中秋节:超级月亮、月全食、红月亮来袭

出品:科普中国

制作:郑永春、陈洁、孔啸、张硕(中国科学院国家天文台)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

中秋年年过,今年大不同。今年9月27日是全球华人共同的中秋节。28日,我国公众将迎来今年最大最圆的月亮,又称“超级月亮”,而美洲、欧洲、非洲、西亚部分地区的公众除了能看到“超级月亮”,还能看到壮观的月全食和“红月亮”。

中秋节、超级月亮、月全食、红月亮、十五的月亮十六圆,这些难得一见的月球天文现象集中在一起轮番上演,为我们观月赏月提供了绝佳的机会。

超级月亮

一、什么是超级月亮?

月亮到地球的平均距离约是38万千米,但月亮绕地球运行的轨道并不是圆形的,而是椭圆形的。月亮离地球最近的距离约36万千米,最远的距离约40万千米。

当月亮距离我们近时,看到的月亮大一些,当月亮距离我们远时,看到的月亮小一些。9月28日月亮恰好运行到近地点,我们在地球上看到的月亮要比它位于远地点时大12-14%。这一天我们有幸欣赏到比平时更大、更亮的月亮,也称为超级月亮。

1.月亮-地球之间的距离示意图。月亮分别位于近地点和远地点

月亮-地球之间的距离示意图。月亮分别位于近地点和远地点

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月亮位于近地点时,我们看到的月盘要比远地点大约14%

二、超级月亮不罕见

超级月亮并非天文术语,它最早由占星师理查德·诺艾尔在1979年提出,他把它定义为当新月或满月时月亮位于近地点附近的现象。当月亮位于近地点时正好出现新月,则称为超级新月;当月亮位于近地点时正好满月,则称为超级满月,但怎样才算靠近近地点还没有任何的官方定义。

因此,一些天文学家不赞同超级月亮的称谓,因为从科学定义而言,叫做近地点满月或近地点新月更为准确。但2011年3月19日的满月,当时月亮离地球为一年中最近,也是最大的满月,媒体报道普遍采用了超级月亮的称谓,使超级月亮为大家所熟知。

超级月亮并不罕见,每年均会出现4~6次超级月亮,仅仅2015年就有六次超级月亮,分别为:2015年1月20日、2月18日和3月20日出现的超级新月,以及8月29日18:35、9月28日2:50、10月27日12:05(UTC)的超级满月。

今年9月28日的超级月亮是一年中离地球最近的,地月距离为356,896千米。而2月18日的超级新月离地球仅比9月28日远200千米,是今年的第二大超级月亮。但如果没有对月亮进行长期观测,并记录月盘大小,仅凭肉眼偶尔看看月亮,我们很难觉察觉月盘大小的细微变化。

3.超级月亮可以是新月或满月,分别称为超级新月或超级满月,超级满月可见而超级新月不可见

超级月亮可以是新月或满月,分别称为超级新月或超级满月,超级满月可见而超级新月不可见。

4.当满月从地平线升起时,我们看到的月亮似乎比它升到天顶时更大、更明亮

当满月从地平线升起时,我们看到的月亮似乎比它升到天顶时更大、更明亮

三、2017年不见超级月亮

由于月亮绕地球的轨道是周而复始的,因此,每隔1年零1个月18天,即每隔383天,我们就会迎来这样一次超级月亮,过去几年和未来几年的超级月亮分别出现在:

2011年3月19日、2012年5月6日、2013年6月23日、2014年8月10日、2015年9月28日、2016年11月14日、2018年1月2日。2017年将不会有超级月亮,因为满月和近地点不能同时出现。

再展望更远一些, 2034年11月25日的超级满月距离地球仅为356,446 km千米,在21世纪中首次出现月地距离小于356,500千米。而本世纪最近的超级满月出现在2052年12月6日,届时的地月距离为356,425千米。

月全食与红月亮

一、月全食

今年的月全食发生在北京时间9月28日上午,即中秋节之后的第二天。由于月全食发生时正值中国的白天,因此我国境内的民众不能观赏到这次月全食。但北美、南美、非洲、西亚等地区的民众将可以看到这次月全食。

