◎ 科技日报记者 唐芳
回望2021年的浩瀚星空，中华民族迸发了最耀眼的华彩：“天问”登火、“羲和”探日、“银河”巡天、“天宫”览胜……
这一年，探寻宇宙信息的大科学工程亦是硕果累累，“中国天眼”发现201颗脉冲星、“拉索”观测到最高能量光子，惊艳了国际天文学界；嫦娥五号带回月球“土”特产，翻开我国月球科学研究的崭新篇章……
中华民族在探索星辰大海的浩然征途上正大步向前。
01
“天宫”建造全面展开
我国载人航天进入“空间站时代”
央视新闻视频截图
空间站，航天员的“太空家园”，科学研究的“太空实验室”。
4月29日11时23分，海南文昌航天发射场，长征五号B大推力运载火箭以万钧之力，将中国空间站核心舱成功送入太空，我国载人航天真正迎来空间站时代。至此，中国空间站在轨组装建造全面展开。
中国空间站是中国独立自主建造运营的载人空间站，在近地轨道长时间运行，靠货运飞船实现推进剂和消耗品的补充，可满足航天员长期在轨生活、工作需要，代表了当今航天领域最全面、最复杂、最先进和最综合的科学技术成果。
6月17日，神舟十二号载人飞船搭载的航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱，标志着中国人首次进入了自己的空间站；10月16日，神舟十三号载人飞船顺利将翟志刚、王亚平、叶光富送入太空，进驻天和核心舱后，开启为期6个月的太空驻留；11月7日，翟志刚、王亚平先后从天和核心舱节点舱成功出舱，王亚平迈出中国女性舱外太空行走第一步；12月9日，神舟十三号航天员乘组在中国空间站首次进行太空授课。
02
发现反银心子结构起源于银盘
终结子结构起源争议
天文学家已经知道，银河系不是传统认知的光滑扁平盘，而是一条星波荡漾的星河。这一认识源于银河系反银心方向子结构的发现，但这些子结构到底起源于哪里存在争议。
5月，《天体物理学报》发表的一篇中国科学家的研究论文终结了这一争议。中国科学院国家天文台、西华师范大学等单位的研究人员，利用郭守敬望远镜（LAMOST）和“盖亚”卫星（Gaia）数据，对位于反银心方向的一些子结构与银盘进行“亲子鉴定”，发现银河系反银心子结构并不是被银河系吸积的矮星系遗迹，而是银河系外盘的一部分。
利用望远镜的观测数据，研究人员搜寻到589颗来自麒麟座星环、三角座—仙女座星流和A13结构的成员星，这是目前最大的反银心子结构成员星样本。
研究人员将成员星样本的化学元素含量、运动特征以及能量角动量分布，与银盘进行比对，发现这些成员星与银盘拥有相似的近圆形运动轨道，金属丰度与银盘的厚盘星相似，这些都证明了子结构成员星可能来自银盘厚盘。
然而，进一步验证发现，这些子结构成员星的α元素丰度明显低于厚盘。对此，西华师范大学物理与空间科学学院副教授李静解释道，因为目前银河系外盘依然存在很多冷气体，相对于内盘，外盘分子云密度低，化学元素的金属丰度增加不充分。
从运动特征和化学DNA鉴定，天文学家推测这些子结构成员星应该属于低α丰度贫金属外盘星。中国科学院国家天文台研究员薛香香说：“这意味着这些反银心子结构起源于银盘。”
03
天问一号登陆火星
探寻火星起源与演化的线索
新华社发 国家航天局供图
穿越漫漫星河，跋涉297天，2021年5月15日7时18分，短短9分钟内将两万多公里时速降为零，天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。
5月22日10时40分，“祝融号”火星车安全驶离着陆平台，到达火星表面，开始巡视探测。中国成为世界第二个让火星车成功着陆的国家。
我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥介绍，天问一号任务是中国开展行星探测的第一步，圆满完成了“一次任务实现火星环绕、着陆、巡视”的既定任务目标，将极大推动中国空间科学，特别是行星科学研究的发展。目前，天问一号在轨运行状态良好，配置的13台科学载荷已全部开机开展科学探测活动，为科学家提供丰富的高质量科学探测数据。具体来说，可以获得包括火星地形地貌、表面物质成分、地下结构、磁场、气象和空间环境等在内的多元素、第一手火星科学数据。“祝融号”正继续向乌托邦平原南部疑似古海洋与陆地交界的地带行驶，探寻揭开火星起源与演化之谜的线索。
