星辰之约:世界深空行星探测传奇
回溯人类对太空的探索历程,从 1957 年发射第一颗人造卫星开始,深空探测慢慢的变成为各国航天事业的重要方向。
1958 年 8 月 17 日,人类第一次尝试发射月球探测器先驱者 0 号,迈出人类深空探测第一步。此后,美苏太空竞赛主导了第一阶段的深空探测,20 多年间发射次数高达 174 次。1969 年阿波罗 11 号实现载人登月,1977 年旅行者 1 号、2 号发射,载人深空探测和无人深空探测取得重大进展。
上世纪 80 年代,随着载人登月竞赛结束,深空探测相对沉寂,10 年内仅发射 13 次。主要以金星、火星和哈雷彗星探测为主,月球探测完全停滞。
上世纪 90 年代至今,新一轮以科学发现为主要目标的深空探测活动逐渐复苏。欧洲、日本、中国、印度和以色列等国家和地区纷纷加入深空探测队伍,一些商业机构也开始涉足深空探测。
截至 2020 年 6 月,人类已执行深空探测任务约 260 次,探测目标包括月球、太阳、大行星及其卫星、矮行星、小天体等。其中,飞行距离最远的旅行者 1 号探测器,距离地球已超过 200 亿公里。
深空探测活动与科学技术进步良性互动,显著推动新一代科技工作人员快速成长,大幅度的提升人类科技发展水平,对整个人类社会影响深远。同时,深空探测对激发探索精神、凝聚国家和民族意志、增强民族自豪感具有重大意义。
冷战时期,美苏在月球探测方面展开了激烈竞争。1969 年 7 月 20 日,阿波罗 11 号在月球着陆,宇航员阿姆斯特朗踏出人类在月球的第一步,开启了月球大战的序幕。此后,美苏两国大量发射探测器。苏联在美国的阿波罗登月计划宣布后,制定了三种火箭发射方案,但在三种方案中犹豫不定,直到 1964 年才正式拉开苏联载人登月的序幕,在时间上已落后美国三年。苏联的登月项目由科罗廖夫和切洛梅分别带领的两个设计局负责,然而两人关系不和,给登月计划增添了不少变数。后来,苏联政府决定使用科罗廖夫的火箭方案,即 N - 1 火箭,并采用他的 LOK 飞船方案。美国的阿波罗计划花费了 250 亿美元,相当于现在的 2000 亿美元,而苏联的登月经费只有 55 亿美元。尽管苏联在登月飞船领域长期处在领头羊,但受制于火箭的推力,载人登月任务始终难以成功。
美苏在火星探测上经历了高峰与挑战。人类火星探测起步于 20 世纪 60 年代,到今年 6 月底,全球共实施了 44 次探火活动,其中美国 21 次,苏俄 19 次。1960 年 10 月,苏联向火星先后发射了两个探测器 “火星 1A” 号和 “火星 1B” 号,但均以失败告终。直到 1964 年 10 月,美国 “水手 4 号” 探测器才向地球传回人类史上第一张有关火星表面的近距离图像,开启了火星探测的新篇章。苏联的 “火星 3 号” 于 1971 年 12 月 2 日成功登陆火星,成为首颗火星着陆器,但降落后与地球的通讯仅仅维持了 20 秒。人类 44 次探火活动,成功率不到五成,能够着陆火星并成功开展探测任务的仅为个位数。
苏联和美国对金星进行了多次探测。1961 年,伴随着前苏联 “金星 1 号” 探测器成功发射,前苏联关于金星的探测项目正式拉开帷幕。多个金星探测器在即将抵达金星或刚刚触及金星表面时,与地球失去了联系。一些幸运抵达金星的探测器,也没过多久就失去了信号。通过探测,天文学家发现,在金星诞生初期,上面的环境与地球非常相似。苏联共发射了 26 个金星探测器,其中 18 个成功降落在金星表面。金星 9 号探测器是第一艘成功绕行金星并从金星表面传送科学资料的航天器。金星表面温度高达 500 摄氏度,大气压力是地球的 90 倍,大气中充满了二氧化碳和硫酸蒸气,环境极其恶劣。
2005 年后,中日印等国开始在月球探测发力,欧洲、日本、中国、印度等国围绕科学探索开展月球探测工程。
