中國網/中國發展門戶網訊 近代科學誕生以來已發生了?2?次科學革命、3?次技術革命，并催生了?3?次產業革命，由此奠定了現代航空航天誕生、發展及突破的科學、技術和產業基礎。這些科技革命不僅使人類的飛天夢在?20?世紀成為現實，而且不斷開辟認知世界的新窗口，激勵人們從更高、更遠、更深邃的角度去思考時空與演化，深刻影響了現代人的宇宙觀、價值觀和世界觀。

1957?年第一顆人造衛星上天，太空時代開啟。以航天器為主要研究平臺的空間科學，則日益成為傳統的天文學、地學、生命科學、物理學和化學等基礎學科的新前沿或重要分支集大成者。關于宇宙微波背景、暗能量、引力波、系外行星、超大質量黑洞等的科學發現，過去數十年來先后榮膺多項諾貝爾獎。依靠各類科學衛星，人類一方面透過X射線、紫外線等原本被地球大氣阻隔的電磁波段發現了宇宙不為人知的神秘一面，另一方面還通過載人航天與非載人的科學衛星探測，在地外世界豎起了人類探索未知的燈塔。

從發現美洲新大陸到當今的空天博弈，空間的戰略制高點地位日益凸顯，科學認知空間的基本需求益發旺盛。借助先進的空間望遠鏡和探測器，人類開始觀測深遠的宇宙、抵達深空無人區，無論是對行星地球還是早期宇宙，都看得更遠、更精確，并不斷突破認知極限。而引力波、中微子等地基天文觀測率先捕獲的宇宙新信使，以及持續涌現的人工智能、先進制造等顛覆性技術創新，亦將倍增空間科學探索新疆域的能力，有望使其迎來革命性發現和突破。

進入?21?世紀，世界正處于新一輪科技革命的前夜。因為眾所周知的原因，中華民族曾錯過了既往科技革命，但是今天的中國已經大踏步趕上了時代。經過逾一個甲子的自主創新發展，中國航天為空間科學厚植了騰飛的基礎。特別是?21?世紀的頭?20?年，我國聚焦重大科學目標的空間科學開始快速起步，從近地空間到火星表面、從探月到觀日，不斷挺進新領域，獲取新知識，有望在這一輪探索宇宙奧秘的世界競技舞臺上取得優異成績。

為此，本文聚焦空間科學前沿，以重大科學問題為綱，通過對航天強國和地區空間科學任務布局的剖析，前瞻正在孕育和萌芽中的科學突破；對標《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和?2035?年遠景目標綱要》，結合未來中國科學院戰略性先導科技專項“空間科學”等國家重大空間科學任務規劃，對我國的可能貢獻進行預判和展望。 

亟待空間科學突破的重大前沿問題

空間科學的前沿交叉研究特征，意味著它可借力航天器平臺，以太空為天然實驗室，突破天文學、地學、生命科學等母學科困于地面實驗或理論模擬等難以破解的科學難題。在國內外多家機構或期刊專題梳理的當代科技挑戰中，空間科學都被寄予厚望。

例如，美國科學院就建立夸克同宇宙的聯系發布了?21?世紀?11?個科學問題，強調暗物質暗能量應是未來幾十年天文學的重中之重；2005?年?Science?也梳理了當代科學最具挑戰性的?125?個科學問題，其中?2012?年還專題遴選評述出了當代“天文學八大未解之謎”。2018?年以來，中國科學技術協會亦曾征集評選重大前沿科學問題和工程技術難題，5?年來共評選、發布了?160?個問題或難題。

我們將上述問題當中空間科學可能突破的歸納在表?1。綜合研讀可以發現，有些問題屬于科學的終極歸宿，如引力的本質；有些問題更關乎人類生存，如近地小天體防御。結合我國空間科學相關戰略規劃研究成果，本文進一步梳理出?10?個最主要重大前沿問題亟待全球空間科學界攜手率先突破和回答。

（1）暗物質和暗能量的本質是什么？粒子物理標準模型只能涵蓋宇宙中?4.9%?的可見物質，“普朗克”衛星、“哈勃”望遠鏡等證實存在?26.8%?的暗物質和?68.3%?的暗能量。但迄今對它們的本質知之甚少。

