从月球到木星：中国的行星探索路线图

原文名为《中国行星探索路线图》，发表在2018年5月1日的《自然-天文学》杂志上。

作者:，中华亚(列日大学)-魏，中国科学院地球与行星物理重点实验室

中国已经批准或计划在未来十年发射几次太空探索任务。中国新一代的行星科学家在决定未来探索任务的科学目标方面发挥着重要作用。

根据2016年3月17日中国发布的第十三个五年计划，行星探索已经成为国家的主要任务之一。中国首次明确表示，计划超越地球-月球系统。对于中国的行星研究界来说，当前五年计划对深空探测的重视不仅标志着一个新的开始，也标志着一个转折点。

在发射第一颗卫星30多年后，中国于2003年发射了第一颗纯科学太空任务双星，重点研究地球的空间环境。自2015年以来，中国已经在地球轨道上发射了多颗新的科学卫星，包括2015年的“丹皮”、2016年的“米修斯”、SJ 10、“中国二氧化碳观测卫星”(TanSat)、2017年的“天眼”和2018年的“中国地震电磁监测实验卫星”(CSES)。还有其他任务正在筹备中，如与欧洲航天局(欧空局)合作的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(图1)。

图1:中国过去、现在和未来的太空任务及其目标。

资料来源:地球，美国航天局；木星、美国航天局/JPL/亚利桑那大学；美国国家航空航天局/JPL/亚利桑那大学；火星、美国航天局/JPL/马林空间科学系统；小行星，美国航天局/JPL；月球，美国宇航局.

这些近地任务大多与美国宇航局的中级探索者计划或发现计划有些相似，并作为空间科学战略中关键科技项目的一部分得到中国科学院的支持。然而，太阳系探索更昂贵，只能作为中国*的国家项目来支持。空间探索任务的核心价值在于其杰出的科学目标，因此需要非常仔细的评估。在这一点上，美国和中国也是不同的。

美国宇航局的发现项目或新前沿项目通常会邀请行星科学家在评估和选择这些方案之前提出科学目标。中国的行星探索是一项国家战略:首先宣布候选目标，然后科学家和工程师开始设定优先事项。中国行星科学界的发展和计划目标的谈判过程在许多方面反映了行星科学在西方世界兴起的情况。例如，美国和苏联早期的行星任务主要是以技术为中心的，但它们很快就培育了行星科学研究，行星科学界发展迅速。

2017年，中国地球物理学会宣布成立第一个正式的行星物理专业委员会，历时10年完成了从无到有的飞跃。该委员会包括来自国内外大学和研究机构的100多名科学家。他们中的一些人在中国从事地球物理学家的工作，而另一些人在国外从事行星科学家工作多年后回到了中国。同样在2017年，第一期《地球和行星物理学》正式出版，这是第一份行星科学专业杂志。

地球最近的邻居月球被选为中国首次太空探索任务的目标。鉴于其自然资源和当前空间工程的发展，月球是一个理想的空间探索目标。中国首批三颗探月卫星嫦娥一号、嫦娥二号和嫦娥三号分别于2007年、2010年和2013年发射。这些任务在地形、风化结构和月球天文观测方面取得了重要成果。它们还提供了关于软着陆技术、漫游者和科学仪器的有价值的工程知识，可用于未来在月球和其他行星上的太空探索。

嫦娥四号计划于2018年在月球背面着陆，而嫦娥五号，第一次样品返回任务，预计在2019年从月球表面带回约2公斤的月球土壤。根据长征五号火箭的发射计划，这两项任务可能会暂时推迟。尽管尚未完全确定，中国计划对月球南极进行三次探索。

得益于月球探测任务的工程成就，中国的下一次国家空间探测任务可能会瞄准火星。火星具有丰富的科学探索意义，火星上方的环境可能适合居住，因此国际行星科学界对此非常感兴趣。2011年，萤火一号火星探测器采集了俄罗斯的福布斯样本，并返回探测器进行发射，但未能脱离地球轨道。2016年1月，中国正式批准了一项新的火星探测计划。它计划在2020年夏天从地球发射，并在2021年早春到达火星。基于嫦娥三号的着陆技术和最新的研发成果，火星任务将包括一个探测器和一个探测车。

