中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 空間科學(xué)是依托空間飛行器平臺，研究日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間中的物理、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、深空探測器和各類載人飛行平臺。

人類自1957年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，已經(jīng)發(fā)射了數(shù)百顆科學(xué)衛(wèi)星和深空探測器，極大地推進(jìn)了人類對宇宙起源和演化、太陽系及其各天體、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)動規(guī)律的認(rèn)識，使人類對自然世界的認(rèn)識發(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，人類對宇宙、地球和生命的認(rèn)識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，無法得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

回顧1957年以來空間科學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了2個明顯不同的發(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（被地球磁場限制在一定區(qū)域中的高能電子和質(zhì)子）。其后美國、蘇聯(lián)這兩個航天技術(shù)先進(jìn)國家，在太空競賽的大背景下，又不斷做出了很多新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括對地球、月球、金星、火星、太陽本身的認(rèn)識，以及通過X射線望遠(yuǎn)鏡對宇宙深處的觀測，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對月球的初步探測，以及對帶回來的月球樣品的研究。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，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：對地球輻射帶、行星際太陽風(fēng)中電離粒子的原位探測，在地球軌道上由于居高臨下的優(yōu)勢，對地球進(jìn)行更宏觀的系統(tǒng)性的觀測（如對完整的臺風(fēng)和其移動過程的觀測等）；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，必須首先要到達(dá)要探險的地點(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）。由于美國在20世紀(jì)60—70年代初實(shí)施的“阿波羅計劃”耗資巨大，政治影響遠(yuǎn)大于其科學(xué)影響，促使美國科學(xué)界開始積極地倡導(dǎo)發(fā)射能夠有更多科學(xué)產(chǎn)出的計劃，推動了之后大量科學(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)計劃更強(qiáng)調(diào)其科學(xué)探測儀器的先進(jìn)性。也就是說，即使同樣在地球軌道上飛行，通過提升探測儀器的靈敏度和空間分辨率等探測方案的技術(shù)創(chuàng)新，來獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和研究成果。具有代表性的科學(xué)計劃包括美國的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）、斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（SST），“宇宙背景探測者”（COBE），“開普勒”（Kepler），以及通過精確測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（包括地下水變化）的“引力重建和氣候?qū)嶒?yàn)計劃”（GRACE）等。在歐洲空間局，有通過多點(diǎn)探測方案獲取地球空間環(huán)境信息的“星簇計劃”（Cluster）等。當(dāng)然在這一時期，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“尤利西斯計劃”（Ulysses），飛離了黃道面進(jìn)入到了太陽極軌，以及美國航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）和歐洲航天局的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter）對太陽進(jìn)行了抵近探測等。

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)，需要在探測技術(shù)上不斷地提升。這里通常有2個提升途徑：一個是延續(xù)原來的技術(shù)路線，通過材料、工藝的提升，甚至望遠(yuǎn)鏡口徑的增大來提高空間分辨率和探測靈敏度；另外一條路徑，更像是從“0”到“1”的創(chuàng)新，如采用創(chuàng)新的探測方案——多星編隊(duì)式的探測理論、干涉式的成像理論等。但無論哪種路徑，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。

中國的空間科學(xué)起步較晚。2003年第一個真正意義上的科學(xué)衛(wèi)星——“地球空間雙星探測計劃”的“探測一號”發(fā)射。它與之后發(fā)射的“探測二號”組成對地球空間的兩點(diǎn)探測，同時雙星計劃又和歐洲航天局4顆星組成的“星簇計劃”（Cluster）聯(lián)合，開展了對地球空間的六點(diǎn)探測。這是一個創(chuàng)新的多點(diǎn)探測的組合。2011年中國科學(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”“墨子號”和“慧眼號”，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)射半個多世紀(jì)以來，空間科學(xué)的研究范式已經(jīng)從比較簡單和顯而易見的、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？

由于未來空間科學(xué)任務(wù)的產(chǎn)出越來越依賴于執(zhí)行該任務(wù)的探測方案、科學(xué)載荷的創(chuàng)新度，因此對提出任務(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越高。

