中国“十五五”太空探源科学卫星计划四颗卫星的科学与应用价值与展望

据空间科学先导专项最新亮点成果发布会消息，”十五五”期间（2026-2030年），中国将组织实施太空探源科学卫星计划，聚焦宇宙起源、空间天气起源、生命起源等重大前沿科学问题，发射四颗科学卫星，力争在宇宙黑暗时代、太阳磁活动周、系外类地行星探测、极端物理条件验证等领域实现新突破 (China Daily, 2025; China News Service, 2025)。这四项任务不仅代表了中国空间科学的前沿探索方向，更体现了从基础研究到应用转化的全链条创新，将为人类理解宇宙的起源与演化、太阳活动的物理机制、生命存在的可能性以及极端条件下的物理规律提供关键观测数据与理论支撑。

空间科学作为探索宇宙奥秘的前沿领域，其发展水平直接反映了一个国家的科技实力与创新能力。从宇宙大爆炸后的黑暗时代到第一颗恒星的诞生，从太阳磁场的三维结构到空间天气的预报能力，从系外行星的发现到宜居性的评估，从黑洞视界边缘的物理过程到中子星极端状态的验证，这些科学问题的解答不仅需要先进的观测设备与精密的测量技术，更需要深度的理论创新与跨学科的系统集成。中国”十五五”太空探源科学卫星计划的实施，标志着中国空间科学从”并跑”向”领跑”的战略转型，将为建设航天强国和科技强国作出标志性贡献 (ScienceNet, 2025)。

为了形成逻辑自洽的任务矩阵，国家空间科学中心在总体方案中明确提出要以“宇宙起源—太阳磁活动—生命探索—极端物理”四条主线串联空间科学版图：月背低频阵列负责打开宇宙暗时代窗口，高倾角太阳极轨构建三维磁场影像，L2点大视场巡天建立类地行星统计样本，近地高稳定平台则凝视高能致密天体，实现基础物理与国家战略的协同推进 (China Daily, 2025; China News Service, 2025)。

总述”十五五”太空探源科学卫星计划

“十五五”期间，中国科学院国家空间科学中心将组织实施太空探源科学卫星计划，研制并发射四项空间科学卫星任务。该计划围绕三大科学主题展开宇宙起源、空间天气起源和生命起源，旨在通过多平台、多波段、多尺度的协同观测，在关键科学问题上取得突破性进展 (ScienceNet, 2025)。

计划总体目标 太空探源科学卫星计划聚焦以下四个重大科学前沿问题 (China Daily, 2025; China News Service, 2025)

1. 宇宙黑暗时代与黎明时期探测宇宙大爆炸后第一颗恒星出现之前的物理状态，揭示宇宙从黑暗时代到再电离时期的演化过程，理解第一代恒星和星系的形成机制。
2. 太阳磁活动周期与空间天气首次实现对太阳极区的直接成像观测，揭示太阳磁场活动的三维结构与演化规律，提升空间天气预报能力，保障空间资产与地面基础设施安全。
3. 系外类地行星与生命探索系统搜寻和表征系外类地行星，特别是位于宜居带内的类地行星，分析其大气成分与宜居性，为回答”人类是否孤独”这一终极问题提供科学依据。
4. 极端物理条件与基础物理验证观测黑洞、中子星等极端天体，在强引力场、强磁场、高密度等极端条件下验证广义相对论等基础物理理论，探索物理学的疆界。

这四项任务在科学目标上相互关联、在技术路线上相互支撑，形成了从宇宙尺度到微观物理、从基础研究到应用转化的完整科学体系。通过系统实施这些任务，中国将在空间科学多个前沿领域实现从”并跑”到”领跑”的跨越，持续产出关键性、原创性、引领性的重大科技成果 (ScienceNet, 2025)。

第一颗卫星鸿蒙计划——聆听宇宙”婴儿时期”的啼哭

规划名称

鸿蒙计划（Hongmeng Project），又称宇宙黑暗时代探测计划 (Wu et al., 2023)。

规划目的

鸿蒙计划旨在探测宇宙黑暗时代（Dark Ages）与黎明时期（Cosmic Dawn）的信号，揭示宇宙大爆炸后第一颗恒星出现之前的物理状态，理解宇宙从黑暗时代到再电离时期（Reionization Era）的演化过程。该计划将填补人类对宇宙早期历史（红移z > 6，对应宇宙年龄 < 10亿年）的认知空白，为理解第一代恒星（Population III stars）和星系的形成机制提供关键观测数据 (Li & Zhou, 2023)。