（2）宇宙是如何起源和演化的？“大爆炸理論”認為可觀測宇宙起源于約?140?億年前發生的一次大爆炸，而觀測證實宇宙目前仍在加速膨脹。宇宙黑暗時代和黎明時代等幾乎是科學觀測空白。

（3）高能宇宙線是如何起源與加速的？宇宙線是來自外空的高能粒子，能量跨越了約?11?個量級，其中的帶電粒子受星際磁場作用改變了傳播方向。它們是天體演化、太陽爆發等的信使，其加速與溯源之謎仍待破解。

（4）引力波是什么？引力波是由天體的質能變化產生的時空波動。激光干涉引力波天文臺（LIGO）地面直接探測到了引力波。亟待借助科學衛星等手段，拓展引力波全頻段觀測窗口，揭示宇宙演化的新奧秘。

（5）宇宙中是否存在第二個地球？空間觀測證實系外行星普遍存在。若發現存在第二個地球，將革命性地改變“人類在宇宙中是否孤獨”的認知。系外行星研究正從探測發現向表征與成像的精細刻畫跨越，目標直指探尋地外生命跡象。

（6）生命在何處產生、如何產生？目前僅知地球存在生命。探尋太陽系宜居帶和巨行星冰衛星上的生命印記，已成為?21?世紀破解生命起源與演化的重大新興交叉前沿。

（7）行星系統是如何形成與演化的？基于太陽系的行星系統模型不具有普適性。大量系外行星空間觀測新發現為顛覆或完善引力不穩定性、核吸積等理論模型，以及發展行星形成/演化的普適理論奠定了研究基礎。

（8）太陽爆發活動與人類文明的關系是什么？空間天氣影響現代社會天地基技術系統。揭示太陽爆發及其行星際空間傳播機制，預報并規避災害性空間天氣的影響，對于人類文明賡續發展至關重要。

（9）地球物質循環和能量平衡如何變化？全球變化顯著改變地球系統能量平衡與物質循環過程，關乎全球水資源與糧食安全。開展地球系統關鍵要素及多圈層耦合過程的高效空間對地觀測至關重要。

（10）空間環境下的物質運動和生命活動的規律是什么？空間環境是人類利用空間的“雙刃劍”。揭示地球生命在地外環境的生存和發展規律，認知空間環境下的流體、材料、燃燒機理，以及基礎物理新規律，均是亟待突破的新興交叉前沿。

國際空間科學發展重點

雖然空間科學是航天事業的重要內容，但并非所有航天國家都有意愿投資這一功在本國、利在世界、關乎人類文明進步的前沿交叉領域，這也是受限于本國的經濟發展狀況。縱觀全球空間科學發展態勢和國別情況，顯然應重點關注美歐等航天強國和地區。它們長期以來重視空間科學對科技創新的引領作用，制定了長期、全面的空間科學發展戰略規劃，并予以持續高強度財政預算支持，已成為人類空間科學探索重大原創進展的主角。

全球空間科學突破回眸

千禧年以來，全球空間科學突飛猛進。借助新媒體傳播，社會公眾對宇宙觀測、太陽爆發、系外行星等空間科學熱點耳熟能詳，觀測超新星、發現宇宙加速膨脹等被授予諾貝爾獎更使空間科學成為科學界關注焦點。鑒于反映空間科學進展的論文每年數以萬計，縱使僅細數?21?世紀的突破與成就也難以為之。

為此，我們通過?Science?年度十大科學突破、Nature?年度十大科學新聞、中國科學十大進展、世界十大科技進展新聞、中國十大科技進展等榜單窺一斑而知全豹，對過去?10?余年的全球空間科學突破進行了分析（表?2），總結出?3?個特征。