这次任务的重点是大气逃逸和液态水流失。探测器将收集火星附近等离子环境中全球过程的数据，而探测器将探索着陆点周围的局部特征。结合检测器和流动站的测量结果，可以在从全局到局部的不同尺度上提供特征分辨率。探测器和漫游者都将携带照相机、雷达系统和磁力计。探测器还将配备一个等离子分析仪来测量火星表面沿着探测器轨道的磁场。

这些数据(包括火星表面的第一次磁场测量)将用于分析太阳风和火星电离层之间相互作用的每日变化以及当前系统的相关变化。在探测器和探测器上安装相同类型的仪器，可以同时测量空间和地面之间的两点，从而为理解空间等离子体和近地环境之间的相互作用以及由此产生的能量耗散提供了一个独特的机会。此外，探测器和探测车还可以与欧洲航天局的火星快车(MEX)和美国航天局的火星大气和挥发性进化任务探测器(MAVEN)合作。

嫦娥二号已经在2012年对一颗小行星进行了近距离观测，嫦娥五号将带来关于样本返回的重要信息。因此，预计彗星或小行星将被取样，然后返回。根据“十三五”行星战略，中国目前正处于三次行星探测任务的规划阶段:彗星/小行星取样和返回任务计划于2025年前后执行，火星取样和返回任务以及木星及其卫星探测任务计划于2030年前后执行。然而，火星样本返回任务将在很大程度上依赖于未来长征9号火箭(相当于美国土星5号火箭)的建造。尽管这些任务被列在*的全球战略中，但几个计划的正式批准和优先性最终将取决于其科学研究优势以及工程和技术挑战。

这三项任务的目标和优先次序引起了激烈的辩论，重点是任务的科学目标。整个决定试图在科学目标的创新和实现这些目标所需的技术的可行性之间取得平衡。科学家们更加重视未知领域的探索以及在当前和未来的任务中与其他国家科学家的合作。工程师们倾向于关注当前技术的可靠性，以及如何在中国以往任务留下的资源基础上进行扩展。双方必须共同努力，确保这些任务的成功，并实现计划的科学目标。

中国的总体科学目标是探索行星进化。对行星的比较分析有助于我们更好地理解地球的演化。未来的月球探测计划预计将分析月球深部的结构和组成，揭示岩浆海洋结晶和壳幔分异的机制，并为证明月球上水或冰的存在和起源提供直接证据。

中国未来潜在的木星探索计划可能会引起国际行星研究界的关注。木星研究目前是一个热门话题，从美国宇航局的朱诺可以看出，这一趋势可能会持续几十年。未来计划的任务包括美国宇航局的欧罗巴号和欧洲航天局的木星果汁月球探测器。尽管中国木星探测任务的科学目标尚未完全确定，但木星的磁层-电离层耦合、木星的大气动力学和木星卫星的探测都被考虑在内。

为了探索木星，中国还将建立一个地面望远镜天文台。与大多数由天体物理学家领导的地面望远镜观测站不同，这个望远镜项目将由中国科学院地质与地球物理研究所的行星科学家领导。它将用于研究木卫二(木星最活跃的卫星)和木星磁层之间的相互作用，以及这种相互作用如何影响木星磁层-电离层耦合系统。这个项目需要大量的国际合作(例如，比利时列日大学的天体物理学和行星研究小组)。

据估计，中国的贡献之一是在*最好的观测点之一提供两个直径为1米的望远镜，预计将于2020年投入使用。由于木星是天文台的研究重点，它也将在未来十年为欧洲航天局、美国航天局和中国的木星系统探测任务提供重要支持。

科学家在中国的太空探索中取得了前所未有的领先地位，他们的目标不仅限于技术演示。为了最大限度地提高这些空间任务的科学回报，国际合作一直受到高度重视。越来越多在美国和欧洲接受培训的年轻科学家选择回国与国际团队合作。毫无疑问，中国已经迈出了行星探索国际化的一步，并正在成为这一领域的重要参与者。