月全食的成因很简单,即当太阳、地球、月亮三者在一条直线时,地球挡住了太阳照射到月球的光,形成月全食。

5.月全食形成原理图。当月亮运行到本影区域,就会发生月全食

月全食形成原理图。当月亮运行到本影区域,就会发生月全食。

月亮本身不发光,只靠反射太阳光来显示自己的存在。当月亮向着太阳的半个球面被照亮时,背着太阳的半个球面就是黑暗一片。

月亮绕地球运动,随着月亮相对于地球位置的变化,使得它被太阳照射的一面,有时面向地球,地球上就看到整个月盘被照亮,此时称之为满月;有时背向地球,地球上看到整个月盘漆黑一片,此时称之为新月。有时面向地球的亮的区域大一些,有时小一些,这就产生了娥眉月、上弦月、凸月等不同的月相。

由于月球绕地球运行的轨道与地球绕太阳运行的轨道不在一个平面上,并不是每次新月或满月时,都会发生月全食。

6.月相的形成原因

月相的形成原因。由于日地月的相互运行,太阳光在一个月中照亮月球的不同球面。地球上看到月面被照亮的部分,从阴历月初完全黑暗的新月逐渐增大到上弦月,到月中出现满月,之后被照亮的月盘逐渐变小至下弦月,直至月末再次出现新月。

二、红月亮

从地球上看到的月亮是月光穿过地球大气层看到的,它并不是真实月亮的颜色,而是经过地球大气层散射后看到的月亮颜色。月光经过地球大气后,一部分波长的光被散射掉,而另一部分波长的光可以直接穿过。

当月亮出现在低空时,月光几乎穿过整个大气层,大部分蓝光被大气散射掉,而红光没有被散射,这时的月亮看起来是红色的。当月上中天时,月光穿过的大气层相对较薄,这时月亮看起来是黄白色的。

当发生月全食时,虽然照向月亮的太阳光被地球挡住了,月亮表面无法直接看到太阳,但此时地球上的人们仍然可以看到月亮,不过此时我们将看到难得一见的“红月亮”,西方也称“血月”。

红月亮实际上是光的折射造成的,因为地球有大气层,当太阳光穿过地球大气层时,波长较短的光被大气散射掉,剩下波长较长的红光由于折射照向了月面,所以地球上的人们看到的月亮就变成了“红月亮”。

7.月食时发生的红月亮现象实际上是光的折射造成的

月食时发生的红月亮现象实际上是光的折射造成的

三、蓝月亮

如果同一个月份内看到两次满月,那么第二次满月被称作“蓝月亮”。

2015年7月的一个月内出现了两次月圆之夜,一次发生在7月1日,另一次发生在7月31日。根据历法计算,两次满月之间大约相隔29.5天左右,而我们采用的公历中有的月份为31天,有的月份为30天,这就出现了一个时间差。这个时间差会导致一个月内可能出现两次满月,也会导致一年中有可能出现13次满月。这多出来的满月就是“蓝月亮”,即意料之外的满月。

8.蓝月亮并非指蓝色的月亮

蓝月亮并非指蓝色的月亮,而是在同一个月出现的第二次满月

四、黑月亮

黑月亮的说法实际上2014年初才刚刚出现,之前我们从未听说过。当然,黑月亮也不是天文术语,而是来自于巫术。与蓝月亮相对应,当一个阴历月中出现两次新月时,月末出现的第二个新月被称为黑月亮。

2014年1月,在月初和月末出现了两次超级新月,其中第二次新月不仅是超级月亮,而且被称为黑月亮。下一次黑月亮将出现在2016年10月30日。

关于黑月亮也有别的说法,例如每季度有四次新月,其中第三次新月被称为黑月亮。据此说法,最近一次黑月亮发生在2015年2月18日的超级新月,因为这是自2014年12月冬至到2015年3月春分期间的第三次新月。而下一次超级新月的黑月亮将出现在2017年8月21日,届时美国将上演日全食。

