年終盤點：2021年中國太空探索的重大進展

回望2021年的浩瀚星空，中華民族迸發(fā)了最耀眼的華彩：“天問”登火、“羲和”探日、“銀河”巡天、“天宮”覽勝……

 

這一年，探尋宇宙信息的大科學工程亦是碩果累累，“中國天眼”發(fā)現(xiàn)201顆脈沖星、“拉索”觀測到最高能量光子，驚艷了國際天文學界；嫦娥五號帶回月球“土”特產(chǎn)，翻開我國月球科學研究的嶄新篇章……

 

中華民族在探索星辰大海的浩然征途上正大步向前。

 

01

“天宮”建造全面展開

我國載人航天進入“空間站時代”

 

央視新聞視頻截圖

 

空間站，航天員的“太空家園”，科學研究的“太空實驗室”。

 

4月29日11時23分，海南文昌航天發(fā)射場，長征五號B大推力運載火箭以萬鈞之力，將中國空間站核心艙成功送入太空，我國載人航天真正迎來空間站時代。至此，中國空間站在軌組裝建造全面展開。

 

中國空間站是中國獨立自主建造運營的載人空間站，在近地軌道長時間運行，靠貨運飛船實現(xiàn)推進劑和消耗品的補充，可滿足航天員長期在軌生活、工作需要，代表了當今航天領域最全面、最復雜、最先進和最綜合的科學技術成果。

 

6月17日，神舟十二號載人飛船搭載的航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波先后進入天和核心艙，標志著中國人首次進入了自己的空間站；10月16日，神舟十三號載人飛船順利將翟志剛、王亞平、葉光富送入太空，進駐天和核心艙后，開啟為期6個月的太空駐留；11月7日，翟志剛、王亞平先后從天和核心艙節(jié)點艙成功出艙，王亞平邁出中國女性艙外太空行走第一步；12月9日，神舟十三號航天員乘組在中國空間站首次進行太空授課。

 

02

發(fā)現(xiàn)反銀心子結構起源于銀盤

終結子結構起源爭議

 

天文學家已經(jīng)知道，銀河系不是傳統(tǒng)認知的光滑扁平盤，而是一條星波蕩漾的星河。這一認識源于銀河系反銀心方向子結構的發(fā)現(xiàn)，但這些子結構到底起源于哪里存在爭議。

 

5月，《天體物理學報》發(fā)表的一篇中國科學家的研究論文終結了這一爭議。中國科學院國家天文臺、西華師范大學等單位的研究人員，利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）和“蓋亞”衛(wèi)星（Gaia）數(shù)據(jù)，對位于反銀心方向的一些子結構與銀盤進行“親子鑒定”，發(fā)現(xiàn)銀河系反銀心子結構并不是被銀河系吸積的矮星系遺跡，而是銀河系外盤的一部分。

 

利用望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)，研究人員搜尋到589顆來自麒麟座星環(huán)、三角座—仙女座星流和A13結構的成員星，這是目前最大的反銀心子結構成員星樣本。

 

研究人員將成員星樣本的化學元素含量、運動特征以及能量角動量分布，與銀盤進行比對，發(fā)現(xiàn)這些成員星與銀盤擁有相似的近圓形運動軌道，金屬豐度與銀盤的厚盤星相似，這些都證明了子結構成員星可能來自銀盤厚盤。

 

然而，進一步驗證發(fā)現(xiàn)，這些子結構成員星的α元素豐度明顯低于厚盤。對此，西華師范大學物理與空間科學學院副教授李靜解釋道，因為目前銀河系外盤依然存在很多冷氣體，相對于內盤，外盤分子云密度低，化學元素的金屬豐度增加不充分。

 

從運動特征和化學DNA鑒定，天文學家推測這些子結構成員星應該屬于低α豐度貧金屬外盤星。中國科學院國家天文臺研究員薛香香說：“這意味著這些反銀心子結構起源于銀盤。”

 

03

天問一號登陸火星

探尋火星起源與演化的線索

 

新華社發(fā) 國家航天局供圖

 

穿越漫漫星河，跋涉297天，2021年5月15日7時18分，短短9分鐘內將兩萬多公里時速降為零，天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

 

5月22日10時40分，“祝融號”火星車安全駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測。中國成為世界第二個讓火星車成功著陸的國家。

 

我國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋介紹，天問一號任務是中國開展行星探測的第一步，圓滿完成了“一次任務實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視”的既定任務目標，將極大推動中國空間科學，特別是行星科學研究的發(fā)展。目前，天問一號在軌運行狀態(tài)良好，配置的13臺科學載荷已全部開機開展科學探測活動，為科學家提供豐富的高質量科學探測數(shù)據(jù)。具體來說，可以獲得包括火星地形地貌、表面物質成分、地下結構、磁場、氣象和空間環(huán)境等在內的多元素、第一手火星科學數(shù)據(jù)。“祝融號”正繼續(xù)向烏托邦平原南部疑似古海洋與陸地交界的地帶行駛，探尋揭開火星起源與演化之謎的線索。

