2021年空间科学热点回眸

空间科学以发现新现象、探索科学规律为目标，取得科学成果是空间科学研究的出发点和最终评价依据。

本文回顾了2021年全球空间科学重要进展、美欧俄中等国家和地区组织最新空间科学重大发展战略和规划、新发射的空间科学任务平台和新选定的未来任务。

空间科学利用空间飞行器平台开展空间天文、空间物理、太阳物理、太阳系探测、空间地球科学、微重力科学、空间生命科学、空间基础物理等学科领域科学研究和实验，是航天事业的重要活动之一。

2021年空间科学重要研究进展

• “雨燕伽马射线暴”等任务首次观测到潮汐破坏事件中发射的高能中微子

利用美国国家航空航天局（NASA）“雨燕伽马射线暴”等天基和地基望远镜的观测数据，研究人员首次观测到黑洞撕裂恒星事件（即潮汐破坏事件）AT2019dsg中发射的高能中微子。

这一发现也是第2次将高能中微子与系外天体联系起来。长期以来都在理论上认为潮汐破坏事件可能会产生高能中微子，此次发现首次将理论与观测证据联系在一起，但该事件并未按照理论预期的时间和方式产生中微子，未来需要进行更深入的研究。

空间科学先导专项首发星“暗物质粒子探测卫星”/“悟空号”任务团队正式发布伽马光子科学数据，有望为宇宙起源、暗物质探测等科学前沿问题的研究提供重要数据支持。

• “钱德拉X射线天文台”或发现早期宇宙超大质量黑洞的超长粒子射流

天文学家利用“钱德拉X射线天文台”的高精度观测能力，对超大质量黑洞PJ352-15（诞生于大爆炸后约10亿年内）进行观测，最终在距离黑洞约16万光年的位置探测到了X射线喷流。

PJ352-15的创纪录的射流长度表明，为射流提供动力的超大质量黑洞的质量增长已持续了相当长的时间，证明了对遥远类星体的X射线波段观测是研究最遥远的超大质量黑洞成长的关键方法，有助于解释超大质量黑洞在宇宙早期的形成。PJ352-15也成为迄今在X射线波段观测到的最遥远的带有喷流的超大质量黑洞。

俄罗斯“光谱-RG”空间天文台发布首个数据集，发现18个正在形成的星系团，拍摄到距地球不足3亿光年包含数千个星系的星系团X射线图像，发现超新星遗迹Hoinga，见证了大质量黑洞的觉醒，完成第3次巡天并绘制出最详细的X射线源地图。

• 研究人员绘制出全新银河系最外层全天空地图

利用欧洲空间局（ESA）“盖亚”空间望远镜和NASA“近地天体宽视场红外巡天探索者”任务的长期观测数据，研究人员绘制出银河系最外层区域的新版全天空地图，并揭示出大麦哲伦星系在穿过银晕时，其引力在身后的恒星中产生距离银河系中心20万~32.5万光年的尾迹。

同时，研究还分析了大麦哲伦星系在新版地图中留下的尾迹的特性，发现根据冷暗物质理论推算的结果与实际观察到的星图相对更加吻合。

• “斯皮策空间望远镜”发现银河系人马臂断裂结构

利用“斯皮策空间望远镜”的红外观测数据，研究人员首次在银河系的人马臂中发现一个断裂结构：一批年轻的恒星和正在形成的气体云从银河系人马臂中伸出来，绵延约3000光年。

