者：时蓬，王琴，白青江，范全林

中国科学院国家空间科学中心

空间科学与深空探测规划论证中心

21世纪第三个十年开启之际，中国嫦娥任务成为月球探测的亮点。

嫦娥四号2019年1月3日实现国际首次月背软着陆以来，着陆器和“玉兔二号”月球车分别于2020年11月10日和11月9日结束月夜休眠，迎来第24月昼[1]。

今天上午（12月16日）9时15分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约8秒钟，顺利完成第二次月地转移轨道修正，组合体上各系统状态良好[2]。

目前，顺利完成月球表面自动采样，五星红旗第一次月表动态展示，携带2 kg月球样品的嫦娥五号返回器即将着陆，预计于12月17日凌晨降落于内蒙古四子王旗。

图1 嫦娥五号月球钻取采样示意图

展望未来10年国际月球探测，三个显著趋势值得关注：一是月球无人探索仍是主旋律，航天大国向月表长期驻留发展，多个新兴航天国家则努力跻身月球俱乐部；二是载人登月重启，是人类不灭的梦想；三是月球成为未来载人深空探索的前哨站和跳板。

月球无人探索仍是主旋律

中美俄引领月球探索向深度进军

我国探月四期路线图清晰

中国自启动探月工程以来，按照“绕、落、回”三步走实施，最后的“回”是以“嫦娥五号”到月球正面取样返回作为标志，它们构成了探月一到三期任务。

探月四期项目共论证了四次任务，其中“嫦娥四号”作为先导任务已经取得成功；为2030年前建设我国月球无人科研站，现已基本明确了三次任务，分别为“嫦娥六号”、“嫦娥七号”和“嫦娥八号”任务[3]。

“嫦娥六号”和“嫦娥七号”均计划着陆于月球南极，具体着陆点选在月背还是正面，将根据“嫦娥五号”采样情况来定。

“嫦娥六号”仍将采样返回，“嫦娥七号”则将对月球的地形地貌、物质成分、空间环境进行一次综合探测。

“嫦娥八号”除继续进行科学探测外，还要进行一些关键技术的月面试验，比如采用3D打印技术利用月壤建造基地等。

中国、美国、俄罗斯和欧洲等国家都在论证是否在月球建立科研基地或者科研站，我国希望通过“嫦娥八号”验证部分技术，为各国未来共同建造月球科研基地开展前期探索[4][5]。

图2 未来我国月球无人科研站基本型

美国主导建设访问型空间站LOP-G

2020年4月2日，美国国家航空航天局（NASA）发布的《NASA月球持续探索和发展计划》，描绘了阿尔忒弥斯计划的思路，提出要在月球南极建一座“大本营”，组织一个四人小组前往LOP-G，重点发展机器人和载人任务结合的任务[6][7]。

LOP-G是基于国际空间站（ISS）框架，由NASA主导，ESA、俄罗斯国家航天集团公司（Roscosmos）、日本宇宙航空研发机构（JAXA）和加拿大航天局（CSA）等参与研发的近月空间站。

不同于长期有人照料的空间实验室，LOP-G作为一个访问型空间站，它将支持宇航员在月球轨道和月面上短期驻留，以及经月球中转往返火星及深空，开展科学探索的同时，兼顾太空安全和商业航天等目标。

俄罗斯探月理想丰满

俄罗斯围绕月球探索与开发出台了多项政策和计划，其月球无人探测器为先遣任务，继而开展载人登月，最终实现月球基地永久驻留，发展路线日渐清晰。

俄罗斯是目前唯一一个针对月球基地做出明确建设规划的国家，它不仅有参与美国主导的LOP-G项目的意愿，而且也制定了本国月球轨道站计划，为月球探索与开发领域可能率先取得重大突破奠定了基础。

根据2019年2月Roscosmos和俄罗斯科学院（RAS）联合制定的《月球综合探索与开发计划草案》[8]，俄罗斯月球计划周期为2019—2040年，每5年为一个实施阶段，共4个阶段。

