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原標(biāo)題：“人類要發(fā)展，終須奔向太空”

編者按：星空浩瀚無比，探索永無止境。中國科學(xué)家正以創(chuàng)新為楫，向星海而行，努力拓展人類認(rèn)知邊界。在近期舉行的香山科學(xué)會議兩場專題學(xué)術(shù)討論會上，專家學(xué)者圍繞空間科學(xué)前沿、冰巨星探測等科學(xué)問題展開深入研討。星際旅行現(xiàn)實(shí)嗎？尋找系外宜居行星有哪些難題？探測海王星面臨什么挑戰(zhàn)？……本版特別擷取會議精華，呈現(xiàn)我國空間科學(xué)研究動態(tài)，以饗讀者。

“人類的祖先曾經(jīng)是生活在樹上的猿猴，但有一些不安分的猿猴想看看地面上的生活是什么樣的，于是它們來到地面，慢慢學(xué)會了行走，創(chuàng)造了工具，演變成人。而留在樹上的猴子還是猴子?！痹谌涨芭e行的香山科學(xué)會議第775次學(xué)術(shù)討論會上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任王赤說，“同樣，人類要發(fā)展，終須奔向太空?！?/p>

人類奔向太空，要解決哪些科學(xué)問題？

在香山科學(xué)會議上，王赤說，我國空間科學(xué)研究將聚焦“極端宇宙”“時空漣漪”“日地全景”“宜居行星”“太空格物”五大科學(xué)主題。

中國科學(xué)院院士、中國空間技術(shù)研究院研究員楊孟飛介紹，圍繞五大科學(xué)主題，我國梳理了月球探測、太陽探測、太陽系內(nèi)（不含月球）探測、太陽系外探測、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)5個方向重點(diǎn)任務(wù)，歸納形成了航天器總體、能源、動力、測控通信、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、熱技術(shù)、制造與建造、載荷、生命保障以及空間人工智能十方面前沿技術(shù)問題。

會上，專家圍繞“空間科學(xué)前沿科學(xué)問題”主題展開交流探討。

探索太空資源開發(fā)

“在我國探月工程四期后續(xù)任務(wù)中，嫦娥七號將在極區(qū)探冰，嫦娥八號將開展月球資源原位利用技術(shù)驗(yàn)證。這些任務(wù)意義重大?！敝袊臻g技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究員姚偉認(rèn)為，太空探索的重點(diǎn)已經(jīng)由探測逐步轉(zhuǎn)向開發(fā)利用階段。

地外天體資源開發(fā)利用不僅能為可持續(xù)太空探索提供支撐，使人類具備脫離地球的生存能力，而且有望催生太空新經(jīng)濟(jì)，為解決資源匱乏、環(huán)境污染等全球性問題提供思路和方法，為地球可持續(xù)發(fā)展注入動力。航天大國、國際組織、科學(xué)界紛紛提出開發(fā)利用地外天體資源的計(jì)劃和設(shè)想。美國發(fā)布阿爾忒彌斯計(jì)劃，擬在月球上演示生產(chǎn)水、燃料和其他供應(yīng)品，以及建造設(shè)施的能力；歐洲提出太空資源戰(zhàn)略，將以原位資源利用實(shí)現(xiàn)月面長期生存為愿景實(shí)施相關(guān)計(jì)劃；我國科學(xué)家提出“月球園區(qū)”“天工開物”等計(jì)劃，規(guī)劃了一系列月球資源利用和小天體資源開發(fā)等任務(wù)。

按計(jì)劃，我國將以建成月球園區(qū)并實(shí)現(xiàn)長期運(yùn)行為目標(biāo)，分“勘”“建”“用”三步，實(shí)現(xiàn)月球表面大規(guī)模、長周期、高效益資源開發(fā)利用及科學(xué)研究。姚偉認(rèn)為，這需要建設(shè)科研、生活、產(chǎn)業(yè)開發(fā)、基礎(chǔ)配套等設(shè)施，對規(guī)?；Y源開發(fā)利用提出了很高要求。首要目標(biāo)是構(gòu)建一個綜合開發(fā)補(bǔ)給站，在月面實(shí)現(xiàn)太陽能、水冰、星壤等資源的原位綜合利用，獲取水、氧、燃料，以及提升設(shè)施構(gòu)建能力。

其中，水冰資源開發(fā)需要解決的突出問題，是如何在冷黑、真空、低氣壓、低重力條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)模化開采和提取。科研人員提出了光熱鉆取開采技術(shù)，這種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)貫通物質(zhì)流與能量流的一體化開采。在當(dāng)前研究基礎(chǔ)上，科研人員已研制樣機(jī)并開展驗(yàn)證工作，不過仍面臨一系列科學(xué)問題和技術(shù)難題。

同時，我國科研人員圍繞地外氧氣與燃料原位制備、地外原位建造與制造、地外星壤儲能發(fā)電等領(lǐng)域，聚焦空間資源有序釋放和催化合成物理化學(xué)機(jī)制等重大科技問題，開展地外物質(zhì)遷移與富集機(jī)制、無人自主開采與處理、化學(xué)合成與轉(zhuǎn)化、顆粒流變機(jī)制與操控等基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)研究。

應(yīng)對星際旅行挑戰(zhàn)

中國載人月球探測任務(wù)登月服和載人月球車名稱日前公布，登月服名為“望宇”，載人月球車名為“探索”。此前，新一代載人飛船已被命名為“夢舟”，月面著陸器被命名為“攬?jiān)隆?。這些浪漫的名字，意味著中國人踏足月球的夢想正逐步走向現(xiàn)實(shí)。

不過，未來人類要實(shí)現(xiàn)跨星際旅行乃至地外駐留生存，在航天醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域還存在多重挑戰(zhàn)。

