從月球到木星：中國的行星探索路線圖

原文以China』s roadmap for planetary exploration為標題

發布在2018年5月1日的《自然-天文學》評論上

中國已經批准或規劃在未來十年內啟動若干空間探索任務。中國新一代行星科學家在決定未來探索任務的科學目標方面發揮著重要作用。

根據中國於2016年3月17日發布的「十三五規劃」，行星探索成為了國家的重點工作之一。中國首次明確表示計划走向地月系統之外。對於中國的行星研究界來說，當前五年計劃對於深空探索的重視不僅標誌著一個新的開始，也標誌著一個轉折點。

在首顆衛星發射升空三十多年後，中國於2003年啟動了首個純科學太空任務——雙星計劃（Double Star），主要研究地球空間環境。2015年以來，中國在地球軌道上投放了若干新的科學衛星，包括2015年的「悟空」號（DAMPE），2016年的 「墨子」號（Micius）、實踐十號衛星（SJ 10）、中國二氧化碳觀測衛星（TanSat），2017年的「慧眼」，以及2018年的中國地震電磁監測實驗衛星（CSES）。還有另外一些任務正在籌備當中，例如與歐洲空間局（ESA）合作的太陽風-磁層相互作用全景成像衛星(SMILE)（圖1）。

（點擊放大）圖1：中國過去、現在和未來的太空任務及其目標。

來源: 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。

這些近地任務大部分都與美國宇航局的低成本中級探索者計劃（Medium-Class Explorers Program）或發現計劃（Discovery Program）有些相似，並且作為空間科學戰略重點科學技術項目的一部分，得到了中國科學院的支持。然而，太陽系探索任務更加昂貴，只能作為中國政府的國家級項目獲得支持。太空探索任務的核心價值在於卓越的科學目標，因此需要經過非常細緻的評估。在這一點上，美中兩國也有所差異。

美國宇航局的發現計劃或新疆界計劃（New Frontiers Program）通常先邀請行星科學家提出科學目標，再對這些提案進行評估和選擇。而中國的行星探索是一項國家戰略：首先公布候選目標，之後科學家和工程師開始確定優先順序。中國行星科學界的發展及其協商計劃目標的程序在很多方面反映了行星科學在西方世界興起時的情形。例如，美國和蘇聯的早期行星任務主要以技術為中心，但他們很快培養起了行星科學研究，行星科學界快速發展壯大。

2017年，中國地球物理學會宣布成立首個官方行星物理專業委員會，用十年時間完成了從無到有的跨躍。委員會包括國內外大學和研究機構的100多位科學家，其中一些人曾以地球物理學家的身份在中國工作過，另一些人則作為行星科學家在國外積累了多年經驗後返回中國。同樣在2017年，第一本行星科學專業期刊《地球與行星物理》第一期正式出版。

地球的近鄰月球被選為中國第一個國家級太空探索任務的目標。鑒於其自然資源和當前空間工程的發展狀況，月球是理想的空間探索目標。中國的前三顆探月衛星——嫦娥一號、二號和三號分別於2007年、2010年和2013年發射。這些任務在地形、風化結構和基於月球的天文觀測方面取得了重要成果，還提供了關於軟著陸技術、漫遊車和科學儀器的寶貴的工程知識，可用於未來針對月球和其他行星的空間探索。

嫦娥四號計劃於2018年登陸月球背面，而首次採樣返回任務——嫦娥五號預計將於2019年從月球正面帶回約2千克的月球土壤。根據長征五號火箭的發射計劃，這兩項任務可能會短暫推遲。儘管尚未完全確定，但中國還計劃對月球南極進行三次探索。

受益於探月任務的工程成果，中國的下一個國家級太空探索任務可能將目標指向火星。火星擁有豐富的科學探索意義，而且火星上面的環境可能是宜居的，因此國際行星科學界對它非常感興趣。2011年，螢火一號火星探測器搭乘俄羅斯的福布斯號採樣返回探測器發射，但未能脫離地球軌道。 2016年1月，中國正式批准了一項新的火星探索計劃，並計劃於2020年夏天從地球發射，2021年初春抵達火星。基於嫦娥三號的著陸技術以及最新研發成果，該火星任務將由一個探測器和一個漫遊車組成。