轨道或数量等飞行规划

鸿蒙计划由10颗卫星组成的低频射电望远镜阵列构成，计划飞往月球背面，部署在月球轨道或月球表面。月球背面作为宇宙中一个天然的”安静室”，能够有效屏蔽地球和太阳的电磁干扰，为探测来自宇宙深处的微弱低频射电信号提供理想观测环境 (Wu et al., 2023)。

技术特点

• 阵列规模10颗卫星组成干涉测量阵列，通过长基线干涉技术实现高角分辨率观测
• 观测频段覆盖1-30 MHz低频射电波段，重点探测21厘米氢线（21 cm line）红移信号
• 轨道设计月球背面轨道或月球表面部署，避免地球电离层和人为电磁干扰
• 协同观测多颗卫星协同工作，形成合成孔径，提高观测灵敏度和空间分辨率

涉及到的科学与专业知识

鸿蒙计划涉及多个前沿科学领域，其核心科学问题与物理机制如下 (Li & Zhou, 2023; Wu et al., 2023)

宇宙学与早期宇宙物理

宇宙黑暗时代是指宇宙大爆炸后约38万年（复合时期，Recombination）至第一颗恒星形成（约1-2亿年后）之间的时期 (Barkana & Loeb, 2001)。在这一时期，宇宙中没有恒星和星系，主要由中性氢原子组成，温度持续下降。当第一代恒星形成后，其紫外辐射开始电离周围的中性氢，宇宙进入再电离时期 (Loeb & Furlanetto, 2013)。21厘米氢线是中性氢原子基态超精细结构跃迁产生的射电辐射，其频率为1420.4 MHz (Ewen & Purcell, 1951)。由于宇宙膨胀，早期宇宙中的21厘米信号被红移到低频波段（1-30 MHz），通过探测这些红移信号，可以重建宇宙早期的密度分布和温度演化 (Furlanetto et al., 2006)。

低频射电天文学

低频射电观测面临的主要挑战包括地球电离层吸收、人为电磁干扰、银河系前景辐射等 (Jester & Falcke, 2009)。月球背面作为观测平台，能够有效避免这些干扰 (Burns et al., 2019)。然而，低频射电观测的技术难度极高，需要克服天线设计、信号处理、数据校准等关键技术难题。10颗卫星组成的干涉阵列，通过长基线干涉测量，可以实现角分辨率达到角分甚至角秒量级，这对于探测宇宙早期的结构形成至关重要 (Dewdney et al., 2009)。

数据处理与信号提取

从观测数据中提取宇宙黑暗时代的信号，需要精确扣除银河系前景辐射、消除仪器系统误差、校正电离层和大气影响。这需要发展先进的数据处理算法和信号分离技术，包括主成分分析（PCA）、独立成分分析（ICA）、机器学习方法等。此外，还需要建立精确的宇宙学模型，通过理论预测与观测数据的对比，约束宇宙学参数和早期结构形成模型 (Wu et al., 2023)。

深远影响

科学与应用价值

鸿蒙计划将首次直接探测宇宙黑暗时代的信号，填补人类对宇宙早期历史的认知空白。通过观测21厘米氢线的红移信号，可以重建宇宙早期的密度场和温度场，理解第一代恒星和星系的形成过程。这些观测数据将为宇宙学模型提供关键约束，特别是对暗物质、暗能量、原初密度涨落等基本物理参数的理解。此外，鸿蒙计划还可能探测到早期宇宙中的其他物理过程，如原初黑洞、宇宙弦、相变等，为理解宇宙的起源和演化提供新的视角 (Li & Zhou, 2023)。

鸿蒙计划将推动低频射电天文学技术的发展，包括大型空间阵列设计、长基线干涉测量、低频信号处理、月球背面通信等关键技术。这些技术的发展不仅服务于科学目标，也为未来的深空探测、空间通信、空间资源利用等应用提供技术支撑。特别是月球背面部署技术，将为未来的月球基地建设和深空探测任务积累宝贵经验 (Wu et al., 2023)。

