《自然》：中国成为空间科学超级大国的旅程

原文题为“中国寻求成为太空科学超级大国”

发表于2017年7月26日《自然》新闻主题

原作者:简·邱

在跨越了太空飞行的几个里程碑之后，中国正在建立其在太空科学方面的国际声誉。

我一进入燕郊的国家空间科学中心，时间似乎就加快了我的步伐。在中国科学院这个新建的校园里，研究人员正匆匆忙忙地走着，期待着中国第一台x光望远镜的发射。在指挥中心，中国航空公司的几个重要里程碑在大屏幕上播放。工程师们把注意力集中在电脑屏幕上，而*电视台的工作人员带着摄像机拍摄了一部关于中国崛起为太空巨人的纪录片。墙上挂满了令人鼓舞的标语:“严肃、周到、细致、安全可靠。”

长征七号火箭于四月向天宫二号航天实验室发射了一艘货船。

VCG/盖蒂

对该中心主任吴吉来说，这个占地19.4万平方米、投资9.14亿元人民币的公园代表着中国在空间科学领域的成熟。吴主任告诉我们，在过去的几十年里，中国成功地将卫星和宇航员送入太空，并将探测器送入月球，但没有利用这些优势进行太多的科学研究。现在不同了。“在空间科学领域，”他说，“我们刚刚进入舞台。”

中国正在迅速成为这一领域的领导者。2013年，干物质量为1.2吨的嫦娥三号登上月球，并搭载了月球车。船上的月球雷达能够穿透月球土壤，以前所未有的分辨率探测月球的地下结构。中国于2016年9月发射的最新空间实验室搭载了10多枚科学有效载荷。此外，在过去两年中，发射了四个运载火箭，将空间物理和其他领域的实验送入太空。其中一颗卫星正在进行世界级的量子通信实验。

中国科学院和其他机构的这些努力的影响远远超出了国界。"中国的空间科学项目非常活跃和创新."欧洲航天局(欧空局)主任约翰-迪特里希·沃纳说，“他们处于科学发现的前沿。”在接下来的十年里，仍有许多激动人心的项目，包括月球取样实验、中国科学院和欧空局关于空间气候的合作研究，以及探测暗物质和黑洞的开创性项目。

尽管进展迅速，中国的许多研究人员仍然担心中国在空间科学方面的未来。7月2日，长征五号运载通信卫星的火箭发射失败。这给下一个使用相同类型火箭的月球探测计划投下了阴影。远处还有更大的乌云。"国际和国内挑战是巨大的。"中国国家天文台副台长、月球探测项目高级设计师李春来说。中国经常被排除在国际合作之外。由于美国法律禁止美国航天局与中国合作，近年来中国不得不与美国竞争合作伙伴。在国内，*没有制定空间科学的战略计划，也没有长期的财政拨款。“问题不在于中国现在做得有多好，”李主任说，“而在于这种势头能持续多久。”

月球探索

中国进入太空始于一首歌。1970年，中国第一颗人造卫星将爱国歌曲《东方红》从近地轨道送回地球。然而，中国在太空领域的真正影响直到1976年*结束后才开始。第一个里程碑是1999年的神舟一号。无人驾驶实验飞船标志着载人航天计划的开始。从那以后，中国取得了一系列的成功，包括将中国宇航员送入太空和发射两个太空实验室。

"中国的太空计划在短时间内取得了巨大的进步."美国科学院空间研究委员会主席Michael Moloney说。科学研究在中国国家航天局(负责月球探测和行星探测项目)和中国载人航天计划的项目中所占的比例越来越大。中国最新的空间实验室天宫二号负责进行一系列科学实验，包括一个先进的原子钟和一个名为“极地”的探测器，用于研究伽马射线爆发，即恒星坍缩和其他原因产生的高能辐射爆发。

中国的前两次月球探测，即2007年和2010年发射的绕月卫星，更强调工程验证而不是科学探测，但当涉及到月球探测器嫦娥三号时，情况就不同了。这次探测使中国成为世界上第三个软着陆月球的国家。更重要的是，嫦娥三号的着陆点是一个从未被仔细研究过的区域。雷达探测和地球化学分析揭示了25亿年前的复杂火山爆发。"这填补了我们对月球历史和深层结构理解的空白。"中国地质大学(武汉)的行星地质学家肖龙教授说。