任務重點關注的是大氣逃逸和液態水流失。探測器將收集關於近火星等離子體環境中的全局過程的數據，而漫遊車將探索著陸點周圍的局部特徵。將探測器和漫遊車的測量結果結合起來，可以提供從全局到局部細節的不同尺度上的特徵解析度。探測器和漫遊車都將攜帶攝像頭、雷達系統和磁力計。探測器還將配備等離子體分析儀，用於沿漫遊車軌跡測量火星表面磁場。

這些數據（包括對火星表面的第一次磁場測量結果）將用於解析太陽風和火星電離層之間相互作用的每日變化，以及電流系統的相關變化。在漫遊車和探測器上安裝相同類型的儀器允許在空間和地面之間進行兩點同步測量，從而為了解空間等離子體和近地面環境之間的相互作用，以及隨之而來的能量耗散提供了一個獨一無二的機會。此外，探測器和漫遊車還可以與歐洲空間局的火星快車號（MEX）以及美國宇航局的火星大氣與揮發物演化任務探測器（MAVEN）進行協作。

嫦娥二號在2012年就已經對一顆小行星進行了一次飛近觀測，而嫦娥五號將帶來有關採樣返回的重要信息。因此，預計接下來將開展彗星或小行星的採樣返回任務。根據「十三五」行星戰略，目前中國有三項行星探索任務正處於規劃階段：計劃於2025年左右執行彗星/小行星採樣返回任務， 2030年左右執行火星採樣返回任務以及木星及其衛星探索任務。然而，火星的採樣返回任務將強烈依賴未來長征九號火箭的建造（堪比美國土星五號火箭）。雖然這些任務都在政府行星戰略之列，但官方的正式批准和幾項計劃的優先順序將最終取決於其科研優勢和工程技術挑戰。

這三項任務的目標和優先順序引起了熱烈的爭論，爭論的焦點在於任務的科學目標。整個決策力圖在科學目標的創新性與實現這些目標所需技術的可行性之間達成平衡。科學家更重視對未知區域的探索，更重視在當下和未來的任務中與來自其他國家的科學家進行合作。工程師則傾向於關注當前技術的可靠性，以及如何基於中國以往任務所留下的資源進行拓展。雙方必須共同努力，以確保這些任務可以取得成功，實現計劃中的科學目標。

中國的整體科學目標是探索行星演化。對行星進行比較分析有助於我們更好地了解地球的演變。 未來的探月計劃有望解析月球內部深處的結構和組成，揭示岩漿海洋結晶和殼-幔分化的機制，並提供直接證據證明月球上水或冰的存在及其來源。

中國未來潛在的木星探索計劃或將吸引國際行星研究界的關注。木星研究目前是一個熱門話題，從美國宇航局的朱諾號就可見一斑，未來幾十年可能依然會延續這種趨勢，未來計劃中的任務包括美國宇航局的木衛二快船項目（Europa Clipper）和歐洲空間局的木星冰月探測器（JUICE）。雖然中國木星探索任務的科學目標尚未完全確定，但被納入考慮範圍的有木星的磁層-電離層耦合，木星大氣動力學，以及對木星衛星的探索。

為了探索木星，中國還將建立一個地面望遠鏡觀測站。與大多數由天體物理學家領導的地面望遠鏡觀測站不同，這個望遠鏡項目將由中國科學院下屬的地質與地球物理學研究所的行星科學家領導。它將用於研究木衛一（木星最活躍的衛星）和木星磁層之間的相互作用，以及這種相互作用如何影響木星的磁層-電離層耦合系統。這個項目需要大量的國際合作（例如，比利時列日大學的天體物理學和行星研究團隊）。

預計中國的貢獻之一是在位於西藏的一個最佳觀測點提供兩個1米直徑的望遠鏡，預計將在2020年投入使用。由於木星是該觀測站的科研重點，未來十年，它還將為歐洲空間局、美國宇航局和中國的木星系統探索任務提供重要支持。

科學家們在中國太空探索領域的領導地位比以往任何時候都強，並且目標也不僅僅局限於單純的技術演示。為了使這些太空任務的科學回報最大化，國際合作受到了高度重視。越來越多在美國和歐洲受訓的年輕科學家正選擇回國與國際團隊展開合作。毫無疑問，中國已經邁開了行星探索國際化的步伐，正成為這一領域的重要參與者。?

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！