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科学卫星：宇宙前沿的探索先锋

来源：科普中国

实际上，科学卫星是各种航天器当中最难以归类的卫星，因为涉及空间科学的门类非常复杂，每一种都需要自己独特的科学探索或者实验方法。或许有一些实验只需要很小的设备就可以进行，但却需要把卫星发射到非常独特的轨道上，这就带来了很大的复杂性。

我们可以大致把科学卫星分成这样三种类型，探索宇宙、研究地球和验证技术的。

探索宇宙的科学卫星


(资料图)

人类对宇宙的了解虽然已经起步，并且有了几十年的成功经验，但是与真正隐藏在浩瀚宇宙当中的知识和奥秘相比，今天的人们还是非常无知的，因此需要发射一些航天器去探索宇宙的奥秘。这种类型的卫星也可以粗略分成两种，回来的和不回来的。

不回来的，就是把仪器装到航天器上运行，然后把科学成果用无线电通信的方式发送回地球。大多数科学卫星都采用了这样的模式，比如中国与欧洲联合研制的地球空间双星探测计划，NASA、欧空局、俄罗斯国家航天集团公司和JAXA都有大量的科学卫星。

多年以来，这些不回来的科学探测卫星，为人们揭示了很多关于宇宙的奥秘，比如说探索火星、木星、土星，甚至冥王星的探测器。其中最为有名的是2006年发射的新视野号冥王星探测器，它在2015年拍摄和回传了冥王星的高清图像。人们可以清晰地看到冥王星上的皑皑白雪，那都是冷冻的甲烷。

在不回来的卫星当中，天文望远镜是一个非常大的类别。迄今为止最有名的空间望远镜是NASA发射的“哈勃”和“韦伯”，但实际上还存在着其他很多型号的天文望远镜，如1983年发射升空的IRAS红外天文卫星和它的后继者，2003年8月25日发射升空的空间红外望远镜“斯皮策”，1991年发射的康普顿伽玛射线太空望远镜，1999年7月23日发射的钱德拉X射线太空望远镜。

韦伯太空望远镜

中国在2017年发射了自己的空间X射线天文卫星“慧眼”，取得了丰硕的科学成果。中国科学家用“慧眼”开展了X射线脉冲星导航实验，定位精度达到10千米，给未来星际航行导航带来了希望。“慧眼”还发现，一个俗称“冕”的等离子体流竟然能逃离黑洞，颠覆了人们对黑洞的传统认识。

中国还将发射巡天空间望远镜，伴随中国空间站一起飞行。

科学卫星能够留给仪器的重量和体积都不算太大，发电能力也很有限，科学研究的条件无论如何也比不上地球表面的实验室。要是能把宇宙里的物质抓回地球来研究，那就能够收获更多的科学成果，这就是回来的科学卫星。中国的嫦娥五号采样返回器就是其中的一个典型。

JAXA也发射过两个小行星的采样返回器，“隼鸟1号”和“隼鸟2号”。这两个探测器的特点是枪炮齐鸣。“隼鸟1号”通过枪击糸川小行星的方式，打碎了表面岩石，取回了1500多颗粉尘，成为人类了解这颗小行星的重要依据。

隼鸟2号探测器示意图

“隼鸟二号”的办法更加简单粗暴，用一枚爆炸成型弹头轰击龙宫小行星，把弹着点打得粉碎之后，再去采集碎石样品。如今，“隼鸟2号”的返回舱也已经返回地球，人们发现，原来龙宫小行星是黑色的。

NASA的另一个小行星采样返回器奥西里斯-雷克斯号，已经从贝努小行星上抓到了一大包土石，正在返回地球途中。因为抓得太多，密封容器出了点问题。人们都在祈祷，希望它能顺利把样品带回地球。

NASA还发射过一种非常独特的彗星采样返回器“星尘”号，用一个气溶胶的大拍子在彗星的尾巴里穿行，把吸收的物质捕获在其中，带回地球研究。它捕获了怀尔德2号彗星的尾部物质，虽然只是一点点尘埃，但科学价值巨大。

研究地球的科学卫星

研究地球的科学卫星，一般都是不回来的。这是因为近地轨道上没有太多需要抓捕的样品，而且有载人飞行的存在，返回任务一般都交给飞船了。这种类型的科学卫星任务也很庞杂，包括研究地球附近的太阳风宇宙射线，空间天气的变化，地球磁场的变化等等。还有一些卫星用来研究基本的物理规律。

比如中国在2015年12月发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”，是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的高能伽马射线、电子宇宙射线空间探测器。它用来寻找暗物质粒子，探寻宇宙射线起源，观测高能伽马射线。它所测量到的数据，已经向全世界科学家发布。

悟空探测器示意图

验证技术的科学卫星

验证技术的科学卫星，是一个非常大的门类。NASA发射的很多卫星都属于这个门类。中国的实践系列，JAXA的工程技术卫星系列，都是用来验证技术的。除了实践系列，中国还研制发射了其他类型的技术试验卫星。不过在有些卫星上，把技术试验和理论研究彼此融合，很难完全区分开来。

2016年，中国发射了墨子号科学卫星，这是一种远距离量子科学实验平台，能够为量子力学基础物理研究做出重大贡献，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现。卫星升空后，取得了重大科学进展。为此，美科学促进会宣布向量子团队授予2018年度克利夫兰奖。

2021年，中国还发射了广目卫星，它采用了全新的对地观测概念，可以用微弱的光观测夜间人类活动和极地冰雪变化，研究生物多样性与生态系统，以及人居环境、城市发展等情况。它所验证的技术，将给未来新一代遥感卫星的研制，提供技术基础。

科学卫星的种类和功能，实在太多、太丰富，我们在这里仅仅举出了很少的例子。随着人类对宇宙探索的不断深入，科学卫星的门类还会越来越丰富，数量会越来越多，功能会越来越细化。（作者：迟惑）

关键词： 宇宙射线 会越来越 天文望远镜

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