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空间科学是空间活动的主要组成部分,是当代最活跃的科学研究活动之一。文章对空间科学及各分支领域(包括太阳物理学和空间物理学、空间天文学、月球和行星科学、空间地球科学、空间生命科学、微重力科学)的研究内容和主要成就做了介绍。空间科学是基础前沿研究的重大领域,中国应将其作为基础科学的突破口重点发展。关键词空间科学,空间物理,太阳物理,空间天文,月球与行星科学,空间地球科学,空间生命科学,微重力科学

01空间时代与空间科学

人类自古就对莽莽苍穹,日升日落,月圆月缺,斗转星移充满敬畏和向往。关于创世和人类起源的神话不绝于人类古文明史。“天地四方谓之宇,古往今来谓之宙”,是中国古代哲人对宇宙朴素而智慧的认知。漫长的岁月里,前辈先贤倾注了很大的精力观天象,创历法,释天惑,试飞天,从未停止过探索和思辨。15—16世纪的文艺复兴运动带来了艺术和科学的革命;19世纪在工业革命背景下科学发展突飞猛进;19世纪末至20世纪初的第三次科学革命铸就了现代科学技术的基石。二战后,火箭技术受到重视,人类对太空和近地空间、太阳系以及宇宙的观测和研究更加活跃起来。

1957年10月4日,以前苏联第一颗人造卫星“斯普特尼克-1”号进入地球空间轨道为标志,人类终于得以挣脱地球的束缚进入茫茫太空,开辟了被称为“空间时代”的科技发展新纪元。半个多世纪以来,人类开展了大规模的空间活动,共发射了约6000颗卫星和300多艘(次)载人航天器;人类登上了月球,建造了空间站,深空探测器的足迹遍及太阳系所有行星,观测探索的视野直达可见宇宙的边缘。短短的五十多年中,空间科技取得了人类历史上划时代的巨大成就。人类空间活动和空间科技的进步深刻地改变了社会面貌和人类认知,成为我们所处的这个时代科技发展和社会进步的显著标记。

空间时代催生出了空间科学——以空间飞行器为主要平台,研究发生在地球、日地空间、太阳系乃至整个宇宙的物理、化学及生命等自然现象及其规律的科学[1],在科学发展史上具有划时代的意义。在太空开展科学研究冲破了地球大气屏障和引力束缚,直接面对或深入广袤无垠的宇宙,极大地开拓了人类的视野和活动疆域。1957年至今,空间科学的探索和研究高潮迭起。全世界共发射了约700颗专门从事空间科学研究的科学卫星和深空探测器,建造了多个空间实验室和空间站作为综合性的空间研究设施,开展了数千项实验,实施了几十个大型研究计划,开展了规模巨大的空间科学探测、实验和研究活动。空间科学以前所未有的崭新手段和强大能力开展研究,取得了重大成就,在许多领域中的科学发现有如井喷,革命性的发现源源不断,超过了以往几千年的总和,深刻地改变了人类的宇宙观和自然观。

空间活动(我国称为航天事业)包括空间科学、空间应用、空间技术三个主要方面。空间科学的目的是探索新现象、发现新的科学规律。空间技术造就了空间科学和空间应用,空间科学和空间应用也反过来推动空间技术的进步,成为人类开展空间活动的不竭动力。

02领域广泛的前沿科学

空间科学发展到今天,已经涉及几乎全部自然科学的前沿领域。我们把空间科学分为太阳物理学和空间物理学、空间天文学、月球和行星科学、空间地球科学、空间生命科学、微重力科学等分支领域。

2.1 太阳物理和空间物理

太阳是距离我们最近、对人类影响最大的恒星,是控制和影响日地空间和太阳系空间物理过程的源头,在这里我们把太阳物理与空间物理联系起来介绍。

太阳物理学研究太阳的结构、物质组成、能量来源与传输、太阳活动与演化及其对太阳系空间的影响;空间物理学主要研究地球空间、日地空间和行星际空间的物理现象和规律,包括太阳、行星际空间、地球和行星的高层大气层、电离层、磁层以及它们之间的相互作用和因果关系。

50多年来,人类实施了多个联合科学计划,发射了约二百颗卫星,并利用地面设施对太阳、日地空间和行星际空间进行了大规模全方位探测,研究了太阳活动区物理、太阳磁场和磁活动,揭示了太阳耀斑的非热特征,发现太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)是太阳大气中最剧烈的能量释放过程,还发现了日冕稳定向外膨胀,并证实了由高速等离子体流组成的携带磁场的太阳风充斥着整个太阳系空间,及其与地球和行星磁场相互作用的过程;发现了地球辐射带(即范阿伦带),确认了地球巨大磁层的存在;研究了太阳风与地球磁层相互作用导致的磁场重联和磁层亚暴过程,等等。在观测与研究的基础上,建立了全新的较为完整清晰的太阳、地球空间、日地空间和行星际空间物理图像。H·阿尔文因创建太阳磁流体力学和宇宙磁流体力学获1970年诺贝尔奖。空间物理研究催生了空间天气学,它重点研究剧烈太阳活动引起的空间环境扰动对人类空间活动、地球环境和人类生产生活的影响。