參考國外遴選空間科學(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)，都來自早期在任務(wù)遴選中對探測方案和科學(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)目的成熟度來遴選，而是根據(jù)項(xiàng)目的創(chuàng)新性來遴選，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，就會傾力投入，通過桌面實(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)，并通過更大規(guī)模的任務(wù)獲得新觀測數(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)家或工程師來負(fù)責(zé)研制，同時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，從而對觀測軌道的選擇、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，以及對觀測規(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。當(dāng)然個別以觀測為主要數(shù)據(jù)來源的學(xué)科，如天文學(xué)，也會有觀測技術(shù)方面的課程。盡管如此，在觀測技術(shù)方面提出創(chuàng)新思想仍然是較高的要求。此外，對工程類學(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)問題需要通過更創(chuàng)新的技術(shù)來突破？他們往往也不會成為未來的首席科學(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、新載荷甚至新探測原理的突破，幾乎無法實(shí)現(xiàn)新的科學(xué)前沿的突破。而這些技術(shù)創(chuàng)新的來源，只能有2個：一個是具有深厚技術(shù)背景與技術(shù)創(chuàng)新能力的科學(xué)家，另一個有可能就是關(guān)注科學(xué)前沿并思考如何通過技術(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，在以觀測和實(shí)驗(yàn)為主要研究手段的科學(xué)領(lǐng)域，越來越多的科學(xué)家的主要工作開始偏向設(shè)計新的實(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)無法實(shí)現(xiàn)科學(xué)前沿的突破，或者說低垂的“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)是一個典型的、以實(shí)驗(yàn)或觀測數(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進(jìn)入了太空，或者飛行器第一次到達(dá)了以前人類從來沒有到達(dá)過的環(huán)境，也包括進(jìn)入到微重力的環(huán)境中，任何探測器或觀測儀器所獲得的數(shù)據(jù)，都是科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但是，通過幾十年的發(fā)展，空間科學(xué)的重大突破越來越依靠科學(xué)儀器的創(chuàng)新。為了確保這些創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)施，各國在科學(xué)任務(wù)中越來越重視首席科學(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，又是其主要探測或觀測方案的設(shè)計者。在科學(xué)任務(wù)的研制過程中，首席科學(xué)家的職責(zé)需要跟蹤研制過程，確保其提出的設(shè)計指標(biāo)能夠滿足科學(xué)探測任務(wù)的需求。在研制中出現(xiàn)不可克服的困難時，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)探測或觀測儀器的開機(jī)和測試、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)計思路，也往往無法關(guān)注到那些工程設(shè)計和實(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)計師的工程師。這個角色就像是軍隊(duì)中的軍長、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，政委負(fù)責(zé)指方向，軍長負(fù)責(zé)打勝仗；董事長負(fù)責(zé)定戰(zhàn)略，CEO負(fù)責(zé)具體實(shí)施。在具體任務(wù)中，這兩個角色所承擔(dān)的職責(zé)的分工，根據(jù)兩個人的能力和特長，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)計過程中能夠承擔(dān)更多的職責(zé)，而載荷主任設(shè)計師只承擔(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“阿爾法磁譜儀計劃”（AMS）中的首席科學(xué)家丁肇中先生、美國的大部分探索（Explore）類計劃中的課題負(fù)責(zé)人（PI），以及中國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”的首席科學(xué)家常進(jìn)院士和“墨子號”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

為了說明技術(shù)創(chuàng)新的可行性和重要意義，這里以7個比較重要的技術(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)家提供更精確的對天體的觀測和新的發(fā)現(xiàn)，是研究宇宙起源與演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星等多個重大前沿科學(xué)問題的重要手段。

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其產(chǎn)生的不可避免的擾動。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)鏡因大氣阻隔無法在可見光以外的頻段進(jìn)行觀測，且即使在可見光頻段，觀測地點(diǎn)的選擇也非常重要，地球上最干燥和最好的觀測地點(diǎn)在一年中有效的觀測時間也是有限的。還有地面望遠(yuǎn)鏡會受到所在地理位置的限制，無法看到完整的天區(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)和更長的研制時間。中國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)鏡更大的視場及更多的觀測頻段，力爭在一些分項(xiàng)領(lǐng)域里獲得科學(xué)前沿的突破。

與此同時，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)鏡觀測信號兩兩之間的相干信號（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，由于多個小孔徑望遠(yuǎn)鏡的所有接收面積加起來的總面積，仍不如一個實(shí)孔徑的望遠(yuǎn)鏡，其探測靈敏度將受到損失。歐洲南方天文臺在智利由4個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

除了增大孔徑，包括干涉式綜合孔徑帶來的分辨率優(yōu)勢以外，成像視場范圍的增大可以提高巡天的效率。為了極大地提高視場范圍，傳統(tǒng)技術(shù)的提升就是使用多個小視場的望遠(yuǎn)鏡來增大視場覆蓋，如歐洲空間局的“柏拉圖計劃”（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成像技術(shù)，極大地突破了巡天視場的范圍，如我國不久前發(fā)射的“愛因斯坦探針計劃”（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的天文觀測波段。由于低頻射電的波長比可見光長9—10個數(shù)量級，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)獎的第一幅黑洞的射電頻段照片，就是采用這個干涉式成像技術(shù)，只不過它的觀測頻段是毫米波段，在地球上觀測仍然是可行的。

