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空間科學(xué)與深空探測是牽引世界航天活動和當(dāng)代科學(xué)研究邁向“四極”的重要途徑。本文主要依據(jù)國際最具影響力期刊的空間科學(xué)亮點(diǎn)成果，概略梳理了2024年全球空間科學(xué)重要進(jìn)展，特別是美國韋布望遠(yuǎn)鏡在揭示宇宙早期演化、系外行星研究方面取得新突破，嫦娥任務(wù)月球樣品揭示月球更早歷史，冰衛(wèi)星漸成國際深空探測新熱點(diǎn)等尤值關(guān)注。中國啟動載人登月任務(wù)，并將實(shí)施天問三號火星采樣返回，或?qū)⒅厮苋蚩臻g科學(xué)和探索格局；歐洲發(fā)布至2040年對地觀測戰(zhàn)略，美國發(fā)布2024版太陽與空間物理十年規(guī)劃，中國發(fā)布首個國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年），更是意義重大、影響深遠(yuǎn)。
空間科學(xué)既是天文、物理、化學(xué)、地學(xué)、生命等傳統(tǒng)母學(xué)科的新興前沿、交叉學(xué)科，又倚重航天高新技術(shù)的顛覆式創(chuàng)新，集中體現(xiàn)了科學(xué)研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進(jìn)、向極綜合交叉發(fā)力，不斷突破人類認(rèn)知邊界的顯著特征?；仨?024年，世界航天發(fā)射超過220次，其中專用科學(xué)衛(wèi)星/深空探測器的發(fā)射近10次，幾乎全部由美國、歐洲和中國三方包攬（表1），側(cè)面反映了空間科學(xué)世界第一方陣的格局。除了這些新升空的太空探索利器很是引人矚目外，中外科學(xué)家圍繞宇宙起源和演化、太陽系與人類的關(guān)系等科學(xué)難題，又取得了諸多足以影響未來學(xué)科發(fā)展和更新人類知識體系的新成果，潛移默化改變著人類的世界觀、價值觀和發(fā)展觀。
表1 2024年全球主要空間科學(xué)任務(wù)簡表
限于篇幅，依據(jù)若干具較高國際影響力學(xué)術(shù)期刊空間科學(xué)亮點(diǎn)論文，以空間天文、日球?qū)游锢?、月球與行星科學(xué)、空間地球科學(xué)和載人航天的中外標(biāo)志性原創(chuàng)突破和里程碑進(jìn)展為主線，通過10大熱點(diǎn)回眸，以期提綱挈領(lǐng)，盤點(diǎn)過往，啟迪未來。
1 韋布望遠(yuǎn)鏡揭示早期宇宙演化，“天關(guān)”衛(wèi)星發(fā)布首批科學(xué)成果
早期宇宙歷史關(guān)乎宇宙起源和大爆炸理論。2021年12月發(fā)射至日地拉格朗日L2點(diǎn)的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），正憑借其卓越的紅外觀測能力，成為人們獲取宇宙深處數(shù)據(jù)的主要工具，時隔2年，2024年因探測宇宙黎明時期的新發(fā)現(xiàn)再次入圍Science年度10大科學(xué)突破。繼“悟空”“慧眼”“懷柔一號”等天文衛(wèi)星之后，中國在2024年初發(fā)射的愛因斯坦探針衛(wèi)星（EP）完成在軌交付，標(biāo)志著X射線時域天文領(lǐng)域進(jìn)入新的時代。中國科學(xué)院將其命名為“天關(guān)”，既是中國古代/北宋天象記錄“天關(guān)客星”服務(wù)于現(xiàn)代天文學(xué)研究的極佳詮釋，也體現(xiàn)了中國在超新星爆發(fā)觀測（SN1054）的深厚淵源和對世界天文學(xué)的卓越貢獻(xiàn)。
見證宇宙首批恒星系統(tǒng)的構(gòu)建。丹麥科研人員借助JWST的近紅外光譜儀（NIRSpec），分析了12個紅移大于8的星系樣本，并根據(jù)中性氫的吸收光譜特征，確認(rèn)其中3個形成于宇宙大爆炸后的4億~6億年內(nèi)，屬于宇宙中最早誕生的一批星系。那時宇宙處于138億年總壽命的前3%~4%時期，可謂天文學(xué)家第一次直接“看見”星系的形成。他們已申請了JWST的更多觀測時間，以不斷擴(kuò)展人類觀測到的宇宙時空極限。此外，瑞典科研團(tuán)隊利用JWST的近紅外相機(jī)（NIRCam），在宇宙大爆炸后4.6億年的一個名為“宇宙寶石弧”（Cosmic Gems Arc，紅移值z≈10.2）的星系中發(fā)現(xiàn)了球狀星團(tuán)。這可能是迄今已知最早的圓球狀星團(tuán)，為了解再電離時期（大爆炸后約37.9萬年開始）的星系特性及其形成過程提供了一個窗口。
新發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)星系形成理論。瑞士科研人員亦借助JWST NIRCam，通過“第一周期再電離時期光譜完整觀測項(xiàng)目”（FRESCO）巡天，精確測量星系的距離和恒星質(zhì)量，從36個樣本中發(fā)現(xiàn)了3個來自早期宇宙的超大質(zhì)量星系。這些星系幾乎與銀河系一樣大，其紅移值介于z=5到z=9之間，意味著它們存在于宇宙大爆炸后的前10億年內(nèi)。該發(fā)現(xiàn)表明，早期宇宙中的恒星形成效率明顯高于之前的認(rèn)知，挑戰(zhàn)早期恒星/星系緩慢形成并逐漸增大的現(xiàn)有共識，值得后續(xù)利用JWST和阿塔卡馬大型毫米波陣列（AL?MA）等深入研究。有意思的是，由于它們含有大量塵埃，在JWST圖像中呈現(xiàn)出明顯的紅色，被昵稱為3個“紅色怪物”（圖1）。
圖1 JWST捕捉到宇宙大爆炸后第一個十億年形成的3個極其巨大、塵埃密集的星系“紅色怪物”（圖片來源：NASA/CSA/ESA，Xiao M和Oesch P A，Brammer G，Dawn JWST檔案）
“天關(guān)”衛(wèi)星（EP）首個原創(chuàng)成果發(fā)表在中國期刊?！疤礻P(guān)”是中國空間科學(xué)衛(wèi)星系列任務(wù)之一，配備寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT）和后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（FXT），比國際現(xiàn)有同領(lǐng)域設(shè)備探測靈敏度和空間分辨率提高1個數(shù)量級以上。在測試和運(yùn)行的初期階段，“天關(guān)”已探測到多種類型的暫現(xiàn)天體，并捕捉到多例可能的新類型暫現(xiàn)源。例如，2024年4月8日“天關(guān)”發(fā)現(xiàn)的暫現(xiàn)天體“南方朱雀客星”EP240408a（圖2），其天體的光譜和時變特征與目前已知天體類型均不完全一致，可能屬于一種前所未知的暫現(xiàn)天體類別。該發(fā)現(xiàn)對于拓展對宇宙暫現(xiàn)天體族群的認(rèn)識、理解極端物理過程具有重要科學(xué)價值?！疤礻P(guān)”探測到了紅移值z≈4.9的伽馬射線暴EP240315a，是迄今軟X射線波段的最遙遠(yuǎn)伽馬射線暴，不僅表明“天關(guān)”衛(wèi)星探測來自遙遠(yuǎn)的早期宇宙伽瑪暴的能力，也為進(jìn)一步理解恒星塌縮產(chǎn)生黑洞及相對論性噴流的物理過程提供了新的視角。實(shí)際上，這2個例子只是“天關(guān)”衛(wèi)星眾多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的冰山一角，充分展示了中國科學(xué)衛(wèi)星正在產(chǎn)出重要發(fā)現(xiàn)。
