“人类要发展，终须奔向太空”——专家纵论深空探索前沿问题

来源：科技日报

编者按星空浩瀚无比，探索永无止境。中国科学家正以创新为楫，向星海而行，努力拓展人类认知边界。在近期举行的香山科学会议两场专题学术讨论会上，专家学者围绕空间科学前沿、冰巨星探测等科学问题展开深入研讨。星际旅行现实吗？寻找系外宜居行星有哪些难题？探测海王星面临什么挑战？……本版特别撷取会议精华，呈现我国空间科学研究动态，以飨读者。

“人类的祖先曾经是生活在树上的猿猴，但有一些不安分的猿猴想看看地面上的生活是什么样的，于是它们来到地面，慢慢学会了行走，创造了工具，演变成人。而留在树上的猴子还是猴子。”在日前举行的香山科学会议第775次学术讨论会上，中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤说，“同样，人类要发展，终须奔向太空。”

人类奔向太空，要解决哪些科学问题？

在香山科学会议上，王赤说，我国空间科学研究将聚焦“极端宇宙”“时空涟漪”“日地全景”“宜居行星”“太空格物”五大科学主题。

中国科学院院士、中国空间技术研究院研究员杨孟飞介绍，围绕五大科学主题，我国梳理了月球探测、太阳探测、太阳系内（不含月球）探测、太阳系外探测、空间科学实验5个方向重点任务，归纳形成了航天器总体、能源、动力、测控通信、导航制导与控制、热技术、制造与建造、载荷、生命保障以及空间人工智能十方面前沿技术问题。

会上，专家围绕“空间科学前沿科学问题”主题展开交流探讨。

探索太空资源开发

“在我国探月工程四期后续任务中，嫦娥七号将在极区探冰，嫦娥八号将开展月球资源原位利用技术验证。这些任务意义重大。”中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室研究员姚伟认为，太空探索的重点已经由探测逐步转向开发利用阶段。

地外天体资源开发利用不仅能为可持续太空探索提供支撑，使人类具备脱离地球的生存能力，而且有望催生太空新经济，为解决资源匮乏、环境污染等全球性问题提供思路和方法，为地球可持续发展注入动力。航天大国、国际组织、科学界纷纷提出开发利用地外天体资源的计划和设想。美国发布阿尔忒弥斯计划，拟在月球上演示生产水、燃料和其他供应品，以及建造设施的能力；欧洲提出太空资源战略，将以原位资源利用实现月面长期生存为愿景实施相关计划；我国科学家提出“月球园区”“天工开物”等计划，规划了一系列月球资源利用和小天体资源开发等任务。

按计划，我国将以建成月球园区并实现长期运行为目标，分“勘”“建”“用”三步，实现月球表面大规模、长周期、高效益资源开发利用及科学研究。姚伟认为，这需要建设科研、生活、产业开发、基础配套等设施，对规模化资源开发利用提出了很高要求。首要目标是构建一个综合开发补给站，在月面实现太阳能、水冰、星壤等资源的原位综合利用，获取水、氧、燃料，以及提升设施构建能力。

其中，水冰资源开发需要解决的突出问题，是如何在冷黑、真空、低气压、低重力条件下实现规模化开采和提取。科研人员提出了光热钻取开采技术，这种技术能实现贯通物质流与能量流的一体化开采。在当前研究基础上，科研人员已研制样机并开展验证工作，不过仍面临一系列科学问题和技术难题。

同时，我国科研人员围绕地外氧气与燃料原位制备、地外原位建造与制造、地外星壤储能发电等领域，聚焦空间资源有序释放和催化合成物理化学机制等重大科技问题，开展地外物质迁移与富集机制、无人自主开采与处理、化学合成与转化、颗粒流变机制与操控等基础理论与前沿技术研究。

应对星际旅行挑战

中国载人月球探测任务登月服和载人月球车名称日前公布，登月服名为“望宇”，载人月球车名为“探索”。此前，新一代载人飞船已被命名为“梦舟”，月面着陆器被命名为“揽月”。这些浪漫的名字，意味着中国人踏足月球的梦想正逐步走向现实。