（1）空間科學研究直面基礎研究最前沿、最重大的方向，挑戰最有重大科學意義的難題；雖然空間科學研究成果不能規劃，但研究方向可以聚焦和瞄準，一旦取得突破就可能是里程碑性質的。例如，引力波是愛因斯坦在?1916?年基于廣義相對論做出的科學預言。100?多年來，科學家們雖窮盡辦法，但終因引力波過于微弱而難以探測。縱如此，美國科學家赫爾斯（Russell A. Hulse）和泰勒（Joseph H. Taylor，Jr）就因?1974?年用射電望遠鏡發現脈沖雙星間接證實了引力波的存在，而獲得?1993?年諾貝爾物理學獎。2016?年?2?月美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）的研究人員向世界宣布人類首次直接探測到了引力波；1?年后，2017?年?10?月瑞典皇家科學院就將諾貝爾物理學獎頒發給?LIGO?團隊的核心成員雷納·韋斯（Rainer Weiss）、巴里?·?巴里什（Barry C. Barish）和基普?·?索恩（Kip S. Thorne），以表彰他們在?LIGO?探測器和引力波觀測方面的突出貢獻。至于來自雙中子星合并產生的引力波（GW170817）位列Science2017?年度十大科學突破之首也就顯得合情合理。究其原因，在于引力波已成為人類探索宇宙的新信使、觀測宇宙的新窗口。鑒于空間探測將極大拓展引力波至中低頻，甚至會以當今不可預見的方式拓展我們對物理學和天文學的認知，隨之而來的科學突破令人期待。目前，歐洲空間局（ESA）的“麗莎”引力波探測激光干涉空間天線計劃，以及我國的“太極計劃”和“天琴計劃”都瞄準了這一新窗口。

（2）空間科學助力科學家揭示自然奧秘，推動基礎前沿研究和綜合交叉探索，其每一步進展都將拓展人類對宇宙演化、生命起源的認知。例如，“我們人類是否是宇宙中唯一生命存在？”既是個哲學命題，也是重大科學前沿。美國的火星探測計劃（MEP）一直將尋找火星生命“指紋”作為首要科學目標。1996?年，時任美國總統克林頓宣布美國國家航空航天局（NASA）基于火星隕石?ALH84001?做出了關于火星生命的重大發現。這一新聞后被科學界認為可能是個“烏龍”。但是，“好奇號”登陸火星的新聞，位列?2012?年多個榜單的頭條，依然反映了人們對火星是否存在生命或曾經存在生命的極大關注。同樣，我國“嫦娥”系列任務、“天問一號”任務等，也多次入選，這反映了我國空間科學領域高新技術研發和關鍵核心技術突破能力，這些成就為空間科學領域理論突破提供重要的平臺和關鍵的手段。

（3）我國空間科技已成為國家科技強國進展的重要標志，但空間科學原創能力與美歐航天強國和地區相比仍有明顯差距，亟待抓重點、補短板、強弱項。一方面，過去?10?余年，Science、Nature?及我國兩院院士評選的世界十大科技進展榜單中，并未出現我國主導的空間科學任務或者成果（表?2）。顯然，應對我國空間科學的世界位置有客觀認識，不能將中國航天的工程技術成就與空間科學突破混淆；另一方面，在一些重大前沿上，如?2017?年人類首次直接探測雙中子星并合產生的引力波，我國科學家雖有貢獻，但尚未作出核心貢獻。我國空間科學在產出有重要影響力的科學成果方面仍有較大差距。當然，我國空間科學系列衛星、深空探測器和空間站等大國重器，已為實現“從?0?到?1”的突破奠定了基礎，未來可期。

2.美歐空間科學未來布局剖析

空間探索，戰略先行。美國科學院（NAS）自?20世紀?60?年代中期開始，持續公開發布了逾?10?份《十年調查》發展規劃系列報告，為?NASA?布局實施各學科不同類型的空間科學任務提供主要依據，同時也對其他國家的空間科學布局產生重要影響。其中，天文學和行星科學領域分別于?2021?年?11?月和?2022?年?4?月發布了新版《十年調查》報告（表?3）。NASA?科學任務部（SMD）作為執行機構，努力將美國空間科學發現宇宙奧秘，探尋地外生命，賡續人類文明的使命變成現實。

2020?年?7?月，NASA?發布了《太空探索：空間科學?2020—2024?年——科學卓越的愿景》，提出了?SMD?的?4?個交叉領域的優先事項和相應的戰略。優先事項?1“空間探索和科學發現”實施了平衡的項目組合，涵蓋空間天文學、行星科學、日球層物理學、空間地球科學四大領域。2022?年?3?月，NASA?發布《2022?戰略規劃》，要求?SMD?牽頭開展理解地球系統和氣候變化，認知太陽、太陽系和宇宙，科學數據研究等工作，以通過科學發現擴展人類知識。