圖2 “天關(guān)”衛(wèi)星首例正式發(fā)表成果EP240408a——“南方朱雀客星”
2 新模型揭示太陽磁活動周，子午工程建成引國際關(guān)注
太陽活動周亦稱太陽磁活動周，大致為11年（9~13.6年）。按國際約定第1個太陽活動周始于1755年2月，2024—2025年將迎來第25太陽活動周峰年。2024年夏季位于北緯40°的北京等地意外頻現(xiàn)北極光，提醒人們?nèi)孕柚匾曁柋l(fā)機(jī)制研究，發(fā)展立方星座探測或多衛(wèi)星協(xié)同（圖3），開展日地月空間環(huán)境乃至太陽系空間天氣研究預(yù)報，服務(wù)現(xiàn)代社會發(fā)展和人類生命健康。2024年，歐洲空間安全計劃部署的“守望者號”（Vigil）日地L5點(diǎn)空間天氣衛(wèi)星雖取得初步開工授權(quán)（PATP），得以繼續(xù)完成衛(wèi)星B2階段（Phase B2）研制，但其發(fā)射窗口在2030年代初，未來仍需接續(xù)推動。
圖3 美國“居里號”立方雙星在軌示意，也是“日出號”（SunRISE）太陽射電干涉實(shí)驗(yàn)立方星座（6U×6，右上）的探路者
太陽發(fā)電機(jī)效應(yīng)始于太陽表面附近。傳統(tǒng)模型認(rèn)為，用來解釋太陽活動周的太陽發(fā)電機(jī)起源于太陽內(nèi)部輻射區(qū)和對流區(qū)之間的差旋層（tachocline）。而日震學(xué)將太陽低緯度扭轉(zhuǎn)振蕩精確定位到太陽外層的5%~10%，即近太陽表面剪切層。在該區(qū)域內(nèi)，向內(nèi)增加的較差自轉(zhuǎn)與極向磁場耦合，會觸發(fā)磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性。基于此，英國科研團(tuán)隊提出了一個新解析模型并通過數(shù)值模擬證實(shí)，近太陽表面剪切層的磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，可更好地解釋太陽發(fā)電機(jī)的各種特征，為準(zhǔn)確預(yù)測完整太陽磁活動周期和空間天氣提供了新見解。
“羲和號”繪制太陽大氣較差自轉(zhuǎn)三維圖像。中國科研團(tuán)隊利用羲和衛(wèi)星的多譜線、全日面、高精度太陽Hα光譜觀測數(shù)據(jù)，反演了太陽大氣從光球?qū)拥撞恐辽驅(qū)痈邔拥亩嗥绽账俣葓?。除了?yàn)證太陽較差自轉(zhuǎn)外，他們新發(fā)現(xiàn)了太陽大氣自轉(zhuǎn)速度隨高度明顯增加的“反?！弊赞D(zhuǎn)現(xiàn)象，例如在赤道處，太陽從光球?qū)拥缴驅(qū)拥男D(zhuǎn)速度逐漸加快。分析表明這源于普遍存在的小尺度磁場與色球?qū)哟髿獯嬖趶?qiáng)磁凍結(jié)效應(yīng)。該研究為理解太陽發(fā)電機(jī)、日冕加熱、太陽自轉(zhuǎn)的長期變化提供了新觀測證據(jù)。
太陽軌道器揭示慢速太陽風(fēng)起源。充滿日球?qū)拥谋尘疤栵L(fēng)源于日冕的多個來源，呈現(xiàn)高度結(jié)構(gòu)化。高速、相對均勻的太陽風(fēng)源于開放日冕/冕洞。低速、極端變化的太陽風(fēng)，其源區(qū)存在爭議。英國科研人員發(fā)現(xiàn)，2022年3月ESA主導(dǎo)的太陽軌道器（Solar Orbiter）就位探測到的太陽風(fēng)變化是由太陽大氣中多個來源的磁連接的時空變化驅(qū)動。他們精確定位出慢速太陽風(fēng)來自開放和閉合日冕“相遇”的區(qū)域，并通過磁場線斷裂和重聯(lián)過程逃逸到行星際空間。
首次完整構(gòu)建火星空間太陽高能粒子能譜。太陽高能粒子事件（SPEs）是最具破壞性的空間天氣現(xiàn)象之一，影響遍及日球?qū)?，而火星由于缺少磁場保護(hù)且大氣稀薄，高能粒子及其在火星大氣中生成的次級粒子輻射尤甚。中外科研人員針對2022年2月15日太陽高能粒子事件，利用中國天問一號軌道器（TW-1/MEPA）、ESA痕量氣體軌道器（TGO/LiulinMO）、NASA火星大氣和揮發(fā)物演化探測器（MAVEN/SEP）以及“好奇號”火星車（MSL/RAD）的粒子及輻射探測數(shù)據(jù)，結(jié)合火星大氣粒子傳輸模擬，首次完整構(gòu)建了太陽高能粒子在火星空間1~1000 MeV的完整質(zhì)子能譜。該工作不僅加深了人們對火星空間輻射環(huán)境的理解，也顯示出在火星進(jìn)行連續(xù)和協(xié)同輻射監(jiān)測的必要性。
探空火箭試驗(yàn)證實(shí)地球存在雙極電場。和地球重力場、磁場一樣，理論認(rèn)為地球也存在一個全球性靜電場或雙極電場。2022年5月11日NASA在挪威安多亞探空火箭發(fā)射場（And?ya Rocket Range）發(fā)射了“耐力號”火箭（Endurance），搭載了光電子能譜儀（PES）、掃描式朗繆爾探針（SLP）、電磁場和波探測包（FIELDS）等3種科學(xué)載荷。歐洲非相干散射雷達(dá)（EISCAT@Svalbard）在火箭探空期間同步開展電離層遙感聯(lián)合觀測。根據(jù)“耐力號”的亞軌道就位探測數(shù)據(jù)，一個美國主導(dǎo)的國際團(tuán)隊成功測量了整個地球的電場（圖4），首次證實(shí)了地球雙極電場的存在。研究表明，雙極電場使電離層膨脹并抬高了電離層的“標(biāo)高”，導(dǎo)致了兩極的“極地風(fēng)”并驅(qū)動了高空大氣逃逸。該發(fā)現(xiàn)為理解地球大氣動力學(xué)，洞察其他行星（如金星和火星）的奧秘，探索宇宙其他宜居星球提供了啟示。
圖4 “耐力號”探空火箭的任務(wù)剖面
子午工程建成引領(lǐng)全球地基空間天氣監(jiān)測。在當(dāng)今太空時代，對日地空間環(huán)境的監(jiān)測和研究對人類來說仍屬尚未完全破解的巨大挑戰(zhàn)。2024年，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程（CMP）建成并通過國家驗(yàn)收，成為世界規(guī)模最大、性能最先進(jìn)的空間環(huán)境綜合地基監(jiān)測網(wǎng)。Space Weather 2024年出版子午工程專輯，美國地球物理學(xué)會（AGU）會刊EOS中的“EOS研究亮點(diǎn)”專文予以推介。子午工程包括空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)3大系統(tǒng)。其中，空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用精心設(shè)計的“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”監(jiān)測架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對整個日地空間環(huán)境的全圈層、多要素、綜合性、立體式綜合監(jiān)測（圖5）。子午工程獲得的數(shù)據(jù)將與全球科學(xué)界共享，促進(jìn)空間天氣和空間物理研究方面的合作，并為建成國際子午圈大科學(xué)計劃（IMCP）奠定了堅實(shí)物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。
