行星科學(xué)是當(dāng)今科學(xué)前沿之一，是我國(guó)科技戰(zhàn)略的重要組成部分，是國(guó)家自然科學(xué)水平和綜合國(guó)力的集中體現(xiàn)。我國(guó)行星科學(xué)起步較晚，但是依托探月工程和行星探測(cè)工程建立的地外天體“繞落巡返”能力，迎來(lái)了加速發(fā)展的新時(shí)代。了解航天強(qiáng)國(guó)在行星科學(xué)領(lǐng)域的動(dòng)向?qū)τ谖覀儼盐帐澜缣?yáng)系探索未來(lái)動(dòng)向很有啟發(fā)。

1 行星科學(xué)未來(lái)科學(xué)主題

1.1 NAS提出行星科學(xué)未來(lái)10年科學(xué)主題和科學(xué)問(wèn)題

2022年4月19日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（NAS）發(fā)布《起源、世界和生命：2023—2032年行星科學(xué)和天體生物學(xué)十年戰(zhàn)略》（Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032）[1]（圖1），確定了未來(lái)十年行星科學(xué)、天體生物學(xué)、行星防御領(lǐng)域的3個(gè)科學(xué)主題和12個(gè)優(yōu)先科學(xué)問(wèn)題（表1），按照計(jì)劃體系提出火星探索、月球探索、行星防御和行星科學(xué)4項(xiàng)優(yōu)先任務(wù)及資助建議。

圖1 起源、世界和生命：2023—2032年行星科學(xué)和天體生物學(xué)十年戰(zhàn)略

表1 行星科學(xué)未來(lái)10年科學(xué)主題和科學(xué)問(wèn)題

1.2 ESA“遠(yuǎn)航2050”空間科學(xué)規(guī)劃確定大型任務(wù)科學(xué)主題

2021年6月11日，歐洲空間局（ESA）科學(xué)計(jì)劃委員會(huì)正式宣布“遠(yuǎn)航2050”（Voyage 2050）空間科學(xué)規(guī)劃將在2035—2050年時(shí)間框架內(nèi)開(kāi)展3項(xiàng)大型任務(wù)[2]，對(duì)應(yīng)的優(yōu)先科學(xué)主題分別是：巨行星衛(wèi)星、系外行星或銀河系、早期宇宙（圖2）。

圖2 ESA“遠(yuǎn)航2050”空間科學(xué)規(guī)劃確定大型任務(wù)的優(yōu)先科學(xué)主題

（1）巨行星的衛(wèi)星。研究太陽(yáng)系天體的宜居性對(duì)于了解生命起源至關(guān)重要，同時(shí)有助于尋找系外類(lèi)地行星。在“卡西尼-惠更斯”任務(wù)和ESA即將開(kāi)展的“木星冰月探測(cè)器”（JUICE）基礎(chǔ)上，計(jì)劃進(jìn)一步開(kāi)展外太陽(yáng)系探測(cè)任務(wù)，利用先進(jìn)科學(xué)儀器研究巨行星衛(wèi)星的內(nèi)部海洋與其近地表環(huán)境之間的關(guān)系，并嘗試搜尋生命信號(hào)。該任務(wù)還可能包括著陸器或無(wú)人機(jī)等原位探測(cè)器。

（2）從溫和的系外行星到銀河系。銀河系是認(rèn)識(shí)星系運(yùn)行機(jī)制的基石，包含著數(shù)以?xún)|計(jì)的恒星和行星，以及暗物質(zhì)和星際物質(zhì)，但目前人們對(duì)這一生態(tài)系統(tǒng)的理解仍很有限。詳細(xì)了解銀河系的形成歷史及其“隱藏區(qū)域”是認(rèn)識(shí)星系運(yùn)行機(jī)制的關(guān)鍵。另外，通過(guò)首次直接探測(cè)系外行星大氣的熱輻射譜，在中紅外波段對(duì)溫和的系外行星進(jìn)行表征，可以更好地了解這些系外行星是否真正擁有宜居的表面條件，從而實(shí)現(xiàn)重大突破。