 

值得一提的是，天問一號在奔火途中還獲取了地月合影、“深空自拍”飛行圖像，并傳回首幅火星圖像。抵達火星表面后，6月11日，天問一號首批科學影像圖發(fā)布，標志著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

 

04

“拉索”發(fā)現(xiàn)迄今最高能量光子

突破人類對銀河系粒子加速傳統(tǒng)認識

 

高海拔宇宙線觀測站“拉索”。圖源：中科院高能所

 

大科學工程高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO），位于四川稻城平均海拔4410米的海子山，是世界上最大的高海拔宇宙線觀測裝置，歷時4年，于10月24日建成并正式進入科學運行階段。

 

邊建設邊運行的“拉索”，在銀河系內發(fā)現(xiàn)了能量高達1.4拍電子伏特的光子。這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，開啟了超高能伽馬天文學的新時代。5月17日，相關成果論文在線發(fā)表于《自然》雜志。

 

05

FAST新發(fā)現(xiàn)201顆脈沖星

“中國天眼”成最強大脈沖星搜索利器

 

世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）于2016年9月25日落成啟用。 新華社記者 歐東衢 攝

 

脈沖星是大質量恒星死亡后的“遺骸”，能夠發(fā)射出高度周期性的脈沖，周期在1.4毫秒到23秒之間，被稱為“毫秒脈沖星”的短周期脈沖星，可以與地球上最好的原子鐘相媲美。因而，脈沖星是國際大型射電望遠鏡觀測的主要科學目標之一。

 

截至2021年4月，中國科學家利用500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）開展的巡天觀測，新發(fā)現(xiàn)了201顆脈沖星，其中包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰(zhàn)當代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星、40顆毫秒脈沖星、16顆脈沖雙星、一批模式變化和消零脈沖星以及射電暫現(xiàn)源等。相關研究成果于5月20日作為封面文章發(fā)表于《天文和天體物理學研究》。

 

FAST被譽為“中國天眼”，配備19波束L波段接收機，是世界上最強大的脈沖星搜尋利器。

 

“后續(xù)對這些脈沖星的測時觀測可以用來探測來自遙遠星系的低頻引力波，還可用于建立脈沖星時間和空間基準，其中一些脈沖星將會成為檢驗引力理論的絕佳利器。”中國科學院國家天文臺研究員韓金林說。

 

06

嫦娥五號月球樣品發(fā)放

有望揭示月球及行星演化之謎

 

新華社記者 金立旺 攝

 

近觀月壤一克，遙測星河萬年。月壤是月球表面月巖經(jīng)過長期的隕石和微隕石撞擊、太陽風、宇宙射線輻射等太空風化作用形成的。月壤除了反映月表本身的物質組成以外，還是記錄太陽風等與月表相互作用歷史以及外來物質增生信息的重要載體。

 

7月12日，嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發(fā)放儀式舉行。13家科研機構的31份申請獲得通過，共發(fā)放17.4764克樣品，月球樣品科學研究正式啟動。10月20日，第二批月球科研樣品發(fā)放名單公布，共計發(fā)放17.936克樣品。

 

科研人員將利用月壤對月球表面過程、火山活動年齡、月球演化過程等開展研究，有望在月球與行星演化、行星宜居性等方面產(chǎn)生新的認識。

 

嫦娥五號月球樣品很快有了第一批科研成果。10月19日，中國科學院地質地球所與國家天文臺等單位的研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月球樣品為一類新的月海玄武巖。這些月球最“年輕”的玄武巖年齡為20億年，所處區(qū)域晚期巖漿活動的源區(qū)并不富集放射性元素，并且月幔源區(qū)幾乎沒有水。

 

12月13日，中國科學院紫金山天文臺聯(lián)合南京地質古生物研究所發(fā)現(xiàn)，月球樣品鈦鐵礦含量極高，是高鈦玄武巖。此前，國內其他研究團隊在月球樣品中已發(fā)現(xiàn)低鈦、中鈦玄武巖類型。研究人員推測，嫦娥五號月球著陸區(qū)或曾有多次火山噴發(fā)。

 

07

亞軌道重復使用運載器首飛成功

我國由航天大國邁向航天強國

 

發(fā)展重復使用天地往返航天運輸技術，是我國由航天大國邁向航天強國的重要標志。亞軌道重復使用運載器，可作為升力式火箭動力重復使用航天運輸系統(tǒng)的子級，是航天航空技術的高度融合體。

 

