者：時蓬，王琴，白青江，范全林

中國科學院國家空間科學中心

空間科學與深空探測規劃論證中心

21世紀第三個十年開啟之際，中國嫦娥任務成為月球探測的亮點。

嫦娥四號2019年1月3日實現國際首次月背軟著陸以來，著陸器和“玉兔二號”月球車分別于2020年11月10日和11月9日結束月夜休眠，迎來第24月晝[1]。

今天上午（12月16日）9時15分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體上兩臺25N發動機工作約8秒鐘，順利完成第二次月地轉移軌道修正，組合體上各系統狀態良好[2]。

目前，順利完成月球表面自動采樣，五星紅旗第一次月表動態展示，攜帶2 kg月球樣品的嫦娥五號返回器即將著陸，預計于12月17日凌晨降落于內蒙古四子王旗。

圖1 嫦娥五號月球鉆取采樣示意圖

展望未來10年國際月球探測，三個顯著趨勢值得關注：一是月球無人探索仍是主旋律，航天大國向月表長期駐留發展，多個新興航天國家則努力躋身月球俱樂部；二是載人登月重啟，是人類不滅的夢想；三是月球成為未來載人深空探索的前哨站和跳板。

月球無人探索仍是主旋律

中美俄引領月球探索向深度進軍

我國探月四期路線圖清晰

中國自啟動探月工程以來，按照“繞、落、回”三步走實施，最后的“回”是以“嫦娥五號”到月球正面取樣返回作為標志，它們構成了探月一到三期任務。

探月四期項目共論證了四次任務，其中“嫦娥四號”作為先導任務已經取得成功；為2030年前建設我國月球無人科研站，現已基本明確了三次任務，分別為“嫦娥六號”、“嫦娥七號”和“嫦娥八號”任務[3]。

“嫦娥六號”和“嫦娥七號”均計劃著陸于月球南極，具體著陸點選在月背還是正面，將根據“嫦娥五號”采樣情況來定。

“嫦娥六號”仍將采樣返回，“嫦娥七號”則將對月球的地形地貌、物質成分、空間環境進行一次綜合探測。

“嫦娥八號”除繼續進行科學探測外，還要進行一些關鍵技術的月面試驗，比如采用3D打印技術利用月壤建造基地等。

中國、美國、俄羅斯和歐洲等國家都在論證是否在月球建立科研基地或者科研站，我國希望通過“嫦娥八號”驗證部分技術，為各國未來共同建造月球科研基地開展前期探索[4][5]。

圖2 未來我國月球無人科研站基本型

美國主導建設訪問型空間站LOP-G

2020年4月2日，美國國家航空航天局（NASA）發布的《NASA月球持續探索和發展計劃》，描繪了阿爾忒彌斯計劃的思路，提出要在月球南極建一座“大本營”，組織一個四人小組前往LOP-G，重點發展機器人和載人任務結合的任務[6][7]。

LOP-G是基于國際空間站（ISS）框架，由NASA主導，ESA、俄羅斯國家航天集團公司（Roscosmos）、日本宇宙航空研發機構（JAXA）和加拿大航天局（CSA）等參與研發的近月空間站。

不同于長期有人照料的空間實驗室，LOP-G作為一個訪問型空間站，它將支持宇航員在月球軌道和月面上短期駐留，以及經月球中轉往返火星及深空，開展科學探索的同時，兼顧太空安全和商業航天等目標。

俄羅斯探月理想豐滿

俄羅斯圍繞月球探索與開發出臺了多項政策和計劃，其月球無人探測器為先遣任務，繼而開展載人登月，最終實現月球基地永久駐留，發展路線日漸清晰。

俄羅斯是目前唯一一個針對月球基地做出明確建設規劃的國家，它不僅有參與美國主導的LOP-G項目的意愿，而且也制定了本國月球軌道站計劃，為月球探索與開發領域可能率先取得重大突破奠定了基礎。

根據2019年2月Roscosmos和俄羅斯科學院（RAS）聯合制定的《月球綜合探索與開發計劃草案》[8]，俄羅斯月球計劃周期為2019—2040年，每5年為一個實施階段，共4個階段。

圖3 俄羅斯月球計劃實施路線圖

第一階段（2019—2025年）計劃執行“月球-25”（Luna-25）、“月球-26”（Luna-26）、“月球-27”（Luna-27）、“生物-M2”（Bion-M2）和“返回-MKA”（Vozvrat-MKA）等任務。

