中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 空間科學(xué)是依托空間飛行器平臺(tái)，研究日地空間、行星際空間及至整個(gè)宇宙空間中的物理、天文、化學(xué)及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)。其所依托的空間飛行器，從早期的探空氣球和探空火箭，到現(xiàn)在已經(jīng)普遍采用人造地球衛(wèi)星、深空探測(cè)器和各類載人飛行平臺(tái)。

人類自1957年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來(lái)，已經(jīng)發(fā)射了數(shù)百顆科學(xué)衛(wèi)星和深空探測(cè)器，極大地推進(jìn)了人類對(duì)宇宙起源和演化、太陽(yáng)系及其各天體、地球空間和地球系統(tǒng)，以及物質(zhì)和生命在地球以外運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，使人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)發(fā)生了巨大的變化。很難想象，如果沒有人造衛(wèi)星和之后的空間科學(xué)研究，人類對(duì)宇宙、地球和生命的認(rèn)識(shí)可能還停留在很低的水平，愛因斯坦等偉大科學(xué)家的很多理論和設(shè)想，還只是停留在紙上，無(wú)法得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

回顧1957年以來(lái)空間科學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了2個(gè)明顯不同的發(fā)展階段。其大致可分為1958—1990年的大發(fā)現(xiàn)階段，1990年至今的技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)的研究階段。

大發(fā)現(xiàn)階段（1958—1990年）。1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星之后，美國(guó)在1958年1月也發(fā)射了其第一顆人造衛(wèi)星，并發(fā)現(xiàn)了地球輻射帶（被地球磁場(chǎng)限制在一定區(qū)域中的高能電子和質(zhì)子）。其后美國(guó)、蘇聯(lián)這兩個(gè)航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，在太空競(jìng)賽的大背景下，又不斷做出了很多新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括對(duì)地球、月球、金星、火星、太陽(yáng)本身的認(rèn)識(shí)，以及通過(guò)X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙深處的觀測(cè)，獲得了銀河系的大量信息及河外其他星系的信息，也包括利用機(jī)器人和載人空間活動(dòng)對(duì)月球的初步探測(cè)，以及對(duì)帶回來(lái)的月球樣品的研究。然而這些，大部分都是到達(dá)即發(fā)現(xiàn)的科學(xué)突破。也就是說(shuō)，航天飛行器所達(dá)到的位置，為科學(xué)家提供了大量直接的新信息。例如：對(duì)地球輻射帶、行星際太陽(yáng)風(fēng)中電離粒子的原位探測(cè)，在地球軌道上由于居高臨下的優(yōu)勢(shì)，對(duì)地球進(jìn)行更宏觀的系統(tǒng)性的觀測(cè)（如對(duì)完整的臺(tái)風(fēng)和其移動(dòng)過(guò)程的觀測(cè)等）；到達(dá)月球表面去研究月球等。這有點(diǎn)像在地球上傳統(tǒng)的科學(xué)探險(xiǎn)，必須首先要到達(dá)要探險(xiǎn)的地點(diǎn)，才能獲得新的科學(xué)認(rèn)知。我們把這一階段稱為大發(fā)現(xiàn)階段。在這個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的突破比較容易，只要把地面上成熟的探測(cè)器帶到太空中，就可以獲得新的發(fā)現(xiàn)。