不过，未来人类要实现跨星际旅行乃至地外驻留生存，在航天医学和生命科学领域还存在多重挑战。

中国航天员科研训练中心研究员李莹辉说，我国载人航天工程取得的成果已经说明，空间探索对生命的影响无处不在，只要生命进入太空，从分子、细胞到整体，都会受到影响。如果说人类已经比较熟悉近地轨道环境，那么来到火星，其变重力、强辐射、极端温度等多个因素耦合在一起会产生什么影响，人类还不知道。

李莹辉说，环境条件也具有不可实证性。载人航天活动实施前，各国都会先通过模型开展验证，但对于星际旅行这样的漫长过程，无法用实证模型逐一验证。此外，个体适应特征的不确定性，以及健康防护的个体针对调控性，都是未来生命科学研究面临的难题。

“太空环境因素给人带来的影响包括生理和心理影响，核心科学问题是生命的弹性张力与边界在哪。”李莹辉认为，要解决上述前瞻性问题，需要构建新技术驱动的跨尺度生命信息表征集，绘制星际探索中全周期动态响应知识图谱。“从微观到宏观，全景揭示生命适应空间探索的动态过程及深层机制，提升人类的环境适应和探索能力，是生命科学的一大课题。”她说。

此外，如同科幻电影中的“休眠”情节，机体低能耗低代谢模式在抗炎、强体、延寿中具有积极作用，这已成为生命科学新热点。“熊即使冬眠半年，也不会发生肌肉萎缩，可以在苏醒几小时内就一跃而起奔跑觅食。”李莹辉说，通过研究哺乳动物冬眠特征，有利于探索在长时间内显著降低生物体能量需求的新途径。

寻找人类“第二家园”

探索太阳系天体和系外行星的宜居性，不仅能帮助人类在宇宙中寻找“第二家园”，还有助于解答“地球生命从何而来”“人类在宇宙中是否孤独”等谜题。

中国航天科技创新研究院研究员霍卓玺介绍，系外宜居行星探索涉及天文、地球科学、生命科学以及复杂物理系统等领域的基础性、交叉性科学问题。未来10—15年，系外行星探测及其宜居性研究将以实测为主线，一方面是基于现有能力，通过天地协同、多谱段协同、人工智能等手段，进一步增加观测样本容量及其要素间关联；另一方面是建设下一代装置，提升观测性能，获得直接来自系外宜居行星大气的光谱观测数据。

多年来，国际上已经实施或提出了多项研究计划。我国于2017年提出“觅音”计划（又称宜居行星搜寻空间计划），将分阶段建设可扩展的空间大型天文台，跨越式提升探测能力，实现“溯源、探微、觅知音”等科学目标。目前该项计划已完成预先研究，将开展在轨技术试验。

不过，系外宜居行星探测仍面临难题。霍卓玺认为，关键是要解决行星宜居环境要素界定与生命信号识别问题，包括揭示行星宜居环境特征及其变化规律、确定行星宜居性及地外生命痕迹的关键要素、开展地外生命信号的筛选识别研究、探索可能的生命痕迹等。研究既要向极宏观拓展，也要向极微观深入。

这给光谱探测技术带来一系列挑战。霍卓玺说，为了“看得清”，要求探测空间分辨率达到0.01角秒，相当于能从1000公里外分辨出一个人的双眼，这需要将现有观测能力提升30倍；为了“看得准”，要求能分辨亮度相差7个数量级的两个目标，例如探照灯与萤火虫；为了“看得远”，需具备检测微弱信号的能力，所要求的灵敏度比目前最强的韦布空间望远镜还要高50%；为了“看得多”，谱段就要宽，需要拓展观测谱段至中红外。

霍卓玺建议，在对系外宜居行星进行实测的同时，开展宜居行星辐射模型、行星光谱探测方法、高对比度探测技术、目标特征反演方法等方面的研究工作。通过建立宜居行星多物理耦合模型，支撑建立直接光谱成像探测数据与网络化复杂系统模型之间的映射关系，探索面向海量复杂光谱数据的大气成分与生命标记识别方法、发展行星多圈层耦合反演分析方法等，突破基于光谱探测数据的目标特征反演方法，分析行星宜居要素及其关联。

“通过这些研究，如果能产生一系列模型、方法等理论成果及新型光谱探测技术工程样机，结合航天工程开展在轨科学技术试验，将对实施系外宜居行星探测等空间科学前沿重大任务、推动下一代空间天文台工程起到关键作用。”霍卓玺说。