第二階段（2026—2030年）利用“月球-28”（Luna-28）實施月球極區土壤采樣返回。

第三階段（2031—2035年）全面開展月球科學實驗。

第四階段（2036—2040年）月球基地進入全面運行階段。

但時至今日各個規劃任務進展未達預期。

圖4 俄羅斯月球基地示意圖

ESA月球立方星競賽兩方案勝出

月球流星撞擊探測器（The Lunar Meteoroid Impact Observer, LUMIO）[9]是ESA SysNova月球立方星競賽的兩個獲勝概念之一，利用12U立方星探測可見光譜中的閃光，月背由于流星體撞擊導致的月閃現象，測繪流星體撞擊地圖，以期提高對過去和現在太陽系內流星體撞擊模式的理解，未來可發展成為月球預警系統[10]。

圖5 LUMIO概念圖

Lumio由意大利米蘭理工大學、荷蘭代爾夫特理工大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、挪威科技公司、萊昂納多-芬梅卡尼卡股份公司和美國亞利桑那大學等機構共同開發[11]。

圖6 LUMIO 流星碰撞閃光探測原理示意圖

月球揮發物和礦物測繪軌道器（Volatile and Mineralogy Mapping Orbiter, VMMO）[12]是月球立方星競賽的另一個獲勝概念，亦是12U立方星。

VMMO將研究月球南極附近Shackleton撞擊坑內的永久陰影區，測繪水冰地圖，探測其他揮發物的分布情況，測量月球輻射，并建立輻射環境模型，幫助開發后續任務硬件，支持載人探索任務[13]。

VMMO由MPB通信公司、英國薩里空間中心、加拿大溫尼伯大學和Lens研發公司等機構共同開發。

圖7 VMMO任務示意圖

多個航天國家躋身月球俱樂部

月球作為深空探測的試驗場和載人深空探索的前哨站，吸引了全球航天國家的高度關注，除中美俄航天大國外，印度、英國等新興航天國家也紛紛出手，或夯實自己月球俱樂部會員身份，或努力躋身月球俱樂部。

印度月船3號任務推遲至2021年實施

2020年7月，印度空間研究組織（ISRO）主席K Sivan指出，印度第三次探月任務有關的所有活動都在順利進行[14]。

月船3號（Chandrayaan-3）推遲到2021年上半年發射[15]，旨在實現月球軟著陸，包括著陸器、巡視器和推進模塊，與月船2號（Chandrayaan-2）任務的主要區別在于不包括軌道器。

圖8 月船3號概念圖

印度的首個載人航天項目Gaganyaan也將在2020年年底全面啟動，計劃于2022年發射，搭載航天員繞地球軌道運行7天后返回地球。

原計劃于2020年12月的無人駕駛飛船任務因新冠疫情等原因推遲。

英國努力躋身月球俱樂部

英國私營公司Spacebit計劃于2021年7月發射該國第一臺月球車，以期使英國成為繼美俄中之后，第四個完成此成就的國家。

僅1.5 kg的朝云蜘蛛月球車（朝の，Asagumo）將是史上最輕的月球車，其獨特特點是有四條腿，外形酷似蜘蛛，不再是輪式[16]。

月球曾經經歷火山活躍時期，噴發的熔巖在流動過程中頂層逐漸冷卻，成為堅硬的巖石，下層熔巖流干或凝固后形成熔巖洞。

熔巖洞沒有巖屑，是崎嶇不平的巖石，適合這種腿形月球車攀上爬下，可為未來人類在月球熔巖洞建設永久基地做準備。

圖9 朝云蜘蛛月球車示意圖

另外，月球探路者衛星（Lunar Pathfinder）由英國的薩里衛星科技公司（Surrey Satellite Technology Limited）研制，將是首個提供高性能、有價格競爭力的地月間通信服務的商業繞月軌道器[17]。

圖10 月球探路者示意圖

月球探路者的第一個客戶是ESA，并期望NASA成為其下一個大客戶，為美國重返月球提供地月通信服務。

月球探路者將于2023年中后期全面投入商用服務，預計壽命8年。

該任務成功后，下一步還將發射更多月球衛星，組建月球版的GPS系統。

圖11 月球探路者中繼通信工作示意圖[17]

日本表達未來繼續探月的愿望

2020年7月，日本文部科學省（MEXT）大臣Hagiuda Koichi與NASA局長布萊登斯汀（James Bridenstine）共同簽署月球聯合探測意向，提出美日兩國將共享阿爾忒彌斯計劃目標[18]，使日本航天員進入LOP-G和登陸月球。

