从月球到木星：中国的行星探索路线图

来源:Nature自然科研

原文以China’s roadmap for planetary exploration为标题

发布在2018年5月1日的《自然-天文学》评论上

原文作者: 中国科学院地球与行星物理重点实验室Yong Wei,Zhonghua Ya(列日大学) & Weixing Wan

中国已经批准或规划在未来十年内启动若干空间探索任务。中国新一代行星科学家在决定未来探索任务的科学目标方面发挥着重要作用。

根据中国于2016年3月17日发布的“十三五规划”,行星探索成为了国家的重点工作之一。中国首次明确表示计划走向地月系统之外。对于中国的行星研究界来说,当前五年计划对于深空探索的重视不仅标志着一个新的开始,也标志着一个转折点。

在首颗卫星发射升空三十多年后,中国于2003年启动了首个纯科学太空任务——双星计划(Double Star),主要研究地球空间环境。2015年以来,中国在地球轨道上投放了若干新的科学卫星,包括2015年的“悟空”号(DAMPE),2016年的 “墨子”号(Micius)、实践十号卫星(SJ 10)、中国二氧化碳观测卫星(TanSat),2017年的“慧眼”,以及2018年的中国地震电磁监测实验卫星(CSES)。还有另外一些任务正在筹备当中,例如与欧洲空间局(ESA)合作的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)(图1)。

(点击放大)图1:中国过去、现在和未来的太空任务及其目标。 来源: Earth, NASA； Jupiter, NASA/JPL/University of Arizona； Io, NASA/JPL/University of Arizona； Mars, NASA/JPL/Malin Space Science Systems； Asteroid, NASA/JPL； Moon, NASA。

这些近地任务大部分都与美国宇航局的低成本中级探索者计划(Medium-Class Explorers Program)或发现计划(Discovery Program)有些相似,并且作为空间科学战略重点科学技术项目的一部分,得到了中国科学院的支持。然而,太阳系探索任务更加昂贵,只能作为中国政府的国家级项目获得支持。太空探索任务的核心价值在于卓越的科学目标,因此需要经过非常细致的评估。在这一点上,美中两国也有所差异。

美国宇航局的发现计划或新疆界计划(New Frontiers Program)通常先邀请行星科学家提出科学目标,再对这些提案进行评估和选择。而中国的行星探索是一项国家战略:首先公布候选目标,之后科学家和工程师开始确定优先顺序。中国行星科学界的发展及其协商计划目标的程序在很多方面反映了行星科学在西方世界兴起时的情形。例如,美国和苏联的早期行星任务主要以技术为中心,但他们很快培养起了行星科学研究,行星科学界快速发展壮大。

2017年,中国地球物理学会宣布成立首个官方行星物理专业委员会,用十年时间完成了从无到有的跨跃。委员会包括国内外大学和研究机构的100多位科学家,其中一些人曾以地球物理学家的身份在中国工作过,另一些人则作为行星科学家在国外积累了多年经验后返回中国。同样在2017年,第一本行星科学专业期刊《地球与行星物理》第一期正式出版。

地球的近邻月球被选为中国第一个国家级太空探索任务的目标。鉴于其自然资源和当前空间工程的发展状况,月球是理想的空间探索目标。中国的前三颗探月卫星——嫦娥一号、二号和三号分别于2007年、2010年和2013年发射。这些任务在地形、风化结构和基于月球的天文观测方面取得了重要成果,还提供了关于软着陆技术、漫游车和科学仪器的宝贵的工程知识,可用于未来针对月球和其他行星的空间探索。

嫦娥四号计划于2018年登陆月球背面,而首次采样返回任务——嫦娥五号预计将于2019年从月球正面带回约2千克的月球土壤。根据长征五号火箭的发射计划,这两项任务可能会短暂推迟。尽管尚未完全确定,但中国还计划对月球南极进行三次探索。

受益于探月任务的工程成果,中国的下一个国家级太空探索任务可能将目标指向火星。火星拥有丰富的科学探索意义,而且火星上面的环境可能是宜居的,因此国际行星科学界对它非常感兴趣。2011年,萤火一号火星探测器搭乘俄罗斯的福布斯号采样返回探测器发射,但未能脱离地球轨道。 2016年1月,中国正式批准了一项新的火星探索计划,并计划于2020年夏天从地球发射,2021年初春抵达火星。基于嫦娥三号的着陆技术以及最新研发成果,该火星任务将由一个探测器和一个漫游车组成。