（3）早期宇宙的新物理學(xué)探測(cè)。宇宙是如何起源的？最初的宇宙結(jié)構(gòu)和黑洞是如何形成和演化的？這些基礎(chǔ)物理學(xué)和天體物理學(xué)領(lǐng)域中的核心問(wèn)題有望利用新的物理學(xué)探測(cè)方式得以解決，例如以高精度或在新的光譜窗口探測(cè)引力波，或者對(duì)宇宙微波背景開(kāi)展高精度光譜探測(cè)等。在“普朗克”探測(cè)器（Planck）取得的突破性科學(xué)成果和未來(lái)“激光干涉儀空間天線”的預(yù)期科學(xué)回報(bào)基礎(chǔ)上，這一主題將利用儀器技術(shù)的進(jìn)步為科學(xué)發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造巨大的潛力空間。未來(lái)還需開(kāi)展更多研究，并與科學(xué)界密切聯(lián)系，形成對(duì)這一主題共識(shí)的探測(cè)任務(wù)。

2 行星科學(xué)未來(lái)技術(shù)主題

2.1 歐洲空間局發(fā)布技術(shù)戰(zhàn)略報(bào)告

2019年10月31日，歐洲空間局（ESA）發(fā)布《ESA技術(shù)戰(zhàn)略》（ESA’s Technology Strategy）[3]報(bào)告（圖3，圖4），提出4項(xiàng)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)，凝練出4個(gè)優(yōu)先技術(shù)主題以及10個(gè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，旨在為ESA負(fù)責(zé)預(yù)研、實(shí)施和協(xié)調(diào)開(kāi)展的所有技術(shù)研發(fā)活動(dòng)的規(guī)劃、開(kāi)發(fā)和部署提供指導(dǎo)。

圖3 ESA技術(shù)戰(zhàn)略

報(bào)告提出的4項(xiàng)具體且可檢驗(yàn)的ESA技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)是：到2023年實(shí)現(xiàn)航天器建造速度提高30%；每一代產(chǎn)品的成本效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；創(chuàng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用速度提高30%；到2030年減少空間碎片的產(chǎn)生。

通過(guò)分析用戶(hù)需求和技術(shù)創(chuàng)新帶來(lái)的新能力，報(bào)告將各類(lèi)技術(shù)需求歸納為空間活動(dòng)的4個(gè)優(yōu)先技術(shù)主題。①先進(jìn)制造：識(shí)別新材料和新工藝，并從航天產(chǎn)業(yè)部門(mén)之外引進(jìn)顛覆性材料和制造工藝；②設(shè)計(jì)-生產(chǎn)數(shù)字化：研發(fā)、引進(jìn)和驗(yàn)證核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從任務(wù)設(shè)計(jì)到運(yùn)行和數(shù)據(jù)挖掘的工程數(shù)字化流程；③清潔空間和可持續(xù)性：重點(diǎn)關(guān)注維護(hù)空間環(huán)境的技術(shù)；④網(wǎng)絡(luò)安全：應(yīng)對(duì)由于越來(lái)越多的空間系統(tǒng)與地面系統(tǒng)集成導(dǎo)致的空間系統(tǒng)脆弱性問(wèn)題。

圖4 ESA的長(zhǎng)期探索戰(zhàn)略要素

2.2 歐洲行星學(xué)會(huì)啟動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目支持行星科學(xué)研究

2020年2月25日，歐洲行星學(xué)會(huì)（Europlanet Society）宣布啟動(dòng)“歐洲行星2024研究基礎(chǔ)設(shè)施”（Europlanet 2024 RI）項(xiàng)目（圖5）[4]，總投資1000萬(wàn)歐元，旨在通過(guò)提供世界最大的行星模擬和分析設(shè)施、全球小型望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)等科研基礎(chǔ)設(shè)施的開(kāi)放訪問(wèn)，擴(kuò)大行星科學(xué)研究的參與度，應(yīng)對(duì)行星研究面臨的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。