JAXA的月球探測智能著陸器（Smart Lander for Investigating Moon）和月球極區探測任務（Lunar Polar Exploration mission）上將搭載NASA載荷，NASA月球探測任務上也同樣會搭載JAXA的載荷，雙方共享探測數據。

圖12 JAXA的月球探測智能著陸器概念圖

以色列欲繼續未竟的探月任務

以色列首次登月任務“創世紀號”（Beresheet）月球著陸器，2019年4月軟著陸失敗在月表墜毀。

非營利組織SpaceIL宣布了第二次登月任務“創世紀2號”[19]，多名私人投資者已表明為該任務提供資金的意向。

以色列也在爭取成為第四個成功登陸月球的國家，側面反映出某些航天國家月球探索的激烈競爭。

圖13 創世紀號月球探測器

載人登月是人類不滅的夢想

中國和美國都有在未來載人登月的計劃，擬在十年內將航天員送至月表進行科學探測。

當然，載人登月不是空間探索的終點，月球只是人類的跳板，目標還將人類送往火星及以遠。

圖 14 1969年11月20日，阿波羅12號艙外活動照片，后方是阿波羅12號登月艙，前面美國的勘測者3號，當時宇航員Charles Conrad Jr.和Alan L. Bean協作拆卸勘測者3號探測相機和零部件[20]

美國重返月球是阿爾忒彌斯第一階段任務的核心

NASA發布的《前往月球：NASA月球探索戰略規劃》報告[21]，介紹了阿爾忒彌斯載人月球探索計劃框架及主要內容。

該計劃的第一階段目標是按照特朗普總統要求，2024年前將美國航天員送至月表，踏足迄今無人造訪的月球南極，終極目標是將人類送往火星。

主要工作包括：利用“空間發射系統”（SLS）和“獵戶座”（Orion）飛船執行3次阿爾忒彌斯任務，即2020年的“阿爾忒彌斯-1”無人飛行測試，2022年的“阿爾忒彌斯-2”載人飛行測試和2024年的“阿爾忒彌斯-3”載人登月任務。

圖15 Artemis計劃中宇航員在月表探測的概念圖

特朗普政府一直呼吁在未來五年內增加對NASA的資助，以推動該機構的Artemis計劃。

據悉，該項目旨在將首位女性和下一位男性送上月球表面。

最初計劃在2028年首次著陸，但政府要求將時間提早至2024年。NASA已經明確表示，為了趕上更緊迫的最后期限，有必要大幅增加預算。

在2020年11月份，美參議院撥款委員會公布了下一年的12項撥款法案，新法案將向NASA撥款總計235億美元，其中撥款10億美元用于建造新的月球著陸器，但這比NASA的預算申請少了約24億美元[22]。

美國總統換屆導致航天政策的微調，以及資金短缺等原因，可能會推遲首位女性2024年登月計劃的實現。

我國啟動論證載人登月

嫦娥五號任務，可以看作十年后中國載人登月的預演。

嫦娥五號任務中分離和對接，與美國阿波羅計劃載人登月的技術類似。

從2020年到2030年或2035年，我國將在10-15年的時間內遵循無人月球科研站基本型——載人登月——短期有人/無人月球科研站的路線，實現月球的開發。

然后用10年左右的時間，也就是在接近建國100周年時，建成綜合型的月球基地[23]。

月球是載人登火的前哨站

圖16 LOP-G示意圖

如前文所述，NASA主導的LOP-G以載人火星探測為最終目標，并在LOP-G建成后，于2030年前進一步建設深空運輸系統（DST），為2030年代中期實施載人火星探測任務奠定基礎[24]。

圖17 月球是載人登火的前哨站示意圖

在載人登月、載人登火正在引發全球航天熱潮之際，中國也形成了具有自身特色的航天經濟、航天技術和航天文化，面向未來載人月球與火星探測任務，提出了以遠軌太空港DRO軌道站為基礎的近地軌道以遠的航天發展戰略。

圖18 遠軌太空港為基礎的近地軌道示意圖

浩瀚太空，月球探索是起點，也是各國實行太陽系行星探索和載人火星等深空任務不可或缺的關鍵環節。

未來10年月球探測任務值得關注。

參考文獻

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[2].http://www.clep.org.cn/n5982341/c6810860/content.html

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[9].https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/CubeSats_for_hunting_secrets_in_lunar_darkness

[10].https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/lumio

[11].https://www.tudelft.nl/en/2020/lr/the-lumio-mission-a-cube-sat-watches-meteoroid-impacts-on-the-far-side-of-the-moon/