圖5 中國子午工程整合來自數(shù)百個地面監(jiān)測儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)，以監(jiān)測太陽和地球之間的空間天氣
3 嫦娥六號人類首次月背采樣，新樣品揭示月球更早歷史
月球探測是航天國家邁向深空的起點(diǎn)。雖然遙感探測曾極大推動了月球科學(xué)，但月球樣品毫無疑問仍是厘清月球物質(zhì)組成和分布特征、揭示月球火山活動歷史的第一手科學(xué)證據(jù)。特別地，中國嫦娥六號（CE-6）任務(wù)完成了人類歷史上首次月球背面采樣（圖6），并攜帶1935.3 g月壤樣品返回地球，開始產(chǎn)出一批新的重大原創(chuàng)科學(xué)成果，是中國探月工程的重要里程碑，也是2024年全球科學(xué)里程碑事件，CE-6工程副總設(shè)計師李春來入選Nature2024年10大科學(xué)人物。CE-6還搭載了法國、ESA、意大利和巴基斯坦的載荷或衛(wèi)星，為國際科技合作提供了廣闊舞臺，為全球深空探索貢獻(xiàn)了中國智慧和中國力量。
圖6 美國、蘇聯(lián)、中國月球采樣返回任務(wù)月面落點(diǎn)示意
嫦娥五號（CE-5）樣品深化月球火山活動期限研究。CE-5在2020年12月17日返回了1731 g月表年輕火山巖區(qū)樣品。2021年中國科研人員對CE-5月壤玄武巖碎屑精確定年結(jié)果更正了美國阿波羅計劃（Apollo）和蘇聯(lián)“月球號”（Luna）9次樣品給出的月球大約30億前就停止了巖漿活動的判斷，將月球的地質(zhì)生命延長了約10億年，對傳統(tǒng)的月球演化模型提出了挑戰(zhàn)。中國科研人員從3 g CE-5樣品中挑選出約3000顆玻璃微珠，通過電子探針成分測定、微量元素測定、硫同位素分析等識別出3顆火山成因玻璃珠，對其離子探針U-Pb定年表明它們的年齡是（123±15）Ma（Ma為百萬年）。這意味著，1.2億年前月球還有小規(guī)?；鹕交顒樱葘υ虑驇r漿活動歷史形成了新的時間約束，也提示人們思考20億年~1億年間是否存在未被發(fā)現(xiàn)的火山活動？是否還有更年輕的火山活動？
科學(xué)家首次在CE-5返回月壤中發(fā)現(xiàn)分子水。雖然月球不含水屬于月球科學(xué)的基本假設(shè)，月壤中發(fā)現(xiàn)的微量“水”通常以羥基（OH—）的形式存在，但中國科研人員在CE-5樣品中發(fā)現(xiàn)了一種富含水分子和銨的未知礦物晶體（ULM-1），其分子式中含有多達(dá)6個結(jié)晶水，水分子在樣品中的質(zhì)量比高達(dá)41%。單晶衍射和化學(xué)分析表明，這些月球水和銨以一種成分為（NH4，K，Cs，Rb）MgCl3·6H2O的水合礦物形式出現(xiàn)，其晶體結(jié)構(gòu)和組成與地球上近年來發(fā)現(xiàn)的一種稀有火山口礦物相似，其存在對于月球火山氣體的組成給出重要約束。該成果也揭示了月球上水分子可能存在的一種形式——水合鹽，為未來月球資源的開發(fā)提供了新可能性。此外，中國科研團(tuán)隊首次在CE-5樣品中發(fā)現(xiàn)月球天然形成的少層石墨烯，拓寬了人們對月壤復(fù)雜礦物組成的認(rèn)知，為月球的原位資源利用提供了重要信息及線索。
CE-6樣品首次揭示月背火山活動歷史，為認(rèn)識整個月球的地質(zhì)歷史提供了獨(dú)特新視角。CE-6著陸點(diǎn)位于月球背面南極-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地內(nèi)部阿波羅隕石坑（Apollo Basin）邊緣，該區(qū)域月殼極薄，有望揭露月球背面早期撞擊盆地的原始物質(zhì)。初步分析表明，CE-6樣品玄武巖碎片占總量的30%~40%，其礦物以輝石、斜長石和鈦鐵礦為主，橄欖石含量極低；樣品的主要物相組成為斜長石（32.6%）、輝石（33.3%）和玻璃（29.4%），其中玻璃含量接近阿波羅樣品的下限；此外樣品中的釷（Th）、鈾（U）和鉀（K）等微量元素含量顯著低于克里普（KREEP）玄武巖，與位于月球正面風(fēng)暴洋（OceanusProcellarum）克里普地體中的Apollo及CE-5樣品表現(xiàn)出了巨大差異。利用CE-6月背樣品，中國2個科學(xué)團(tuán)隊做出的2項(xiàng)獨(dú)立研究成果，均揭示月球背面約28億年前仍存在年輕巖漿活動，填補(bǔ)了月球玄武巖樣品在該時期的記錄空白，也為撞擊坑定年提供了補(bǔ)充數(shù)據(jù)。其中，南方團(tuán)隊通過對3.5 g月壤樣品玄武巖巖屑中微小含鋯礦物（<5μm）以及斜長石和晚期填隙物開展鉛-鉛（Pb-Pb）和銣-鍶（Rb-Sr）同位素分析，標(biāo)定出CE-6低鈦玄武巖形成于28.3億年前的火山噴發(fā)，指出火山巖漿來自虧損克里普物質(zhì)的月幔源區(qū)；北方團(tuán)隊從5 g月壤樣品選出的108顆大于300μm的玄武巖巖屑中，發(fā)現(xiàn)了1顆源于不同月幔源區(qū)的高鋁玄武巖巖屑，Pb-Pb同位素定年結(jié)果為（42.03±0.04）億年，意味著月背火山活動42億年前就存在，至少持續(xù)了14億年，且月幔源區(qū)經(jīng)歷了從克里普物質(zhì)富集到虧損的轉(zhuǎn)變，為研究SPA大撞擊事件、月球背面/正面差異“二分性”形成機(jī)制提供了新視角。此外，同位素定年結(jié)果與撞擊坑統(tǒng)計定年結(jié)果基本一致，指示了月球正面和背面遭受隕石撞擊的概率相當(dāng)。
月球南極存在古代巖漿洋遺跡。印度科研團(tuán)隊利用“月船3號”（Chandrayaan-3）任務(wù)數(shù)據(jù)對月球南極高緯地區(qū)的月壤進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這里存在月球巖漿洋（LMO）的遺跡。2023年8月，“月船3號”維克拉姆-2著陸器（Vikram-2，梵語意為“勇氣”）在月球南極附近（69.373°S，32.319°E）軟著陸，其普拉吉安（Pragyan，梵語意為“智慧”）月球車搭載的α粒子X射線光譜儀（APXS），沿月表103 m長路徑的不同位置進(jìn)行了23次原位測量，發(fā)現(xiàn)月球南極高地風(fēng)化層具有實(shí)質(zhì)性空間均勻性，著陸點(diǎn)周圍的月壤由相對統(tǒng)一的元素組成，主要為含鐵斜長巖（FAN），是月球巖漿洋結(jié)晶和分層的產(chǎn)物，支持月球巖漿洋假說。2024年10月，印度宣布2028年實(shí)施“月船4號”，從月球南極附近富含水冰的地區(qū)采集約3 kg的樣本并送回地球。