項(xiàng)目為行星科學(xué)領(lǐng)域的研究人員提供免費(fèi)進(jìn)入歐洲24個(gè)實(shí)驗(yàn)室和全球5個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展研究的權(quán)限。其中，11個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以模擬地球上不具備的大氣和地面環(huán)境，如水星和金星的高溫地表環(huán)境，火星上的低壓沙塵暴，天王星、海王星和彗星上的極寒環(huán)境等。另外13個(gè)實(shí)驗(yàn)室具備高精度和非破壞性測(cè)試能力，可分析行星樣本組分，對(duì)存活在地球惡劣環(huán)境中的微生物群落進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)序。5個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的分布橫跨非洲至北極圈，涵蓋與行星環(huán)境不同時(shí)期相似地表特征的地點(diǎn)，如與木衛(wèi)二和木衛(wèi)三類(lèi)似的冰冷環(huán)境，與金星、木衛(wèi)一和古代火星等類(lèi)似的地?zé)峄钴S地區(qū)，以及類(lèi)似月球或火星上的熔巖洞穴。

圖5 歐洲行星學(xué)會(huì)啟動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目支持行星科學(xué)研究

3 近5年美國(guó)主要行星科學(xué)研究戰(zhàn)略

3.1 NASA可持續(xù)月球探索和開(kāi)發(fā)計(jì)劃

2020年4月3日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布《NASA可持續(xù)月球探索和開(kāi)發(fā)計(jì)劃》（NASA’s Plan for Sustained Lunar Exploration and Development）[5]報(bào)告（圖6），闡述了美國(guó)未來(lái)載人月球探索的總體規(guī)劃。

圖6 美國(guó)可持續(xù)月球探索和開(kāi)發(fā)計(jì)劃

美國(guó)將于2024年實(shí)現(xiàn)重返月球，此后在月球南極建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略存在——“阿爾忒彌斯大本營(yíng)”（Artemis Base Camp）（圖7）。未來(lái)10年基于大本營(yíng)的探索活動(dòng)在月球長(zhǎng)期開(kāi)展經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和科學(xué)研究，并在21世紀(jì)30年代實(shí)施首次載人火星探索任務(wù)鋪平道路。《NASA可持續(xù)月球探索和開(kāi)發(fā)計(jì)劃》提出了無(wú)人月表探測(cè)任務(wù)、“阿爾忒彌斯”計(jì)劃（Artemis program）早期任務(wù)及2024年后的任務(wù)規(guī)劃、更長(zhǎng)期的月球計(jì)劃和初期載人火星任務(wù)共5項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。

圖7 阿爾忒彌斯大本營(yíng)的演變

3.2 OSTP發(fā)布首份國(guó)家地月科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略

2022年11月，美國(guó)白宮科技政策辦公室（OSTP）發(fā)布首份《國(guó)家地月科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略》（National Cislunar Science & Technology Strategy）（圖8）[6]，旨在解決美國(guó)的科技領(lǐng)先地位如何支持所有航天國(guó)家和實(shí)體負(fù)責(zé)任、和平和可持續(xù)地地月空間探索與利用。

美國(guó)將按照2021年美國(guó)太空優(yōu)先事項(xiàng)框架，在負(fù)責(zé)任、和平、可持續(xù)的探索、開(kāi)發(fā)和利用包括月球在內(nèi)的地月空間（圖9）方面引領(lǐng)世界。地月空間可為推動(dòng)科學(xué)、技術(shù)和探索提供巨大前景。地月空間為回答最高優(yōu)先級(jí)的行星科學(xué)問(wèn)題、探索太陽(yáng)系和太陽(yáng)起源提供機(jī)會(huì)；地月空間包含無(wú)線電靜默環(huán)境，可以刺激新一代射電天文學(xué)的發(fā)展；地月空間是測(cè)試載人探索技術(shù)和運(yùn)行高價(jià)值區(qū)域，在驅(qū)動(dòng)太空經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方面具有應(yīng)用潛力。

戰(zhàn)略提出了4個(gè)科技目標(biāo)：①支持賦能地月空間未來(lái)增長(zhǎng)的研發(fā)；②擴(kuò)大地月空間國(guó)際科技合作；③將美國(guó)太空態(tài)勢(shì)感知能力拓展到地月空間；④通過(guò)可擴(kuò)展的和互操作的方法實(shí)施地月通信、定位、導(dǎo)航和授時(shí)能力。