[12].https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2020/EGU2020-22678.html?pdf

[13].http://epubs.surrey.ac.uk/849054/1/__homes.surrey.ac.uk_home_.System_Desktop_ICES_2018_227.pdf

[14]. https://www.oneindia.com/india/isro-2020-target-set-to-launch-cost-effective-chandrayaan3-gaganyaan-3006598.html

[15].https://indianexpress.com/article/technology/science/chandrayaan-3-launch-date-isro/

[16].https://spacebit.com/

[17].https://www.sstl.co.uk/what-we-do/lunar-mission-services/lunar-pathfinder

[18].https://www.mext.go.jp/content/20200714-mxt_uchukai02-000008680_1.pdf

[19].https://www.timesofisrael.com/spaceil-chief-beresheet-2-starts-tomorrow-well-put-our-flag-on-the-moon/

[20].https://solarsystem.nasa.gov/resources/821/apollo-12-and-surveyor-3/

[21].https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/america_to_the_moon_2024_artemis_20190523.pdf

[22].https://oig.nasa.gov/docs/IG-21-004.pdf

[23].https://new.qq.com/omn/20201201/20201201A01JRJ00.html

[24].https://nvite.jsc.nasa.gov/presentations/b2/D1_Mars_Connolly.pdf

來源：科技導報

來源： 國家空間科學中心

物質是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質，關于它，有著許多未解之謎，今天就跟隨我們一起淺談暗物質吧～

什么是暗物質

暗物質是為了解釋觀測與理論不匹配而提出的一個理論假設。在大量的天文學觀測中，看上去與現有引力理論相悖的現象中，絕大部分可以通過假設暗物質的存在得以合理地解釋。目前的天文學觀測和地面物理實驗表明：暗物質的基本性質是只參與宇宙中的引力相互作用，而不參與（或極其有限地參與）除引力作用之外的任何其他相互作用。

簡單來說，暗物質是一種我們可以通過引力感受到，但是幾乎無法用電磁波直接探測到的物質?，F代天文學通過天體動力學、引力透鏡效應、微波背景輻射等觀測結果證明暗物質大量的存在于星系、星團及宇宙的大尺度結構中，其總質量遠大于宇宙中全部可見天體的總質質量，目前的數據表明：宇宙中暗物質大約占全部物質總質量的85%，占宇宙總質能的26%。

圖1: 宇宙學家們用超級計算機模擬的宇宙中暗物質分布圖景，其中亮度表征著當地的暗物質密度，亮點為高密度區，星系和星系團將在這些高密度區中形成。圖片來源：https://phys.org/news/2019-09-artificial-intelligence-probes-dark-universe.html

最早提出暗物質可能存在的是天文學家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通過研究天體系統的動力學性質，間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質。

1933年，天體物理學家福瑞茲·茲威基（Fritz Zwicky）利用光譜紅移測量了科瑪星系團（Coma Cluster）中各個星系相對于星系團的運動速度，結合維里定理（Viral Theory），茲威基發現星系團中星系的速度彌散度遠遠高于理論預言，僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的，因此星系團中應該存在大量的不可見物質，即暗物質，其質量至少是可見星系的百倍以上。辛克萊爾·史密斯（Sinclair Smith）在1936年對室女星系團（Virgo Cluster）的觀測也支持這一結論。 不過這一突破性的結論在當時未能引起學術界的重視。[1]

圖2：仙女星系（Andromeda Galaxy）中恒星的旋轉速度隨距離的變化曲線。紅色的曲線為無暗物質假設的理論預言，白色曲線為觀測得到的曲線。兩條曲線在遠離星系中心時的不同被認為是暗物質存在的關鍵證據之一。圖片來源：https://phys.org/news/2011-12-dark.html

暗物質的觀測證據

隨著天文觀測技術的進步，越來越多暗物質存在的觀測證據被天文學家發現。例如，1970年維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）利用高精度的光譜測量技術研究了仙女星系（Andromeda Galaxy）的恒星旋轉速度和距離的關系[2]，探測到的遠離星系核區域的外圍星體繞星系旋轉速度和距離的關系表明：在相當大的范圍內，星系外圍的恒星旋轉速度是恒定的，這與目前的引力理論根據可見物質所預言的星系旋轉曲線無法匹配，這意味著星系中可能有大量的不可見物質，并且不僅僅分布在星系核心區 。