人马臂断裂结构位置示意来源：NASA

这是首次在银河系旋臂上发现如此复杂的精细结构，断裂结构中的恒星很可能是在同一时间、同一区域形成的，并受到银河系内作用力的影响。

对该结构的研究或可为了解整个银河系的大规模结构提供新的启示。

• “系外行星凌星巡天卫星”发现由4颗行星和2颗年轻恒星组成的复杂系统

基于NASA“系外行星凌星巡天卫星”任务的观测数据，研究人员发现一个由4颗行星和2颗年轻恒星组成的复杂恒星系统。

2颗恒星距太阳系超过130光年，两者之间的距离约30光年，共同的运动方向表明两者是相互关联的，或起源于同一团气体。

由于这2个恒星系统中的行星都处于生命周期的过渡或青少年阶段，对该系统的研究有望获得更多有关行星演化的知识。

• “帕克太阳探测器”首次飞越日冕

“帕克太阳探测器”首次穿越太阳高层大气——日冕并进行粒子采样和磁场原位测量，标志着太阳物理学研究实现重大飞跃。

“帕克太阳探测器”任务概念图来源：NASA

在第8次飞掠太阳期间，“帕克太阳探测器”在太阳表面上方18.8个太阳半径处观测到特定的磁性和粒子条件，证实探测器首次越过阿尔文临界面（太阳大气层终结和太阳风开始的临界点）、进入了太阳的大气层。研究同时证实太阳风内部的磁性锯齿状结构起源于太阳的光球层。

“‘帕克太阳探测器’进入太阳外层大气”以封面文章刊发在Physical Review Letters 来源：American Physical Society

“帕克太阳探测器”于2018年发射，旨在通过比以往任何航天器都更接近太阳来探索太阳的奥秘，任务期间将数次飞掠太阳，最终到达离太阳表面8.86太阳半径的位置。

《天文学和天体物理学》于2021年12月推出“太阳轨道器”巡航阶段成果特刊，包括首次观测到大范围太阳高能粒子事件、首次探测到强隐形日冕物质抛射的太阳起源、在日冕中捕捉到瞬态等离子体流和射流等57项成果。

结合“太阳动力学天文台”观测数据，研究人员首次观测到太阳上的小羽流，获得了对产生高速太阳风的太阳结构的新见解，将帮助理解太阳风中扰动的形成方式和原因。

中国首颗大型X射线天文卫星“慧眼号”完整探测到了第24太阳活动周最大耀斑的高能辐射过程，获得了耀斑过程中非热电子的谱指数演化，为理解太阳高能辐射随时间演化问题提供了新的观测结果。

• “嫦娥五号”月球样品研究揭示月球演化的奥秘

研究证明“嫦娥五号”月球样品为一类新的月海玄武岩，月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年，其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素，并且月幔源区几乎没有水。

“嫦娥五号”月球样品科研任务的首批研究成果的公布，是人类关于月球研究最新的突破性进展。同时，中国科学院还积极推动月球样品研究的国际合作。

• 阿联酋、中国、美国探测器齐聚火星

阿联酋“希望号”探测器于2021年2月9日成功进入火星轨道。

“希望号”计划运行2年，并可能再延期1年，将实现对火星的全球视角观测，并可每9天完成对火星大气的一次全景观测。2021年2月14日，“希望号”传回首张图片。

阿联酋“希望号”火星探测器 来源：阿联酋航天局

中国“天问一号”探测器于2021年2月10日进入火星轨道，5月15日着陆巡视器与环绕器分离，前者于当日成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，后者随后进入中继通信轨道。

2021年5月22日，“祝融号”火星车驶上火星表面开始巡视探测，陆续完成着陆平台成像、着陆点附近科学考察，地面成功接收相关数据并形成了首批科学成果。

“天问一号”首次成功实现了通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视3大目标，标志着中国在行星探测领域跨入世界先进行列。

中国“祝融号”火星车 来源：国家航天局

美国“火星2020”任务漫游车“毅力号”于2021年2月18日成功着陆火星，将对Jezero环形山开展为期2年的科学考察，搜寻古代生命迹象，并采集和存储样本，以待日后其他任务将样本送回地球。

2021年4月，“毅力号”上搭载的小型自主旋翼飞行器“机智号”成功升空，标志着首次实现在地外天体上的有动力受控飞行；火星氧气原位资源利用实验基于火星稀薄大气中的二氧化碳制备出氧气，标志着首次实现在地外天体上制氧。