对中国空间科学的意义

鸿蒙计划的实施将显著提升中国在宇宙学研究领域的国际地位。目前，国际上对宇宙黑暗时代的探测仍处于起步阶段，中国通过鸿蒙计划有望在这一前沿领域实现引领。这将推动中国从空间科学”并跑”向”领跑”的跨越，为建设航天强国和科技强国作出标志性贡献。此外，鸿蒙计划还将培养一批高水平的空间科学人才，推动相关学科的发展，形成具有国际影响力的研究团队 (China Daily, 2025; China News Service, 2025)。

第二颗卫星夸父二号——直视太阳极区的”高空摄影师”

规划名称

夸父二号（Kuafu-2），太阳极区观测卫星 (Deng et al., 2024)。

规划目的

夸父二号旨在首次实现对太阳极区的直接成像观测，研究太阳磁活动的三维结构与演化规律，揭示太阳磁场活动的起源机制，提升对太阳活动周期和空间天气的预测能力。太阳极区作为太阳磁场的”源头”，其磁场结构直接影响太阳活动区的形成和演化，进而影响日冕物质抛射（CME）、太阳耀斑等空间天气事件的产生。然而，由于观测角度的限制，地球轨道上的观测器难以直接观测太阳极区，夸父二号将通过特殊轨道设计，实现对太阳极区的持续观测 (Deng et al., 2024; Yunnan Astronomical Observatory, 2025)。

轨道或数量等飞行规划

夸父二号将采用高倾角轨道或日心轨道，实现绕行到太阳极区上空，直接凝视太阳的”北极”与”南极”。具体轨道设计可能包括 (Deng et al., 2024; Yunnan Astronomical Observatory, 2025)

轨道方案

• 高倾角日心轨道卫星轨道面与黄道面形成高倾角（接近90度），使卫星能够飞越太阳极区上空，实现对极区的直接成像
• 拉格朗日点轨道部署在日地系统L1点或L5点，通过轨道机动实现对太阳极区的侧向观测
• 极地轨道采用极地轨道设计，使卫星能够从不同角度观测太阳极区

观测能力

• 成像分辨率达到角秒量级，能够分辨太阳极区的精细结构
• 观测频段覆盖可见光、紫外、极紫外等多个波段，实现对不同高度太阳大气的观测 (Xu & Zhang, 2024)
• 时间分辨率实现高时间分辨率观测，捕捉太阳活动的快速演化过程
• 观测持续时间实现对太阳极区的长期持续观测，覆盖至少一个太阳活动周期（约11年）

涉及到的科学与专业知识

夸父二号涉及太阳物理学、空间天气学、磁流体力学等多个前沿科学领域

太阳磁活动周期

太阳活动周期（Solar Cycle）是指太阳磁场活动的周期性变化，平均周期约为11年。太阳活动周期与太阳磁场的极性和强度变化密切相关，而太阳极区的磁场结构是理解这一周期的关键。太阳极区的磁场通过太阳内部的发电机过程（Dynamo Process）产生，并通过磁浮力作用上升到太阳表面，形成活动区。夸父二号对太阳极区的直接观测，将揭示太阳磁场的产生、传输和演化机制，为理解太阳活动周期提供关键数据 (Deng et al., 2024)。

磁层-日冕耦合机制

太阳极区的磁场结构直接影响日冕的形态和活动。极区磁场通过磁重联过程与日冕磁场相互作用，驱动日冕物质抛射和太阳耀斑的产生。夸父二号对太阳极区的观测，将揭示磁层-日冕耦合的物理机制，理解空间天气事件的起源和演化。这对于提高空间天气预报的准确性至关重要，特别是对CME到达时间、强度和方向的预测 (Deng et al., 2024)。

空间天气预报

空间天气预报依赖于对太阳活动的准确观测和预测。目前，空间天气预报的准确性仍有限，特别是对强空间天气事件的提前预警能力不足。夸父二号对太阳极区的观测，将提供太阳磁场活动的三维信息，为空间天气预报模型提供关键输入数据。这将显著提高空间天气预报的准确性，特别是对地磁暴、电离层扰动等极端事件的预警能力 (Yunnan Astronomical Observatory, 2025)。