图3 俄罗斯月球计划实施路线图

第一阶段（2019—2025年）计划执行“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）等任务。

第二阶段（2026—2030年）利用“月球-28”（Luna-28）实施月球极区土壤采样返回。

第三阶段（2031—2035年）全面开展月球科学实验。

第四阶段（2036—2040年）月球基地进入全面运行阶段。

但时至今日各个规划任务进展未达预期。

图4 俄罗斯月球基地示意图

ESA月球立方星竞赛两方案胜出

月球流星撞击探测器（The Lunar Meteoroid Impact Observer, LUMIO）[9]是ESA SysNova月球立方星竞赛的两个获胜概念之一，利用12U立方星探测可见光谱中的闪光，月背由于流星体撞击导致的月闪现象，测绘流星体撞击地图，以期提高对过去和现在太阳系内流星体撞击模式的理解，未来可发展成为月球预警系统[10]。

图5 LUMIO概念图

Lumio由意大利米兰理工大学、荷兰代尔夫特理工大学、瑞士洛桑联邦理工学院、挪威科技公司、莱昂纳多-芬梅卡尼卡股份公司和美国亚利桑那大学等机构共同开发[11]。

图6 LUMIO 流星碰撞闪光探测原理示意图

月球挥发物和矿物测绘轨道器（Volatile and Mineralogy Mapping Orbiter, VMMO）[12]是月球立方星竞赛的另一个获胜概念，亦是12U立方星。

VMMO将研究月球南极附近Shackleton撞击坑内的永久阴影区，测绘水冰地图，探测其他挥发物的分布情况，测量月球辐射，并建立辐射环境模型，帮助开发后续任务硬件，支持载人探索任务[13]。

VMMO由MPB通信公司、英国萨里空间中心、加拿大温尼伯大学和Lens研发公司等机构共同开发。

图7 VMMO任务示意图

多个航天国家跻身月球俱乐部

月球作为深空探测的试验场和载人深空探索的前哨站，吸引了全球航天国家的高度关注，除中美俄航天大国外，印度、英国等新兴航天国家也纷纷出手，或夯实自己月球俱乐部会员身份，或努力跻身月球俱乐部。

印度月船3号任务推迟至2021年实施

2020年7月，印度空间研究组织（ISRO）主席K Sivan指出，印度第三次探月任务有关的所有活动都在顺利进行[14]。

月船3号（Chandrayaan-3）推迟到2021年上半年发射[15]，旨在实现月球软着陆，包括着陆器、巡视器和推进模块，与月船2号（Chandrayaan-2）任务的主要区别在于不包括轨道器。

图8 月船3号概念图

印度的首个载人航天项目Gaganyaan也将在2020年年底全面启动，计划于2022年发射，搭载航天员绕地球轨道运行7天后返回地球。

原计划于2020年12月的无人驾驶飞船任务因新冠疫情等原因推迟。

英国努力跻身月球俱乐部

英国私营公司Spacebit计划于2021年7月发射该国第一台月球车，以期使英国成为继美俄中之后，第四个完成此成就的国家。

仅1.5 kg的朝云蜘蛛月球车（朝の，Asagumo）将是史上最轻的月球车，其独特特点是有四条腿，外形酷似蜘蛛，不再是轮式[16]。

月球曾经经历火山活跃时期，喷发的熔岩在流动过程中顶层逐渐冷却，成为坚硬的岩石，下层熔岩流干或凝固后形成熔岩洞。

熔岩洞没有岩屑，是崎岖不平的岩石，适合这种腿形月球车攀上爬下，可为未来人类在月球熔岩洞建设永久基地做准备。

图9 朝云蜘蛛月球车示意图

另外，月球探路者卫星（Lunar Pathfinder）由英国的萨里卫星科技公司（Surrey Satellite Technology Limited）研制，将是首个提供高性能、有价格竞争力的地月间通信服务的商业绕月轨道器[17]。

图10 月球探路者示意图

月球探路者的第一个客户是ESA，并期望NASA成为其下一个大客户，为美国重返月球提供地月通信服务。

月球探路者将于2023年中后期全面投入商用服务，预计寿命8年。

该任务成功后，下一步还将发射更多月球卫星，组建月球版的GPS系统。

图11 月球探路者中继通信工作示意图[17]