2021年9月，“毅力号”成功采集到首个火星岩石样本，取得历史性的里程碑成就。

美国“毅力号”火星车 来源：NASA

• “洞察号”揭示火星内部结构

基于“洞察号”（InSight）地震仪的探测数据对火星内部结构的首批研究成果于2021年7月登上Science封面，3篇论文分别总结了对火星壳、火星幔和熔融态火星核的研究发现。

火星壳厚度约在24~72 km之间，岩石圈深约500 km，岩石圈下方可能存在与地球相似的低速层。火星壳可能富含起到辅助加热作用的放射性元素。巨大的火星核呈液态，直径约1830 km，意味着火星幔只有一个岩石层。

这是对地球以外的另一颗岩质行星的壳、幔、核结构的首次直接观测，可用以与地球的相关特性进行比较研究。

“洞察”号搭载的内部结构地震实验记录了733次火震事件，其中35次的强度在3.0~4.0级之间，为最新突破提供了重要的数据基础。

“洞察号”已正式获批延期运行至2022年12月，重点开展高质量火震数据长期采集。

“洞察号”揭示火星内部结构 来源：Science

此外，基于“好奇号”的观测数据发现火星上极有可能存在有机盐，为现代火星的宜居性提供了更多的支持证据；基于“火星快车”采集的观测数据，证实火星大气中臭氧和水蒸气呈负相关关系，有助于更好地了解地球大气化学过程。

• “朱诺号”加深对木星极光和大气的理解

研究人员利用“朱诺号”搭载的极光相机首次拍摄木星夜侧极光过程，揭示了木星晨暴的起源和发展阶段，更新了对木星极光的认知。

研究人员利用“X射线多镜面-牛顿”望远镜和“朱诺号”任务的观测数据，揭示了极光产生的完整链条，解决了木星X射线极光成因之谜。

“朱诺号”深入探测木星大气 来源：Science

“朱诺号”搭载的微波辐射计对木星云顶下方及众多涡旋风暴结构的探测结果，更全面地展示了木星独特多彩的大气特征，为了解云层下的未知过程提供了线索。

“朱诺号”已正式获批延期运行至2025年9月，除继续观测木星外，还将对木星系统进行探测。

• 水星、金星、小行星等探测任务取得里程碑进展或重要成果

“贝皮-科伦坡”以最近距离飞越水星，首次探测了水星周围的磁场和粒子环境，并记录了水星引力，此外通过首次将磁场和加速度计数据转换为声音文件，展示了太阳风近距离轰击一颗行星的“声音”。

“拂晓号”首次实现在日间和夜间分别测量金星不同云层高度处的风速，发现在夜间会产生一股与白天相反的、吹向赤道的南北风，增进了对金星超高速大气环流机制的理解。

研究人员利用“黎明号”对灶神星的观测数据开展数值模拟，描绘了关于早期太阳系碰撞历史的新图景。

“起源、光谱分析、资源识别与安全-风化层探测器”带着从近地小行星Bennu采集的大量岩石和尘埃样本启程返回地球，预计将于2023年9月在美国犹他州着陆。

“新地平线号”为第5个达成飞行50AU里程碑成就的航天器，任务团队正在利用地基天文台为其寻找下一个飞越目标。

• “重力勘测和气候试验”及后继任务揭示地球水循环随气候变暖而加速

利用“重力勘测和气候试验”（GRACE）和“GRACE后续任务”2颗卫星的长期观测数据，研究人员计算出蒸散增量，并通过测量海洋与各大陆之间水的质量变化，确定蒸散量的增速比此前估计值高出2倍，表明地球水循环正在发生变化。

GRACE于2002年发射，开创了空间遥感的新领域——跟踪水的运动；“GRACE后续任务”于2018年发射，持续追踪地球水循环，监测地下水量、大型湖泊和河流水量、土壤湿度、冰盖和冰川以及海平面变化。

