国际行星科学领域发展态势概览与2022年重点研究问题

　　编者按：本文主要基于对近年来国际行星科学领域的重要科学战略规划的系统监测和整理，总结了国际行星科学领域的主要科学前沿问题及发展态势，并遴选了行星科学领域2022年科学突破与重点研究问题，以供读者参阅。
　　行星科学是当今科学前沿之一，是我国科技战略的重要组成部分，是国家自然科学水平和综合国力的集中体现。我国行星科学起步较晚，但是依托探月工程和行星探测工程建立的地外天体＂绕落巡返＂能力，迎来了加速发展的新时代。了解航天强国在行星科学领域的动向对于我们把握世界太阳系探索未来动向很有启发。
　　1 行星科学未来科学主题
　　1.1 NAS提出行星科学未来10年科学主题和科学问题
　　2022年4月19日，美国国家科学院（NAS）发布《起源、世界和生命：2023—2032年行星科学和天体生物学十年战略》（Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032）[1]（图1），确定了未来十年行星科学、天体生物学、行星防御领域的3个科学主题和12个优先科学问题（表1），按照计划体系提出火星探索、月球探索、行星防御和行星科学4项优先任务及资助建议。
　　图1 起源、世界和生命：2023—2032年行星科学和天体生物学十年战略
　　表1 行星科学未来10年科学主题和科学问题
　　1.2 ESA＂远航2050＂空间科学规划确定大型任务科学主题
　　2021年6月11日，欧洲空间局（ESA）科学计划委员会正式宣布＂远航2050＂（Voyage 2050）空间科学规划将在2035—2050年时间框架内开展3项大型任务[2]，对应的优先科学主题分别是：巨行星卫星、系外行星或银河系、早期宇宙（图2）。
　　图2 ESA＂远航2050＂空间科学规划确定大型任务的优先科学主题
　　（1）巨行星的卫星。研究太阳系天体的宜居性对于了解生命起源至关重要，同时有助于寻找系外类地行星。在＂卡西尼-惠更斯＂任务和ESA即将开展的＂木星冰月探测器＂（JUICE）基础上，计划进一步开展外太阳系探测任务，利用先进科学仪器研究巨行星卫星的内部海洋与其近地表环境之间的关系，并尝试搜寻生命信号。该任务还可能包括着陆器或无人机等原位探测器。
　　（2）从温和的系外行星到银河系。银河系是认识星系运行机制的基石，包含着数以亿计的恒星和行星，以及暗物质和星际物质，但目前人们对这一生态系统的理解仍很有限。详细了解银河系的形成历史及其＂隐藏区域＂是认识星系运行机制的关键。另外，通过首次直接探测系外行星大气的热辐射谱，在中红外波段对温和的系外行星进行表征，可以更好地了解这些系外行星是否真正拥有宜居的表面条件，从而实现重大突破。
　　（3）早期宇宙的新物理学探测。宇宙是如何起源的？最初的宇宙结构和黑洞是如何形成和演化的？这些基础物理学和天体物理学领域中的核心问题有望利用新的物理学探测方式得以解决，例如以高精度或在新的光谱窗口探测引力波，或者对宇宙微波背景开展高精度光谱探测等。在＂普朗克＂探测器（Planck）取得的突破性科学成果和未来＂激光干涉仪空间天线＂的预期科学回报基础上，这一主题将利用仪器技术的进步为科学发现创造巨大的潜力空间。未来还需开展更多研究，并与科学界密切联系，形成对这一主题共识的探测任务。
　　2 行星科学未来技术主题
　　2.1 欧洲空间局发布技术战略报告
　　2019年10月31日，欧洲空间局（ESA）发布《ESA技术战略》（ESA’s Technology Strategy）[3]报告（图3，图4），提出4项技术战略目标，凝练出4个优先技术主题以及10个技术创新领域，旨在为ESA负责预研、实施和协调开展的所有技术研发活动的规划、开发和部署提供指导。
　　图3 ESA技术战略
　　报告提出的4项具体且可检验的ESA技术战略目标是：到2023年实现航天器建造速度提高30%；每一代产品的成本效率提高一个数量级；创新技术的开发和应用速度提高30%；到2030年减少空间碎片的产生。
　　通过分析用户需求和技术创新带来的新能力，报告将各类技术需求归纳为空间活动的4个优先技术主题。①先进制造：识别新材料和新工艺，并从航天产业部门之外引进颠覆性材料和制造工艺；②设计-生产数字化：研发、引进和验证核心技术，实现从任务设计到运行和数据挖掘的工程数字化流程；③清洁空间和可持续性：重点关注维护空间环境的技术；④网络安全：应对由于越来越多的空间系统与地面系统集成导致的空间系统脆弱性问题。
　　图4 ESA的长期探索战略要素
　　2.2 欧洲行星学会启动基础设施项目支持行星科学研究
　　2020年2月25日，欧洲行星学会（Europlanet Society）宣布启动＂欧洲行星2024研究基础设施＂（Europlanet 2024 RI）项目（图5）[4]，总投资1000万欧元，旨在通过提供世界最大的行星模拟和分析设施、全球小型望远镜网络与数据服务等科研基础设施的开放访问，扩大行星科学研究的参与度，应对行星研究面临的关键科学和技术挑战。