磁流体力学与等离子体物理

太阳是一个巨大的等离子体系统，其磁场和等离子体的相互作用遵循磁流体力学（MHD）规律。夸父二号对太阳极区的观测，将揭示磁流体力学过程在太阳活动中的作用，包括磁重联、磁浮力、磁不稳定性等物理过程。这些观测数据将为磁流体力学理论提供验证，推动等离子体物理和空间物理的发展 (Xu & Zhang, 2024)。

深远影响

科学与应用价值

夸父二号将首次实现对太阳极区的直接成像观测，填补人类对太阳极区磁场结构的认知空白。这将为理解太阳活动周期、空间天气起源、日地相互作用等重大科学问题提供关键数据。通过观测太阳极区的磁场演化，可以揭示太阳磁场的产生和传输机制，理解太阳活动区的形成过程，预测空间天气事件的发生。这些科学成果将推动太阳物理学和空间天气学的发展，为人类理解太阳-地球系统提供新的视角 (Deng et al., 2024)。

夸父二号对空间天气预报能力的提升，将直接服务于人类的空间活动和地面基础设施。准确的空间天气预报可以提前预警地磁暴、电离层扰动等极端事件，为卫星轨道管理、GNSS导航服务、通信系统运行、电力系统保护等提供决策支持。这将显著降低空间天气事件对空间资产和地面基础设施的影响，保障人类的空间活动和地面生活。特别是对于中国正在建设的低轨卫星星座、GNSS系统、空间站等重大空间工程，夸父二号的空间天气预报能力将提供重要保障 (Yunnan Astronomical Observatory, 2025)。

对中国空间科学的意义

夸父二号将显著提升中国在太阳物理学和空间天气学领域的国际地位。目前，国际上对太阳极区的直接观测仍处于起步阶段，中国通过夸父二号有望在这一前沿领域实现引领。这将推动中国从空间科学”并跑”向”领跑”的跨越，为建设航天强国和科技强国作出标志性贡献。此外，夸父二号还将培养一批高水平的太阳物理和空间天气人才，推动相关学科的发展，形成具有国际影响力的研究团队。夸父二号的技术成果，如高精度太阳成像技术、空间天气预报模型等，也将为未来的深空探测、空间资源利用等应用提供技术支撑 (China Daily, 2025; Yunnan Astronomical Observatory, 2025)。

第三颗卫星系外地球巡天——为人类寻找”第二家园”

规划名称

系外地球巡天（Earth 2.0 Survey），系外类地行星探测卫星 (Ge & Chen, 2022)。

规划目的

系外地球巡天旨在系统搜寻和表征系外类地行星，特别是位于宜居带（Habitable Zone）内的类地行星，分析其大气成分、轨道特性、表面环境等关键参数，评估其宜居性和生命存在的可能性。该任务将回答”地球是孤独的吗？宇宙中还有别的宜居星球吗？”这一终极科学问题，为理解生命在宇宙中的普遍性和多样性提供科学依据 (Science and Technology Daily, 2025)。

轨道或数量等飞行规划

系外地球巡天将采用适合大范围巡天观测的轨道设计，实现对大量恒星的长期连续观测。具体轨道设计可能包括 (Jones, 2024; Ge & Chen, 2022)

轨道方案

• 日地L2点轨道部署在日地系统L2点，提供稳定的观测环境和广阔的观测视野 (Ge & Chen, 2022)
• 高地球轨道采用高地球轨道，减少地球遮挡和大气干扰 (Jones, 2024)
• 太阳同步轨道采用太阳同步轨道，确保观测条件的稳定性 (Ge & Chen, 2022)

观测策略

• 巡天范围覆盖数万至数十万颗恒星，重点观测G型、K型、M型主序星 (Ge & Chen, 2022)
• 观测方法采用凌日法（Transit Method）和径向速度法（Radial Velocity Method）相结合，提高探测效率和准确性 (Wenhui Daily, 2022)
• 观测持续时间实现对目标恒星的长期连续观测，至少覆盖一个完整的行星轨道周期 (Jones, 2024)
• 观测精度达到微星等（millimagnitude）量级的测光精度，能够探测地球大小的系外行星 (Chinese Academy of Sciences, 2024)