• 国际空间站持续产出重要科研成果，中国空间站科研应用世界瞩目

NASA遴选出9项具有代表性的国际空间站年度科研成果：空间飞行使得成熟及新生的心血管干细胞的能力均得到增强；在聚合物材料中添加硬硼钙石可减少材料吸收的辐射剂量；在微重力下微生物从玄武岩中提取稀土元素的表现更好；微重力下铝酸三钙和石膏混合物形成独特的微观结构，并可能影响材料强度；下肢肌肉良好、足够的飞行间隔时间以及在轨体育锻炼可保障航天员的腿部静脉健康不会恶化；观测到地球大气辉光和紫外辐射的变化，并跟踪了空间碎片和超高能宇宙线；骨生物标志物和运动史有助于评估骨丢失风险更大的航天员，飞行期间的抗阻训练有助于保持骨骼强度；气体燃料球形火焰的烟尘产生与控制研究增进了对火灾行为的理解；观测到地球云层上部正负电荷区域扰动产生的放电现象——蓝色喷流，并揭示闪电机制。

2021年4月29日，中国空间站天和核心舱成功发射，不仅标志着中国载人航天工程“三步走”成功迈出第三步，开始建造长期有人照料的空间站，更宣告中国开启空间站任务的新时代。按照建造任务规划，将于2022年完成空间站在轨建造。

空间科学实验方面，在空间站天和、问天、梦天3个舱段舱内共安排了13个科学实验柜，舱外还安排了若干暴露实验平台，同时巡天空间望远镜与空间站共轨飞行。这些重大设施可支持在轨实施9个空间学科领域30余个研究主题的科学研究，预计可滚动实施近千项实验项目。

天和核心舱发射后，中国空间站任务重大进展不断加速。核心舱科学无容器材料科学实验柜在轨科学实验样品顺利完成交接。中国空间站开展首次太空授课活动，在全社会引起热烈反响。

2021年空间科学重大发展战略

美国确定空间优先事项，绘制未来10年天文学和天体物理学发展路线图及载人月球探索科学目标

美国白宫发布《关于国家空间委员会的行政命令》，确定新一届美国国家空间委员会的成员和职责，《美国空间优先事项框架》报告中重点提出美国空间政策的2大优先事项。

2020年12月，《行星保护国家战略》发布，旨在促进美国在可持续空间探索中发挥作用，为其他行星体和地球免受空间探索活动可能造成的有害生物污染提供适当保护。

2021年1月，白宫发布空间政策七号令，为服务美国国家和国土安全、民用、商用和科学目标的天基定位、导航和授时计划和活动制定行动指南。10月，白宫发布NASA的2021年气候适应与恢复计划，明确了NASA将气候风险因素纳入其管理职能及相关流程的5大优先事项和可用资源。

美国国家科学院发布的《21世纪20年代天文学和天体物理学的发现之路》，确定了2022-2032年间美国在天文学和天体物理学领域的科学主题、科学愿景和资助建议，提出未来10年应重点围绕系外行星系统、新信使和新物理学、宇宙系统3个宽泛的科学主题开展研究，并对开辟通往宜居世界的道路、打开动力学宇宙研究的新窗口、揭示星系增长的驱动力等3个科学领域予以优先资助。

NASA陆续披露“阿尔忒弥斯”载人月球探索计划的科学研究与应用目标体系，7大顶层科学目标包括了解行星过程，了解挥发物周期，解释地-月系统撞击史，揭示太阳远古历史，利用独特的月基位置观测宇宙，在月球环境下开展科学实验，研究深空探索对人体的风险及减缓措施。

• 欧盟启动一体化空间计划，ESA选定“旅程2050”空间科学规划大型任务科学主题

欧盟全新的一体化空间计划涵盖“哥白尼”计划、“伽利略”全球导航卫星系统、“欧洲地球同步卫星导航覆盖系统”“空间态势感知”和“政府卫星通信”。

欧盟将在2021-2027年向ESA投资近90亿欧元，由ESA继续负责欧盟空间计划各部分的开发和实施。

《ESA 2025年议程》报告提出强化与欧盟关系、推动商业化、加强空间安全、实施重大计划、改进内部流程等5项优先事项及相应重点工作。ESA成员国部长级中期会议通过决议，提出发展绿色未来空间、快速和弹性应对危机、保护空间资产，并再次强调未来将通过开展重大空间活动，加强欧洲在科学发现、技术发展和教育激励方面的领导地位。