技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)的研究階段（1990年至今）。由于美國(guó)在20世紀(jì)60—70年代初實(shí)施的“阿波羅計(jì)劃”耗資巨大，政治影響遠(yuǎn)大于其科學(xué)影響，促使美國(guó)科學(xué)界開始積極地倡導(dǎo)發(fā)射能夠有更多科學(xué)產(chǎn)出的計(jì)劃，推動(dòng)了之后大量科學(xué)衛(wèi)星的發(fā)射。另外，1975年成立的歐洲航天局（ESA）也從一開始就把自己的定位很大程度上放在了空間科學(xué)上。這些都促使了1990年以后的空間科學(xué)計(jì)劃更強(qiáng)調(diào)其科學(xué)探測(cè)儀器的先進(jìn)性。也就是說(shuō)，即使同樣在地球軌道上飛行，通過(guò)提升探測(cè)儀器的靈敏度和空間分辨率等探測(cè)方案的技術(shù)創(chuàng)新，來(lái)獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和研究成果。具有代表性的科學(xué)計(jì)劃包括美國(guó)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）、斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（SST），“宇宙背景探測(cè)者”（COBE），“開普勒”（Kepler），以及通過(guò)精確測(cè)量在同軌道上飛行的前后2顆衛(wèi)星之間的距離變化反演地球引力場(chǎng)（包括地下水變化）的“引力重建和氣候?qū)嶒?yàn)計(jì)劃”（GRACE）等。在歐洲空間局，有通過(guò)多點(diǎn)探測(cè)方案獲取地球空間環(huán)境信息的“星簇計(jì)劃”（Cluster）等。當(dāng)然在這一時(shí)期，到達(dá)即發(fā)現(xiàn)的任務(wù)仍然存在，但是必須選擇新的目的地，例如歐洲航天局的“尤利西斯計(jì)劃”（Ulysses），飛離了黃道面進(jìn)入到了太陽(yáng)極軌，以及美國(guó)航空航天局（NASA）的帕克太陽(yáng)探測(cè)器（Parker Solar Probe）和歐洲航天局的太陽(yáng)軌道飛行器（Solar Orbiter）對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行了抵近探測(cè)等。

技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)的研究階段一直延續(xù)至今，該階段最重要的特點(diǎn)是探測(cè)技術(shù)的不斷提升。這是因?yàn)榭臻g科學(xué)需要新的數(shù)據(jù)、靈敏度更高的數(shù)據(jù)和空間分辨率更高的數(shù)據(jù)，需要在探測(cè)技術(shù)上不斷地提升。這里通常有2個(gè)提升途徑：一個(gè)是延續(xù)原來(lái)的技術(shù)路線，通過(guò)材料、工藝的提升，甚至望遠(yuǎn)鏡口徑的增大來(lái)提高空間分辨率和探測(cè)靈敏度；另外一條路徑，更像是從“0”到“1”的創(chuàng)新，如采用創(chuàng)新的探測(cè)方案——多星編隊(duì)式的探測(cè)理論、干涉式的成像理論等。但無(wú)論哪種路徑，只要能提高分辨率、靈敏度，就能夠獲得新的數(shù)據(jù)，有希望獲得新的科學(xué)突破。

中國(guó)的空間科學(xué)起步較晚。2003年第一個(gè)真正意義上的科學(xué)衛(wèi)星——“地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃”的“探測(cè)一號(hào)”發(fā)射。它與之后發(fā)射的“探測(cè)二號(hào)”組成對(duì)地球空間的兩點(diǎn)探測(cè)，同時(shí)雙星計(jì)劃又和歐洲航天局4顆星組成的“星簇計(jì)劃”（Cluster）聯(lián)合，開展了對(duì)地球空間的六點(diǎn)探測(cè)。這是一個(gè)創(chuàng)新的多點(diǎn)探測(cè)的組合。2011年中國(guó)科學(xué)院實(shí)施空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中“悟空號(hào)”“墨子號(hào)”和“慧眼號(hào)”，也都是采用了創(chuàng)新的技術(shù)方案。

由此可見，自第1顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，空間科學(xué)的研究范式已經(jīng)從比較簡(jiǎn)單和顯而易見的、所到即所得的大發(fā)現(xiàn)階段，進(jìn)入到了一個(gè)必須依靠創(chuàng)新的技術(shù)和方案才能獲得新的數(shù)據(jù)的研究階段。即使是所到即所得式的任務(wù)，那些比較容易到達(dá)的目的地也都已經(jīng)被前人所覆蓋，必須創(chuàng)新性的思考更加具有挑戰(zhàn)意義的新的目的地，比如在月球背面著陸，才能做出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

具有技術(shù)創(chuàng)新的科學(xué)任務(wù)從哪里來(lái)？

由于未來(lái)空間科學(xué)任務(wù)的產(chǎn)出越來(lái)越依賴于執(zhí)行該任務(wù)的探測(cè)方案、科學(xué)載荷的創(chuàng)新度，因此對(duì)提出任務(wù)的首席科學(xué)家在技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新思想和能力的要求就變得越來(lái)越高。