日本表达未来继续探月的愿望

2020年7月，日本文部科学省（MEXT）大臣Hagiuda Koichi与NASA局长布莱登斯汀（James Bridenstine）共同签署月球联合探测意向，提出美日两国将共享阿尔忒弥斯计划目标[18]，使日本航天员进入LOP-G和登陆月球。

JAXA的月球探测智能着陆器（Smart Lander for Investigating Moon）和月球极区探测任务（Lunar Polar Exploration mission）上将搭载NASA载荷，NASA月球探测任务上也同样会搭载JAXA的载荷，双方共享探测数据。

图12 JAXA的月球探测智能着陆器概念图

以色列欲继续未竟的探月任务

以色列首次登月任务“创世纪号”（Beresheet）月球着陆器，2019年4月软着陆失败在月表坠毁。

非营利组织SpaceIL宣布了第二次登月任务“创世纪2号”[19]，多名私人投资者已表明为该任务提供资金的意向。

以色列也在争取成为第四个成功登陆月球的国家，侧面反映出某些航天国家月球探索的激烈竞争。

图13 创世纪号月球探测器

载人登月是人类不灭的梦想

中国和美国都有在未来载人登月的计划，拟在十年内将航天员送至月表进行科学探测。

当然，载人登月不是空间探索的终点，月球只是人类的跳板，目标还将人类送往火星及以远。

图 14 1969年11月20日，阿波罗12号舱外活动照片，后方是阿波罗12号登月舱，前面美国的勘测者3号，当时宇航员Charles Conrad Jr.和Alan L. Bean协作拆卸勘测者3号探测相机和零部件[20]

美国重返月球是阿尔忒弥斯第一阶段任务的核心

NASA发布的《前往月球：NASA月球探索战略规划》报告[21]，介绍了阿尔忒弥斯载人月球探索计划框架及主要内容。

该计划的第一阶段目标是按照特朗普总统要求，2024年前将美国航天员送至月表，踏足迄今无人造访的月球南极，终极目标是将人类送往火星。

主要工作包括：利用“空间发射系统”（SLS）和“猎户座”（Orion）飞船执行3次阿尔忒弥斯任务，即2020年的“阿尔忒弥斯-1”无人飞行测试，2022年的“阿尔忒弥斯-2”载人飞行测试和2024年的“阿尔忒弥斯-3”载人登月任务。

图15 Artemis计划中宇航员在月表探测的概念图

特朗普政府一直呼吁在未来五年内增加对NASA的资助，以推动该机构的Artemis计划。

据悉，该项目旨在将首位女性和下一位男性送上月球表面。

最初计划在2028年首次着陆，但政府要求将时间提早至2024年。NASA已经明确表示，为了赶上更紧迫的最后期限，有必要大幅增加预算。

在2020年11月份，美参议院拨款委员会公布了下一年的12项拨款法案，新法案将向NASA拨款总计235亿美元，其中拨款10亿美元用于建造新的月球着陆器，但这比NASA的预算申请少了约24亿美元[22]。

美国总统换届导致航天政策的微调，以及资金短缺等原因，可能会推迟首位女性2024年登月计划的实现。

我国启动论证载人登月

嫦娥五号任务，可以看作十年后中国载人登月的预演。

嫦娥五号任务中分离和对接，与美国阿波罗计划载人登月的技术类似。

从2020年到2030年或2035年，我国将在10-15年的时间内遵循无人月球科研站基本型——载人登月——短期有人/无人月球科研站的路线，实现月球的开发。

然后用10年左右的时间，也就是在接近建国100周年时，建成综合型的月球基地[23]。

月球是载人登火的前哨站

图16 LOP-G示意图

如前文所述，NASA主导的LOP-G以载人火星探测为最终目标，并在LOP-G建成后，于2030年前进一步建设深空运输系统（DST），为2030年代中期实施载人火星探测任务奠定基础[24]。

图17 月球是载人登火的前哨站示意图

在载人登月、载人登火正在引发全球航天热潮之际，中国也形成了具有自身特色的航天经济、航天技术和航天文化，面向未来载人月球与火星探测任务，提出了以远轨太空港DRO轨道站为基础的近地轨道以远的航天发展战略。

图18 远轨太空港为基础的近地轨道示意图

浩瀚太空，月球探索是起点，也是各国实行太阳系行星探索和载人火星等深空任务不可或缺的关键环节。

未来10年月球探测任务值得关注。

参考文献

[1].http://www.clep.org.cn/n5982064/c6810467/content.html

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

[3]. 邱家稳, 王强, 马继楠. 深空探测技术[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(05): 9-18.