7月16日，由中國航天科技集團有限公司一院研制的亞軌道重復使用演示驗證項目運載器，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準時點火起飛，按照設定程序完成飛行后，平穩(wěn)著陸于阿拉善右旗機場，首飛任務取得圓滿成功。

 

中國航天科工二院研究員楊宇光表示，亞軌道遠地點高度最低為80至100千米，理論上最高可達地球引力邊緣，即150萬千米。射程較遠的彈道導彈被動段軌跡即為亞軌道。亞軌道還廣泛應用于探空火箭和太空旅游等方面。

 

08

青海冷湖發(fā)現(xiàn)世界級天文臺臺址

將成我國極其寶貴的戰(zhàn)略性稀缺資源

 

光學/紅外觀測臺址是極其寶貴的戰(zhàn)略性稀缺資源，目前國際公認的最佳臺址只有智利北部山區(qū)、美國夏威夷莫那卡亞峰以及南極內陸冰穹地區(qū)。

 

8月18日，《自然》發(fā)布了我國一項關于天文觀測臺選址的重大科學進展，中國科學院國家天文臺的鄧李才研究團隊經(jīng)過3年連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)青海冷湖臺址的光學觀測條件全面優(yōu)于青藏高原其他選址點，可與國際公認的最佳天文臺臺址比肩。

 

冷湖地區(qū)日照豐沛、降水極少、夜空晴朗，歷史記錄的天氣條件非常良好。鄧李才研究團隊通過對冷湖賽什騰山區(qū)的實地考察，確定在山區(qū)4200米海拔標高點（賽什騰C區(qū)）進行定點選址，2018年起正式對該地域的晴夜數(shù)量、晴夜背景亮度和氣象進行3年連續(xù)監(jiān)測，2020年底獲得對賽什騰山光學/紅外觀測條件的結論性數(shù)據(jù)。

 

為最大限度發(fā)揮冷湖臺址的科學效益，鄧李才表示，應盡快對臺址資源進行保護，避免燈光、粉塵、震動等因素對其造成影響；還要吸引國際領先的觀測設施落戶，使之成為國際光學天文研究的重要基地。

 

09

“羲和號”發(fā)射

我國實現(xiàn)太陽探測零的突破

 

太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和號”。雷春鳴 攝；圖片來源：國家航天局

 

太陽是距離地球最近的恒星，對地球演化和人類文明的發(fā)展意義重大。10月14日，我國首顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和號”成功發(fā)射，我國正式步入“探日”時代，實現(xiàn)太陽探測零的突破。

 

“羲和號”的全稱是太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛(wèi)星，重508公斤，設計壽命3年，運行于高度為517千米的太陽同步軌道，能夠連續(xù)24小時對太陽進行觀測，主要科學載荷為太陽空間望遠鏡。

 

從發(fā)射“座駕”到衛(wèi)星平臺，再到科學載荷，“羲和號”開創(chuàng)了許多個“首次”：國際上首次開展太陽Hα波段光譜成像空間探測；首次采用“動靜隔離非接觸”總體設計新方法；首次提出“載荷艙主動控制、平臺艙從動控制”新方法；首次實現(xiàn)衛(wèi)星大功率、高可靠、高效無線能源傳輸技術的應用。

 

10

“銀河畫卷”二期巡天計劃啟動

將提供更廣域的分子氣體分布數(shù)據(jù)

 

巡天是人類探尋宇宙信息的基本手段，是一種對天空可掃描區(qū)域進行逐塊無差別掃描的系統(tǒng)觀測方式，通過對天空進行拉網(wǎng)式“普查”來發(fā)現(xiàn)未知天體。

 

“銀河畫卷”巡天計劃是我國唯一在毫米波段的巡天項目，利用位于青海德令哈的13.7米毫米波射電望遠鏡進行天文觀測。今年11月，為期10年的“銀河畫卷”二期巡天計劃啟動，將巡天區(qū)域擴展至銀道面附近銀緯正負10度的范圍，將為多波段天文研究提供更廣域的分子氣體分布數(shù)據(jù)。

 

而“銀河畫卷”一期巡天項目自2011年11月起歷時10年，于2021年4月底結束，完成銀緯正負5度范圍共2400平方度的探測覆蓋，建立了毫米波分子譜線數(shù)據(jù)庫。

 

中國科學院紫金山天文臺研究員、“銀河畫卷”巡天計劃總負責人楊戟指出，無論是一期還是二期項目，“一氧化碳分子譜線”都是“銀河畫卷”計劃的觀測核心，因為它能幫助科學家揭示分子氣體溫度、密度等性質。

 

目前，我國已經(jīng)出現(xiàn)若干有影響力的天文巡天項目，除了“銀河畫卷”計劃，還有基于LAMOST開展的光譜巡天觀測、基于FAST開展的脈沖星巡天觀測等。