2021年中國(guó)太空探索的重大進(jìn)展
科技日?qǐng)?bào) 唐芳 2021-12-24 云阿云智庫(kù)•天空學(xué)院
回望2021年的浩瀚星空，中華民族迸發(fā)了最耀眼的華彩：“天問”登火、“羲和”探日、“銀河”巡天、“天宮”覽勝……這一年，探尋宇宙信息的大科學(xué)工程亦是碩果累累，“中國(guó)天眼”發(fā)現(xiàn)201顆脈沖星、“拉索”觀測(cè)到最高能量光子，驚艷了國(guó)際天文學(xué)界；嫦娥五號(hào)帶回月球“土”特產(chǎn)，翻開我國(guó)月球科學(xué)研究的嶄新篇章……中華民族在探索星辰大海的浩然征途上正大步向前。
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“天宮”建造全面展開
我國(guó)載人航天進(jìn)入“空間站時(shí)代”
空間站，航天員的“太空家園”，科學(xué)研究的“太空實(shí)驗(yàn)室”。4月29日11時(shí)23分，海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，長(zhǎng)征五號(hào)B大推力運(yùn)載火箭以萬鈞之力，將中國(guó)空間站核心艙成功送入太空，我國(guó)載人航天真正迎來空間站時(shí)代。至此，中國(guó)空間站在軌組裝建造全面展開。
中國(guó)空間站是中國(guó)獨(dú)立自主建造運(yùn)營(yíng)的載人空間站，在近地軌道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，靠貨運(yùn)飛船實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑和消耗品的補(bǔ)充，可滿足航天員長(zhǎng)期在軌生活、工作需要，代表了當(dāng)今航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進(jìn)和最綜合的科學(xué)技術(shù)成果。
6月17日，神舟十二號(hào)載人飛船搭載的航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波先后進(jìn)入天和核心艙，標(biāo)志著中國(guó)人首次進(jìn)入了自己的空間站；10月16日，神舟十三號(hào)載人飛船順利將翟志剛、王亞平、葉光富送入太空，進(jìn)駐天和核心艙后，開啟為期6個(gè)月的太空駐留；11月7日，翟志剛、王亞平先后從天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙成功出艙，王亞平邁出中國(guó)女性艙外太空行走第一步；12月9日，神舟十三號(hào)航天員乘組在中國(guó)空間站首次進(jìn)行太空授課。
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發(fā)現(xiàn)反銀心子結(jié)構(gòu)起源于銀盤
終結(jié)子結(jié)構(gòu)起源爭(zhēng)議
天文學(xué)家已經(jīng)知道，銀河系不是傳統(tǒng)認(rèn)知的光滑扁平盤，而是一條星波蕩漾的星河。這一認(rèn)識(shí)源于銀河系反銀心方向子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，但這些子結(jié)構(gòu)到底起源于哪里存在爭(zhēng)議。
5月，《天體物理學(xué)報(bào)》發(fā)表的一篇中國(guó)科學(xué)家的研究論文終結(jié)了這一爭(zhēng)議。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、西華師范大學(xué)等單位的研究人員，利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）和“蓋亞”衛(wèi)星（Gaia）數(shù)據(jù)，對(duì)位于反銀心方向的一些子結(jié)構(gòu)與銀盤進(jìn)行“親子鑒定”，發(fā)現(xiàn)銀河系反銀心子結(jié)構(gòu)并不是被銀河系吸積的矮星系遺跡，而是銀河系外盤的一部分。利用望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員搜尋到589顆來自麒麟座星環(huán)、三角座—仙女座星流和A13結(jié)構(gòu)的成員星，這是目前最大的反銀心子結(jié)構(gòu)成員星樣本。
研究人員將成員星樣本的化學(xué)元素含量、運(yùn)動(dòng)特征以及能量角動(dòng)量分布，與銀盤進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這些成員星與銀盤擁有相似的近圓形運(yùn)動(dòng)軌道，金屬豐度與銀盤的厚盤星相似，這些都證明了子結(jié)構(gòu)成員星可能來自銀盤厚盤。然而，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這些子結(jié)構(gòu)成員星的α元素豐度明顯低于厚盤。