这个结果也引起了外国行星科学家的注意。"我们迫切需要确定月球上最新火山活动的确切历史和形成过程。"美国布朗大学的行星探索专家詹姆斯·海德说。这可能很快就会成为现实。只要等到12月，嫦娥五号月球探测器就会发射，并从吕克山带回样本。这个地区的火山岩形成得比阿波罗登月地点晚得多。"这将为月球研究带来巨大的新数据."海德教授说。

五年计划

中国空间科学的大部分成就归功于国家空间科学中心的努力。自2000年以来，他们已经游说中国*十年，以加强他们研究的影响力。该中心的努力最终带来了经济回报:2011年启动的空间科学战略试点科技项目为开发四颗科学卫星提供了36亿元人民币。

其中之一就是价值7亿元的量子科学实验卫星(Mozi)，它已经取得了早期的成果，并引起了全世界的关注。这颗卫星于2016年8月发射，用于测试一种叫做量子纠缠的奇怪现象。即使陷入量子纠缠的粒子彼此分离，它们的量子态仍能保持相关性。上个月，量子卫星团队宣布，他们利用卫星向相距1200公里的地面站发送一系列纠缠光子对，远远超过了之前144公里的记录。

欧洲航天局局长约翰-迪特里希·沃尔纳和国家空间科学中心主任吴吉在2016年的一次会议上讨论了空间科学。

非小细胞癌

该小组还利用卫星测试在格拉茨、奥地利、维也纳和北京之间建立量子通道的可能性。他们的目标是利用光子的量子态作为安全传输信息的钥匙。“如果实验成功，全球量子通信网络将不再是科幻小说中的场景。”中国科学院中国科技大学物理学教授、量子卫星计划首席科学家潘建伟说。

研究人员也对价值20亿美元的暗物质粒子探测器(悟空)寄予厚望。瑞士日内瓦大学的天体物理学家和该项目的共同负责人马丁·波尔说，2015年发射的探测器是接收高能宇宙射线的最复杂的设备。

国际空间站的阿尔法磁谱仪在高能电子和正电子中探测到了意想不到的现象，暗物质探测器可以通过大量高能粒子数据确定这种现象是源于暗物质还是脉冲星等天体现象。波尔教授也参与了阿尔法磁谱仪的工作，他告诉我们暗物质探测器比阿尔法磁谱仪对高能粒子更敏感，所以他们肯定会做出“重要贡献”。

三条路齐头并进。

暗物质和量子通信卫星发射后不久，NSS空间科学基金就到期了。包括吴季在内的科学家们不得不为下一批资金而战。中国*最近提高了应用研究的优先权。2016年，科学家们花了一半以上的时间进行游说，最终说服*在未来五年内为该中心的空间科学项目拨款50亿元。“这真的不容易，”吴导演说，“但我最终还是得到了它。”

从今年开始，新项目资助了一系列预计在2020年至2030年间启动的项目。这包括中国第一颗太阳探测卫星和一颗观测地球水循环的遥感卫星。

国家航天局和中国载人航天工程也加大了努力。其中一个激动人心的项目是由美国国家航空航天局领导的耗资4.4亿美元的x光时变和偏振观测站。该项目预计将于2025年启动，投资者包括欧洲合作伙伴和来自20多个国家的数百名科学家。天文台的研究目标是磁场下物质的极端密度、重力和状态，如中子星内部或黑洞边缘的物质，它们只出现在太空中。

“双星项目”在2003年和2004年发射了两颗卫星，探索地球的磁层空间。

非小细胞癌

意大利天体物理研究所教授、该项目的共同负责人马可·费罗西(Marco Feroci)告诉我们，这颗卫星最具创新性的特点是，它可以高精度地同时测量x射线的时间、能量分布和偏振，从而提高我们对一系列x射线源的理解。它还将携带一个广角望远镜来捕捉异常的瞬时信号。"当它发现一个潜在的有趣信号时，所有其他设备都会聚焦在那个方向."项目负责人，中国科学院高能物理研究所的天体物理学家张双南说，“这是X射线天文学的一个盲目的武器。”

