大,光学视场可达1.5度,巡天面的总视场约为1.1个平方度,这在国际上是最大的之一。它还具有快摆进稳向三级控制的能力,是国际上第四代光学巡天的重要装备之一。目前,它正处于测试集成的初样阶段,并有望达到指标并满足各种科学研究的需求。


该望远镜的主要研究领域包括宇宙学、星系科学、活动星系核以及恒星科学(特别包括银河系和邻近宇宙的研究)、太阳系天体与系外行星的研究、天体位置的测量以及重大天文事件响应的研究等等。目前我国已经成立了4个科学中心,有超过500位天文学家参与其中,并且已经成立了空间巡天望远镜的科学工作委员会。这些天文学家将合作推动空间望远镜的应用,并在研制过程中提供指导和支持。


除了巡天模块外,该望远镜还包括多通道成像仪、积分视场光谱仪、成像星冕仪、太赫兹谱仪等装置。这些装置使得望远镜的功能更加复杂和完善。

 

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高能宇宙辐射和暗物质探测器布局


下面介绍高能宇宙辐射和暗物质探测设施。这项设施已经通过国际评估,并且经过了整个运营阶段的规划,下一步将立即推动实施。该设施预计探测灵敏度、能量范围比现有设备高一个量级,会显著提高粒子天体物理研究的能力。这将为宇宙线研究、暗物质探索以及高能伽马射线天文方面做出重大贡献。


最后我们来看一下科学卫星。科学卫星是开展基础科学研究中不可或缺的工具。目前,中国已经发射了一系列的科学卫星。中国科学院空间科学先导专项一期包括暗物质粒子探测卫星、量子科学实验卫星、硬X射线调制望远镜、实践十号科学实验卫星,二期则包括引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM),先进天基太阳天文台(ASO-S)爱因斯坦探针(EP)、太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)。此外,还有其他部门支持的科学卫星。比如清华大学的极光-天格微卫星、国家航天局“羲和号”太阳卫星、中法天文星暂现源观测台(SVOM)以及国家实验室的下一代量子科学卫星。

 

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“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次完成千公里双向和洲际量子密钥纠缠分发、量子隐形传态实验


这些科学卫星的成功升空为我国在基础研究领域取得了一系列重大成果。例如“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次完成千公里双向和洲际量子密钥纠缠分发、量子隐形传态实验;“悟空号”暗物质粒子探测卫星显示电子能谱在大约1 TeV处的拐折,为暗物质的探索提供了重要线索;硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”对首个双中子星并合引力波事件在0.20-5 MeV的辐射给出了最严格的限制等。

 

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HXMT(慧眼)卫星的有效载荷,具有宽能区、高灵敏度、高能量分辨率、高时间分辨率和独特成像能力


正在研制的天文卫星-宇宙变源监视器 SVOM是由中国和法国共同合作的,其主要科学目标为发现和快速定位各种伽马暴,从伽马到近红外全面测量伽马暴的电磁辐射性质和探测、分析伽马暴及其余辉,研究宇宙演化和暗能量。中法双方研制流程不同并有所结合,法方对科学需求的不断挖掘、天地大系统的同步推进,深入的阶段评估有借鉴意义。


正在研制的天文卫星-爱因斯坦探针(EP) 已经全面完成初样研制进入正样研制阶段,正在集成测试,将于2023年底在西昌发射。而中高轨量子科学卫星已经立项,将携带着空间冷原子光钟冲击更高的精度。


最后,我将用几分钟的时间讲一些结语。空间科学是一个充满无限可能的领域。它开辟了全新的研究途径,冲破地球大气,获得了无遮挡视野;极大地拓展了探索疆域,使人类探索宇宙的尺度得到了极大扩展。此外空间科学可以在地面无法模拟的微重力、有宇宙射线的特殊环境中进行物理学和生命科学研究。


空间科学研究最具挑战性和重要的科学问题是重大基础前沿科学问题。通过观测和探测,我们可以深入了解基本物理规律、宇宙的起源、暗物质的性质、生命起源和本质、太阳系和地球变化趋势等根本性问题。同时,空间科学也需要重视应用技术研究,为产业变革提供重要支持。空间科学前沿与尖端技术的结合还将有望成为高技术发展的新引擎。这需要科学家们具备综合的素质和科学最前沿的知识,不断积累经验和技术能力。


最后用一句话归纳一下,空间科学处于探索科学规律的前沿,是科学发现的无尽源泉,采用独特途径,担当突破先锋,开辟了无限可能。希望我们大家一起进入太空,不断探索,谢谢大家!


(文字版报告由张浩然整理,顾逸东院士审核。)


顾逸东,空间科学与应用技术专家,中国科学院院士。现任中国载人航天工程空间科学首席专家,中科院空间应用中心学术委员会主任,两个科学卫星项目总师。


1970年毕业于清华大学工程物理系,曾任中科院高能物理研究所宇宙线研究室副主任,中科院空间科学中心副主任、主任,光电研究院副院长、院长,载人航天工程空间应用系统总设计师、总指挥,中国空间科学学会理事长,第十一届、十二届全国人大代表和全国人大环资委委员。


早年从事宇宙射线和科学气球技术研究,主持建立了我国高空科学气球系统,推动了我国气球宇宙射线、X射线天文和多学科高空科学探测。在载人航天工程中,领导建设了天地一体化的空间应用技术体系,组织完成了神舟系列飞船和天宫系列空间实验室的科学与应用任务,取得了突破性 成果,领导了空间站空间科学与应用任务的规划论证,发表论文和撰写报告100余篇。


曾获全国五一劳动奖章,国家科技进步特等奖,求是科学基金会杰出科技成就集体奖等奖项。