參考國(guó)外遴選空間科學(xué)任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，所有成功的空間科學(xué)任務(wù)的起點(diǎn)，都來(lái)自早期在任務(wù)遴選中對(duì)探測(cè)方案和科學(xué)載荷創(chuàng)新度的要求。所謂早期遴選是指在任務(wù)思想剛剛形成的預(yù)研階段。在該階段，項(xiàng)目管理機(jī)構(gòu)通常不是根據(jù)項(xiàng)目的成熟度來(lái)遴選，而是根據(jù)項(xiàng)目的創(chuàng)新性來(lái)遴選，哪怕可行性還達(dá)不到100%，只要其思想不違反基本科學(xué)原理，哪怕技術(shù)上還并不成熟，都有可能獲得支持。而提出該項(xiàng)目的首席科學(xué)家，在這個(gè)早期的預(yù)研階段，也許并不那么出名，但是一旦他們的建議得到支持，就會(huì)傾力投入，通過(guò)桌面實(shí)驗(yàn)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)甚至最后階段的搭載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證他們的創(chuàng)新想法，最終走到工程立項(xiàng)階段，成為一項(xiàng)真正的空間科學(xué)任務(wù)的首席科學(xué)家。

然而，沿用傳統(tǒng)技術(shù)，并通過(guò)更大規(guī)模的任務(wù)獲得新觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間科學(xué)任務(wù)，更需要任務(wù)管理單位采用建制化的組織來(lái)領(lǐng)導(dǎo)。這種情況適用于更大的物理孔徑、更大的常規(guī)衛(wèi)星組成的星座規(guī)模、更多的常規(guī)傳感器組合的任務(wù)等。這類任務(wù)需要任務(wù)管理單位任命更具有工程經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)科學(xué)家或工程師來(lái)負(fù)責(zé)研制，同時(shí)任命一位可以充分利用這類任務(wù)數(shù)據(jù)的首席科學(xué)家來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、分析和科學(xué)應(yīng)用。這類任務(wù)的首席科學(xué)家可能在任務(wù)進(jìn)入工程階段才予以任命，與前面談到的技術(shù)創(chuàng)新類空間科學(xué)任務(wù)的首席科學(xué)家從預(yù)研開始就負(fù)責(zé)有所不同。但是他仍然需要具備充分的技術(shù)方面的知識(shí)，從而對(duì)觀測(cè)軌道的選擇、主要科學(xué)載荷技術(shù)指標(biāo)的確定、輔助科學(xué)載荷的配置，以及對(duì)觀測(cè)規(guī)劃提出具體要求。

通常，在我們的高等教育體系中，往往對(duì)理科和工程類學(xué)科教育進(jìn)行適度的分離，因此，很多理科的學(xué)生缺少工程技術(shù)方面的知識(shí)。當(dāng)然個(gè)別以觀測(cè)為主要數(shù)據(jù)來(lái)源的學(xué)科，如天文學(xué)，也會(huì)有觀測(cè)技術(shù)方面的課程。盡管如此，在觀測(cè)技術(shù)方面提出創(chuàng)新思想仍然是較高的要求。此外，對(duì)工程類學(xué)科的學(xué)生，課程配置往往并不提供科學(xué)前沿的課程，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)階段不思考、不關(guān)注科學(xué)前沿在哪里、有哪些科學(xué)問(wèn)題需要通過(guò)更創(chuàng)新的技術(shù)來(lái)突破？他們往往也不會(huì)成為未來(lái)的首席科學(xué)家，或與首席科學(xué)家并肩作戰(zhàn)的載荷工程師。

總之，未來(lái)空間科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)與技術(shù)創(chuàng)新緊密聯(lián)系在了一起。沒有新思路、新方案、新載荷甚至新探測(cè)原理的突破，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)新的科學(xué)前沿的突破。而這些技術(shù)創(chuàng)新的來(lái)源，只能有2個(gè)：一個(gè)是具有深厚技術(shù)背景與技術(shù)創(chuàng)新能力的科學(xué)家，另一個(gè)有可能就是關(guān)注科學(xué)前沿并思考如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)突破的工程師。