對(duì)此，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院副教授李靜解釋道，因?yàn)槟壳般y河系外盤依然存在很多冷氣體，相對(duì)于內(nèi)盤，外盤分子云密度低，化學(xué)元素的金屬豐度增加不充分。從運(yùn)動(dòng)特征和化學(xué)DNA鑒定，天文學(xué)家推測(cè)這些子結(jié)構(gòu)成員星應(yīng)該屬于低α豐度貧金屬外盤星。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員薛香香說：“這意味著這些反銀心子結(jié)構(gòu)起源于銀盤�！�
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天問一號(hào)登陸火星
探尋火星起源與演化的線索
穿越漫漫星河，跋涉297天，2021年5月15日7時(shí)18分，短短9分鐘內(nèi)將兩萬多公里時(shí)速降為零，天問一號(hào)著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。
5月22日10時(shí)40分，“祝融號(hào)”火星車安全駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開始巡視探測(cè)。中國(guó)成為世界第二個(gè)讓火星車成功著陸的國(guó)家。
我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋介紹，天問一號(hào)任務(wù)是中國(guó)開展行星探測(cè)的第一步，圓滿完成了“一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視”的既定任務(wù)目標(biāo)，將極大推動(dòng)中國(guó)空間科學(xué)，特別是行星科學(xué)研究的發(fā)展。目前，天問一號(hào)在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，配置的13臺(tái)科學(xué)載荷已全部開機(jī)開展科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，為科學(xué)家提供豐富的高質(zhì)量科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。具體來說，可以獲得包括火星地形地貌、表面物質(zhì)成分、地下結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、氣象和空間環(huán)境等在內(nèi)的多元素、第一手火星科學(xué)數(shù)據(jù)。“祝融號(hào)”正繼續(xù)向?yàn)跬邪钇皆喜恳伤乒藕Ｑ笈c陸地交界的地帶行駛，探尋揭開火星起源與演化之謎的線索。
值得一提的是，天問一號(hào)在奔火途中還獲取了地月合影、“深空自拍”飛行圖像，并傳回首幅火星圖像。抵達(dá)火星表面后，6月11日，天問一號(hào)首批科學(xué)影像圖發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功。
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“拉索”發(fā)現(xiàn)迄今最高能量光子
突破人類對(duì)銀河系粒子加速傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)
大科學(xué)工程高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO），位于四川稻城平均海拔4410米的海子山，是世界上最大的高海拔宇宙線觀測(cè)裝置，歷時(shí)4年，于10月24日建成并正式進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段。
邊建設(shè)邊運(yùn)行的“拉索”，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了能量高達(dá)1.4拍電子伏特的光子。這是人類迄今觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了超高能伽馬天文學(xué)的新時(shí)代。5月17日，相關(guān)成果論文在線發(fā)表于《自然》雜志。
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FAST新發(fā)現(xiàn)201顆脈沖星
“中國(guó)天眼”成最強(qiáng)大脈沖星搜索利器
脈沖星是大質(zhì)量恒星死亡后的“遺骸”，能夠發(fā)射出高度周期性的脈沖，周期在1.4毫秒到23秒之間，被稱為“毫秒脈沖星”的短周期脈沖星，可以與地球上最好的原子鐘相媲美。因而，脈沖星是國(guó)際大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的主要科學(xué)目標(biāo)之一。
截至2021年4月，中國(guó)科學(xué)家利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）開展的巡天觀測(cè)，新發(fā)現(xiàn)了201顆脈沖星，其中包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰(zhàn)當(dāng)代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星、40顆毫秒脈沖星、16顆脈沖雙星、一批模式變化和消零脈沖星以及射電暫現(xiàn)源等。相關(guān)研究成果于5月20日作為封面文章發(fā)表于《天文和天體物理學(xué)研究》。