圖8 美國(guó)國(guó)家地月科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略

圖9 地月空間的三維描繪

3.3 NAS系外行星科學(xué)戰(zhàn)略

2018年9月5日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（NAS）發(fā)布《系外行星科學(xué)戰(zhàn)略》（Exoplanet Science Strategy）[7]（圖10），總結(jié)了未來(lái)系外行星研究的主要科學(xué)目標(biāo)，并建議在未來(lái)開(kāi)發(fā)系外行星直接成像能力，發(fā)揮地基望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵作用，提升視向速度法的觀測(cè)精度，開(kāi)展“寬視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡”（WFIRST）和“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST）任務(wù)，擴(kuò)大和保持人才隊(duì)伍探測(cè)器約會(huì)小行星，鼓勵(lì)跨學(xué)科、跨部門(mén)以及國(guó)際合作。

圖10 美國(guó)系外行星科學(xué)戰(zhàn)略

系外行星研究的主要科學(xué)目標(biāo)包括：①理解作為恒星形成過(guò)程產(chǎn)物的行星系統(tǒng)的形成和演化探測(cè)器約會(huì)小行星，表征和解釋由這些過(guò)程導(dǎo)致的行星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行星組成和行星環(huán)境多樣性等；②充分了解系外行星的特性，以識(shí)別潛在宜居環(huán)境及其出現(xiàn)概率，并將宜居環(huán)境與所在的行星系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。

3.4 美國(guó)白宮國(guó)家近地天體防備戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃

2018年6月，美國(guó)白宮發(fā)布《國(guó)家近地天體防備戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃》（National Near-Earth Object Preparedness Strategy and Action Plan）[8]（圖11），作為對(duì)其2016年發(fā)布《國(guó)家近地天體防備戰(zhàn)略》（National Near-Earth Object Preparedness Strategy）（圖12）的補(bǔ)充和細(xì)化，旨在通過(guò)利用和增進(jìn)現(xiàn)有國(guó)家與國(guó)際資源以及增強(qiáng)跨政府聯(lián)合能力來(lái)提高美國(guó)應(yīng)對(duì)近地天體風(fēng)險(xiǎn)的能力。

《國(guó)家近地天體防備戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃》列出了美國(guó)防備近地天體（NEO）風(fēng)險(xiǎn)的五大戰(zhàn)略目標(biāo)，包括：①增強(qiáng)NEO探測(cè)、跟蹤和表征能力。NASA將牽頭制定旨在增強(qiáng)NEO探測(cè)、跟蹤和表征能力的路線圖。②改進(jìn)NEO建模、預(yù)測(cè)和信息集成。美國(guó)各機(jī)構(gòu)將協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)建模工具和模擬能力，以幫助表征和減輕NEO撞擊風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)流以支持有效決策。③開(kāi)發(fā)用于NEO偏轉(zhuǎn)和摧毀任務(wù)的技術(shù)。NASA將牽頭開(kāi)發(fā)用于NEO探測(cè)、偏轉(zhuǎn)和摧毀任務(wù)的技術(shù)。④加強(qiáng)關(guān)于NEO防備的國(guó)際合作。美國(guó)各機(jī)構(gòu)將致力為全球NEO撞擊風(fēng)險(xiǎn)提供信息并建立國(guó)際合作。⑤加強(qiáng)并定期演練NEO撞擊緊急程序和行動(dòng)方案。美國(guó)將加強(qiáng)并演練與NEO相關(guān)的程序和行動(dòng)方案。

圖11 美國(guó)國(guó)家近地天體防備戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃

圖12 美國(guó)國(guó)家近地天體防備戰(zhàn)略

4 2022年行星科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)突破與重點(diǎn)研究問(wèn)題

2022年11月，歐洲咨詢(xún)公司（Euroconsult）發(fā)布第三份年度《太空探索前景》報(bào)告。報(bào)告顯示，2022年，全球各國(guó)政府在太空探索活動(dòng)上共花費(fèi)255億美元，比2021年增加7.3%。其中，美國(guó)、中國(guó)、歐空局、日本和俄羅斯的太空探索投資占全球投資總額的94%。報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)10年的投資將集中在太空運(yùn)輸、軌道基礎(chǔ)設(shè)施和太陽(yáng)系探索3個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，到2031年，全球?qū)μ仗剿鞯耐顿Y總額將達(dá)到310億美元。