科学目标

• 类地行星发现发现至少数百颗类地行星，特别是位于宜居带内的类地行星
• 大气成分分析通过光谱观测分析系外行星的大气成分，寻找生命标志物（如氧气、甲烷、水蒸气等）
• 宜居性评估综合评估系外行星的宜居性，包括温度、大气压力、表面环境等关键参数

涉及到的科学与专业知识

系外地球巡天涉及天体生物学、行星科学、光谱学、统计天文学等多个前沿科学领域 (Ge & Chen, 2022; Science and Technology Daily, 2025)

系外行星探测方法

系外行星探测主要采用凌日法和径向速度法。凌日法通过监测恒星光度的周期性下降来探测行星，当行星从恒星前方经过时，会遮挡部分星光，导致光度下降。凌日法的优势在于可以同时观测大量恒星，适合大范围巡天。径向速度法通过监测恒星光谱的多普勒效应来探测行星，当行星围绕恒星运动时，会对恒星产生引力作用，导致恒星产生径向速度变化。径向速度法可以测量行星的质量和轨道参数，但观测效率较低。系外地球巡天将结合这两种方法，提高探测效率和准确性 (Wenhui Daily, 2022)。

宜居带理论

宜居带是指行星表面可能存在液态水的轨道区域，其范围取决于恒星的类型和亮度。对于G型恒星（如太阳），宜居带位于约0.95-1.37 AU之间；对于K型恒星，宜居带位于约0.5-1.0 AU之间；对于M型恒星，宜居带位于约0.1-0.4 AU之间。然而，宜居带只是生命存在的必要条件之一，行星的大气成分、表面环境、内部结构等因素也至关重要。系外地球巡天将通过观测系外行星的大气光谱，分析其大气成分和结构，评估其宜居性 (Science and Technology Daily, 2025)。

大气光谱分析

系外行星的大气光谱分析是评估其宜居性的关键。当行星从恒星前方经过时，部分星光会穿过行星大气层，大气中的分子会吸收特定波长的光，形成吸收谱线。通过分析这些吸收谱线，可以确定大气中的分子种类和丰度。生命标志物（Biosignatures）是指可能由生命活动产生的分子，如氧气、甲烷、氧化亚氮等。然而，这些分子也可能由非生物过程产生，因此需要综合分析多种标志物，并结合行星的其他特性来评估生命存在的可能性 (Chinese Academy of Sciences, 2024)。

统计天文学与大数据分析

系外地球巡天将产生海量时序光度数据和高分辨率光谱数据，需要构建自动化数据处理流水线，对光变曲线进行去系统误差、趋势分离和周期搜索。同时，需要借助机器学习算法完成凌日信号识别、假信号剔除和目标优先级排序，提升巡天效率。统计天文学方法可在整体样本上估算类地行星的发生率（η⊕）、轨道分布和宜居概率，为生命存在的概率提供统计约束 (Ge & Chen, 2022)。

深远影响

科学与应用价值

系外地球巡天将显著扩展人类可观测的类地行星样本，建立大样本统计体系，回答宜居行星是否普遍存在这一根本问题。通过对行星大气的光谱分析，可以捕捉潜在生命标志物组合，深化对生命可居环境条件的认知 (Science and Technology Daily, 2025; Chinese Academy of Sciences, 2024)。

任务所需的超高稳定度测光、星敏感器抖动抑制、星上数据压缩等技术可反哺到其他空间望远镜与深空探测任务。对凌日信号处理、大数据分析和智能筛选算法的研发，也将促进地面天文观测和空间遥感的自动化水平 (Chinese Academy of Sciences, 2024)。

对中国空间科学的意义

该任务有望在系外行星研究这一全球前沿赛道上贡献大规模原创数据集和理论模型，推动中国在天体生物学、光谱学和高精度光学工程领域形成系统优势。随着巡天成果的持续发布，中国将在国际系外行星科学合作中获得更强的话语权与主导力 (Ge & Chen, 2022; Science and Technology Daily, 2025)。

第四颗卫星增强型X射线时变与偏振空间天文台——洞察宇宙“极端禁区”

规划名称

增强型X射线时变与偏振空间天文台（enhanced X-ray Timing and Polarimetry Mission，eXTP） (Zhang et al., 2025)。