十五的月亮十六圆

一、为什么十五的月亮十六圆

“人有悲欢离合,月有阴晴圆缺,此事古难全。”民间常有“十五的月亮十六圆”的说法,寓意好事不一定出现在你期望的时刻。据统计,过去10年间,中秋节的圆月出现在“十五”的有3次,出现在“十六”的有6次,出现在“十七”的有1次。所以,“十五的月亮十六圆”并不完全准确。

从上一个新月到出现下一个新月的周期称为一个“朔望月”,阴历初一出现的新月称为“朔”,十五出现的满月称为“望”。一个“朔望月”平均需要29.53天,月亮从新月、上弦月逐渐长大为满月,而后又逐渐瘦下去成为下弦月,之后成为一弯残月。

为什么会出现“十五的月亮十六圆”呢?

这是因为月球绕地球运行的轨道是椭圆形的,因此月球在不同位置公转的速度快慢并不相等。月亮离地球近时公转速度快一些,离地球远时公转速度慢一些。“朔”之后平均要经过14天18小时22分才出现“望”,一个“朔望月”所需最长时间与最短时间相差13个小时。因此每个月满月出现的时间也有差异。

如果“望”以前月亮走得慢,那么从“朔”到“望”需要的时间可能是16-17天,所以会出现十五的月亮十六圆,甚至是十七圆的现象。一般来说,满月出现在农历十四、十五、十六和十七都是正常的,其中以农历十五、十六居多。

今年农历八月中“望日”出现在农历十六,因此与去年一样,今年中秋仍然会出现“十五的月亮十六圆” 的天象。而且未来4年将持续如此,一直到2020年才能在中秋之夜欣赏到最圆的满月。

二、真实的月亮

月球表面的岩石主要由各种硅酸盐矿物和金属氧化物组成,包括氧、硅、铁、钙、铝等元素。看到嫦娥一号和二号卫星拍摄的月球照片是黑白色的,很多人好奇为什么没有发布月球的彩色照片。实际上,黑白色才是月球的真实颜色。

月球上颜色较深的黑斑,看起来很像地球上的海洋,是玄武岩岩浆冷却后填充的大型平原,颜色比较黑,对太阳光的反射比较弱,看上去比周围月陆区暗一些。月球上一共有22个主要的月海,包括雨海、静海、云海、冷海、风暴洋等。

除月海外,月球上颜色较浅的部分好像地球上的“陆地”,被称为月陆,月陆平均海拔高出月海2~3千米,所以也称月球高地。组成月陆的岩石主要是斜长岩,它们的颜色比较浅,看上去比月海明亮。月陆的年龄比月海更古老,遭受小天体撞击的几率更高,因此地形更加崎岖。

9.卫星拍摄的月球照片

科普中国

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仰望星空才能挣大钱

有人说,等挣够了钱,我就去沙滩晒太阳;

有人说,等有了空闲,我就去海边看星星;

可是,有些人一辈子都没有实现这样的愿望。是我们忙得连抬头看天的时间都没有了吗?而,我要告诉你的是——

仰望星空才能挣大钱

俄罗斯人尤里·米尔纳(Yuri Milner)掌管着一家风险投资基金公司DST(数字天空科技),其所投资的公司中已经出现了两家千亿美元级公司(阿里巴巴和Facebook)和数家百亿级公司(京东、Twitter等),从这些互联网巨头身上赚了上百亿美元。短短几年,米尔纳成为了世界上最有名的投资人。

但不为人知的是,米尔纳拥有粒子天体物理的博士学位。他的办公室里就有一架望远镜,随时可以观测星空。从事着精神高度紧张、压力巨大的高风险投资,米尔纳主要的放松活动就是抬头看看星星,看看科学探索频道。

