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【中国物理学会期刊网】空间科学系列访谈之一:开启属于我们的太空之旅

        宇宙空间恐怕是人类开展科学研究最好的实验室,因为它占据了科学上宏观和微观两个世界的前沿。目前全球有937颗卫星,其中科学卫星92颗,然而除与欧空局合作的“双星计划”外,我国鲜有真正意义上的科学卫星,科学家要进行相关研究,大多依靠国外数据。  

        2011年,中国科学院启动我国第一个科学卫星系列计划“空间科学先导专项”,其中“暗物质粒子探测卫星”、“硬X射线调制望远镜卫星”、“量子科学实验卫星”以及“实践十号返回式科学实验卫星”是该计划首批确定的四颗科学探索卫星。首发暗物质粒子探测卫星将于2015年年底在酒泉卫星发射中心发射升空。为能够让大家深入了解四颗卫星的科学探索任务,2015年7月17日《物理》专访了空间科学先导专项卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季研究员。

空间科学先导专项卫星工程常务副总指挥吴季研究员接受记者的采访

《物理》:目前我国空间科学的国际地位如何?发射4颗空间科学卫星如何具体帮助我国提升相关研究领域的国际影响力?

吴季:作为空间科学领域的新兴国家,我国空间科学进入了跨越发展的新阶段。空间科学先导专项获得了国际科学界的广泛关注,也吸引了众多国际一流科学家的积极参与,专项的实施预计将在黑洞、暗物质、量子力学完备性和空间环境下的物质运动规律、生命活动规律等方面取得重大科学突破,将会提升我国在国际空间科学界的地位和影响。

《物理》:暗物质的空间测量,国际上已有哪些计划在开展?我国发射的暗物质卫星有什么优势?

吴季:暗物质粒子探测卫星的主要任务是通过高空间分辨、宽能谱段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子;同时在宇宙射线起源和伽玛射线天文学方面取得重大进展。

        现在,国际上可用来开展暗物质研究的空间计划主要有国际空间站上的阿尔法磁谱仪和费米探测器。阿尔法磁谱仪利用磁场使正负电子偏转,从而能分辨正负电子的能量和方向,但是受限于可以发射升空的磁场强度大小,其测量的能量谱段为600GeV,力争做到800GeV。费米探测器所覆盖的能谱段还不如阿尔法磁谱仪。暗物质卫星对高能粒子的探测方法与阿尔法磁谱仪不同,它虽然不能区分粒子的电极性,但是它的确可以探测能量极高的粒子,设计指标为10TeV,并在空间分辨率方面超过现有其他计划。此外,暗物质卫星不仅做到了能量谱段的高覆盖,而且探测面积很大,使得其捕获稀少的高能粒子的能力很强。卫星有效载荷质量1.4吨,整星质量1.9吨,载荷平台比达到2.8,其中最重的设备是能量接收器—BGO晶体,60厘米×60厘米×60厘米,跟铁比重一样,多根晶体棒横竖分层排列,当粒子打上后,根据那些发光的晶体来判断粒子到达的方向。

        有人会问,为什么只有中国人能做?外国人就没有想过吗?因为我们有最好的晶体生产能力,60厘米长的BGO晶体,只有中科院上海硅酸盐研究所能做出来,这些都是暗物质探测卫星的工程亮点。暗物质粒子探测卫星是目前观测能段范围最宽,能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器。

《物理》:我国即将发射的量子卫星最大特色是什么?与国际同类卫星相比,优势何在?

吴季:量子卫星需要在两年的设计寿命中完成三大任务:卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间量子的隐形传态。这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成,它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上,与之对接的地面系统则负责“接收光子”,这种被称为“针尖对麦芒”的光子的发射和接收需要超高精度的瞄准、捕获和跟踪。

        量子科学实验卫星很复杂,在它飞行的过程中,携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站,向左向右同时传输量子密钥。为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”,在飞行的过程中要始终保证精确对准,跟踪要达到相当高的精度,这也是国际上从来没有人做过的。激光器一站对一站的有人做过,但是一颗卫星对准两个地面站的从来没有过,而且还要保证对得准确,这方面我们的研制团队已经在地面上做过模拟仿真实验,但还是要到真正上天以后才知道最终成功与否,所以这也是很大的技术挑战,如果能够做到的话,在国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。

        量子科学实验卫星的科学目标非常前沿,国际上都想做这方面的研究。日本现在准备做一个单方向的量子密钥传输,加拿大也计划做一个单方向的量子传输试验。欧洲在地面上已经将量子纠缠分发做到了接近100公里。但是在空间的量子科学实验,我们国家还是第一个。

《物理》:围绕我国发射的4颗空间科学卫星,未来的国际合作中,中国科学家如何起到主导的作用? 