　　项目为行星科学领域的研究人员提供免费进入欧洲24个实验室和全球5个试验场开展研究的权限。其中，11个实验室可以模拟地球上不具备的大气和地面环境，如水星和金星的高温地表环境，火星上的低压沙尘暴，天王星、海王星和彗星上的极寒环境等。另外13个实验室具备高精度和非破坏性测试能力，可分析行星样本组分，对存活在地球恶劣环境中的微生物群落进行监测和测序。5个试验场的分布横跨非洲至北极圈，涵盖与行星环境不同时期相似地表特征的地点，如与木卫二和木卫三类似的冰冷环境，与金星、木卫一和古代火星等类似的地热活跃地区，以及类似月球或火星上的熔岩洞穴。
　　图5 欧洲行星学会启动基础设施项目支持行星科学研究
　　3 近5年美国主要行星科学研究战略
　　3.1 NASA可持续月球探索和开发计划
　　2020年4月3日，美国国家航空航天局（NASA）发布《NASA可持续月球探索和开发计划》（NASA’s Plan for Sustained Lunar Exploration and Development）[5]报告（图6），阐述了美国未来载人月球探索的总体规划。
　　图6 美国可持续月球探索和开发计划
　　美国将于2024年实现重返月球，此后在月球南极建立长期战略存在——＂阿尔忒弥斯大本营＂（Artemis Base Camp）（图7）。未来10年基于大本营的探索活动在月球长期开展经济活动和科学研究，并在21世纪30年代实施首次载人火星探索任务铺平道路。《NASA可持续月球探索和开发计划》提出了无人月表探测任务、＂阿尔忒弥斯＂计划（Artemis program）早期任务及2024年后的任务规划、更长期的月球计划和初期载人火星任务共5项重点任务。
　　图7 阿尔忒弥斯大本营的演变
　　3.2 OSTP发布首份国家地月科学与技术战略
　　2022年11月，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布首份《国家地月科学与技术战略》（National Cislunar Science & Technology Strategy）（图8）[6]，旨在解决美国的科技领先地位如何支持所有航天国家和实体负责任、和平和可持续地地月空间探索与利用。
　　美国将按照2021年美国太空优先事项框架，在负责任、和平、可持续的探索、开发和利用包括月球在内的地月空间（图9）方面引领世界。地月空间可为推动科学、技术和探索提供巨大前景。地月空间为回答最高优先级的行星科学问题、探索太阳系和太阳起源提供机会；地月空间包含无线电静默环境，可以刺激新一代射电天文学的发展；地月空间是测试载人探索技术和运行高价值区域，在驱动太空经济增长方面具有应用潜力。
　　战略提出了4个科技目标：①支持赋能地月空间未来增长的研发；②扩大地月空间国际科技合作；③将美国太空态势感知能力拓展到地月空间；④通过可扩展的和互操作的方法实施地月通信、定位、导航和授时能力。
　　图8 美国国家地月科学与技术战略
　　图9 地月空间的三维描绘
　　3.3 NAS系外行星科学战略
　　2018年9月5日，美国国家科学院（NAS）发布《系外行星科学战略》（Exoplanet Science Strategy）[7]（图10），总结了未来系外行星研究的主要科学目标，并建议在未来开发系外行星直接成像能力，发挥地基望远镜的关键作用，提升视向速度法的观测精度，开展＂宽视场红外巡天望远镜＂（WFIRST）和＂詹姆斯·韦伯空间望远镜＂（JWST）任务，扩大和保持人才队伍，鼓励跨学科、跨部门以及国际合作。
　　图10 美国系外行星科学战略
　　系外行星研究的主要科学目标包括：①理解作为恒星形成过程产物的行星系统的形成和演化，表征和解释由这些过程导致的行星系统结构、行星组成和行星环境多样性等；②充分了解系外行星的特性，以识别潜在宜居环境及其出现概率，并将宜居环境与所在的行星系统关联起来。
　　3.4 美国白宫国家近地天体防备战略和行动计划
　　2018年6月，美国白宫发布《国家近地天体防备战略和行动计划》（National Near-Earth Object Preparedness Strategy and Action Plan）[8]（图11），作为对其2016年发布《国家近地天体防备战略》（National Near-Earth Object Preparedness Strategy）（图12）的补充和细化，旨在通过利用和增进现有国家与国际资源以及增强跨政府联合能力来提高美国应对近地天体风险的能力。