此外，靜?？影l(fā)現(xiàn)“疑似”洞道可用于月球基地選址。月球表面目前已發(fā)現(xiàn)200多處被稱為“天窗”（skylight）的坑，其中一些可進(jìn)入的熔巖管和通道或能提供一個比月表更溫暖的環(huán)境，靜?？樱∕TP）是月球上已知最深的坑。意大利科研人員通過分析NASA月球勘測軌道器（LRO）微射頻合成孔徑雷達(dá)（Mini-RF）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了靜?？油ㄏ蛟卤硐路揭粋€可進(jìn)入的洞穴管道，位于130~170 m深處，長30~80 m，寬約45 m，能為惡劣的月表環(huán)境提供庇護(hù)，支持人類對月球的長期探索。該研究方法或可用于評估和表征其他月球坑，發(fā)現(xiàn)更多通道。
4 美國、中國均將開展火星采樣返回，冰衛(wèi)星成深空探測新熱點(diǎn)
深空探測已經(jīng)成為科技競爭的制高點(diǎn)。2024年10月，美國發(fā)射木衛(wèi)二“快船號”探測器，它屬于NASA太陽系探索主題的旗艦型任務(wù)（L）。正如其名，因?yàn)檐壍涝O(shè)計采用了更高效的行星“引力彈弓”，木衛(wèi)二“快船號”將于2030年4月被木星引力捕獲，開始繞木星運(yùn)行，甚至比ESA在2023年4月發(fā)射的木星冰衛(wèi)星探測器（JUICE）提早1年多（~約15個月）抵達(dá)木星。不過，ESA和NASA將在研究層面上實(shí)現(xiàn)2個任務(wù)的協(xié)同與合作，了解地球以外宜居世界的天體生物學(xué)潛力。
火星火山上發(fā)現(xiàn)水凝結(jié)的晨霜?；鹦堑乃h(huán)關(guān)乎宜居性和未來載人火星探索。美國研究人員通過分析ESA的TGO影像和光譜觀測，在火星赤道附近的塔爾西斯（Tharsis）火山省的奧林帕斯火山噴口發(fā)現(xiàn)了冰沉積物，它們只出現(xiàn)在火星寒冷季節(jié)的清晨而非下午（圖7）。奧林帕斯山高達(dá)21 km，氣象模型模擬發(fā)現(xiàn)，清晨高海拔火山口的地表溫度足夠低，足以支持每天的水凝結(jié)，而不是二氧化碳霜凍。分析認(rèn)為，大氣穿過這些巨型火山時產(chǎn)生的局部大氣環(huán)流，在火星表面和大氣的水體交換中發(fā)揮了作用——類似于地球高山誘導(dǎo)的微氣候，令火星大氣水蒸氣在當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生霜凍，并對更廣泛的火星水循環(huán)有貢獻(xiàn)。
圖7 ESA火星TGO任務(wù)探測到奧林匹斯山火山口的水霜凍
美國重新征集火星取樣返回計劃（MSR）設(shè)計方案。火星樣品對于認(rèn)知火星的生命宜居環(huán)境、掌握火星存在遠(yuǎn)古生命的直接證據(jù)至關(guān)重要。NASA主導(dǎo)、ESA參與的MSR被列為美國行星科學(xué)數(shù)版十年調(diào)查最優(yōu)先的旗艦型任務(wù)。2020年已發(fā)射的“毅力號”是該任務(wù)的首場，根據(jù)原計劃，將于2027年發(fā)射ESA領(lǐng)導(dǎo)的樣品地球返回軌道器（ERO），2028年發(fā)射NASA領(lǐng)導(dǎo)的樣品回收著陸器（SRL）和火星樣品上升器（MAV），2033年將約600 g火星樣品返回地球。但MSR任務(wù)遭遇了嚴(yán)重的技術(shù)障礙和預(yù)算不足問題。NASA于2023年秋季對前述MSR方案進(jìn)行修改，把火星樣品返回地球的時間推遲到了2040年，并于2024年春季向旗下各中心和產(chǎn)業(yè)界征集新的設(shè)計方案，要求降低任務(wù)成本并加快工程進(jìn)度。
中國宣布實(shí)施天問三號火星采樣返回任務(wù)（TW-3）。2024年9月，根據(jù)TW-3總設(shè)計師劉繼忠介紹，圍繞TW-3尋找火星生命痕跡的首要科學(xué)目標(biāo)，中國計劃在2028年前后實(shí)施2次發(fā)射任務(wù)，采集約800 g火星樣品，于2031年實(shí)現(xiàn)火星樣品返回地球，有望創(chuàng)造世界第一。結(jié)合TW-3任務(wù)的火星緯度和高程基本工程約束，中國科研團(tuán)隊提出了面向生命痕跡探尋的全鏈條研究，提出了86個預(yù)選著陸區(qū)，主要分布在古老（>3.5 Ga）的地質(zhì)單元，即克律塞平原（Chryse Planitia）和烏托邦平原（Utopia Planitia）地區(qū)，它們具有豐富的地質(zhì)環(huán)境、水活動歷史、礦物成分等，可為后續(xù)選址迭代和基于著陸器的火星生命痕跡探尋提供支撐。
“卡西尼號”（Cassini）探測表明土衛(wèi)一存在地下海洋。法國科研團(tuán)隊根據(jù)NASA Cassini（1997年10月15日至2017年9月15日）的檔案數(shù)據(jù)，對土衛(wèi)一（Mimas）的軌道偏心運(yùn)動，尤其是其近心點(diǎn)（periapsis）的漂移，進(jìn)行了詳細(xì)計算和模擬。結(jié)果表明，土衛(wèi)一坑洼的冰殼表面之下可能藏著20~30 km深的全球海洋，其年齡可能不到2500萬年，可謂仍在繼續(xù)演化的全新“水世界”，以至于地下海洋的跡象還來不及在土衛(wèi)一表面留下活動痕跡。鑒于人們一直將一顆星球是否擁有水作為衡量其是否存在生命的重要指標(biāo)，該顛覆性發(fā)現(xiàn)將推動人類對整個太陽系中等大小冰衛(wèi)星的全面探測和研究。
木衛(wèi)二水冰表面分解產(chǎn)生的氧氣低于預(yù)期。木衛(wèi)二（Europa）被認(rèn)為是太陽系中最可能存在生命的星球之一。太空環(huán)境中的帶電粒子會破壞水冰的分子鍵，使水分解成氫氣（H2）和氧氣（O2），致使木衛(wèi)二上存在一個微弱的富氧大氣層。木衛(wèi)二的O2可能會進(jìn)入其地下海洋，為它提供一種潛在的氧化機(jī)制，進(jìn)而孕育生命（圖8）。2022年9月29日，“朱諾號”（Juno）飛掠木衛(wèi)二，其搭載的木星極光分布實(shí)驗(yàn)（JADE）套件對大氣進(jìn)行了直接探測。美國科研人員根據(jù)JADE獲取的H2+和O2+拾起離子（PUIs）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二地表O2產(chǎn)率僅為（12±6）kg/s，處于之前計算模型預(yù)測的5~1100 kg/s的低端。但科研人員表示，即使如此，這一估值仍然符合我們所知的微生物生命宜居性范圍。限于羽流的噴發(fā)、軌道位置等因素，新探測數(shù)據(jù)是否具有普遍性還有待觀察，也許它不能代表木衛(wèi)二上的氧氣總量。