中国在 2004 年正式开展月球探测工程,命名为 “嫦娥” 工程,分 “绕”“落”“回” 三步走策略实施。2007 年,中国第一个月球探测器嫦娥一号顺利升空,获取了中国首幅月面图像。2010 年,嫦娥二号获得国际最高的 7 米分辨率的全月影像图。2013 年,嫦娥三号成功落月,把玉兔号的足迹刻在了月球上。2018 年底,嫦娥四号顺利升空,并在月球背面的冯・卡门撞击坑完成了软着陆。2020 年,嫦娥五号怀揣取自月球的土壤返回地球。今年,嫦娥六号发射在即,她将执行月球背面采样返回任务。未来,中国还将发射嫦娥七号和嫦娥八号,最终建立月球科研站,实现载人登月。
日本也积极开展月球探测活动,虽进度不尽如人意,但也在不断努力。印度同样制定了 “绕”“落”“回” 三步探月计划,虽然过程中遭遇了一些挫折,如发射的月船 2 号在月球上坠毁,但印度一直在努力推进探月工程。欧洲航天局也在月球探测方面有所行动,计划在 2020 年实现载人登月,同时完成月球基地建设。
冷战后,美国和欧洲携手共进,印度、阿联酋等国也加入火星探测行列,如印度首次发射即成功绕火星。
美国在火星探测方面长期处在领头羊,成功发射了多个火星探测器,如 “勇气号”“机遇号”“好奇号”“洞察号” 等,成功找到了火星水存在的证据。欧洲也积极开展火星探测任务,2003 年 6 月 2 日,欧空局发射的 “火星快车” 号探测器成功抵达火星,证实了火星南极冠存在水冰,并首次发现位于火星南极冰盖下的液态湖泊。
印度成为全世界第一个首次发射就成功绕火星的国家。阿联酋也在 2020 年发射了火星探测器,成为中东国家第一个开展火星探测的国家。
随着慢慢的变多的国家加入火星探测行列,火星探测重新成为深空探测的热点。各国在火星探测中相互竞争、相互合作,一同推动人类对火星的认识不断深入。
2022 年 12 月 22 日,广西大学召开新闻发布会,介绍其天文与空间科学技术团队取得的深空探索重大观测成果。研究论文《船帆座脉冲星风云 X 射线偏振趋近同步辐射理论极限》在国际顶级学术杂志《自然》发表。广西大学为研究论文的第一作者单位,青年教师谢斐博士为第一作者和唯一通讯作者主导了该项研究。
脉冲星是由超新星爆炸产生的遗骸中子星,脉冲星风云则是快速旋转的脉冲星驱动的星风冲击外部物质产生的高能天体。船帆座脉冲星风云距离地球约 900 光年,是距离地球最近的脉冲星风云之一。船帆座脉冲星风云在中心快速旋转(每秒自转 11.2 次)的脉冲星的驱动下,能够发射出射电、X 射线、高能伽马射线等不同波段的光辐射,是目前已知最亮的脉冲星之一。
研究团队利用成像 X 射线偏振望远镜观测发现船帆座脉冲星风云的 X 射线辐射的全局偏振度达到 45%,置信水平超过了 30 个标准误差,并在局部区域发现最高偏振度到 63%。这已经接近在完全有序磁场下电子同步辐射理论所预言的极限值,是人类目前在高能波段探测到的偏振度最高的一个目标源,它改变了科学家对粒子加速机制的认识。该观测发现表明船帆座脉冲星风云核心区磁场结构高度有序,其 X 射线辐射起源于电子的同步辐射,对粒子加速机制模型提出严格的限制。
中科院院士、中科院国家天文台台长常进点评指出:“该成果以极高的精度测量到船帆座脉冲星风云接近同步辐射理论极限的 X 射线偏振度。这是人类历史上的首次,结果很美,没有争议,科学意义毋庸赘言。” 中科院粒子天体物理重点实验室主任、中国载人航天空间天文与天体物理领域首席科学家张双南认为:“这是一个教科书级的重大成果。” 意大利国家天体物理研究所首席科学家保罗・索菲塔点评称:“谢斐在脉冲星风云领域的工作很重要,尤其是船帆座脉冲星风云,她在其中发现极高偏振度,接近同步辐射理论的极小值。这揭示了脉冲星风云的磁场极度有序,对理解粒子加速价值意义重大,对研究脉冲星风云的磁场结构同样具备极其重大意义。”
“伽利略号” 木星探测器是美国宇航局发射的环绕型探测飞船,于 1989 年 10 月 18 日由阿特兰蒂斯号航天飞机送入轨道,主要任务是长期观测木星及其卫星。飞船以 16 世纪的意大利天文学家和物理学家伽利略命名。