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仰望星空的米尔纳

前几年,米尔纳曾牵头成立了奖金300万美元的科学突破奖,旨在奖励生命科学、基础物理和数学领域的杰出人才,而诺贝尔奖的奖金才100多万美元。今年,米尔纳更是拿出1亿美元资助地外文明搜寻计划(SETI),邀请宇宙大爆炸理论提出者史蒂芬·霍金、地外文明搜寻计划创始人弗兰克·德瑞克(Frank Drake)、系外行星发现者杰弗里·马西(Geoffrey Marcy)组成阵容豪华的科学家团队,目的只为寻找外星人。地外文明搜寻计划主要通过租用大型射电望远镜,监测宇宙中的无线电波,分析其中是否存在地外智慧生命发射的信号。虽然该计划已经坚持了几十年,但由于大型望远镜租金昂贵,每年只能租到二三十个小时的观测时间,一直进展缓慢。今后,在米尔纳的资助下,地外文明搜寻计划将长期租用位于西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和澳大利亚新南威尔斯州的帕克斯望远镜,这两架世界上数一数二的射电望远镜每年都将有几个月的时间来寻找外星人。

仰望星空能挣钱,挣了大钱找E.T.,这靠谱吗?无独有偶,拥有350多万读者、14种语言版本、美国连续出版历史最久的知名科普杂志《科学美国人》迎来创刊170周年。据第三方机构的读者调查显示,《科学美国人》的主要读者对象是科学爱好者、商界领袖、政策制定者、教育工作者、学生和科学家,其中“商界领袖”占读者总数的45%,企业高管占20%,政策制定者占21%,该比例接近或甚至超过《纽约客》、《财富》、《福布斯》、《名利场》、《连线》、《哈佛商业评论》等知名财经杂志。

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宇宙创生之柱(哈勃太空望远镜拍摄)

 

 

 

从暗淡圆点到超级明星

——“新视野号”飞越冥王星最新成果解读

原本你只是希望出去散散步,没想到却一路惊喜不断。“新视野号”获得的初步结果,让冥王星从望远镜中的暗淡圆点,变成了活力四射的萌王星,拉近了与人类之间的心理距离。 

大片上映前的小插曲

经历了近10年的漫长旅程,就在即将飞越冥王星的前10天,“新视野号”飞船突然与地面控制中心失去了联系。NASA官方网站在第一时间贴出了故障通告,一时间科学家们的朋友圈被一片惊叹号和问号淹没了,“纳尼!!??”,“新视野号”到底怎么了?

实际上,仅仅80分钟后,APL的地面控制中心就与飞船重新建立了通信联系。工程师们在分析故障原因时发现,原来,在“新视野号”即将飞越冥王星之前,地面控制中心给“新视野号”发了多条指令,要求它穿衣戴帽,防止受凉,干这干那。

“新视野号”飞船当时正执行着压缩已有探测数据的指令,以便为即将飞越冥王星的探测腾出数据存储空间;工程师们又让它执行飞越冥王星前所需的指令。飞船搭载的计算机需同时并行处理两条指令,超过了计算机处理器的处理能力,为了自保,飞船自动切换到安全模式,暂停执行一切指令。

有人会问,“新视野号”这次出远门,7.2亿美元都花了,为什么不买个好点的计算机?要知道,飞船是十年前发射的,虽然已经用了当时较先进的硬盘和处理器,但处理能力仍然捉襟见肘。航天器上的计算机属于高可靠性的航天级产品,需确保能抵抗太空辐射和高能粒子、能抵御发射时的高频振动、以及具有数十年的超长工作寿命,不同于中关村卖的民品计算机。而且,航天产品与地面设备的最大差异,在于一旦发射升空,就很难再检修,所以要事前考虑到可能出现的各种故障,并提前准备好故障预案。

在中国航天界,航天器一旦出现故障需要进行“归零”,对故障原因要求做到“定位准确,机理清楚,问题复现,措施有效,举一反三”,这也是保证我国航天发射高成功率的重要保障。相信NASA也有相似的航天工程管理规范和故障归零制度。不管怎样,地面控制中心的工程师们经过分析,准确定位了故障原因,在退出安全模式并重启计算机后,飞船指令执行恢复正常。工程师们拍着胸口向首席科学家斯特恩打包票:“在飞越冥王星的时候,不会再出现同样的问题了。”