圖8 木衛(wèi)二冰殼表面通過輻射分解效應(yīng)釋放 O2 和H2，Juno探測到了多種“拾起離子”
實(shí)際上，包括木衛(wèi)二在內(nèi)，太陽系冰衛(wèi)星還有很多不為人類所知，需要更多科學(xué)探索工作。中國正在論證天問四號（TW-4）任務(wù)，探測木星及其衛(wèi)星木衛(wèi)四（Callisto），并飛掠天王星。美國2011年發(fā)射的Juno已至少延壽運(yùn)行到2025年9月。期待Juno、EuropaClipper、JUICE、TW-4等多任務(wù)的更多更新探測結(jié)果，揭示太陽系地外天體宜居性，發(fā)現(xiàn)潛在生命搖籃。
5 各國小行星任務(wù)前赴后繼，小行星撞擊研究提出新觀點(diǎn)
太陽系大約形成于46億年前。小行星是太陽系誕生之初傳承下來的碎片，被認(rèn)譽(yù)為太陽系的“時間膠囊”，蘊(yùn)含著地球生命起源的重要線索，科學(xué)價值巨大。日本和美國都已實(shí)施了小行星采樣返回任務(wù)。中國將于2025年實(shí)施天問二號任務(wù)（TW-2），實(shí)現(xiàn)編號469219的近地小行星2016HO3（Kamo'oalewa，夏威夷語意為“振蕩天星”）的采樣返回，完成主任務(wù)后，TW-2還將前往主帶彗星311P/PanSTARRS（又稱P/2013 P5）開展環(huán)繞探測。
ESA發(fā)射赫拉號（Hera）首次詳查雙小行星系統(tǒng)（Didymos-Dimorphos）。作為美歐小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評估計劃（AIDA）的一部分，Hera是美國“飛鏢”號（DART）任務(wù)的后續(xù)，也是ESA空間安全計劃3大基石任務(wù)之一，于2024年10月發(fā)射進(jìn)入日心軌道，2026年10月抵近目標(biāo)并通過“脈沖交會”插入環(huán)繞軌道。鑒于已知小行星多達(dá)15%是雙星，揭示它們?nèi)绾涡纬?、由何?gòu)成，評估它們撞擊地球危險，將具有重要科學(xué)意義和安全價值。Hera及其搭載的2顆立方星，將采用環(huán)繞+著陸方式，凝視孿小星（Dimorphos）的撞擊坑，測量雙小行星的質(zhì)量和構(gòu)成，探測其表面和次表層特性。
美國“露西號”（Lucy）在一顆主帶小行星周圍發(fā)現(xiàn)接觸雙衛(wèi)星。Lucy是NASA發(fā)現(xiàn)計劃（DiscoveryProgram）的第13次任務(wù)，2021年10月發(fā)射，旨在探索木星的特洛伊小行星群（Trojan asteroids）。2023年11月上旬，Lucy探測了其途經(jīng)的第一個到訪目標(biāo)，位于主小行星帶內(nèi)緣、編號152830的小行星“丁基內(nèi)什”（Dinkinesh，埃塞俄比亞語意為“露西”）?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，它被一顆接觸雙衛(wèi)星“塞拉姆”（Selam，埃塞語意為“和平”）環(huán)繞，該衛(wèi)星由2個大小相似的瓣組成（圖9），這種罕見的構(gòu)造可能是某次重大地質(zhì)事件后，由環(huán)繞母小行星的拋射物質(zhì)緩慢接近形成，有助于了解太陽系小天體的形成和演變，值得深入研究。
圖9 Lucy遠(yuǎn)距偵察相機(jī)（L'LORRI）飛掠152830號小行星（左）及其接觸雙衛(wèi)星（右）的回看圖像
美國“冥王號”（OSIRIS-REx）小行星樣品中發(fā)現(xiàn)磷酸鹽。2023年9月，OSIRIS-REx將121.6 g貝努小行星（101955 Bennu）樣品帶回地球。分析表明，貝努的蛇紋巖黏土樣品富含碳和氮及有機(jī)化合物等人們熟知的生命基本成分。此外，美國科研團(tuán)隊在樣品中發(fā)現(xiàn)了遙感觀測未顯示的水溶性鎂-鈉磷酸鹽，這些化合物是當(dāng)今地球上所有已知生命生物化學(xué)的組成部分。該研究也暗示貝努可能是從一個古老的小型原始海洋世界分裂出來，為解開可能促成地球生命出現(xiàn)的前生化過程提供了新輸入。
美國、日本繼續(xù)交換小行星樣品。根據(jù)小行星樣品交換協(xié)議，繼2011年11月日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）將“隼鳥2號”（Hayabusa-2）返回的“龍宮”（Ryugu）小行星樣品轉(zhuǎn)移給NASA后，2024年8月NASA將“冥王號”返回的貝努部分樣品移交給JAXA，以最大限度利用樣品，研究2顆小行星的差異和相似點(diǎn)，獲取太陽系形成演化的新數(shù)據(jù)。
年輕小行星族為地球隕石的主要來源。大約70%的地球隕石具有H型（高鐵含量）和L型（低鐵含量）的球粒隕石成分，迄今只有大約6%的隕石能明確其來源?？茖W(xué)家在2項(xiàng)獨(dú)立研究中發(fā)現(xiàn)，這2類隕石可能僅來自數(shù)個小行星解體事件，是數(shù)億或數(shù)千萬年前發(fā)生的大撞擊的遺跡，有些撞擊比之前預(yù)想得更晚。歐洲南方天文臺（ESO）團(tuán)隊利用甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）的主帶小行星光譜數(shù)據(jù)和計算機(jī)建模，發(fā)現(xiàn)一組4.5億年前撞擊形成的馬賽小行星族（Massalia），可能是地球L型隕石源頭；而捷克團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前地球H型和L型隕石可能源于3次小行星解體，分別發(fā)生于約580萬年、760萬年和4000萬年前，小行星直徑均超過了30 km；用年輕的凱琳（Karin）和鴉女小行星族（Koronis）的撞擊事件以及較古老的馬賽小行星族第2次撞擊事件（約4000萬年前），可以解釋目前墜落到地球上的絕大部分隕石的形成原因。
來自外太陽系的碳質(zhì)小行星制造了恐龍滅絕大撞擊。撞擊事件發(fā)生在近6600萬年前，在墨西哥希克蘇魯伯（Chicxulub）形成了直徑145 km的隕石坑，但撞擊物究竟來自何方卻是一個謎。德國科研人員依據(jù)古代撞擊沉積物中極稀有的釕（ruthenium）同位素，推測當(dāng)時撞擊地球的是一顆在外太陽系形成的碳質(zhì)小行星，而非在內(nèi)太陽系形成的硅酸鹽小行星。該發(fā)現(xiàn)可進(jìn)一步完善行星系天體撞擊模型。
6 系外類地行星發(fā)現(xiàn)大氣層，系外行星表征路線圖發(fā)表
系外行星的發(fā)現(xiàn)開辟了現(xiàn)代天文學(xué)新的大航海時代，某種程度上已改變了人們對宇宙的認(rèn)知。截至2024年11月30日，人們已確認(rèn)5788顆系外行星、4166個行星系統(tǒng)，其中包括210顆類地行星。JWST在發(fā)現(xiàn)和表征系外行星方面屢有斬獲。