规划目的

eXTP旨在观测黑洞、中子星、磁星等高能致密天体，解析其X射线辐射的时变特性与偏振特征，揭示强引力场、强磁场和超高密度物质的物理规律。通过高时间分辨率与偏振测量的联合观测，可在视界边缘、核物质状态、量子电动力学极限等极端环境下检验广义相对论和致密物质方程 (Zhang et al., 2025)。

轨道或数量等飞行规划

eXTP计划采用高近地点椭圆轨道或高地球圆轨道，确保长时间处于地球辐射带之外，以获得低噪声、高本底稳定的观测条件。卫星配置多台协同工作载荷，包括宽能段调制准直望远镜、偏振成像望远镜、聚焦成像望远镜和监视器阵列，实现毫秒量级时间分辨率和百分量级偏振灵敏度 (Xu, 2023; Brandt et al., 2024)。

载荷与观测能力

• 时域观测毫秒级时间分辨率，用于测量类星体、X射线暴的快速变化 (Zhang et al., 2025)
• 偏振测量2-10 keV能段偏振最小可测度优于5%，区分辐射机制 (Zhang et al., 2025)
• 能谱覆盖0.5-50 keV宽能段，实现致密天体多层结构剖析 (Zhang et al., 2025)
• 全天监视监视器可连续追踪瞬变源，触发高优先级指向观测 (Zhang et al., 2025)

涉及到的科学与专业知识

高能天体物理

eXTP将通过时变和偏振联合观测，刻画黑洞吸积盘和喷流的几何结构，分析动力学演化。对中子星而言，偏振与脉冲轮廓可反演磁场拓扑与表面热斑分布，约束致密核物质状态方程 (Zhang et al., 2025)。

广义相对论与极端引力检验

在黑洞和中子星附近，光子的传播受到强引力弯曲和拖拽效应影响。高精度时间与偏振观测可用于测量黑洞自旋、测试准周期振荡模型、验证无毛定理，并寻找偏离爱因斯坦引力的迹象 (Zhang et al., 2025)。

量子电动力学与强磁场物理

磁星表面磁场强度可达10¹⁰-10¹¹特斯拉，处于量子电动力学临界值以上。X射线偏振度与位置角对强磁场真空双折射效应高度敏感，能够为QED在宏观天体环境中的表现提供观测证据 (Zhang et al., 2025)。

深远影响

科学与应用价值

eXTP将首次在同一平台上实现高时间分辨率、宽能段与高精度偏振测量的深度融合，填补人类对极端致密天体的观测维度，推动黑洞物理、致密物质物理和高能辐射机制研究取得突破 (Zhang et al., 2025)。

任务需要的超稳定姿态控制、低噪声探测器、星载数据压缩与快速指向控制等关键技术，可扩展至空间对地观测、深空通信和人类深空探测任务，提高我国高端航天器的平台化能力 (Xu, 2023; Brandt et al., 2024)。

对中国空间科学的意义

eXTP由中国主导、国际合作参与，标志着中国在高能天体物理领域从重要参与者迈向方案主导者。其科学团队将形成系统的理论、观测与数据处理体系，为未来更高能段或多信使联合观测奠定基础 (Zhang et al., 2025)。

总结

“十五五”太空探源科学卫星计划通过鸿蒙计划、夸父二号、系外地球巡天与eXTP四大任务，覆盖了宇宙起源、太阳磁活动、生命探索与极端物理四大科学主轴。四颗卫星形成多尺度、多波段、跨学科的综合观测网络，在时间维度上贯穿宇宙早期、当前太阳系环境与未来深空探索，在空间维度上连接月球轨道、日地空间与高地球轨道，构成中国空间科学面向2030的核心能力 (ScienceNet, 2025)。

从科学上看，这一计划将提供宇宙黑暗时代的第一手数据、太阳极区三维磁场的长期记录、系外类地行星的大样本统计，以及极端天体的高精度时-偏振观测，为宇宙学、太阳物理、行星科学和高能天体物理注入原创成果。从技术上看，多阵列协同、深空测控、极限姿控、星上智能处理等关键技术的攻关，将显著提升我国在深空探测与空间科学卫星平台方面的自主能力。从国家战略视角看，该计划是中国空间科学由并跑向领跑跨越的标志性举措，能够在国际大科学合作中贡献独特观测能力，支撑航天强国和科技强国建设 (China Daily, 2025; China News Service, 2025)。

参考文献

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