　　《国家近地天体防备战略和行动计划》列出了美国防备近地天体（NEO）风险的五大战略目标，包括：①增强NEO探测、跟踪和表征能力。NASA将牵头制定旨在增强NEO探测、跟踪和表征能力的路线图。②改进NEO建模、预测和信息集成。美国各机构将协调开发建模工具和模拟能力，以帮助表征和减轻NEO撞击风险，同时简化数据流以支持有效决策。③开发用于NEO偏转和摧毁任务的技术。NASA将牵头开发用于NEO探测、偏转和摧毁任务的技术。④加强关于NEO防备的国际合作。美国各机构将致力为全球NEO撞击风险提供信息并建立国际合作。⑤加强并定期演练NEO撞击紧急程序和行动方案。美国将加强并演练与NEO相关的程序和行动方案。
　　图11 美国国家近地天体防备战略和行动计划
　　图12 美国国家近地天体防备战略
　　4 2022年行星科学领域科学突破与重点研究问题
　　2022年11月，欧洲咨询公司（Euroconsult）发布第三份年度《太空探索前景》报告。报告显示，2022年，全球各国政府在太空探索活动上共花费255亿美元，比2021年增加7.3%。其中，美国、中国、欧空局、日本和俄罗斯的太空探索投资占全球投资总额的94%。报告预测，未来10年的投资将集中在太空运输、轨道基础设施和太阳系探索3个关键领域，到2031年，全球对太空探索的投资总额将达到310亿美元。
　　2022年行星科学领域科学突破与重点研究问题包括：
　　（1）詹姆斯·韦伯空间望远镜
　　在克服无数次挫折、经历20年开发过程、耗费100亿美元并完成150万公里的危险旅程之后，美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大航天局合作建造的詹姆斯·韦伯空间望远镜通过提供前所未有的细节探测，让人类看到了宇宙的面貌。与哈勃空间望远镜不同，这台新的空间望远镜可以捕捉到红外光，包括宇宙中最早出现的恒星和星系发出的光。它已经发现了有记录以来最遥远和最古老的星系。有些可能早在宇宙大爆炸后3.5亿年就已存在了，当时宇宙的年龄只有目前年龄的2%。韦布望远镜还对太阳系外的行星进行了拍摄，这些资料可能会提供有关其成分的信息，且有望揭示其是否适合人类居住。
　　（2）偏转小行星
　　双小行星重定向测试（DART）是美国国家航空航天局首个行星防御任务，它成功地让一颗名为＂双形态＂的小行星偏离轨道，这一壮举相当于将一只蚊子打到70公里以外。这颗小行星对我们的地球并不构成威胁，但这项任务已经起到测试战略的作用[9]。
　　（3）小行星地表特征和成分分析
　　早期的小行星探测主要以飞掠探测为主，随着科技的发展，对小行星的原位观测和采样探测也逐步展开[10]。日本的＂隼鸟2号＂小行星探测器于2014年发射，2019年成功完成对小行星＂龙宫＂的触地撞击并进行采样，这是人类首次在小行星上成功完成多次着陆采样，并首次采集到次表层地下样品。2020年12月，＂隼鸟2号＂携带样品着陆地球。美国的＂起源-光谱分析-资源识别-安全-风化层探测器＂于2016年发射，旨在对小行星＂贝努＂进行采样探测，并计划于2023年返回地球，这也是美国首个小行星采样返回任务。该研究前沿主要聚焦两个探测器对＂龙宫＂和＂贝努＂两颗小行星的初步探测结果，分析其地貌特征、地表成分和热特性，揭示有关两颗小行星的陨坑和地形的详细信息。其中美国和日本分别主导＂起源-光谱分析-资源识别-安全-风化层探测器＂和＂隼鸟2号＂的研发。
　　参考资料
　　[1] Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032
　　[2] Voyage 2050 sets sail: ESA chooses future science mission themes
　　[3] ESA＂s Technology Strategy
　　[4] Europlanet launches 10M Euro research infrastructure to support planetary science
　　[5] NASA＂s Plan for Sustained Lunar Exploration and Development
　　[6] National Cislunar Science & Technology Strategy
　　[7] Exoplanet Science Strategy
　　[8] National Near-Earth Object Preparedness Strategy and Action Plan
　　[9] 《科学》周刊回顾2022年十大科学突破
　　[10] 潘教峰, 王海霞，冷伏海 等. 《2022研究前沿》——11个大学科领域发展趋势与重点研究问题. 中国科学院院刊, 2023, 38(1): 154-166. DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.20221219001
　　（整理/刘学，郑军卫；审核/尧中华）
　　美编：傅士旭（华东师大）
　　校对：万鹏（地质地球所）