2022年行星科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)突破與重點(diǎn)研究問(wèn)題包括：

（1）詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡

在克服無(wú)數(shù)次挫折、經(jīng)歷20年開(kāi)發(fā)過(guò)程、耗費(fèi)100億美元并完成150萬(wàn)公里的危險(xiǎn)旅程之后，美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局和加拿大航天局合作建造的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡通過(guò)提供前所未有的細(xì)節(jié)探測(cè)，讓人類(lèi)看到了宇宙的面貌。與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不同，這臺(tái)新的空間望遠(yuǎn)鏡可以捕捉到紅外光，包括宇宙中最早出現(xiàn)的恒星和星系發(fā)出的光。它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有記錄以來(lái)最遙遠(yuǎn)和最古老的星系。有些可能早在宇宙大爆炸后3.5億年就已存在了，當(dāng)時(shí)宇宙的年齡只有目前年齡的2%。韋布望遠(yuǎn)鏡還對(duì)太陽(yáng)系外的行星進(jìn)行了拍攝，這些資料可能會(huì)提供有關(guān)其成分的信息，且有望揭示其是否適合人類(lèi)居住。

（2）偏轉(zhuǎn)小行星

雙小行星重定向測(cè)試（DART）是美國(guó)國(guó)家航空航天局首個(gè)行星防御任務(wù)，它成功地讓一顆名為“雙形態(tài)”的小行星偏離軌道，這一壯舉相當(dāng)于將一只蚊子打到70公里以外。這顆小行星對(duì)我們的地球并不構(gòu)成威脅，但這項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)起到測(cè)試戰(zhàn)略的作用[9]。

（3）小行星地表特征和成分分析

早期的小行星探測(cè)主要以飛掠探測(cè)為主，隨著科技的發(fā)展，對(duì)小行星的原位觀測(cè)和采樣探測(cè)也逐步展開(kāi)[10]。日本的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”小行星探測(cè)器于2014年發(fā)射，2019年成功完成對(duì)小行星“龍宮”的觸地撞擊并進(jìn)行采樣，這是人類(lèi)首次在小行星上成功完成多次著陸采樣，并首次采集到次表層地下樣品。2020年12月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”攜帶樣品著陸地球。美國(guó)的“起源-光譜分析-資源識(shí)別-安全-風(fēng)化層探測(cè)器”于2016年發(fā)射，旨在對(duì)小行星“貝努”進(jìn)行采樣探測(cè)，并計(jì)劃于2023年返回地球，這也是美國(guó)首個(gè)小行星采樣返回任務(wù)。該研究前沿主要聚焦兩個(gè)探測(cè)器對(duì)“龍宮”和“貝努”兩顆小行星的初步探測(cè)結(jié)果，分析其地貌特征、地表成分和熱特性，揭示有關(guān)兩顆小行星的隕坑和地形的詳細(xì)信息。其中美國(guó)和日本分別主導(dǎo)“起源-光譜分析-資源識(shí)別-安全-風(fēng)化層探測(cè)器”和“隼鳥(niǎo)2號(hào)”的研發(fā)。

參考資料

[1] Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032（鏈接）

[2] Voyage 2050 sets sail: ESA chooses future science mission themes（鏈接）

[3] ESA's Technology Strategy（鏈接）

[4] Europlanet launches 10M Euro research infrastructure to support planetary science（鏈接）

[5] NASA's Plan for Sustained Lunar Exploration and Development（鏈接）

[6] National Cislunar Science & Technology Strategy（鏈接）

[7] Exoplanet Science Strategy（鏈接）

[8] National Near-Earth Object Preparedness Strategy and Action Plan（鏈接）

[9] 《科學(xué)》周刊回顧2022年十大科學(xué)突破（鏈接）

[10] 潘教峰, 王海霞，冷伏海 等. 《2022研究前沿》——11個(gè)大學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)與重點(diǎn)研究問(wèn)題. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2023, 38(1): 154-166. DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.20221219001

（整理/劉學(xué)，鄭軍衛(wèi)；審核/堯中華）