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纍纍，“中國天眼”發現201顆脈衝星、“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”特産，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、最複雜、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、湯洪波先後進入天和核心艙，標誌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，進駐天和核心艙後，開啟為期6個月的太空駐留；11月7日，翟志剛、王亞平先後從天和核心艙節點艙成功出艙，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

發現反銀心子結構起源於銀盤

終結子結構起源爭議

 

天文學家已經知道，銀河系不是傳統認知的光滑扁平盤，而是一條星波盪漾的星河。這一認識源於銀河系反銀心方向子結構的發現，但這些子結構到底起源於哪存在爭議。

 

5月，《天體物理學報》發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、西華師範大學等單位的研究人員，利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）和“蓋亞”衛星（Gaia）數據，對位於反銀心方向的一些子結構與銀盤進行“親子鑒定”，發現銀河系反銀心子結構並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據，研究人員搜尋到589顆來自麒麟座星環、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、運動特徵以及能量角動量分佈，與銀盤進行比對，發現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，進一步驗證發現，這些子結構成員星的α元素豐度明顯低於厚盤。對此，西華師範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，相對於內盤，外盤分子云密度低，化學元素的金屬豐度增加不充分。

 

從運動特徵和化學DNA鑒定，天文學家推測這些子結構成員星應該屬於低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説：“這意味著這些反銀心子結構起源於銀盤。”

 

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 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，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“一次任務實現火星環繞、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展。目前，天問一號在軌運行狀態良好，配置的13台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品質科學探測數據。具體來説，可以獲得包括火星地形地貌、表面物質成分、地下結構、磁場、氣象和空間環境等在內的多元素、第一手火星科學數據。“祝融號”正繼續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，並傳回首幅火星圖像。抵達火星表面後，6月11日，天問一號首批科學影像圖發佈，標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

 

04

“拉索”發現迄今最高能量光子

突破人類對銀河系粒子加速傳統認識

 

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），位於四川稻城平均海拔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日建成並正式進入科學運行階段。

 

邊建設邊運行的“拉索”，在銀河系內發現了能量高達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表于《自然》雜誌。

 

05

FAST新發現201顆脈衝星

“中國天眼”成最強大脈衝星搜索利器

 

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

 

脈衝星是大品質恒星死亡後的“遺骸”，能夠發射出高度週期性的脈衝，週期在1.4毫秒到23秒之間，被稱為“毫秒脈衝星”的短週期脈衝星，可以與地球上最好的原子鐘相媲美。因而，脈衝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，新發現了201顆脈衝星，其中包括一批最暗弱的脈衝星、挑戰當代銀河系電子分佈模型的大色散量脈衝星、40顆毫秒脈衝星、16顆脈衝雙星、一批模式變化和消零脈衝星以及射電暫現源等。相關研究成果于5月20日作為封面文章發表于《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衝星搜尋利器。

 

“後續對這些脈衝星的測時觀測可以用來探測來自遙遠星系的低頻引力波，還可用於建立脈衝星時間和空間基準，其中一些脈衝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説。

 

06

嫦娥五號月球樣品發放

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。月壤是月球表面月岩經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放儀式舉行。13家科研機構的31份申請獲得通過，共發放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放名單公佈，共計發放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、行星宜居性等方面産生新的認識。

 

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現，嫦娥五號月球樣品為一類新的月海玄武岩。這些月球最“年輕”的玄武岩年齡為20億年，所處區域晚期岩漿活動的源區並不富集放射性元素，並且月幔源區幾乎沒有水。

 

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

 

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誌。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製的亞軌道重復使用演示驗證項目運載器，在酒泉衛星發射中心準時點火起飛，按照設定程式完成飛行後，平穩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。亞軌道還廣泛應用於探空火箭和太空旅遊等方面。

 

08

青海冷湖發現世界級天文臺臺址

將成我國極其寶貴的戰略性稀缺資源

 

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

 

8月18日，《自然》發佈了我國一項關於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過3年連續監測，發現青海冷湖臺址的光學觀測條件全面優於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的實地考察，確定在山區4200米海拔標高點（賽什騰C區）進行定點選址，2018年起正式對該地域的晴夜數量、晴夜背景亮度和氣象進行3年連續監測，2020年底獲得對賽什騰山光學/紅外觀測條件的結論性數據。

 

為最大限度發揮冷湖臺址的科學效益，鄧李才表示，應儘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”發射

我國實現太陽探測零的突破

 

太陽探測科學技術試驗衛星“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展意義重大。10月14日，我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”成功發射，我國正式步入“探日”時代，實現太陽探測零的突破。

 

“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。

 

從發射“座駕”到衛星平臺，再到科學載荷，“羲和號”開創了許多個“首次”：國際上首次開展太陽Hα波段光譜成像空間探測；首次採用“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；首次實現衛星大功率、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佈數據

 

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域進行逐塊無差別掃描的系統觀測方式，通過對天空進行拉網式“普查”來發現未知天體。

 

“銀河畫卷”巡天計劃是我國唯一在毫米波段的巡天項目，利用位於青海德令哈的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，將巡天區域擴展至銀道面附近銀緯正負10度的範圍，將為多波段天文研究提供更廣域的分子氣體分佈數據。

 

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度範圍共2400平方度的探測覆蓋，建立了毫米波分子譜線數據庫。

 

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，我國已經出現若干有影響力的天文巡天項目，除了“銀河畫卷”計劃，還有基於LAMOST開展的光譜巡天觀測、基於FAST開展的脈衝星巡天觀測等。