多项“首次”:中科院空间科学先导专项出成果

作者:倪思洁

7月20日,中国科学院国家空间科学中心对中国科学院空间科学战略性先导科技专项(以下简称空间科学先导专项)部署的3颗卫星最新重大科学成果进行了集中发布。此次发布的成果来自我国首颗空间引力波探测技术实验卫星“太极一号”,我国首颗微重力科学实验卫星“实践十号”和我国首颗大型硬X射线天文卫星“慧眼”卫星。

空间科学先导专项二期负责人、中科院国家空间科学中心主任王赤介绍,“实践十号”和“慧眼”是空间科学先导专项一期研制发射的科学卫星,“太极一号”是空间科学先导专项二期研制发射的卫星。他表示,空间科学先导专项二期自2018年5月底启动以来,已发射了“太极一号”和“怀柔一号”卫星,预计在未来两到三年内,先进天基太阳天文台、爱因斯坦探针、太阳风-磁层相互作用全景成像卫星等空间科学卫星也将陆续发射,有望在太阳爆发活动、时域天文学和日地关系等方面取得重大突破。

“太极一号”:完成全部预设实验

“‘太极一号’已圆满完成全部预设实验任务。”“太极一号”首席科学家、中国科学院大学学术副校长吴岳良介绍,“太极一号”实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量,完成了国际首次微牛量级射频离子和霍尔两种类型电微推技术的全部性能验证,并率先实现了我国两种无拖曳控制技术的突破,达到我国最高水平。

“太极一号”卫星是中科院空间科学先导专项二期的首发星,于2019年8月31日在酒泉卫星发射中心成功发射,2020年1月在轨交付。

“太极一号”模拟图(中科院国家空间科学中心供图)

近日,《自然》子刊《通讯·物理》发表了“太极一号”第一阶段的在轨测试汇总结果。在轨测试和数据分析结果表明,“太极一号”实现了我国最高精度的空间激光干涉测量;引力参考传感器传感精度与量程比达到国内同等最好水平;在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证;在国内首次开展卫星无拖曳控制在轨实验。

“上述指标的实现,验证了空间引力波探测核心技术的可行性,迈出了我国空间引力波探测的第一步,为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。”吴岳良说。

在空间引力波探测科学目标研究方面,“太极一号”的科研人员还在国际上首次提出利用“太极-LISA”进行联网观测的建议,有望将哈勃常数的准确度提高到千分之五。联网观测可对引力波波源的位置进行更快更准的定位,并有望提升精度达四个量级。该研究成果发表在《自然·天文》上。

关于未来,吴岳良表示,“太极一号”还将进一步开展探索载荷在轨性能极限、长寿命、优化无拖曳控制策略等扩展实验任务。

“实践十号”:实验任务完成后产出不断

“‘实践十号’的19项有效载荷圆满完成了28项科学实验任务。实验做完了,但科学研究是一个漫长的过程。”“实践十号”科学应用系统总师、中科院力学研究所研究员康琦说。

“实践十号”是我国科学卫星系列中唯一的返回式卫星,是开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台,搭载其上的科学实验项目共包含6大领域。康琦介绍,在“实践十号”开展的28项微重力和生命科学实验中,在国际上首次开展的研究有15项。

“实践十号”模拟图(中科院国家空间科学中心供图)

成功的实验直接带动了科学成果的产出。

以“实践十号”为平台,研究人员首次实现了在微重力条件下2-细胞胚胎至囊胚的发育,揭示了影响太空哺乳动物早期胚胎发育的关键因素。相关成果以封面文章的形式发表在《国家科学评论》上。美国斯坦福大学薛人望教授评论称,“这项工作对人类太空探索具有里程碑意义,“小鼠胚胎发育一小步,人类生殖一大步”; 以色列特拉维夫大学David Elad教授认为,“这项成就代表了辅助生殖技术的飞跃和科学的卓越进步”。

研究人员还通过在微重力环境下开展颗粒流体实验,获取了颗粒分聚现象的微观结构和动力学关联,将对需要混合或分离的工业过程具有重要借鉴意义。相关成果发表在《科学》子刊《科学进步》上。评审人评价称“这是一篇在众多颗粒分聚论文中令人耳目一新的优秀工作”,“是一项令人印象深刻的实验研究,迄今为止是我所看到的这方面最清晰和最有说服力的论文,论文对于对流和拱的机制给出了很好的实验证明和解释”。

“慧眼”:成果来自整个天文界

“‘慧眼’卫星产出的成果来自整个天文界。”“慧眼”卫星首席科学家、中科院高能物理研究所研究员张双南说。

此次新闻发布会上,“慧眼”带来了两个重要成果,一个与黑洞研究相关,另一个与太阳耀斑研究相关。

2019年,“慧眼”卫星对黑洞X射线双星MAXI J1348-630的爆发进行了宽波段高频次监测,首次清晰观测到了黑洞双星爆发过程的全景,揭示了黑洞双星爆发标准图像的产生机制。成果已发表于《天体物理学快报》。

就在“慧眼”卫星发射升空后不久,就遇到了第24太阳活动周最大耀斑,“慧眼”卫星完整探测到了此次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。该成果表明,“慧眼”卫星的科学研究能力和目标已经得到了显著的扩展,能够观测研究黑洞、中子星、地球伽马射线闪、宇宙伽马射线暴、引力波暴高能电磁对应体和快速射电暴,并对太阳的高能爆发开展高质量观测研究,为理解太阳高能辐射随时间演化提供了新的观测结果。该科研成果已被《天体物理学》接收,近期将正式公开发表。

“这两个成果都来自‘慧眼’卫星的用户单位。”张双南说,这两个单位分别是南京师范大学和武汉大学。

“慧眼”模拟图(中科院国家空间科学中心供图)

2017年6月15日,“慧眼”卫星在酒泉卫星发射基地升空。作为具有宽能段和大面积优势X射线空间天文台,“慧眼”面向全球征集客座观测提案,目前国内外的客座观测提案比例都在逐年增加。张双南介绍,目前“慧眼”卫星已经完成了三轮长期观测计划,完成了一千多次观测,包括30多次机遇观测以及与国内外空间、地面光学及射电望远镜联合开展的200余次协同观测。同时,使用“慧眼”卫星数据或结果发表的论文数量和引用数量都在不断增加。

“卫星的设计寿命是4年,目前状态良好,预期可运行约10年。”张双南说,4月22日,“慧眼”卫星通过了“拓展观测”论证,将延寿运行2年;与此同时,“慧眼”的继承者——增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP)旗舰级空间天文台计划正在开展空间科学背景型号阶段研究,将有望成为中国领导的旗舰级空间X射线天文台,为探索极端宇宙做出重大贡献。

相关论文信息:

China’s first step towards probing the expanding universe and the nature of gravity using a space borne gravitational wave antenna, DOI: 10.1038/s42005-021-00529-z

Taiji program in space for gravitational universe with the first run key technologies test in Taiji-1,DOI: 10.1142/S0217751X21020024

Microscopic structure and dynamics study of granular segregation mechanism by cyclic shear, DOI: 10.1126/sciadv.abe8737

Development of mouse preimplantation embryos in space,DOI: 10.1093/nsr/nwaa062

Time-lag Between Disk and Corona Radiation Leads to Hysteresis Effect Observed in Black hole X-Ray Binary MAXI J1348-630, DOI: 10.3847/2041-8213/ac0a7b

Non-thermal electron energization during the impulsive phase of an X9.3 flare revealed by Insight-HXMT, https://arxiv.org/abs/2106.09506