“旅程2050”（Voyage 2050）空间科学规划确定计划在2035-2050年时间框架内开展的3项大型任务的优先科学主题，即巨行星卫星、系外行星或银河系、早期宇宙，同时ESA正在各领域中识别中型任务主题。ESA还提出对冷原子干涉测量、X射线干涉测量、更好的动力源，以及彗星冰样本采集和存储技术等前沿技术进行投资。

• 俄罗斯讨论空间领域长期发展优先事项，确定建设俄罗斯空间站

俄罗斯总统普京表示，俄罗斯需要为保持核力量和航天力量的领先地位提供一切必要的支持，当务之急是制定和批准可实现《2030年前及未来俄联邦航天活动领域国家政策原则的基本规定》中优先事项的具体措施文件，并高度重视数字化转型问题。普京还明确提出要建设俄罗斯本国空间站。据悉，未来俄罗斯轨道站上用于空间科学实验的设备将置于外部。

针对俄罗斯继续参与国际空间站项目的可行性问题，俄罗斯国家航天集团公司表示将在2024年后做出关于国际空间站相关工作的决定，并与合作伙伴就2024年后互动的条件和形式开展谈判。

• 中俄联合发布国际月球科研站路线图和合作伙伴指南

中俄联合发布《国际月球科研站路线图（V1.0）》和《国际月球科研站合作伙伴指南（V1.0）》，介绍了国际月球科研站的概念、科学领域、实施途径和合作机会建议等内容，欢迎国际伙伴在项目的各个阶段以及在任务的各个层级参与国际月球科研站合作。

国际月球科研站已确定8大科学目标：月球地形地貌与地质构造、月球物理与内部结构、月球化学、地月空间环境、月基天文观测、月基对地观测、月基生物医学实验、月球资源原位利用。

国际月球科研站的建设分为勘（2021-2025年）、建（2026-2035年）、用（2035年后）3个工程阶段。

国际月球科研站顶层设计包含地月运输设施、月球表面长期支持设施、月球运输和运行设施、科学设施、地面支持和应用设施等，目前已初步确定5项任务。

随着国际月球科研站工作逐步深入，中俄还会适时推出路线图和指南的更新版本，适时发布合作伙伴加入程序。

• 双边和多边气候变化战略合作备受关注

ESA和NASA共同签署协议，建立地球科学和气候变化研究战略伙伴关系，双方将在地球科学观测、研究和应用方面共同努力。

中国、巴西、俄罗斯、印度、南非共同签署《关于金砖国家遥感卫星星座合作的协定》，体现了金砖国家在空间活动领域从双边协议向各国内部以多边形式实施合作的转变。

2021年新发射空间科学任务平台

和新遴选的未来任务

• 新发射空间科学任务平台

1-美国成功发射“詹姆斯·韦伯空间望远镜”（JWST）

作为NASA“哈勃空间望远镜”（HST）的继承者，造价高达100亿美元的JWST是人类迄今为止功能最强大的空间望远镜，旨在寻找早期宇宙中首批星系并探索银河系以及系外行星系统。

JWST的顶部（左图）和底部（右图）示意 来源：NASA

相比于HST，JWST更擅长收集红外光，且主镜镜面口径达6.5 m，集光面积比HST增加了约7倍，可收集比HST更多的光，观测到更加暗弱和更远的目标。

HST与JWST的主镜比较 来源：NASA

2-美国成功发射“X射线偏振成像探索者”任务

NASA 首个X射线偏振任务“X射线偏振成像探索者”任务旨在观测超新星遗迹、超大质量黑洞等宇宙中最极端的天体。

3-美国成功发射2颗立方体卫星研究磁重联和系外行星

NASA成功发射“极尖区等离子成像检测器”和“科罗拉多紫外凌星实验”2颗立方体卫星，用于研究磁重联现象和系外行星。

4-美国成功发射太阳高能粒子起源实验“紫外光谱日冕探路者”