首席科學(xué)家的技術(shù)創(chuàng)新能力

我們傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的科學(xué)家，其科學(xué)產(chǎn)出往往以論文的形式為主。然而，在以觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)為主要研究手段的科學(xué)領(lǐng)域，越來(lái)越多的科學(xué)家的主要工作開始偏向設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方法和路徑，以期獲得新的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)椋S著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)科學(xué)前沿的突破，或者說(shuō)低垂的“果實(shí)”已經(jīng)剩得不多了。如果想獲得新的科學(xué)突破，必須創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)方法，突破原有實(shí)驗(yàn)的限制，獲取新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

空間科學(xué)是一個(gè)典型的、以實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)數(shù)據(jù)為主要手段的科學(xué)領(lǐng)域。如前所述，在空間科學(xué)發(fā)展的初期，大量的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是依靠所到即所得，也就是只要上了飛行器平臺(tái)進(jìn)入了太空，或者飛行器第一次到達(dá)了以前人類從來(lái)沒有到達(dá)過(guò)的環(huán)境，也包括進(jìn)入到微重力的環(huán)境中，任何探測(cè)器或觀測(cè)儀器所獲得的數(shù)據(jù)，都是科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但是，通過(guò)幾十年的發(fā)展，空間科學(xué)的重大突破越來(lái)越依靠科學(xué)儀器的創(chuàng)新。為了確保這些創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)施，各國(guó)在科學(xué)任務(wù)中越來(lái)越重視首席科學(xué)家所具備的技術(shù)創(chuàng)新能力。這樣的首席科學(xué)家往往既是任務(wù)的提出者，又是其主要探測(cè)或觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)者。在科學(xué)任務(wù)的研制過(guò)程中，首席科學(xué)家的職責(zé)需要跟蹤研制過(guò)程，確保其提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)能夠滿足科學(xué)探測(cè)任務(wù)的需求。在研制中出現(xiàn)不可克服的困難時(shí)，首席科學(xué)家還需要做出決定，是否終止研制或推遲發(fā)射。在任務(wù)發(fā)射入軌后，首席科學(xué)家負(fù)責(zé)科學(xué)探測(cè)或觀測(cè)儀器的開機(jī)和測(cè)試、標(biāo)定和定標(biāo)，以及后續(xù)科學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，直至科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)的任務(wù)周期結(jié)束后，首席科學(xué)家還需決定任務(wù)是否需要延壽繼續(xù)運(yùn)行，直至最后任務(wù)結(jié)束后的科學(xué)產(chǎn)出的評(píng)估和總結(jié)。可見在以技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)的研究階段，首席科學(xué)家需要具備很高的技術(shù)素養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新能力。

然而在現(xiàn)實(shí)中，按照以理論產(chǎn)出為主培養(yǎng)出來(lái)的科學(xué)家，并不是都能夠在技術(shù)領(lǐng)域做出創(chuàng)新，或即使能夠提出創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路，也往往無(wú)法關(guān)注到那些工程設(shè)計(jì)和實(shí)施中的細(xì)節(jié)，而確保其想法能夠落實(shí)到研制中，并確保研制成功。因此，就出現(xiàn)了站在首席科學(xué)家背后的那些工程師們，特別是被稱為科學(xué)載荷的主任設(shè)計(jì)師的工程師。這個(gè)角色就像是軍隊(duì)中的軍長(zhǎng)、公司中的首席執(zhí)行官（CEO）。而首席科學(xué)家則是政委和董事長(zhǎng)，政委負(fù)責(zé)指方向，軍長(zhǎng)負(fù)責(zé)打勝仗；董事長(zhǎng)負(fù)責(zé)定戰(zhàn)略，CEO負(fù)責(zé)具體實(shí)施。在具體任務(wù)中，這兩個(gè)角色所承擔(dān)的職責(zé)的分工，根據(jù)兩個(gè)人的能力和特長(zhǎng)，可以相互補(bǔ)充。但是，比較理想的情況仍然是首席科學(xué)家應(yīng)該具備更多的技術(shù)素養(yǎng)，并在任務(wù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠承擔(dān)更多的職責(zé)，而載荷主任設(shè)計(jì)師只承擔(dān)研制中的具體職責(zé)。這樣的配置比較容易確保首席科學(xué)家和工程師之間的溝通和任務(wù)的平穩(wěn)實(shí)施，減少矛盾。成功的例子如“阿爾法磁譜儀計(jì)劃”（AMS）中的首席科學(xué)家丁肇中先生、美國(guó)的大部分探索（Explore）類計(jì)劃中的課題負(fù)責(zé)人（PI），以及中國(guó)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空號(hào)”的首席科學(xué)家常進(jìn)院士和“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的首席科學(xué)家潘建偉院士等。