SMD?根據美國科學院各學科諸版《十年調查》報告給出的高水平科學任務排序建議，從?2022?年起至?2035?年前后，聚焦宇宙觀測、日球層探測、太陽系探索和空間對地觀測的重大科學問題；據不完全統計，NASA?實施逾?60?個各種類型的空間科學任務，繼續打造美國的世界領先優勢。表?3?為?SMD?給出的各領域關鍵科學問題和發展重點方向研判，以及未來重點任務。

歐洲空間局（ESA）作為泛歐一體化框架下發展歐洲空間科學的主要機構，從?20?世紀?80?年代開始已經連續推出?4?輪空間科學發展規劃。現行的第?3?個規劃《宇宙憧憬》（Cosmic Vision）2005?年發布，明確了?ESA?自?2015—2025?年的空間科學任務，其中包括?3?個大型（L?級）任務、4?個中型（M?級）任務。著眼長遠，ESA?科學部?2021?年?6?月發布了第?4?個中長期發展規劃《遠航?2050》（Voyage 2050），瞄準2035—2050?年發展周期，聚焦重大科學前沿，前瞻未來技術創新。《遠航?2050》規劃繼續以宇宙觀測和太陽系探索為主題，涵蓋了空間天文學、日球層物理學、行星科學三大領域的空間科學任務，目前已經確定了太陽系巨行星之衛星探測、早期宇宙新物理觀測、溫潤系外行星或銀河系觀測?3?個?L?級任務的科學方向。2021?年?12?月，ESA?發布通知開始組建方向?1：“太陽系巨行星之衛星探測”專家委員會，要求其對探測土衛二（Enceladus）地下海洋?L?級任務的技術和經濟可行性提出評估意見，為征集和遴選相關探測任務做準備。

需要說明的是，ESA?將空間科學任務列為強制性計劃進行部署并由其空間科學部負責，將空間地球科學列為選擇性計劃并其對地觀測中心負責，納入歐洲對地觀測計劃中，并通過科學規劃實現接續健康發展。ESA?的空間地球科學任務主要指“地球探索者”（Earth Explorers）衛星計劃，通過深入研究地球環境、氣候等現象，加強對地球系統各過程的理解。

與美國相比，歐洲的空間科學發展歷史晚了約?20?年，但是?ESA?亦科學規劃了令人印象深刻的科學任務，產出了多項標志性成果。2022—2050?年，ESA?也計劃實施逾?30?項科學任務（表?4）；這些任務聚焦系外行星發現、表征和精細刻畫，空間引力波探測，宇宙大尺度結構和地球系統科學。

我國空間科學未來突破及對世界的貢獻

中國開始在世界空間科學舞臺占有一席之地

自?2011?年啟動以來，空間科學先導專項部署實施的暗物質粒子探測衛星“悟空”號、“實踐十號”衛星、量子衛星“墨子號”、硬?X?射線調制望遠鏡衛星“慧眼”已經或正在產出系列有國際影響的科學發現和原創成果。中國空間站將在軌運營?10?年以上，開展多達?11?個研究方向、有人參與的大規模、高水平空間科學與應用；巡天望遠鏡（CSST）也即將升空開展空間天文觀測。月球探測與“天問一號”任務的成功實施，已極大推動了中國行星科學研究，中國雖起步較晚但正在大踏步追趕國際先進水平。

其中，“悟空”號獲取了宇宙射線電子、質子和氦核能譜精細結構；“實踐十號”首次實現了哺乳動物胚胎太空發育；“墨子號”不僅完成千公里級星地量子糾纏分發等全部科學目標，而且在國際上率先完成引力誘導量子糾纏退相干實驗；“慧眼”首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化，對于理解黑洞吸積過程和相對論效應意義重大。利用“玉兔?2?號”中國科學家首次在月表原位識別出了“天外來客”——年齡在?1?個百萬年內的碳質球粒隕石撞擊體殘留物；對“嫦娥五號”月球樣品的研究表明月球最“年輕”玄武巖年齡為?20?億年，為完善月球演化歷史提供了關鍵科學證據。