FAST被譽(yù)為“中國(guó)天眼”，配備19波束L波段接收機(jī)，是世界上最強(qiáng)大的脈沖星搜尋利器。
“后續(xù)對(duì)這些脈沖星的測(cè)時(shí)觀測(cè)可以用來探測(cè)來自遙遠(yuǎn)星系的低頻引力波，還可用于建立脈沖星時(shí)間和空間基準(zhǔn)，其中一些脈沖星將會(huì)成為檢驗(yàn)引力理論的絕佳利器�！敝袊�(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員韓金林說。
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嫦娥五號(hào)月球樣品發(fā)放
有望揭示月球及行星演化之謎
近觀月壤一克，遙測(cè)星河萬年。月壤是月球表面月巖經(jīng)過長(zhǎng)期的隕石和微隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)、宇宙射線輻射等太空風(fēng)化作用形成的。月壤除了反映月表本身的物質(zhì)組成以外，還是記錄太陽(yáng)風(fēng)等與月表相互作用歷史以及外來物質(zhì)增生信息的重要載體。
7月12日，嫦娥五號(hào)任務(wù)第一批月球科研樣品發(fā)放儀式舉行。13家科研機(jī)構(gòu)的31份申請(qǐng)獲得通過，共發(fā)放17.4764克樣品，月球樣品科學(xué)研究正式啟動(dòng)。10月20日，第二批月球科研樣品發(fā)放名單公布，共計(jì)發(fā)放17.936克樣品。
科研人員將利用月壤對(duì)月球表面過程、火山活動(dòng)年齡、月球演化過程等開展研究，有望在月球與行星演化、行星宜居性等方面產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)。
嫦娥五號(hào)月球樣品很快有了第一批科研成果。10月19日，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所與國(guó)家天文臺(tái)等單位的研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)月球樣品為一類新的月海玄武巖。這些月球最“年輕”的玄武巖年齡為20億年，所處區(qū)域晚期巖漿活動(dòng)的源區(qū)并不富集放射性元素，并且月幔源區(qū)幾乎沒有水。
12月13日，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)聯(lián)合南京地質(zhì)古生物研究所發(fā)現(xiàn)，月球樣品鈦鐵礦含量極高，是高鈦玄武巖。此前，國(guó)內(nèi)其他研究團(tuán)隊(duì)在月球樣品中已發(fā)現(xiàn)低鈦、中鈦玄武巖類型。研究人員推測(cè)，嫦娥五號(hào)月球著陸區(qū)或曾有多次火山噴發(fā)。
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亞軌道重復(fù)使用運(yùn)載器首飛成功
我國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)
發(fā)展重復(fù)使用天地往返航天運(yùn)輸技術(shù)，是我國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。亞軌道重復(fù)使用運(yùn)載器，可作為升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的子級(jí)，是航天航空技術(shù)的高度融合體。
7月16日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司一院研制的亞軌道重復(fù)使用演示驗(yàn)證項(xiàng)目運(yùn)載器，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火起飛，按照設(shè)定程序完成飛行后，平穩(wěn)著陸于阿拉善右旗機(jī)場(chǎng)，首飛任務(wù)取得圓滿成功。
中國(guó)航天科工二院研究員楊宇光表示，亞軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)高度最低為80至100千米，理論上最高可達(dá)地球引力邊緣，即150萬千米。射程較遠(yuǎn)的彈道導(dǎo)彈被動(dòng)段軌跡即為亞軌道。亞軌道還廣泛應(yīng)用于探空火箭和太空旅游等方面。
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青海冷湖發(fā)現(xiàn)世界級(jí)天文臺(tái)臺(tái)址
將成我國(guó)極其寶貴的戰(zhàn)略性稀缺資源
光學(xué)/紅外觀測(cè)臺(tái)址是極其寶貴的戰(zhàn)略性稀缺資源，目前國(guó)際公認(rèn)的最佳臺(tái)址只有智利北部山區(qū)、美國(guó)夏威夷莫那卡亞峰以及南極內(nèi)陸冰穹地區(qū)。