[4]. 景骢. “嫦娥五号”年底飞,后续相关规划首次公开[J]. 太空探索, 2019(03): 5.

[5]. 火星、小行星、木星系及行星穿越中国“深空天路”展望2030年[J]. 科学家, 2017, 5(19): 90-91.

[6]. 王琴, 范全林, 张晓雯. 美国月球轨道空间站建设启动实质研发[J]. 国际太空, 2019(04): 17-22.

[7]. 中俄欧航天局初步达成共识,将联合开展国际月球科研站论证[J]. 华东科技, 2019(08): 14.

[8]. 范唯唯, 杨帆, 韩淋, 王海名. 俄罗斯未来月球探索与开发计划解析[J]. 科技导报, 2019, 37(16): 6-11.

[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

来源：科技导报

来源： 国家空间科学中心

物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，关于它，有着许多未解之谜，今天就跟随我们一起浅谈暗物质吧～

什么是暗物质

暗物质是为了解释观测与理论不匹配而提出的一个理论假设。在大量的天文学观测中，看上去与现有引力理论相悖的现象中，绝大部分可以通过假设暗物质的存在得以合理地解释。目前的天文学观测和地面物理实验表明：暗物质的基本性质是只参与宇宙中的引力相互作用，而不参与（或极其有限地参与）除引力作用之外的任何其他相互作用。

简单来说，暗物质是一种我们可以通过引力感受到，但是几乎无法用电磁波直接探测到的物质。现代天文学通过天体动力学、引力透镜效应、微波背景辐射等观测结果证明暗物质大量的存在于星系、星团及宇宙的大尺度结构中，其总质量远大于宇宙中全部可见天体的总质质量，目前的数据表明：宇宙中暗物质大约占全部物质总质量的85%，占宇宙总质能的26%。

图1: 宇宙学家们用超级计算机模拟的宇宙中暗物质分布图景，其中亮度表征着当地的暗物质密度，亮点为高密度区，星系和星系团将在这些高密度区中形成。图片来源：https://phys.org/news/2019-09-artificial-intelligence-probes-dark-universe.html

最早提出暗物质可能存在的是天文学家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通过研究天体系统的动力学性质，间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。

1933年，天体物理学家福瑞兹·兹威基（Fritz Zwicky）利用光谱红移测量了科玛星系团（Coma Cluster）中各个星系相对于星系团的运动速度，结合维里定理（Viral Theory），兹威基发现星系团中星系的速度弥散度远远高于理论预言，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的不可见物质，即暗物质，其质量至少是可见星系的百倍以上。辛克莱尔·史密斯（Sinclair Smith）在1936年对室女星系团（Virgo Cluster）的观测也支持这一结论。 不过这一突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。[1]

图2：仙女星系（Andromeda Galaxy）中恒星的旋转速度随距离的变化曲线。红色的曲线为无暗物质假设的理论预言，白色曲线为观测得到的曲线。两条曲线在远离星系中心时的不同被认为是暗物质存在的关键证据之一。图片来源：https://phys.org/news/2011-12-dark.html

暗物质的观测证据

随着天文观测技术的进步，越来越多暗物质存在的观测证据被天文学家发现。例如，1970年维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）利用高精度的光谱测量技术研究了仙女星系（Andromeda Galaxy）的恒星旋转速度和距离的关系[2]，探测到的远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系表明：在相当大的范围内，星系外围的恒星旋转速度是恒定的，这与目前的引力理论根据可见物质所预言的星系旋转曲线无法匹配，这意味着星系中可能有大量的不可见物质，并且不仅仅分布在星系核心区 。

另一个著名的暗物质存在证据是子弹头星系团的观测。2004年，马克西姆·马科维奇（Maxim Markevich）[3] 和道格拉斯·克劳（Douglas Clowe）[4] 发现合并星系团的x射线中心和引力中心存在着明显的偏移，前者反映着星系团中的主要常规可见物质的并合行为，而后者则反映着星系团中全部物质的并合行为，两者的偏差表明星系团中有大量非常规可见物质的存在。