当然,新视野号飞越冥王星前这个有惊无险的小插曲,像一部剧情跌宕起伏的悬疑片,吊足了观众的胃口,害得我等热心观众浪费了不少口香糖,以缓解紧张情绪。这像极了任何一部好莱坞大片,在最激动人心的高潮到来之前总要折腾一下观众的小心脏。

1 新视野号任务标识

好戏如期上映

“新视野号”飞越冥王星是历史性的一刻,是人类第一次从如此近距离探测冥王星。应用物理实验室举办了规模宏大的庆祝活动,迎接新视野号飞越冥王星。上千名员工和访客参加了庆典,超百家媒体云集在柯萨科夫中心,向全球直播新视野号飞越冥王星的过程。

北京时间7月14日19:49分,“新视野号”飞船抵达最接近冥王星的位置,距离冥王星表面约为1.25万千米。APL举行了第一次新闻发布会,但发布会上公布的冥王星照片并非是“新视野号”从最近处拍摄的冥王星照片,而是在距冥王星76.6万千米时拍摄的老照片, 7月14日凌晨才刚刚传回地球。这是因为“新视野号”在飞越时需要非常专注地探测冥王星,没有闲心与地面控制中心对话,所以无法传回探测数据。

20:04分,“新视野号”最接近冥卫一,距离冥卫一表面约为2.88万千米;

20:51分和22:18分,“新视野号”先后进入彻底黑暗一片的冥王星和冥卫一的背影区;

7月15日上午9:02分,“新视野号”与地面进行了15分钟短暂对话,告知它一切正常。最近距离飞越时拍摄的高分辨率图像直到15日晚上才传回地球。

由于冥王星与地球相距遥远,以光速传播的指令要4个半小时被飞船收到,而地面收到飞船发出的指令完成信号又需要4个半小时。这就像老北京见面打招呼“吃了么”,你回复一句“吃过了”,这么简单的问候也需要9个小时才能完成。所以,”新视野号”飞船的所有控制指令都是很早之前就已经精确设计好并上传给飞船,这些指令一旦执行就只能听天由命,无法中途撤回。

移动和联通由于网速太慢饱受诟病,不过它们的网速比起“新视野号”飞船的“网速”已经可谓高速。飞船发回地球的探测数据下行速率仅为1.68kb每秒,即使“爱疯”手机拍摄的2M大小的普通照片,传回地球也需要20分钟。因此,飞船飞越冥王星前后拍摄的大量照片和探测数据都将存储在飞船上的计算机中,无法立马传回地球,而是在完成近距离拍照和观测任务后,这部“大片”将在新视野号奔赴柯依伯带其他天体的漫长旅途中下载,这些数据完全传回地球需要一年多(16个月)的时间。

飞船表现堪称完美

“新视野号”飞越冥王星的任务完全按原定计划执行,飞船表现堪称完美,首席科学家斯特恩给“新视野号”打出了“A+”的高分。

“新视野号”携带了7台重30千克的科学仪器。其中包括3台光学设备(相机),分别是:远程勘测成像仪(LORRI)、可见-红外成像光谱仪(Ralph)、紫外成像光谱仪(Alice),分别拍摄可见光、红外和紫外波段的照片。可见-红外成像光谱仪拍出来的是彩色照片,远程勘测成像仪拍出来的是高清黑白照片,紫外成像光谱仪则拍摄紫外照片。

其它4台仪器:太阳风测量仪(SWAP)、无线电科学实验仪(REX)、能量粒子谱仪(PEPSSI)、学生尘埃计数器(SDC),分别测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。

“新视野号”此次飞越,搭载的科学仪器一切正常,获取的总数据量约为50GB,目前探测数据仍在陆续传回。

我们从照片中看到了冥王星表面的明亮色彩,但如果亲临冥王星,你会发现自己被骗了。因为冥王星根本没有NASA公布的照片那么亮。因为冥王星上的光照仅为地球上的千分之一。甚至比很多地方的黑夜还要黑。之所以能拍出这些明亮的照片,是因为新视野号上的相机实际上是为冥王星特殊的光照条件私人定制的高级相机。