8月18日，《自然》發(fā)布了我國(guó)一項(xiàng)關(guān)于天文觀測(cè)臺(tái)選址的重大科學(xué)進(jìn)展，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的鄧?yán)畈叛芯繄F(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)青海冷湖臺(tái)址的光學(xué)觀測(cè)條件全面優(yōu)于青藏高原其他選址點(diǎn)，可與國(guó)際公認(rèn)的最佳天文臺(tái)臺(tái)址比肩。
冷湖地區(qū)日照豐沛、降水極少、夜空晴朗，歷史記錄的天氣條件非常良好。鄧?yán)畈叛芯繄F(tuán)隊(duì)通過對(duì)冷湖賽什騰山區(qū)的實(shí)地考察，確定在山區(qū)4200米海拔標(biāo)高點(diǎn)（賽什騰C區(qū)）進(jìn)行定點(diǎn)選址，2018年起正式對(duì)該地域的晴夜數(shù)量、晴夜背景亮度和氣象進(jìn)行3年連續(xù)監(jiān)測(cè)，2020年底獲得對(duì)賽什騰山光學(xué)/紅外觀測(cè)條件的結(jié)論性數(shù)據(jù)。
為最大限度發(fā)揮冷湖臺(tái)址的科學(xué)效益，鄧?yán)畈疟硎�，�?yīng)盡快對(duì)臺(tái)址資源進(jìn)行保護(hù)，避免燈光、粉塵、震動(dòng)等因素對(duì)其造成影響；還要吸引國(guó)際領(lǐng)先的觀測(cè)設(shè)施落戶，使之成為國(guó)際光學(xué)天文研究的重要基地。
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“羲和號(hào)”發(fā)射
我國(guó)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)探測(cè)零的突破
太陽(yáng)是距離地球最近的恒星，對(duì)地球演化和人類文明的發(fā)展意義重大。10月14日，我國(guó)首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”成功發(fā)射，我國(guó)正式步入“探日”時(shí)代，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)探測(cè)零的突破。
“羲和號(hào)”的全稱是太陽(yáng)Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，重508公斤，設(shè)計(jì)壽命3年，運(yùn)行于高度為517千米的太陽(yáng)同步軌道，能夠連續(xù)24小時(shí)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)，主要科學(xué)載荷為太陽(yáng)空間望遠(yuǎn)鏡。
從發(fā)射“座駕”到衛(wèi)星平臺(tái)，再到科學(xué)載荷，“羲和號(hào)”開創(chuàng)了許多個(gè)“首次”：國(guó)際上首次開展太陽(yáng)Hα波段光譜成像空間探測(cè)；首次采用“動(dòng)靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)新方法；首次提出“載荷艙主動(dòng)控制、平臺(tái)艙從動(dòng)控制”新方法；首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星大功率、高可靠、高效無線能源傳輸技術(shù)的應(yīng)用。
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“銀河畫卷”二期巡天計(jì)劃啟動(dòng)
將提供更廣域的分子氣體分布數(shù)據(jù)
巡天是人類探尋宇宙信息的基本手段，是一種對(duì)天空可掃描區(qū)域進(jìn)行逐塊無差別掃描的系統(tǒng)觀測(cè)方式，通過對(duì)天空進(jìn)行拉網(wǎng)式“普查”來發(fā)現(xiàn)未知天體。
“銀河畫卷”巡天計(jì)劃是我國(guó)唯一在毫米波段的巡天項(xiàng)目，利用位于青海德令哈的13.7米毫米波射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測(cè)。今年11月，為期10年的“銀河畫卷”二期巡天計(jì)劃啟動(dòng)，將巡天區(qū)域擴(kuò)展至銀道面附近銀緯正負(fù)10度的范圍，將為多波段天文研究提供更廣域的分子氣體分布數(shù)據(jù)。
而“銀河畫卷”一期巡天項(xiàng)目自2011年11月起歷時(shí)10年，于2021年4月底結(jié)束，完成銀緯正負(fù)5度范圍共2400平方度的探測(cè)覆蓋，建立了毫米波分子譜線數(shù)據(jù)庫(kù)。
中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員、“銀河畫卷”巡天計(jì)劃總負(fù)責(zé)人楊戟指出，無論是一期還是二期項(xiàng)目，“一氧化碳分子譜線”都是“銀河畫卷”計(jì)劃的觀測(cè)核心，因?yàn)樗軒椭茖W(xué)家揭示分子氣體溫度、密度等性質(zhì)。
目前，我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)若干有影響力的天文巡天項(xiàng)目，除了“銀河畫卷”計(jì)劃，還有基于LAMOST開展的光譜巡天觀測(cè)、基于FAST開展的脈沖星巡天觀測(cè)等。
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星鏈計(jì)劃，“前科”累累 