中國航天員科研訓(xùn)練中心研究員李瑩輝說，我國載人航天工程取得的成果已經(jīng)說明，空間探索對生命的影響無處不在，只要生命進(jìn)入太空，從分子、細(xì)胞到整體，都會受到影響。如果說人類已經(jīng)比較熟悉近地軌道環(huán)境，那么來到火星，其變重力、強(qiáng)輻射、極端溫度等多個因素耦合在一起會產(chǎn)生什么影響，人類還不知道。

李瑩輝說，環(huán)境條件也具有不可實(shí)證性。載人航天活動實(shí)施前，各國都會先通過模型開展驗(yàn)證，但對于星際旅行這樣的漫長過程，無法用實(shí)證模型逐一驗(yàn)證。此外，個體適應(yīng)特征的不確定性，以及健康防護(hù)的個體針對調(diào)控性，都是未來生命科學(xué)研究面臨的難題。

“太空環(huán)境因素給人帶來的影響包括生理和心理影響，核心科學(xué)問題是生命的彈性張力與邊界在哪。”李瑩輝認(rèn)為，要解決上述前瞻性問題，需要構(gòu)建新技術(shù)驅(qū)動的跨尺度生命信息表征集，繪制星際探索中全周期動態(tài)響應(yīng)知識圖譜。“從微觀到宏觀，全景揭示生命適應(yīng)空間探索的動態(tài)過程及深層機(jī)制，提升人類的環(huán)境適應(yīng)和探索能力，是生命科學(xué)的一大課題?！彼f。

此外，如同科幻電影中的“休眠”情節(jié)，機(jī)體低能耗低代謝模式在抗炎、強(qiáng)體、延壽中具有積極作用，這已成為生命科學(xué)新熱點(diǎn)?！靶芗词苟甙肽辏膊粫l(fā)生肌肉萎縮，可以在蘇醒幾小時內(nèi)就一躍而起奔跑覓食。”李瑩輝說，通過研究哺乳動物冬眠特征，有利于探索在長時間內(nèi)顯著降低生物體能量需求的新途徑。

尋找人類“第二家園”

探索太陽系天體和系外行星的宜居性，不僅能幫助人類在宇宙中尋找“第二家園”，還有助于解答“地球生命從何而來”“人類在宇宙中是否孤獨(dú)”等謎題。

中國航天科技創(chuàng)新研究院研究員霍卓璽介紹，系外宜居行星探索涉及天文、地球科學(xué)、生命科學(xué)以及復(fù)雜物理系統(tǒng)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、交叉性科學(xué)問題。未來10—15年，系外行星探測及其宜居性研究將以實(shí)測為主線，一方面是基于現(xiàn)有能力，通過天地協(xié)同、多譜段協(xié)同、人工智能等手段，進(jìn)一步增加觀測樣本容量及其要素間關(guān)聯(lián)；另一方面是建設(shè)下一代裝置，提升觀測性能，獲得直接來自系外宜居行星大氣的光譜觀測數(shù)據(jù)。

多年來，國際上已經(jīng)實(shí)施或提出了多項(xiàng)研究計(jì)劃。我國于2017年提出“覓音”計(jì)劃（又稱宜居行星搜尋空間計(jì)劃），將分階段建設(shè)可擴(kuò)展的空間大型天文臺，跨越式提升探測能力，實(shí)現(xiàn)“溯源、探微、覓知音”等科學(xué)目標(biāo)。目前該項(xiàng)計(jì)劃已完成預(yù)先研究，將開展在軌技術(shù)試驗(yàn)。

不過，系外宜居行星探測仍面臨難題。霍卓璽認(rèn)為，關(guān)鍵是要解決行星宜居環(huán)境要素界定與生命信號識別問題，包括揭示行星宜居環(huán)境特征及其變化規(guī)律、確定行星宜居性及地外生命痕跡的關(guān)鍵要素、開展地外生命信號的篩選識別研究、探索可能的生命痕跡等。研究既要向極宏觀拓展，也要向極微觀深入。

這給光譜探測技術(shù)帶來一系列挑戰(zhàn)。霍卓璽說，為了“看得清”，要求探測空間分辨率達(dá)到0.01角秒，相當(dāng)于能從1000公里外分辨出一個人的雙眼，這需要將現(xiàn)有觀測能力提升30倍；為了“看得準(zhǔn)”，要求能分辨亮度相差7個數(shù)量級的兩個目標(biāo)，例如探照燈與螢火蟲；為了“看得遠(yuǎn)”，需具備檢測微弱信號的能力，所要求的靈敏度比目前最強(qiáng)的韋布空間望遠(yuǎn)鏡還要高50%；為了“看得多”，譜段就要寬，需要拓展觀測譜段至中紅外。

霍卓璽建議，在對系外宜居行星進(jìn)行實(shí)測的同時，開展宜居行星輻射模型、行星光譜探測方法、高對比度探測技術(shù)、目標(biāo)特征反演方法等方面的研究工作。通過建立宜居行星多物理耦合模型，支撐建立直接光譜成像探測數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜系統(tǒng)模型之間的映射關(guān)系，探索面向海量復(fù)雜光譜數(shù)據(jù)的大氣成分與生命標(biāo)記識別方法、發(fā)展行星多圈層耦合反演分析方法等，突破基于光譜探測數(shù)據(jù)的目標(biāo)特征反演方法，分析行星宜居要素及其關(guān)聯(lián)。

“通過這些研究，如果能產(chǎn)生一系列模型、方法等理論成果及新型光譜探測技術(shù)工程樣機(jī)，結(jié)合航天工程開展在軌科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)，將對實(shí)施系外宜居行星探測等空間科學(xué)前沿重大任務(wù)、推動下一代空間天文臺工程起到關(guān)鍵作用?！被糇凯t說。