德國科學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)超級木星。他們通過分析JWST中紅外成像/光譜儀（MIRI）的直接成像，發(fā)現(xiàn)“超級木星”系外行星Eps Ind Ab，它的溫度為275 K，質(zhì)量是木星的6倍多，距離主序星Eps Ind A母恒星約15 AU，可能是該星系唯一的巨行星。
美國科學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)第1顆有大氣層的系外類地行星。他們針對2004年發(fā)現(xiàn)的巨蟹座系外行星55Cancri e，通過分析JWST的NIRCam和MIRI次食光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)超級地球55 Cancri e（1.95REarth，8.8MEarth）具有大氣層，富含碳基氣體（CO2或CO）。雖然該行星距離母恒星僅1/65AU，表面可能被巖漿海洋覆蓋，無法維持生命，但對其研究可增進(jìn)對地球早期歷史的了解。
美國科學(xué)團(tuán)隊揭示熱海王星系外行星過度膨脹之謎。他們結(jié)合哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）和JWST的透射光譜觀測，解釋了位于室女座的類海王星系外行星WASP-107b的過度膨脹是由于其內(nèi)部熱源造成的。WASP-107b圍繞其母恒星的偏心軌道導(dǎo)致潮汐驅(qū)動的加熱，從而使其大氣層膨脹，變成一顆“棉花糖”行星（圖10）。
圖10 潮汐加熱驅(qū)動系外行星WASP-107b的大氣過度膨脹成“棉花糖”狀
另一個美國團(tuán)隊則利用JWST發(fā)現(xiàn)了WASP-107 b的新細(xì)節(jié)，其膨脹的大氣層具有令人意想不到的東西向（早晨—傍晚）臨邊不對稱性。
類地系外行星大氣表征路線圖發(fā)表。至2017年，人們在位于寶瓶座的紅矮星TRAPPIST-1周圍發(fā)現(xiàn)7顆類地行星TRAPPIST-1b，c，d，e，f，g，h。既往3D氣候模擬顯示至少有1顆中間行星（TRAPPIST-1e）是該行星系統(tǒng)中宜居、海洋覆蓋星球的最佳候選者。得益于JWST觀測能力，JWST TRAPPIST-1科學(xué)合作組宣布，將利用透射光譜技術(shù)，揭示TRAPPIST-1行星系統(tǒng)的行星大氣和成分之謎，在10年內(nèi)識別出TRAPPIST-1周圍宜居或非宜居的行星。
7 美歐2顆地球科學(xué)衛(wèi)星升空，ESA發(fā)布至2040年對地觀測戰(zhàn)略
空間對地觀測是現(xiàn)代社會衛(wèi)星應(yīng)用的重要內(nèi)容，地球科學(xué)衛(wèi)星居高臨下，使人類能夠從空間全面、綜合、整體地觀察、研究和預(yù)測行星地球。
美國、歐洲2024年各發(fā)射1顆地球科學(xué)專用衛(wèi)星?！邦I(lǐng)跑號”（PACE）任務(wù)曾數(shù)次因特朗普政府對氣候變化的負(fù)面看法被取消或因預(yù)算資金問題面臨擱置，不過2024年苦盡甘來成功完成發(fā)射，也使得美國在軌對地觀測任務(wù)多達(dá)26個，延續(xù)并擴(kuò)展NASA對地球的長期觀測?！罢鋹鄣厍蛱枴保‥arthCARE）任務(wù)屬于ESA地球探索者計劃（Earth Explorer）的第6項(xiàng)任務(wù)，也是其地球觀測一攬子項(xiàng)目（EO Envelop Prigramme）的重要組成部分。EarthCARE研發(fā)歷程持續(xù)約20年，原計劃搭載俄羅斯“聯(lián)盟2”火箭發(fā)射，后因俄歐航天合作終止改選ESA的“織女星C”固體火箭，但該火箭失利后復(fù)飛時間推遲，導(dǎo)致ESA最終選擇了美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹九號”可回收式中型運(yùn)載火箭。
ESA于2024年9月發(fā)布《地球科學(xué)行動：為未來世界》。該戰(zhàn)略文件概述了直到2040年的地球觀測科學(xué)愿景，重點(diǎn)關(guān)注理解地球系統(tǒng)內(nèi)的反饋和相互聯(lián)系，而非針對特定的地球系統(tǒng)領(lǐng)域。戰(zhàn)略包括6大核心科學(xué)主題：水循環(huán)，碳循環(huán)，能量循環(huán)，生態(tài)系統(tǒng)健康，極端事件與災(zāi)害，以及地球系統(tǒng)的界面和耦合（各圈層的相互作用）（圖11）。戰(zhàn)略還提出全球碳循環(huán)、陸地生物圈響應(yīng)、海洋碳循環(huán)等22個指導(dǎo)性的科學(xué)問題，指明了地球科學(xué)未來的發(fā)展方向，為未來的地球觀測活動提供了清晰的路線圖。ESA將利用先進(jìn)的衛(wèi)星對地觀測技術(shù)，獲取地球系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和知識；將以科學(xué)問題和戰(zhàn)略目標(biāo)為框架，定期評估戰(zhàn)略實(shí)施進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。
圖11 ESA至2040年對地觀測戰(zhàn)略聚焦6大科學(xué)主題
8 國際載人航天醫(yī)學(xué)成果發(fā)布，中國載人月球探測任務(wù)啟動
當(dāng)前，全球載人航天飛行正在發(fā)生著變化。曾經(jīng)是政府主導(dǎo)的獨(dú)家活動，現(xiàn)在向商業(yè)航天公司、相關(guān)實(shí)體和私人開放。進(jìn)入太空的載人任務(wù)數(shù)量持續(xù)攀高，并開始為探索級（持續(xù)時間超過1年）任務(wù)做準(zhǔn)備?！案h(yuǎn)、更快、更廉價”的新空間時代，抑或太空2.0時代悄然來臨。
2024年，中國成功實(shí)施空間站應(yīng)用與發(fā)展階段2次載人飛行任務(wù)——神舟十八號和十九號，開展了近180余項(xiàng)空間科學(xué)研究與技術(shù)實(shí)（試）驗(yàn)，發(fā)布了《中國空間站科學(xué)研究與應(yīng)用進(jìn)展報告（2024）》。太空飛行可引起航天員的分子、細(xì)胞和生理變化，并對人體構(gòu)成無數(shù)的生物醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)。為確保人類在近地軌道及以遠(yuǎn)安全永續(xù)存在，亟需發(fā)展空間醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫、工具和協(xié)議，利用分子生物學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代工具和方法為載人航天飛行提供完備保障。