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。在地球表面無法有效觀測到來自宇宙低于30 MHz頻率以下的信號。而這個頻段的信號會帶來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候——稱為宇宙的黑暗時代，這是宇宙中唯一可以測量的頻率。但這個頻率在現(xiàn)在的宇宙中已經(jīng)通過紅移退減到30 MHz以下。因此要想了解宇宙早期黑暗時代的信號，就需要到太空中去觀測。

在這個領(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100千米甚至更長的低頻射電觀測。由于計劃是在月球軌道上飛行，當(dāng)編隊(duì)飛到月球背面時進(jìn)行觀測，可以避開來自地球自然（雷電）和人為的電磁干擾，獲得來自宇宙深空的低頻射電信息。

高精度的天體測量

精確測量遙遠(yuǎn)天體之間的距離，被稱為是高精度的天體測量。同樣，如果在地面上開展天體測量，大氣層的湍流和擾動，極大地限制了觀測精度。因此，在太空開展高精度的天體測量也是一個技術(shù)前沿。除了為宇宙繪制精密的圖像以外，高精度天體測量還有一個新應(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)動時，由于引力作用對其位置產(chǎn)生的擾動。如果能對這顆恒星位置的變化規(guī)律進(jìn)行長期觀測，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“蓋亞計劃”（GAIA）就是國際上第一個天體測量計劃。但由于其精度還不是很高，還不能用于對類地系外行星的普查工作。中國科學(xué)家提出的用于系外行星發(fā)現(xiàn)、更高精度的天體測量計劃——“近鄰宜居行星巡天計劃”（CHES）目前正在論證之中。

對地球空間的多點(diǎn)和成像觀測

自人類發(fā)射人造地球衛(wèi)星以來，對地球空間磁場和粒子的探測都是采用原位（in-situ）觀測的方式，也就是直接測量衛(wèi)星周圍的磁場和粒子。這種觀測技術(shù)雖然準(zhǔn)確并能夠直接反映衛(wèi)星經(jīng)過地點(diǎn)的空間環(huán)境，但是對于隨著來襲的太陽風(fēng)而變化的磁場和粒子環(huán)境，單個衛(wèi)星已經(jīng)無法區(qū)分其觀測數(shù)據(jù)的變化是由于空間位置的變化還是由于輸入太陽風(fēng)的變化。因此采用多點(diǎn)、即衛(wèi)星編隊(duì)來探測空間環(huán)境成為新的探測方式。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，對粒子空間分布的探測還出現(xiàn)了遙感成像技術(shù)，包括在紫外頻段對中性原子的成像和在X射線頻段對磁層頂中性氫受太陽風(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技術(shù)，將進(jìn)一步提升人類對地球空間及其變化規(guī)律的認(rèn)識。

高精度的空間基線測量

前文曾提到過通過2顆衛(wèi)星之間高精度的距離測量，在地球軌道上可以測量地球重力場的異常并反演地下水隨季節(jié)的變化的GRACE計劃。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)十萬千米到上百萬千米長的基線的高精度測量，從而反演空間引力波。這是用電磁波觀測宇宙之后的又一種觀測手段。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”。

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

觀測位置上的新突破

所到即所得的空間科學(xué)計劃一般比較容易提出。但是經(jīng)過近70年的發(fā)展，大部分重要的空間位置已經(jīng)都被訪問過了。太陽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過了。然而，仍然存在很多區(qū)域可以考慮，例如，幾個極端的位置，抵近太陽、太陽極軌和太陽系邊界。在這幾個位置，已經(jīng)去過的探測計劃均只獲得了很初步的信息。例如，太陽極軌，只獲得過原位探測的信息，沒有對太陽極區(qū)進(jìn)行過成像探測。又如對太陽系邊界的探測，也只有極為少量的磁場和高能粒子的探測數(shù)據(jù)。對太陽的抵近探測，也還沒有突破10個太陽半徑的距離。此外對金星的著陸僅有1次，由于超過400℃的高溫，著陸器只生存了不到1小時獲得了極少量的數(shù)據(jù)就失效了，也并沒有開展過巡視探測。

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，就一定會有新的數(shù)據(jù)和科學(xué)突破。

愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言：“未來科學(xué)的發(fā)展，無非是繼續(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。

然而無論是探測方案上的創(chuàng)新，還是探測能力上的提升，都需要通過激勵和培育；經(jīng)過從預(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)星計劃。因此，任務(wù)管理機(jī)構(gòu)需要對這個階段的項(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)家就是未來空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的首席科學(xué)家。

在未來空間科學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)創(chuàng)新方面，本文也做了一些預(yù)測。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)測的，也是光靠喊口號換不出來的，需要我們從激勵創(chuàng)新的科研生態(tài)的建立，對青年科技人員的關(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)識到這一點(diǎn)，就一定可以找到辦法和工作思路，讓我國的空間科學(xué)盡快在世界上成為引領(lǐng)的力量，讓我國科學(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景中得到應(yīng)用。

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