“伽利略号” 的发射可谓一波三折。项目研制初期在上面级的选择上就 “折腾” 不断,最初选择了采用固体燃料的 “惯性上面级”,后因运载能力限制等问题又改为使用液体燃料的半人马上面级。但很快,“伽利略号” 遭遇了非技术原因的沉重打击,里根政府为减少财政赤字,大幅度消减 NASA 经费,“伽利略号” 不幸被列入其中,整个项目面临生死存亡的考验。为保住这一个项目,科学家们进行了反复申诉。
尽管困难重重,“伽利略号” 终究是成功发射。它在木星的大气中进行了长达 15 年的探测。“伽利略号” 探测器呈不规则长形体,总重约为 2717 千克,由木星轨道器和再入器两部分所组成。轨道器上装有很多精密的探测仪器,如 CCD 摄像机、近红外绘图分光计、紫外分光计等。大气探测器由制动防热罩和球形仪器舱组成,装备了多种先进的探测仪器设备。
“伽利略号” 飞船环绕木星飞行了 34 圈,对木星大气层进行了详细测量,并发现了木星卫星地下存在液态盐水的证据。此外,飞船还观测到了木星卫星上大规模的火山爆发活动。在其服役的末期,还在木卫二发现了可能适合生命居住的迹象。
2003 年 9 月,“伽利略号” 因燃料接近枯竭而面临无法有效控制飞行轨道的困境。为了尽最大可能避免其上的核燃料污染可能孕育生命的星球,科学家们决定引导它撞向木星,从而结束了其充满挑战的探索之旅。
中国在深空探测领域有着宏伟的规划。嫦娥工程将持续推进,继嫦娥六号任务后,2026 年前后发射嫦娥七号,开展月球极区环境和资源勘查;2028 年前后发射嫦娥八号,开展月球资源就地利用技术验证。预计 2035 年前后,我国将构建国际月球科研站基本型,以月球南极区域为中心,具备百公里范围的科研作业能力,形成功能和要素基本齐备的月基综合性科研平台。
我国还将按计划开展小行星探测、火星采样返回、木星系探测等深空探测任务。2025 年发射天问二号,实现小行星探测和采样返回;2028 年前后开展天问三号任务,通过两次发射,实现火星采样返回;2030 年前后发射天问四号,开展木星系探测。
中国空间科学广泛深入开展国际合作,准备分基本型、拓展型两个阶段建设国际月球科研站。目前,中国已和 17 个国家和国际组织签署合作文件,并准备为国际合作伙伴提供多个层级、多种形式的合作机遇。中国还将与合作伙伴在总体任务联合论证、国际月球科研站联合设计、项目技术合作、总体任务规划实施以及科学数据共享方面开展广泛合作。
当前,月球是深空探测热点,火星是深空探测重点,发现未知是永恒主题,国际合作成为共识。各国对深空探测的热情持续高涨,在可重复运载、深空智能化、行星防御等方面不断探索发展。
在可重复运载方面,美国的 SpaceX 公司成为全世界火箭发射的佼佼者,其 “星舰” 火箭发射测试虽部分失败,但刷新了多项世界纪录,展现了商业航天领域在可重复运载技术上的积极尝试。
深空智能化方面,各国不断的提高探测器的自主决策和智能运行能力,以更好地应对复杂的深空环境和任务需求。例如,在行星探测任务中,探测器需要自主规划路径、识别目标、进行科学观测和数据传输等,智能化技术的发展将为深空探测带来更高的效率和更丰富的科学成果。
行星防御方面,我国正在计划进行首次近地小行星防御演示验证任务,目前论证的方案是选择一颗直径 50 米左右的小行星,开展伴飞探测、动能撞击、在轨评估,力求实现撞得准、推得动、测得出、说得清。美国、俄罗斯等国家也在积极开展太空武器研发和试验,包括反卫星导弹、太空激光武器等,虽然这些武器的研发加剧了太空军事化的趋势,但也从另一个角度反映了各国对行星防御的重视。
此外,各国还在论证金星、水星探测任务,以及冰巨星、主带小行星、半人马族小天体等探测任务。随着科学技术的慢慢的提升,人类对深空的探索将不断拓展,为人类认识宇宙、保护地球、拓展生存空间提供更多的可能。
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