此外，空間引力波探測技術實驗衛星“太極一號”實現了我國迄今最高精度的激光干涉測量，邁出了中國空間引力波探測第一步；引力波暴高能電磁對應體全天監測器衛星“懷柔一號”已探測到一批伽馬暴、磁星爆發、X射線暴等高能天體爆發現象。先進天基太陽天文臺（ASO-S）、愛因斯坦探針（EP）、中歐太陽風-磁層相互作用全景成像衛星聯合“微笑計劃”等系列科學衛星也將陸續發射升空。

瞄準重大原創突破加緊布局重大科學任務

面向世界空間科學前沿和建設科技強國、航天強國的國家重大戰略需求，基于?2006?年以來中國科學院和國家自然科學基金委員會組織完成的空間科學學科發展戰略重大成果，未來我國應圍繞兩大主題——“宇宙和生命是如何起源和演化的”和“太陽系與人類的關系是怎樣的”加快發展空間科學。結合國內學科基礎和優勢，我國空間科學界已將上述兩大主題深化為極端宇宙、時空漣漪、日地全景、宜居行星?4?個前沿探索方向，凝練出了宇宙演化探測、空間引力波探測等?10?項未來重大科學任務（表?5），并與國家中長期科技發展規劃、航天強國發展綱要等國家發展規劃有效銜接。縱覽全球航天強國空間科學未來發展態勢，可以深刻感受到未來?10—15?年對中國空間科學騰飛至關重要。時不我待，聚焦最優先的科學前沿方向，直面最重大的科學問題勇闖“無人區”，盡快將承載了我國空間科學界集體智慧和共識的重點任務方向，通過科學論證和公正遴選，形成可實施的系列科學衛星任務，就顯得相當急迫。

實際上，表?5?給出的還只是科學任務規劃方向，在具體實施過程中，應統籌大型（戰略性）、中型、小型及機遇型等諸類科學衛星工程任務，以及空間科學基礎研究及數據分析項目。一方面堅持重大科學目標和重大產出導向，另一方面不以大小論英雄，平衡各項目的配置，帶動新興交叉領域研究。在人類的星際探索之旅標記中國腳印，確保空間科學發展真正體現國家意志，將重大基礎前沿突破早日變成有重要國際影響的諾貝爾獎級成果。

結語

如果從美國發射世界首顆空間科學衛星“探索者一號”（Explorer 1）開始，全球空間科學發展甚至不到?70?年，迄今全球累計發射約?865?顆空間科學衛星（含?279?個深空探測器）。距離?2021?年?12?月發射升空也就半年時間，集各種卓越技術和多個關鍵科學目標的美國“韋伯”空間望遠鏡（JWST）即將完成在軌測試，開啟探索宇宙第一代恒星和星系誕生奧秘之旅。有美國四大空間望遠鏡任務成功在先，JWST?的科學成果必將大幅推動人們對早期宇宙的深入了解。

實際上，空間科學已推動和見證了當代科技發展的“太空時代”新紀元，取得了一批重大發現和革命性基礎研究突破，極有可能成為新一輪科技革命的主戰場之一。揭示極端條件下的物理規律、發現和表征溫潤系外行星、利用多信使探索早期動態宇宙、在巨行星/衛星探尋太陽系地外生命、太陽爆發活動及其對人類和太陽系的影響、地球復雜系統的多圈層耦合等是全球科學界厚望的重大突破點，并將推動天文學、物理學、生命科學等基礎科學，以及天體生物學、系外行星學等新型交叉研究實現質的飛躍（圖?1）。

空間科學是我國自然科學有望取得諾貝爾獎級突破的優勢領域之一。基于空間科學系列衛星、深空探測器，以及空間站巡天望遠鏡等大國重器，加強建制化、定向性基礎研究，我們相當有信心在發現暗物質信號、直接探測到低頻引力波、探索宇宙黑暗時代和黎明時代、日地相互作用等科學前沿方向上率先突破，這必將成為?2035?年我國進入創新型國家前列的一項重要標志，也將拓展人類認知邊界，開辟新的發展疆域，豎起全球探索太空的新豐碑。

（作者：王赤，中國科學院國家空間科學中心；《中國科學院院刊》供稿）

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