太空組學(xué)和醫(yī)學(xué)圖譜（SOMA）系列研究成果發(fā)布。SOMA是有史以來航天醫(yī)學(xué)和太空生物學(xué)最大的集成數(shù)據(jù)和樣本庫，來源包括NASA的雙胞胎任務(wù)（Twins）、JAXA的游離表觀基因組研究（CFE）、SpaceX的靈感4號乘組（Inspiration 4）、北極星黎明號（Polaris Dawn）以及公理太空載人飛行任務(wù)（Ax-2）等，由來自超過25個國家地區(qū)的100多個機(jī)構(gòu)合作構(gòu)建，可用于臨床、細(xì)胞和多組學(xué)研究，為即將到來的載人月球、火星和探索級任務(wù)提供所需的健康監(jiān)測、風(fēng)險緩解和對策數(shù)據(jù)。特別地，作為全球首次全平民載人航天任務(wù)，靈感4號的4名乘員僅做了半年訓(xùn)練，在高于國際空間站（ISS）位置的590 km軌道上飛行了3 d，研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)短期任務(wù)沒有給乘組人員帶來重大健康風(fēng)險。Nature及其子刊發(fā)表SOMA的系列研究成果計44篇論文，某種程度上也反映了人類向步入深空的終極夢想又邁進(jìn)了一步。
中國載人月球探測工程登月階段任務(wù)進(jìn)展順利。中國于2023年批準(zhǔn)啟動實(shí)施該任務(wù)，總體目標(biāo)是2030年前實(shí)現(xiàn)中國人首次登陸月球，開展月球科學(xué)考察及相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)，突破掌握載人地月往返、月面短期駐留、人機(jī)聯(lián)合探測等關(guān)鍵技術(shù)，完成“登、巡、采、研、回”等多重任務(wù)，形成獨(dú)立自主的載人月球探測能力，將推動載人航天技術(shù)由近地走向深空的跨越式發(fā)展，深化人類對月球和太陽系起源與演化的認(rèn)識，為月球科學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧。2024年，載人登月任務(wù)所需的長征十號新一代載人運(yùn)載火箭、夢舟新一代載人飛船、攬月月面著陸器、載人月球車、登月航天服等飛行產(chǎn)品，正按計劃開展初樣產(chǎn)品生產(chǎn)和相關(guān)地面試驗(yàn)，登月航天員選拔與訓(xùn)練已在有序開展，海南文昌載人月球探測發(fā)射場建設(shè)全面啟動。載人前的無人飛行試驗(yàn)、首次載人登月任務(wù)的科學(xué)研究目標(biāo)、配套載荷總體方案基本確定，主要涉及月球科學(xué)、月基科學(xué)和資源勘查利用3個領(lǐng)域。
相比之下，美國旨在重返月球并為未來載人登陸火星鋪路的阿爾忒彌斯計劃（Artemis Program）一直在調(diào)整。雖然Artemis-1無人繞月任務(wù)已于2022年12月完成，但NASA于2024年12月宣布將Artemis-2載人環(huán)月和Artemis-3載人登陸月球南極任務(wù)分別推遲至2026年4月和2027年中期。由SpaceX負(fù)責(zé)的載人著陸系統(tǒng)（HLS）星艦登月艙正在加緊試驗(yàn)迭代，它直接關(guān)乎Artemis-3任務(wù)的實(shí)施進(jìn)度，而NASA在2024年3月公布的“阿爾忒彌斯”任務(wù)時間表中，星艦登月艙無人演示飛行已延遲至2026年。
9 中美空間科學(xué)領(lǐng)域規(guī)劃相繼發(fā)布，描繪未來發(fā)展藍(lán)圖
2024年10月15日，中國科學(xué)院、國家航天局、中國載人航天工程辦公室在北京聯(lián)合發(fā)布了《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》（簡稱“規(guī)劃”）。這是中國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家層面統(tǒng)一的中長期發(fā)展規(guī)劃，是當(dāng)前和今后一個時期指導(dǎo)空間科學(xué)探測任務(wù)部署、開展空間科學(xué)研究的重要依據(jù)。
規(guī)劃明確了中國空間科學(xué)發(fā)展目標(biāo)，提出了中國擬突破的極端宇宙、時空漣漪、日地全景、宜居行星、太空格物5大科學(xué)主題和17個優(yōu)先發(fā)展方向，描繪了至2027年、2028—2035年和2036—2050年3個階段實(shí)施的科學(xué)任務(wù)規(guī)劃，形成了至2050年中國空間科學(xué)發(fā)展路線圖。此外，規(guī)劃還將持續(xù)實(shí)施空間科學(xué)基礎(chǔ)能力提升“基石計劃”，建設(shè)世界空間科學(xué)人才高地、提升關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施能力、攻克系列核心尖端探測技術(shù)、突破高水平空間科學(xué)基礎(chǔ)研究。
規(guī)劃編制凝聚了全國空間科學(xué)領(lǐng)域廣大專家學(xué)者的智慧。來自科研院所、高校和行業(yè)部門等500多位專家學(xué)者參與了規(guī)劃編制，其中包括50多位兩院院士。規(guī)劃編制歷時2年多，在廣泛征求和吸納各方面的意見和建議的基礎(chǔ)上形成。規(guī)劃的實(shí)施，有望為加快實(shí)現(xiàn)中國空間科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)研究的革命性突破，為中國早日取得世界級重大科學(xué)成果，牽引空間技術(shù)跨代躍升，促進(jìn)空間應(yīng)用高質(zhì)量發(fā)展，加速構(gòu)建外空領(lǐng)域人類命運(yùn)共同體，建設(shè)航天強(qiáng)國、科技強(qiáng)國提供有力支撐。
規(guī)劃發(fā)布影響深遠(yuǎn)，Science評論“規(guī)劃勾勒了未來25年中國躋身空間科學(xué)強(qiáng)國的路線圖”。
美國發(fā)布2024版太陽和空間物理十年規(guī)劃。12月5日，美國國家科學(xué)院（NAS）發(fā)布名為《太陽和空間物理未來十年新發(fā)現(xiàn)：探索和保護(hù)人類的太空家園（2024—2033）》的10年規(guī)劃報告，值得關(guān)注。
報告指出，太陽和空間物理領(lǐng)域具有科學(xué)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動和社會需求牽引的雙重特征。前者包括：（1）日-地空間（人類互聯(lián)家園）；（2）太空實(shí)驗(yàn)室（奠定認(rèn)知基礎(chǔ)）；（3）新環(huán)境（探索太陽系及以遠(yuǎn)等科學(xué)主題）。后者包括：（1）復(fù)雜體系（空間天氣驅(qū)動源）；（2）空間天氣響應(yīng)（涉及磁層/電離層/近地軌道，大氣等諸系統(tǒng)）；（3）空間天氣效應(yīng)（對基礎(chǔ)設(shè)施和人類健康的影響等為人類服務(wù)空間天氣主題，它們具有內(nèi)在聯(lián)系）（圖12）。該報告建議美國NASA、國家科學(xué)基金會（NSF）以及國家海洋和大氣管理局（NOAA）等實(shí)施一系列地基設(shè)施和空間任務(wù)，如建立綜合性的日球?qū)酉到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（HSL）、建設(shè)下一代太陽全球振蕩監(jiān)測網(wǎng)（ngGONG）、發(fā)展頻率敏捷太陽射電望遠(yuǎn)鏡（FASR）、創(chuàng)建更好的空間天氣預(yù)報模型等，以研究太陽及其與地球的相互作用。