另一個著名的暗物質存在證據是子彈頭星系團的觀測。2004年，馬克西姆·馬科維奇（Maxim Markevich）[3] 和道格拉斯·克勞（Douglas Clowe）[4] 發現合并星系團的x射線中心和引力中心存在著明顯的偏移，前者反映著星系團中的主要常規可見物質的并合行為，而后者則反映著星系團中全部物質的并合行為，兩者的偏差表明星系團中有大量非常規可見物質的存在。

圖3：合并星系團中的熱氣體分布和總質量分布對比圖。中間的紅藍色代表著熱氣體的分布，高亮度表征高密度區域；綠色等高線描述合并星系團的總質量分布。合并星系團中熱氣體中心和引力中心不重合是暗物質存在的另一個關鍵證據。圖片來源：https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

暗物質與人類

了解完暗物質的基本概念和歷史后，你最可能要問：我知道，暗物質很酷，暗物質是宇宙中最多的物質，可是它和我的生活有什么關系呢？這是個非常好的問題，乍一看，暗物質也許和人們的日常生活沒什么關系，但實際上，暗物質極有可能關系到人類最關心的兩個問題：人類的起源和人類的結局。

◎暗物質與人類的起源

暗物質決定了宇宙中星系的起源、形成與演化，也就是說，今天銀河系的誕生、成長過程都受到暗物質的影響。天體物理學家們已經用數值模擬的方法研究了在沒有暗物質存在的宇宙中[5]，自引力系統的形成將非常困難，這種情況下，也許銀河系尺度的星系會非常難以形成，這就極大地降低了宜居星系的數目，從而使類太陽系系統的形成概率大大降低，進而宜居帶的類地行星也許就沒有機會形成了，就更不要說人類了。可以說因為暗物質的存在才會有今天的我們出現。

圖4：宇宙中存在（左）和幾乎沒有暗物質（右）時，計算宇宙學家們預言的宇宙中的質量分布，亮點代表高密度區域，即星系和星系團形成的區域。圖片來源：https://www.ted.com/talks/risa_wechsler_the_search_for_dark_matter_and_what_we_ve_found_so_far?language=en

◎暗物質與人類的結局

暗物質可能導致人類滅絕的論調聽起來也許有些危言聳聽，但是著名物理學家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）在《暗物質與恐龍》[6]一書中詳細地探討了暗物質導致恐龍滅絕的可能性和基本原理：太陽系繞銀河系中心運動時還會穿過銀河系中的暗物質盤結構，這一過程產生的引力擾動會提高太陽系外圍奧爾特星云中彗星的觸發概率，從而在太陽系中產生更多的危險天體，因此大大地增加了危險星體撞擊地球的概率。此過程會導致地球上因危險天體撞擊而產生周期性的物種滅絕，恐龍的滅絕便是其中的一次。如果將來銀河系中的暗物質導致彗星和地球相撞，一次不亞于恐龍滅絕的生態災難也許真的會是我們的結局。

蘭德爾博士的理論是個有趣且大膽的嘗試，尤其是關于『暗物質可以在銀河系中形成盤狀結構』的假設也是不同于主流暗物質模型的一次創新，不過科學家們依然需要用更優質的觀測數據和更嚴謹的科學方法來證實或者證偽這個假設。暗物質到底是不是恐龍乃至人類滅絕的罪魁禍首？希望未來科學家們會告訴我們答案。

總結

暗物質是當今物理學的最重要最熱點的問題之一，隨著新的科學數據的到來，對它的研究將更加深入。從星系到整個宇宙學尺度，我們都有證據證明暗物質的存在，但是我們是否能找到它并且弄清楚它的本質？這將是接下來幾十年里科學家們最主要的科學目標之一。希望這篇文章能讓讀者們簡單地了解暗物質的概念和歷史，以及暗物質與我們的聯系，讓我們一起為因研究暗物質而可能開啟的物理學新時代做好準備。

參考文獻

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[3]Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56, Markevitch M. et. al., 2004, The Astrophysical Journal, Volume 606, Issue 2, pp. 819-824.

[4]A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter, Clowe D. et. al., 2006, The Astrophysical Journal, Volume 648, Issue 2, pp. L109-L113.

[5]The search for dark matter — and what we've found so far, Risa Wechsler, 2019, TED@NAS

[6]暗物質與恐龍--宇宙中的萬物互聯, 作者: [美] 麗莎·蘭道爾, 譯者：茍利軍 / 李楠 / 爾欣中，2016, 浙江人民出版社

作者簡介：李楠，國家天文臺副研究員。研究方向為引力透鏡、宇宙學、以及機器學習在天體物理中的應用。