值得一提的是，天问一号在奔火途中还获取了地月合影、“深空自拍”飞行图像，并传回首幅火星图像。抵达火星表面后，6月11日，天问一号首批科学影像图发布，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。
04
“拉索”发现迄今最高能量光子
突破人类对银河系粒子加速传统认识
高海拔宇宙线观测站“拉索”。图源：中科院高能所
大科学工程高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO），位于四川稻城平均海拔4410米的海子山，是世界上最大的高海拔宇宙线观测装置，历时4年，于10月24日建成并正式进入科学运行阶段。
边建设边运行的“拉索”，在银河系内发现了能量高达1.4拍电子伏特的光子。这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了超高能伽马天文学的新时代。5月17日，相关成果论文在线发表于《自然》杂志。
05
FAST新发现201颗脉冲星
“中国天眼”成最强大脉冲星搜索利器
世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）于2016年9月25日落成启用。 新华社记者 欧东衢 摄
脉冲星是大质量恒星死亡后的“遗骸”，能够发射出高度周期性的脉冲，周期在1.4毫秒到23秒之间，被称为“毫秒脉冲星”的短周期脉冲星，可以与地球上最好的原子钟相媲美。因而，脉冲星是国际大型射电望远镜观测的主要科学目标之一。
截至2021年4月，中国科学家利用500米口径球面射电望远镜（FAST）开展的巡天观测，新发现了201颗脉冲星，其中包括一批最暗弱的脉冲星、挑战当代银河系电子分布模型的大色散量脉冲星、40颗毫秒脉冲星、16颗脉冲双星、一批模式变化和消零脉冲星以及射电暂现源等。相关研究成果于5月20日作为封面文章发表于《天文和天体物理学研究》。
FAST被誉为“中国天眼”，配备19波束L波段接收机，是世界上最强大的脉冲星搜寻利器。
“后续对这些脉冲星的测时观测可以用来探测来自遥远星系的低频引力波，还可用于建立脉冲星时间和空间基准，其中一些脉冲星将会成为检验引力理论的绝佳利器。”中国科学院国家天文台研究员韩金林说。
06
嫦娥五号月球样品发放
有望揭示月球及行星演化之谜
新华社记者 金立旺 摄
近观月壤一克，遥测星河万年。月壤是月球表面月岩经过长期的陨石和微陨石撞击、太阳风、宇宙射线辐射等太空风化作用形成的。月壤除了反映月表本身的物质组成以外，还是记录太阳风等与月表相互作用历史以及外来物质增生信息的重要载体。
7月12日，嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式举行。13家科研机构的31份申请获得通过，共发放17.4764克样品，月球样品科学研究正式启动。10月20日，第二批月球科研样品发放名单公布，共计发放17.936克样品。
科研人员将利用月壤对月球表面过程、火山活动年龄、月球演化过程等开展研究，有望在月球与行星演化、行星宜居性等方面产生新的认识。
嫦娥五号月球样品很快有了第一批科研成果。10月19日，中国科学院地质地球所与国家天文台等单位的研究人员发现，嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩。这些月球最“年轻”的玄武岩年龄为20亿年，所处区域晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素，并且月幔源区几乎没有水。
12月13日，中国科学院紫金山天文台联合南京地质古生物研究所发现，月球样品钛铁矿含量极高，是高钛玄武岩。此前，国内其他研究团队在月球样品中已发现低钛、中钛玄武岩类型。研究人员推测，嫦娥五号月球着陆区或曾有多次火山喷发。
07
亚轨道重复使用运载器首飞成功
我国由航天大国迈向航天强国
发展重复使用天地往返航天运输技术，是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。亚轨道重复使用运载器，可作为升力式火箭动力重复使用航天运输系统的子级，是航天航空技术的高度融合体。