可預(yù)見的部分重大技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域

為了說(shuō)明技術(shù)創(chuàng)新的可行性和重要意義，這里以7個(gè)比較重要的技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槔瑢⑺鼈兏髯缘那把丶夹g(shù)列出和突破點(diǎn)舉例說(shuō)明。囿于篇幅，還不能包括這些領(lǐng)域中的所有技術(shù)前沿，也還沒有覆蓋其他具有更多前沿創(chuàng)新技術(shù)的領(lǐng)域。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的孔徑極限

眾所周知，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的物理孔徑大小決定了其空間分辨率的高低，越大的孔徑對(duì)應(yīng)的空間分辨率越高。而更高的空間分辨率，可以為天文學(xué)家提供更精確的對(duì)天體的觀測(cè)和新的發(fā)現(xiàn)，是研究宇宙起源與演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星等多個(gè)重大前沿科學(xué)問(wèn)題的重要手段。

目前在地面上正在建造的最大的天文望遠(yuǎn)鏡是歐洲極大孔徑望遠(yuǎn)鏡（E-ELT），其物理孔徑為39米。在地面上建造大孔徑望遠(yuǎn)鏡的難度不僅在于鏡面精度的保持，更在于使用中如何消除大氣對(duì)其產(chǎn)生的不可避免的擾動(dòng)。因此，更大孔徑的望遠(yuǎn)鏡需要在太空中建造，從而在沒有大氣擾動(dòng)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。當(dāng)然，在太空中建造大孔徑望遠(yuǎn)鏡會(huì)引入其他困難，如克服空間環(huán)境和在太空中組裝的影響。目前在太空中最大孔徑的天文望遠(yuǎn)鏡是由美國(guó)NASA為主建造的、2021年底發(fā)射的直徑6.5米的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），其空間分辨率與即將落成的E-ELT相比哪個(gè)更好還需進(jìn)一步驗(yàn)證。但可以確定的是，地面望遠(yuǎn)鏡因大氣阻隔無(wú)法在可見光以外的頻段進(jìn)行觀測(cè)，且即使在可見光頻段，觀測(cè)地點(diǎn)的選擇也非常重要，地球上最干燥和最好的觀測(cè)地點(diǎn)在一年中有效的觀測(cè)時(shí)間也是有限的。還有地面望遠(yuǎn)鏡會(huì)受到所在地理位置的限制，無(wú)法看到完整的天區(qū)。

以上是傳統(tǒng)技術(shù)目前的極限，要想突破JWST 6.5米的孔徑，需要人類投入更多的經(jīng)費(fèi)和更長(zhǎng)的研制時(shí)間。中國(guó)載人航天工程正在研制的2米孔徑的巡天望遠(yuǎn)鏡，采取了一些不同的技術(shù)突破，包括比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡更大的視場(chǎng)及更多的觀測(cè)頻段，力爭(zhēng)在一些分項(xiàng)領(lǐng)域里獲得科學(xué)前沿的突破。