图3：合并星系团中的热气体分布和总质量分布对比图。中间的红蓝色代表着热气体的分布，高亮度表征高密度区域；绿色等高线描述合并星系团的总质量分布。合并星系团中热气体中心和引力中心不重合是暗物质存在的另一个关键证据。图片来源：https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

暗物质与人类

了解完暗物质的基本概念和历史后，你最可能要问：我知道，暗物质很酷，暗物质是宇宙中最多的物质，可是它和我的生活有什么关系呢？这是个非常好的问题，乍一看，暗物质也许和人们的日常生活没什么关系，但实际上，暗物质极有可能关系到人类最关心的两个问题：人类的起源和人类的结局。

◎暗物质与人类的起源

暗物质决定了宇宙中星系的起源、形成与演化，也就是说，今天银河系的诞生、成长过程都受到暗物质的影响。天体物理学家们已经用数值模拟的方法研究了在没有暗物质存在的宇宙中[5]，自引力系统的形成将非常困难，这种情况下，也许银河系尺度的星系会非常难以形成，这就极大地降低了宜居星系的数目，从而使类太阳系系统的形成概率大大降低，进而宜居带的类地行星也许就没有机会形成了，就更不要说人类了。可以说因为暗物质的存在才会有今天的我们出现。

图4：宇宙中存在（左）和几乎没有暗物质（右）时，计算宇宙学家们预言的宇宙中的质量分布，亮点代表高密度区域，即星系和星系团形成的区域。图片来源：https://www.ted.com/talks/risa_wechsler_the_search_for_dark_matter_and_what_we_ve_found_so_far?language=en

◎暗物质与人类的结局

暗物质可能导致人类灭绝的论调听起来也许有些危言耸听，但是著名物理学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）在《暗物质与恐龙》[6]一书中详细地探讨了暗物质导致恐龙灭绝的可能性和基本原理：太阳系绕银河系中心运动时还会穿过银河系中的暗物质盘结构，这一过程产生的引力扰动会提高太阳系外围奥尔特星云中彗星的触发概率，从而在太阳系中产生更多的危险天体，因此大大地增加了危险星体撞击地球的概率。此过程会导致地球上因危险天体撞击而产生周期性的物种灭绝，恐龙的灭绝便是其中的一次。如果将来银河系中的暗物质导致彗星和地球相撞，一次不亚于恐龙灭绝的生态灾难也许真的会是我们的结局。

兰德尔博士的理论是个有趣且大胆的尝试，尤其是关于『暗物质可以在银河系中形成盘状结构』的假设也是不同于主流暗物质模型的一次创新，不过科学家们依然需要用更优质的观测数据和更严谨的科学方法来证实或者证伪这个假设。暗物质到底是不是恐龙乃至人类灭绝的罪魁祸首？希望未来科学家们会告诉我们答案。

总结

暗物质是当今物理学的最重要最热点的问题之一，随着新的科学数据的到来，对它的研究将更加深入。从星系到整个宇宙学尺度，我们都有证据证明暗物质的存在，但是我们是否能找到它并且弄清楚它的本质？这将是接下来几十年里科学家们最主要的科学目标之一。希望这篇文章能让读者们简单地了解暗物质的概念和历史，以及暗物质与我们的联系，让我们一起为因研究暗物质而可能开启的物理学新时代做好准备。

参考文献

[1]History of dark matter, Bertone, Gianfranco; Hooper, Dan, 2018, Reviews of Modern Physics, Volume 90, Issue 4, id.045002

[2]Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions, Rubin, Vera C.; Ford, W. Kent, Jr. , 1970, Astrophysical Journal, vol. 159, p.379

[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]暗物质与恐龙--宇宙中的万物互联, 作者: [美] 丽莎·兰道尔, 译者：苟利军 / 李楠 / 尔欣中，2016, 浙江人民出版社

作者简介：李楠，国家天文台副研究员。研究方向为引力透镜、宇宙学、以及机器学习在天体物理中的应用。