图1 太阳动力学天文台(SDO)拍摄的远紫外太阳耀斑图像(红色区域约6万摄氏度,蓝色和绿色区域超过100万摄氏度)

2002年开始的“国际与星同在计划(ILWS)”将发射多颗卫星并加强地面观测,探测卫星的数量和探测技术水平远远超过以往,将在更深层次上搞清楚太阳剧烈活动的机理,及其影响行星际空间和日地链锁变化的过程。

2.2 空间天文

空间天文是利用空间飞行器和探空火箭、高空气球等,在大气顶层和大气层外开展天文观测研究。空间天文将局限于可见光、射电等波段(称为大气窗口)的地面天文观测,扩展到红外/亚毫米波、紫外、X射线和γ射线的全电磁波段,并开创了粒子天体物理和引力波探测的新时代。空间天文学的兴起是天文观测继可见光和射电观测的第三个里程碑,推动了人类认识宇宙的重大飞跃。

宇宙中的低能射电辐射主要来自宇宙大爆炸遗留的辐射背景,红外辐射源于温度较低的红巨星和紫外—可见光经恒星际气体与尘埃吸收之后的再辐射;恒星产生可见光和紫外辐射,紫外还产生于高温辐射和韧致辐射,X射线和γ射线源于数千万至数亿度的热辐射和相对论性带电粒子发射的非热辐射,高能γ射线直接与核以及高能物理过程相关,反映高能天体的激烈活动过程;原恒星、活动星系和类星体既有很强的X射线、紫外线,也有很强的红外辐射;亚毫米和太赫兹频段内有星际空间无机和有机分子的特征谱线。空间观测能够不受大气层的干扰,以逼近物理极限的精度揭示天体和宇宙的物质状态和物理过程,成为现代天文学和物理学发展和突破的先锋。当然,地面天文观测仍在发挥着重大的作用。

至今全世界共发射了100 多颗天文卫星,形成了射电、红外/亚毫米波、可见光、紫外、X射线、γ射线、粒子探测、宇宙微波背景测量等天文卫星系列。许多天文卫星规模巨大,采用了最新技术。高能天文观测“爱因斯坦天文台”重达17吨,集成了最先进的X—γ射线探测器;目前在轨运行的最大的天文望远镜有“哈勃太空望远镜”(可见光,2.4 m口径)和“赫胥尔望远镜”(红外/亚毫米波,3.5 m口径),空间站上的阿尔法粒子谱仪AMS02重6.8 吨,正在制造的詹姆斯·韦伯望远镜口径达6.5 m。

这些观测能力强大的空间天文卫星对银河系内与河外星系的各种辐射源、星际介质、星系团、微波辐射与粒子背景进行了大量观测,发现了数以千万计的红外、X射线和γ射线源;发现并证实了黑洞/中子星等致密天体;确定类星体实际上是大质量黑洞吸积过程的表象并认识了类星体对于星系和宇宙结构演化的作用;发现了各类释放巨大能量的宇宙γ射线暴并对其物理机制有了明确认识;发现并确认了大批系外行星。精细测定了宇宙微波背景辐射和宇宙年龄,有力支持了宇宙暴胀模型大爆炸宇宙学。空间天文的成就和相关研究建立了宇宙演化和宇宙重子物质循环的基本物理图像,对于恒星结构演化和宇宙大爆炸模型两大理论框架的建立完善起到了不可替代的作用。R·贾科尼因对X射线天文学的开创性贡献获2002年诺贝尔物理学奖,负责COBE卫星的J·马瑟和J·斯穆特获2006年诺贝尔物理学奖,哈勃空间望远镜的超新星爆发观测对获得2011年诺贝尔物理学奖的宇宙加速膨胀研究起到了关键作用。

图2 美国詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),计划2018年发射到日地L2点

由于宇宙暗物质、暗能量问题对当代物理学的巨大挑战,以及能够研究地球上无法企及的天体极端高能过程,从宇观和微观的结合上研究物质世界的基本规律,使空间天文在物理学和天体物理前沿研究中的重要性更加突出,计划中的一大批空间天文项目将取得更大突破。

2.3 月球和行星科学

月球和行星科学研究太阳系行星及其卫星、矮行星、小行星和彗星等各类天体。太阳系是人类处于其中、距离我们最近的典型宇宙恒星系统,月球和行星科学对研究太阳系的形成和演化,深入理解包括地球在内的行星发展变化规律,对研究地球、地外生命、开拓人类活动疆域和开发利用空间资源等具有重要的作用。

五十多年来,月球和行星探测高潮迭起,上百次不载人月球探测和6 次成功的阿波罗载人登月,不仅创造了人类历史上伟大的工程技术奇迹,还对月球地形地貌、地质构造、内部结构进行了详细研究,获得了丰富的第一手资料,其中包括月球表面主要由玄武岩和斜长岩组成,化学元素和矿物类型类似地球,月球没有辐射带和全球性内禀磁场,月面存在重力异常,月球壳层的年龄约为46亿年等。