與此同時(shí)，一種新興的突破性技術(shù)正在興起，這就是干涉式成像技術(shù)。該技術(shù)利用不同的小孔徑的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)信號(hào)兩兩之間的相干信號(hào)（包含相位信息的乘積）獲得目標(biāo)在傅里葉域中的采樣點(diǎn)，并通過(guò)算法再反演到目標(biāo)空間域中的圖像。其小孔徑望遠(yuǎn)鏡之間的最大物理距離（稱為干涉基線），決定了最終圖像的空間分辨率。然而，由于多個(gè)小孔徑望遠(yuǎn)鏡的所有接收面積加起來(lái)的總面積，仍不如一個(gè)實(shí)孔徑的望遠(yuǎn)鏡，其探測(cè)靈敏度將受到損失。歐洲南方天文臺(tái)在智利由4個(gè)8米孔徑的地面望遠(yuǎn)鏡（VLT）組成的干涉陣列已經(jīng)成功獲得了干涉圖像。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)

除了增大孔徑，包括干涉式綜合孔徑帶來(lái)的分辨率優(yōu)勢(shì)以外，成像視場(chǎng)范圍的增大可以提高巡天的效率。為了極大地提高視場(chǎng)范圍，傳統(tǒng)技術(shù)的提升就是使用多個(gè)小視場(chǎng)的望遠(yuǎn)鏡來(lái)增大視場(chǎng)覆蓋，如歐洲空間局的“柏拉圖計(jì)劃”（PLATO）。此外，在X射線波段出現(xiàn)了突破性的技術(shù)——類似于龍蝦眼的多孔徑寬視場(chǎng)成像技術(shù)，極大地突破了巡天視場(chǎng)的范圍，如我國(guó)不久前發(fā)射的“愛因斯坦探針計(jì)劃”（EP）。

低頻射電望遠(yuǎn)鏡的孔徑極限

在低頻射電波段，由于受到電離層的阻隔，該波段也是望遠(yuǎn)鏡必須到太空才能開展觀測(cè)的天文觀測(cè)波段。由于低頻射電的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)9—10個(gè)數(shù)量級(jí)，要想得到和光學(xué)波段相當(dāng)?shù)目臻g分辨率，其物理孔徑的規(guī)模是可想而知且不可能實(shí)現(xiàn)。但如果采用上面所說(shuō)的干涉式成像方法，其可行性則提高了很多。2019年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的第一幅黑洞的射電頻段照片，就是采用這個(gè)干涉式成像技術(shù)，只不過(guò)它的觀測(cè)頻段是毫米波段，在地球上觀測(cè)仍然是可行的。

在更低的射電頻段，大氣層中的電離部分阻隔了30 MHz以下的電磁波。在地球表面無(wú)法有效觀測(cè)到來(lái)自宇宙低于30 MHz頻率以下的信號(hào)。而這個(gè)頻段的信號(hào)會(huì)帶來(lái)宇宙早期由氫原子中的電子躍遷產(chǎn)生的1.4 GHz的輻射，特別是在出現(xiàn)恒星的第一縷光之前，當(dāng)宇宙中僅充滿著中性氫原子的時(shí)候——稱為宇宙的黑暗時(shí)代，這是宇宙中唯一可以測(cè)量的頻率。但這個(gè)頻率在現(xiàn)在的宇宙中已經(jīng)通過(guò)紅移退減到30 MHz以下。因此要想了解宇宙早期黑暗時(shí)代的信號(hào)，就需要到太空中去觀測(cè)。

在這個(gè)領(lǐng)域，一種利用月球軌道開展小衛(wèi)星的編隊(duì)飛行，實(shí)現(xiàn)利用干涉式綜合孔徑技術(shù)的成像計(jì)劃就頗為吸引人，有望成為該技術(shù)在太空中的重大突破，實(shí)現(xiàn)物理孔徑達(dá)到100千米甚至更長(zhǎng)的低頻射電觀測(cè)。由于計(jì)劃是在月球軌道上飛行，當(dāng)編隊(duì)飛到月球背面時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，可以避開來(lái)自地球自然（雷電）和人為的電磁干擾，獲得來(lái)自宇宙深空的低頻射電信息。