吴季:国际合作有几种形式,一种形式是由一个国家来主导,另外一个国家参与,比如说“双星计划”是中国提出的计划,但是欧洲空间局大规模参与。但是它作为一个独立计划,又和欧空局的一个星簇计划开展两个计划系统间的合作,多点探测地球空间。

        由谁来主导关键是要看由哪个国家的政府来立项。如果我国政府立项,又秉持开放的态度,那就是由我们主导,人家参与;如果政府没有那么多钱来支持立项,比如只支持一个载荷,我们只能去搭载别人的卫星,那就是别人主导,我们参与;谁主导谁不主导并不代表国家的强弱。什么代表国家的强弱?就是国家独立立项的项目有多少。只要是国家立项的项目,一定是别人没做过的课题。科学卫星就是这个特点,一定要做第一次的事情。如果是第一次做,国家又投入了钱,我们肯定能主导。

        在未来的科学项目当中,我们准备立项的几个计划全部是开放的。谁愿意投入一个或多个载荷我们都欢迎,相对来说是我们省钱了,双方共享数据。当然还有一种情况,就是我们和其他国家的空间机构联合立项,共同推动,例如我们刚刚和欧洲空间局联合遴选出的“太阳风—磁层相互作用全景成像卫星计划”(SMILE),这个计划由于其独特的探测方式和蕴涵的全新科学突破,从13个任务建议中脱颖而出,成为继2003年“双星计划”后,又一大型空间探测国际合作项目。

        SMILE在现阶段还在进行可行性论证,我们还不知道谁投钱多、谁投钱少。如果根据分工,欧方投的钱比我们多,可以说是他们主导,反之亦然。但是这个项目不同的地方是,我们联合发布指南,联合组织委员会遴选,科学团队也是一比一的,双首席科学家。因此很难说谁主导,谁配合,而是一个真正的合作项目。

《物理》:如何保证国内相关科研单位充分利用并共享4颗空间科学卫星的资源?

吴季:我们从2013年就开始讨论数据政策,原则是尽早开放数据,用的人越多越好。开始我们要求半年后开放共享,后来因为有些仪器要定标,还要花一点时间,最后放宽到一年。根据项目不同,也有特例,比如量子科学卫星。量子科学是专项的实验,这个项目的设计就是要验证贝尔不等式,验证完了,项目目标就达到了,就没有过多纠结于什么时候公开,重点是把任务完成。

        还有一个特例就是暗物质卫星,谁最先把数据整理出来,谁最先发现了在高能量谱段有新的物理现象,谁就最先实现了突破;但是,这颗卫星除了这个科学目标之外还有其他的科学目标,可以作为天文台研究宇宙射线的起源。因此我们提倡数据尽早开放,尽早开始做宇宙射线研究,在高能宇宙射线天文学方面早出成果。当然,根据不同科学目标的设定,数据开放的时间也会做相应调整。但是总体来说,我们还是希望尽早开放,让更多的人使用好数据。这个数据政策已经发布了。

《物理》:空间科学卫星首先应当满足解决重大前沿科学问题,这与解决空间安全等国家需求问题之间是如何协调的?

吴季:解决空间安全等国家需求不是空间科学卫星的主要任务,但是我们的卫星,如果能够兼顾到国家重大需求,比如量子科学卫星可以为未来保密通信提供一个技术实验,我们会做的,但是如果只有这个实验,没有基础科学相关的目标科学卫星是不能立项的。我们立项的标准是一定要有重大科学产出,科学卫星的经费一定要用于科学研究,如果做着做着又做到国家安全,那今后谁来支持科学?

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