圖12 美國2024版太陽和空間物理10年規(guī)劃涵蓋2類6大科學(xué)主題
報告向NASA推薦了2項(xiàng)最高優(yōu)先級的旗艦任務(wù)，一是隸屬“日地探針（STP）”計劃的“聯(lián)系號”“地球空間多區(qū)域、多尺度聯(lián)系星座”（Links）任務(wù)概念，由2顆極光與磁層成像衛(wèi)星以及24顆磁層原位探測衛(wèi)星組成，約需經(jīng)費(fèi)18.6億美元，2027年開始研制，不早于2035年發(fā)射；二是隸屬“與日共存”計劃（LWS）的“太陽極區(qū)軌道器”（SPO）任務(wù)概念。SPO將借助一次木星引力輔助和多次地球引力輔助進(jìn)入飛越太陽兩極的高傾角軌道，對太陽南北兩極成像和測量，預(yù)估經(jīng)費(fèi)20.8億美元，2029年開始研制，2037年發(fā)射。
NASA雖然希望持續(xù)增加本領(lǐng)域的年度預(yù)算，但也做好了僅考慮通脹的持平預(yù)算方案；此外，NASA正考慮徹底取消2013版10年調(diào)查推薦的最高優(yōu)先級旗艦任務(wù)“地球空間動力學(xué)星座”（GDC），其總成本約12億美元。
10 微笑衛(wèi)星國內(nèi)研制完成赴歐發(fā)射，中國科學(xué)衛(wèi)星系列啟動新任務(wù)
21世紀(jì)初發(fā)射的“地球空間雙星探測計劃”（雙星計劃）開創(chuàng)了中國空間科學(xué)衛(wèi)星的先河。2011年中國科學(xué)院實(shí)施的空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)開創(chuàng)了中國科學(xué)衛(wèi)星系列的先河?？臻g科學(xué)（二期）先導(dǎo)專項(xiàng)收官之作太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE，微笑衛(wèi)星）2024年完成國內(nèi)所有研制工作后啟程赴歐，與ESA負(fù)責(zé)研制的載荷艙一起開展正樣星整星集成與測試。SMILE也是中國首次與ESA進(jìn)行的任務(wù)級全方位深度合作的空間科學(xué)探測任務(wù)，預(yù)計于2025年7月運(yùn)往法屬圭亞那庫魯發(fā)射場（CSG），2025年底前擇機(jī)發(fā)射。
微笑衛(wèi)星預(yù)先研究EPP?？霭妗Ｌ栵L(fēng)到達(dá)地球附近后，通過與地球磁場相互作用，將太陽風(fēng)的質(zhì)量、動量和能量輸運(yùn)至地球空間，影響地球空間環(huán)境。SMILE將對太陽風(fēng)-磁層相互作用的關(guān)鍵區(qū)域開展大尺度軟X射線成像探測。針對未來科學(xué)研究面臨的如何成像、如何反演及如何應(yīng)用等難題，Earth and Planetary Physics?？邪l(fā)表了中外科學(xué)團(tuán)隊先期完成的“SMILE任務(wù)模擬和數(shù)據(jù)分析方法”，為微笑衛(wèi)星未來快出成果奠定了基礎(chǔ)。
中國啟動科學(xué)衛(wèi)星系列未來新任務(wù)。當(dāng)前中國空間科學(xué)原創(chuàng)成果已開始呈現(xiàn)多點(diǎn)突破的態(tài)勢。為搶占空間科技制高點(diǎn)，中國將瞄準(zhǔn)宇宙起源、空間天氣起源、生命起源等“起源”類重大科學(xué)前沿，研發(fā)太空探源系列科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)，預(yù)期在宇宙黑暗時代、太陽磁活動周與高速太陽風(fēng)、系外類地球行星、宇宙極端條件下的物理規(guī)律等方向，取得有重要國際影響力的原創(chuàng)科學(xué)成果，推動中國空間科學(xué)研究進(jìn)入快車道，同時帶動空間技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)空間應(yīng)用升級，成為中國2035年建成科技強(qiáng)國的重要標(biāo)志。
白駒過隙，甲辰龍年已成歷史。對于空間科學(xué)與深空探測事業(yè)來說，一年光景可謂“十年樹木”瞬間，幾乎所有的科學(xué)任務(wù)都需5~10年乃至更長的立項(xiàng)和研制周期，圍繞科學(xué)目標(biāo)的數(shù)據(jù)分析也需經(jīng)年努力。探索太空永無止境。2024年1月25日，ESA科學(xué)計劃委員會（SPC）正式批準(zhǔn)引力波空間探測任務(wù)“麗薩號”激光干涉空間天線衛(wèi)星計劃（LISA）工程立項(xiàng)（adoption），轉(zhuǎn)入ESA衛(wèi)星研制流程的B2/C/D/E1階段，研制衛(wèi)星平臺和星上有效載荷，并于2030年代中期發(fā)射至滯后地球約20°的日心軌道上（圖13），旨在尋找由超大質(zhì)量黑洞合并引起的巨大時空漣漪等事件。即使以1993年LISAG任務(wù)概念研究（6顆衛(wèi)星的日心軌道方案）為起點(diǎn)，到2024年ESA官宣LISA工程立項(xiàng)，彈指揮間已過去30年了。
圖13 歐洲LISA空間引力波探測任務(wù)2024年獲批轉(zhuǎn)入工程研制
繼2015年利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到引力波，以及2023年包括中國天眼（FAST）在內(nèi)的多個獨(dú)立國際團(tuán)隊宣布發(fā)現(xiàn)納赫茲（nHz）引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)后，2024年人類又朝著打開中低頻段（0.1 mHz~1 Hz）引力波觀測窗口邁出了新步伐。中國也通過太極計劃和天琴計劃開展了空間引力波前期技術(shù)試驗(yàn)和理論準(zhǔn)備。破解“時空漣漪”奧秘，空間科學(xué)與深空探測未來可期。
致謝：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心李橙媛和白青江給予大力支持。
作者簡介： 王赤，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，研究員，中國科學(xué)院院士，研究方向?yàn)榭臻g物理和空間天氣學(xué)。
來源：《科技導(dǎo)報》2025年第1期
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