高精度的天體測(cè)量

精確測(cè)量遙遠(yuǎn)天體之間的距離，被稱為是高精度的天體測(cè)量。同樣，如果在地面上開展天體測(cè)量，大氣層的湍流和擾動(dòng)，極大地限制了觀測(cè)精度。因此，在太空開展高精度的天體測(cè)量也是一個(gè)技術(shù)前沿。除了為宇宙繪制精密的圖像以外，高精度天體測(cè)量還有一個(gè)新應(yīng)用方向——發(fā)現(xiàn)系外行星。其基本原理是利用行星圍繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于引力作用對(duì)其位置產(chǎn)生的擾動(dòng)。如果能對(duì)這顆恒星位置的變化規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，就可以獲得圍繞其旋轉(zhuǎn)的所有行星的信息，包括它們完整的軌道信息和質(zhì)量信息。歐洲空間局發(fā)射的“蓋亞計(jì)劃”（GAIA）就是國(guó)際上第一個(gè)天體測(cè)量計(jì)劃。但由于其精度還不是很高，還不能用于對(duì)類地系外行星的普查工作。中國(guó)科學(xué)家提出的用于系外行星發(fā)現(xiàn)、更高精度的天體測(cè)量計(jì)劃——“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”（CHES）目前正在論證之中。

對(duì)地球空間的多點(diǎn)和成像觀測(cè)

自人類發(fā)射人造地球衛(wèi)星以來(lái)，對(duì)地球空間磁場(chǎng)和粒子的探測(cè)都是采用原位（in-situ）觀測(cè)的方式，也就是直接測(cè)量衛(wèi)星周圍的磁場(chǎng)和粒子。這種觀測(cè)技術(shù)雖然準(zhǔn)確并能夠直接反映衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地點(diǎn)的空間環(huán)境，但是對(duì)于隨著來(lái)襲的太陽(yáng)風(fēng)而變化的磁場(chǎng)和粒子環(huán)境，單個(gè)衛(wèi)星已經(jīng)無(wú)法區(qū)分其觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化是由于空間位置的變化還是由于輸入太陽(yáng)風(fēng)的變化。因此采用多點(diǎn)、即衛(wèi)星編隊(duì)來(lái)探測(cè)空間環(huán)境成為新的探測(cè)方式。然而，由于多顆衛(wèi)星的成本遠(yuǎn)高于單顆衛(wèi)星，新的編隊(duì)探測(cè)也在向采用微小衛(wèi)星甚至微納衛(wèi)星編隊(duì)方向發(fā)展。此外，對(duì)粒子空間分布的探測(cè)還出現(xiàn)了遙感成像技術(shù)，包括在紫外頻段對(duì)中性原子的成像和在X射線頻段對(duì)磁層頂中性氫受太陽(yáng)風(fēng)粒子激發(fā)的X射線輻射的成像。這些新的地球空間探測(cè)技術(shù)，將進(jìn)一步提升人類對(duì)地球空間及其變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

高精度的空間基線測(cè)量

前文曾提到過(guò)通過(guò)2顆衛(wèi)星之間高精度的距離測(cè)量，在地球軌道上可以測(cè)量地球重力場(chǎng)的異常并反演地下水隨季節(jié)的變化的GRACE計(jì)劃。這種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在激光波段，可以成為在更高的軌道上實(shí)現(xiàn)數(shù)十萬(wàn)千米到上百萬(wàn)千米長(zhǎng)的基線的高精度測(cè)量，從而反演空間引力波。這是用電磁波觀測(cè)宇宙之后的又一種觀測(cè)手段。如果電磁波信息提供的是宇宙的圖像，引力波提供的則是宇宙中的“聲音”。

如果將探測(cè)器之間的距離測(cè)量的精度提高到p米的精度，就可以通過(guò)3個(gè)探測(cè)器形成的3條基線來(lái)探測(cè)空間引力波。目前這個(gè)技術(shù)仍然在地面預(yù)研之中，歐洲空間局和中國(guó)都有相關(guān)計(jì)劃在推進(jìn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，激光干涉的高精度空間距離測(cè)量就會(huì)成為一個(gè)新的、重要的天文觀測(cè)手段。