7月16日，由中国航天科技集团有限公司一院研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器，在酒泉卫星发射中心准时点火起飞，按照设定程序完成飞行后，平稳着陆于阿拉善右旗机场，首飞任务取得圆满成功。
中国航天科工二院研究员杨宇光表示，亚轨道远地点高度最低为80至100千米，理论上最高可达地球引力边缘，即150万千米。射程较远的弹道导弹被动段轨迹即为亚轨道。亚轨道还广泛应用于探空火箭和太空旅游等方面。
08
青海冷湖发现世界级天文台台址
将成我国极其宝贵的战略性稀缺资源
光学/红外观测台址是极其宝贵的战略性稀缺资源，目前国际公认的最佳台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫那卡亚峰以及南极内陆冰穹地区。
8月18日，《自然》发布了我国一项关于天文观测台选址的重大科学进展，中国科学院国家天文台的邓李才研究团队经过3年连续监测，发现青海冷湖台址的光学观测条件全面优于青藏高原其他选址点，可与国际公认的最佳天文台台址比肩。
冷湖地区日照丰沛、降水极少、夜空晴朗，历史记录的天气条件非常良好。邓李才研究团队通过对冷湖赛什腾山区的实地考察，确定在山区4200米海拔标高点（赛什腾C区）进行定点选址，2018年起正式对该地域的晴夜数量、晴夜背景亮度和气象进行3年连续监测，2020年底获得对赛什腾山光学/红外观测条件的结论性数据。
为最大限度发挥冷湖台址的科学效益，邓李才表示，应尽快对台址资源进行保护，避免灯光、粉尘、震动等因素对其造成影响；还要吸引国际领先的观测设施落户，使之成为国际光学天文研究的重要基地。
09
“羲和号”发射
我国实现太阳探测零的突破
太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”。雷春鸣 摄；图片来源：国家航天局
太阳是距离地球最近的恒星，对地球演化和人类文明的发展意义重大。10月14日，我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”成功发射，我国正式步入“探日”时代，实现太阳探测零的突破。
“羲和号”的全称是太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，重508公斤，设计寿命3年，运行于高度为517千米的太阳同步轨道，能够连续24小时对太阳进行观测，主要科学载荷为太阳空间望远镜。
从发射“座驾”到卫星平台，再到科学载荷，“羲和号”开创了许多个“首次”：国际上首次开展太阳Hα波段光谱成像空间探测；首次采用“动静隔离非接触”总体设计新方法；首次提出“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”新方法；首次实现卫星大功率、高可靠、高效无线能源传输技术的应用。
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“银河画卷”二期巡天计划启动
将提供更广域的分子气体分布数据
巡天是人类探寻宇宙信息的基本手段，是一种对天空可扫描区域进行逐块无差别扫描的系统观测方式，通过对天空进行拉网式“普查”来发现未知天体。
“银河画卷”巡天计划是我国唯一在毫米波段的巡天项目，利用位于青海德令哈的13.7米毫米波射电望远镜进行天文观测。今年11月，为期10年的“银河画卷”二期巡天计划启动，将巡天区域扩展至银道面附近银纬正负10度的范围，将为多波段天文研究提供更广域的分子气体分布数据。
而“银河画卷”一期巡天项目自2011年11月起历时10年，于2021年4月底结束，完成银纬正负5度范围共2400平方度的探测覆盖，建立了毫米波分子谱线数据库。
中国科学院紫金山天文台研究员、“银河画卷”巡天计划总负责人杨戟指出，无论是一期还是二期项目，“一氧化碳分子谱线”都是“银河画卷”计划的观测核心，因为它能帮助科学家揭示分子气体温度、密度等性质。
目前，我国已经出现若干有影响力的天文巡天项目，除了“银河画卷”计划，还有基于LAMOST开展的光谱巡天观测、基于FAST开展的脉冲星巡天观测等。