由中国载人航天计划领导的项目也在进行中。其中一个是暗物质探测器，灵敏度是悟空的15倍。它将被放入中国的永久空间站，预计将于2022年完成。另一个计划是发射一个50亿元人民币的光学望远镜环绕空间站。中国科学院空间应用工程与技术中心的物理学家、载人航天工程高级设计师顾一栋说，他的视力是哈勃的300倍。观测数据可用于研究暗物质、暗能量和寻找系外行星。

国际合作

所有这些项目表明，中国科学院和其他空间机构之间的合作正在深化。国际合作也有同样的趋势。沃尔纳认为，中国在太空项目上“变得更加自信和开放”。过去，只有在成功发布后才会发布公告。现在，中国将定期宣布发射计划。中国科学家还通过小规模合作加强了与国际同行的联系。

中国科学院领导的大多数项目都有欧洲合作伙伴，这种合作是由任何一方发起的。然而，欧空局希望与冉冉这颗冉冉升起的太空之星建立更高水平的合作。2015年初，欧空局和中国科学院开始联合征集空间研究项目。最后，选择了太阳风-磁层相互作用全景成像卫星，由双方共同领导，双方各出资5300万美元。"这两个机构在每个阶段都密切合作。"吴主任说。

早在10多年前，欧空局和中国就一直在合作研究磁暴双星项目，但该项目是由中国牵头的。通过微笑，双方可以打破一个新的和更密切的合作模式。"我们需要建立信任和桥梁，以加强相互理解。"欧空局空间科学部科学协调办公室主任法比奥·法瓦塔说，“我希望这能为未来的大规模合作开辟一条道路。”

2013年，中国的月球车玉兔在月球着陆，并使用穿透雷达测量月球表面。

新华社ZUMA电

一个没有出现在中国当前合作伙伴名单上的大国是美国。曾经，中国为美国宇航局的发射任务提供了许多关键部件。但是美国在2011年通过的一项法案禁止美国航天局进行这种合作，因此中国被排除在国际空间站之外。空间站是美国、中国和其他一些国家合作的产物:阿尔法磁谱仪。

美国航天局和中国航天局的代表仍将定期互访。然而，由于没有官方合作，许多项目可能会出现重复工作。今年3月，美国航天局选择了STROBE-X(时间分辨率光谱宽能量波段X射线天文台)作为下一个研究对象。该项目类似于中国的eXTP项目，预计比eXTP晚5年启动，即2030年。“同时有两个非常相似的项目是不理想的，”美国宇航局马歇尔太空飞行中心的天体物理学家、STROBE-X项目成员科琳·威尔逊-霍奇说。"我希望我们能找到合作的方式，而不是互相竞争。"

观点

对中国太空科学家来说，主要的挑战是说服他们的*进行长期投资。包括eXTP在内的几个天体物理项目小组的负责人张双南称目前的形势“岌岌可危”。“在接下来的五年里，我们不会有任何问题，”他说，“但没人知道接下来会发生什么。”

技术和检测手段仍然比科学更有价值。例如，中国空间站获得了145亿美元的资助。尽管中国国家主席曾经说过，这将是中国的国家空间实验室，但仍然没有特别的资金来发展上述科学有效载荷。空间站可以进行像天宫二号这样的各种科学实验，为各种研究提供足够的能量和通讯设备。但也有可能陷入张院士所说的"建筑虽大，但只有四面墙"的困境。

新家具被放置在国家空间科学中心的大楼里，甚至新粉刷的油漆都能在空气中闻到。吴主任坐在办公桌后的办公椅上，看上去很放松，因为他收到了下一笔拨款。他承认尽管这个系统有缺点，但他对未来非常乐观。“到目前为止，一切都没有出错，”他说，瞥了一眼货架上排列的卫星模型。“毕竟，这不可能在一夜之间得到改善。”

自然|doi:10.1038/547394a