觀測(cè)位置上的新突破

所到即所得的空間科學(xué)計(jì)劃一般比較容易提出。但是經(jīng)過(guò)近70年的發(fā)展，大部分重要的空間位置已經(jīng)都被訪問(wèn)過(guò)了。太陽(yáng)系中的八大行星及其主要行星也都至少被近距離飛越式地探測(cè)過(guò)了。然而，仍然存在很多區(qū)域可以考慮，例如，幾個(gè)極端的位置，抵近太陽(yáng)、太陽(yáng)極軌和太陽(yáng)系邊界。在這幾個(gè)位置，已經(jīng)去過(guò)的探測(cè)計(jì)劃均只獲得了很初步的信息。例如，太陽(yáng)極軌，只獲得過(guò)原位探測(cè)的信息，沒有對(duì)太陽(yáng)極區(qū)進(jìn)行過(guò)成像探測(cè)。又如對(duì)太陽(yáng)系邊界的探測(cè)，也只有極為少量的磁場(chǎng)和高能粒子的探測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)太陽(yáng)的抵近探測(cè)，也還沒有突破10個(gè)太陽(yáng)半徑的距離。此外對(duì)金星的著陸僅有1次，由于超過(guò)400℃的高溫，著陸器只生存了不到1小時(shí)獲得了極少量的數(shù)據(jù)就失效了，也并沒有開展過(guò)巡視探測(cè)。

以上的特殊位置或地點(diǎn)的突破，或者是同一地點(diǎn)的、采用新的儀器和更強(qiáng)的能力的拓展探測(cè)，就一定會(huì)有新的數(shù)據(jù)和科學(xué)突破。

愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言：“未來(lái)科學(xué)的發(fā)展，無(wú)非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍。”空間科學(xué)既研究宇宙起源和演化，也研究暗物質(zhì)粒子和生命的起源，同時(shí)覆蓋了宏觀和微觀的科學(xué)前沿，因此是實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)突破的重要科學(xué)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)近70年的發(fā)展，空間科學(xué)已經(jīng)不再是只要能進(jìn)入太空，就可獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的階段，進(jìn)入到必須靠技術(shù)創(chuàng)新才能獲得新數(shù)據(jù)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新階段。

然而無(wú)論是探測(cè)方案上的創(chuàng)新，還是探測(cè)能力上的提升，都需要通過(guò)激勵(lì)和培育；經(jīng)過(guò)從預(yù)研到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究階段，才能發(fā)展為真正的空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃。因此，任務(wù)管理機(jī)構(gòu)需要對(duì)這個(gè)階段的項(xiàng)目給予充分的關(guān)注并匹配足夠的研究經(jīng)費(fèi)。而這些任務(wù)均需要具有較深技術(shù)背景和素養(yǎng)的科學(xué)家提出并領(lǐng)導(dǎo)，這些科學(xué)家就是未來(lái)空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的首席科學(xué)家。

在未來(lái)空間科學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)創(chuàng)新方面，本文也做了一些預(yù)測(cè)。文中提到的這些相關(guān)技術(shù)，都是初露苗頭或正在發(fā)展的新技術(shù)，應(yīng)該引起我們空間科學(xué)任務(wù)的管理機(jī)構(gòu)的充分關(guān)注甚至是重點(diǎn)培育。然而，更具創(chuàng)新的、特別是突破性的技術(shù)是很難預(yù)測(cè)的，也是光靠喊口號(hào)換不出來(lái)的，需要我們從激勵(lì)創(chuàng)新的科研生態(tài)的建立，對(duì)青年科技人員的關(guān)注和支持，以及大量的前期預(yù)研經(jīng)費(fèi)的投入等方面予以重視。

未來(lái)空間科學(xué)的發(fā)展絕不是輕而易舉的，其中技術(shù)創(chuàng)新起著最為關(guān)鍵甚至是決定性的作用。只要我們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，就一定可以找到辦法和工作思路，讓我國(guó)的空間科學(xué)盡快在世界上成為引領(lǐng)的力量，讓我國(guó)科學(xué)家盡快在科學(xué)的宏觀和微觀前沿作出重大突破，讓我們激勵(lì)出的創(chuàng)新技術(shù)不但在空間科學(xué)任務(wù)中創(chuàng)造奇跡，并在更為廣泛的天地場(chǎng)景中得到應(yīng)用。

（作者：吳季，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）