任务重点关注的是大气逃逸和液态水流失。探测器将收集关于近火星等离子体环境中的全局过程的数据,而漫游车将探索着陆点周围的局部特征。将探测器和漫游车的测量结果结合起来,可以提供从全局到局部细节的不同尺度上的特征分辨率。探测器和漫游车都将携带摄像头、雷达系统和磁力计。探测器还将配备等离子体分析仪,用于沿漫游车轨迹测量火星表面磁场。

这些数据(包括对火星表面的第一次磁场测量结果)将用于解析太阳风和火星电离层之间相互作用的每日变化,以及电流系统的相关变化。在漫游车和探测器上安装相同类型的仪器允许在空间和地面之间进行两点同步测量,从而为了解空间等离子体和近地面环境之间的相互作用,以及随之而来的能量耗散提供了一个独一无二的机会。此外,探测器和漫游车还可以与欧洲空间局的火星快车号(MEX)以及美国宇航局的火星大气与挥发物演化任务探测器(MAVEN)进行协作。

嫦娥二号在2012年就已经对一颗小行星进行了一次飞近观测,而嫦娥五号将带来有关采样返回的重要信息。因此,预计接下来将开展彗星或小行星的采样返回任务。根据“十三五”行星战略,目前中国有三项行星探索任务正处于规划阶段:计划于2025年左右执行彗星/小行星采样返回任务, 2030年左右执行火星采样返回任务以及木星及其卫星探索任务。然而,火星的采样返回任务将强烈依赖未来长征九号火箭的建造(堪比美国土星五号火箭)。虽然这些任务都在政府行星战略之列,但官方的正式批准和几项计划的优先级将最终取决于其科研优势和工程技术挑战。

这三项任务的目标和优先级引起了热烈的争论,争论的焦点在于任务的科学目标。整个决策力图在科学目标的创新性与实现这些目标所需技术的可行性之间达成平衡。科学家更重视对未知区域的探索,更重视在当下和未来的任务中与来自其他国家的科学家进行合作。工程师则倾向于关注当前技术的可靠性,以及如何基于中国以往任务所留下的资源进行拓展。双方必须共同努力,以确保这些任务可以取得成功,实现计划中的科学目标。

中国的整体科学目标是探索行星演化。对行星进行比较分析有助于我们更好地了解地球的演变。 未来的探月计划有望解析月球内部深处的结构和组成,揭示岩浆海洋结晶和壳-幔分化的机制,并提供直接证据证明月球上水或冰的存在及其来源。

中国未来潜在的木星探索计划或将吸引国际行星研究界的关注。木星研究目前是一个热门话题,从美国宇航局的朱诺号就可见一斑,未来几十年可能依然会延续这种趋势,未来计划中的任务包括美国宇航局的木卫二快船项目(Europa Clipper)和欧洲空间局的木星冰月探测器(JUICE)。虽然中国木星探索任务的科学目标尚未完全确定,但被纳入考虑范围的有木星的磁层-电离层耦合,木星大气动力学,以及对木星卫星的探索。

为了探索木星,中国还将建立一个地面望远镜观测站。与大多数由天体物理学家领导的地面望远镜观测站不同,这个望远镜项目将由中国科学院下属的地质与地球物理学研究所的行星科学家领导。它将用于研究木卫一(木星最活跃的卫星)和木星磁层之间的相互作用,以及这种相互作用如何影响木星的磁层-电离层耦合系统。这个项目需要大量的国际合作(例如,比利时列日大学的天体物理学和行星研究团队)。

预计中国的贡献之一是在位于西藏的一个最佳观测点提供两个1米直径的望远镜,预计将在2020年投入使用。由于木星是该观测站的科研重点,未来十年,它还将为欧洲空间局、美国宇航局和中国的木星系统探索任务提供重要支持。

科学家们在中国太空探索领域的领导地位比以往任何时候都强,并且目标也不仅仅局限于单纯的技术演示。为了使这些太空任务的科学回报最大化,国际合作受到了高度重视。越来越多在美国和欧洲受训的年轻科学家正选择回国与国际团队展开合作。毫无疑问,中国已经迈开了行星探索国际化的步伐,正成为这一领域的重要参与者。