NASA成功发射“紫外光谱日冕探路者”任务，旨在观测日冕的最深部，以更好地理解和预测太阳高能粒子事件。

5-美国成功发射小行星探测任务“露西”和“双小行星重定向测试”任务

NASA的“露西”小行星探测任务将在未来12年探测一颗主带小行星和7颗特洛伊族小行星。

NASA“双小行星重定向测试”航天器，将主动碰撞一颗对地球不构成威胁的小行星以改变其速度和路径，在世界上首次专门验证动能撞击行星防御技术。

6-中国成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”

“羲和号”将实现国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间探测，填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白，标志着中国已正式步入“探日”时代。

7-中国成功发射“可持续发展科学卫星1号”

“可持续发展科学卫星1号”是世界首颗可持续发展目标监测卫星，专门服务联合国2030年可持续发展议程，精细刻画“人类活动痕迹”，首批影像于2021年12月20日发布。

• 新遴选的未来空间科学任务

1-空间天文学未来新任务

NASA遴选出天体物理学小型探索者任务“康普顿光谱仪和成像仪”，拟通过伽马线观测揭示银河系中恒星诞生、死亡和化学元素形成的历史，绘制银河系演化图，任务计划于2025年发射升空。

NASA为新设立的“先驱者”计划遴选出4个小型天体物理学任务概念，拟利用小卫星和科学气球研究星系演化、系外行星、高能中微子和中子星并合等宇宙现象。

2-太阳系探测未来新任务

NASA正式批准“发现”计划旗下的2项金星探测任务，每项任务获得5亿美元的资助，有望在2028-2030年择机发射。

ESA批准“想象号”金星探测任务作为“宇宙憧憬”计划的第5个中型任务，计划于2030年代初发射。

美国、意大利、加拿大和日本4国确定将共同开发“火星冰测绘”轨道器任务，计划最早于2026年发射，旨在识别火星表面冰资源丰富且易于到达的地点。

阿联酋航天局宣布启动一项新的行星际任务，航天器计划于2028年发射，首先环绕金星运行，随后探索火星和木星之间的小行星带。

3-空间地球科学未来新任务

NASA为地球风险计划遴选了“对流上升气流调查”任务，旨在研究热带风暴和雷暴行为；还计划实施由一系列卫星组成的“地球系统天文台”任务，绘制从地球基岩到大气的三维整体视图。

ESA为“地球探索者”计划遴选了第10项任务——“和谐”，旨在解决海洋、冰和陆地变化相关的重要科学问题，并为第11项任务遴选了4个任务概念。作为补充，ESA还确定了第二项“侦查”任务——HydroGNSS卫星，旨在利用全球导航卫星系统反射技术，测量关键水文气候变量。

结论

回顾2021年，世界空间科学领域继续取得系列重要进展，未来源源不断的革命性的新发现将继续激励人类不断拓展对宇宙和自身的认知，创造更美好的生活。

美国和欧洲未来10年乃至更远期空间科学规划和优先科学主题基本确定，“阿尔忒弥斯”载人月球探索计划科学目标业已明确，气候变化相关科学研究成为合作重点议题，中国和俄罗斯牵头倡导国际月球科研站合作与发展，未来空间站形态和组织模式在探索与竞争合作中仍存变数。

未来空间科学领域将呈现更加激动人心的光明前景。

本文作者：王赤，杨帆，韩淋，王海名，范唯唯，张凤作者

简介：王赤，中国科学院院士，中国科学院国家空间科学中心、中国科学院大学，研究员，研究方向为空间物理和空间天气、空间科学与技术发展战略和政策；杨帆（共同第一作者），中国科学院科技战略咨询研究院，研究员，研究方向为空间科技战略情报、空间科技政策；张凤（通信作者），中国科学院大学、中国科学院科技战略咨询研究院，研究员，研究方向为科技发展战略与政策。