2 图1 “新视野号”携带的科学仪器

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在人类最高科技的深空探测任务中,女性照样能顶半边天。在新视野号任务团队中有四分之一为女性成员(7月11日摄于约翰霍普金斯大学应用物理实验室)。

从无人问津到超级明星

“新视野号”飞越冥王星获得的探测数据,至少要数年的时间进行处理和分析,但目前的初步结果就已经获得了大量的新发现,让冥王星从太阳系舞台边缘无人关注的龙套配角,成为了万众瞩目的超级明星,从望远镜中曾经的暗淡圆点,变成了年轻人口耳相传的活力萌王。

可见-红外成像光谱仪拍摄的冥王星照片的最高分辨率约为60米,成像质量远超哈勃望远镜,是迄今为止最清晰的冥王星照片。不仅拍到了冥王星表面的地质结构和纹理信息,还拍到了冥王星上的云层等。现有结果表明,冥王星没有像木星、土星那样的环带结构,也没有像木卫二那样的冰火山和液态喷泉。

4 图1 新视野号任务之前,哈勃空间望远镜于2002~2003年间拍摄的质量最好的冥王星真实色彩图像。图中的明暗结构可能意味着冥王星表面的成分变化。

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新视野号发现的冥王星表面的心形结构出乎绝大多数人的意料,原本以为冷冰冰的冥王星居然如此有爱心。如今这一区域已经以冥王星发现者的名字命名为“汤博”,当然这个命名还未得到正式授权。

0 新视野号飞船于7月12日、从距离250万千米远处拍摄的冥王星图像。新视野号飞船发现冥王星居然把它的“小心脏”露了出来。由于冥王星的自转,图左呈心形的明亮区域逐渐进入新视野号的视线。似乎是冥冥之中的安排,7月14日新视野号飞船最接近冥王星时,这个世人瞩目的“小心脏”正好是它的拍摄目标。而图右下的的“牛眼”区域逐渐移出新视野号的视线。

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新视野号飞船拍摄的照片显示冥王星上的一些地形特征,左图中牛眼状的环形区域可能为撞击盆地,左下的线状结构可能为冥王星上的悬崖。与地球一样,人类也给冥王星定义了它的经纬网格,上图展示了冥王星的北极、赤道、中央经线(子午线)。

(1)冥王星长“胖”了

新视野号探测发现,冥王星的直径约为2370千米,为地球直径的18.5%,比之前的预期值大80千米。天文界曾经认为直径2326±12千米的阋神星(Eris)比冥王星更大,这也是导致冥王星被降级的原因之一。新视野号的这一测量结果再次为冥王星正名,虽然它已降级为矮行星,但仍得以保持绕日公转的第九大天体之尊,大小仅次于八大行星。月球虽然比冥王星大,但却并不直接绕太阳运转。

太阳系现在有八大行星,五颗矮行星,实际上有十三颗行星。随着我们对太阳系整体认识的深化,未来可能会有天体成为太阳系的新行星,甚至可能发现新的行星。冥王星的体积虽然小了点,但现行的行星定义并非完美无缺,是否承认冥王星是行星,也取决于天文学家是否认为行星不再是高高在上的稀缺品。一定程度上,冥王星仍然存在咸鱼翻身再次成为行星的机会。考虑到冥卫一并非真正围绕冥王星运转,冥王星和冥卫一都围绕他们的公共质心运转。所以冥卫一也有升级成为行星的机会。不管怎样,冥王星和冥卫一这哥俩此生只能共进退了。

冥王星的质量仅为地球质量的0.21%,冥王星长胖了,意味着它的体积变大了,而密度变小了。

(2)家族成员排排坐

冥王星的卫星系统包括冥卫一卡戎(Charon)、冥卫二尼克斯(Nix)、冥卫三许德拉(Hydra)、冥卫四科波若斯(Kerberos)和冥卫五斯提克斯(Styx)。“新视野号”飞船测得卡戎的直径约为1208千米,相当于冥王星直径的51%,地球直径的9.5%。冥卫二的直径约为35千米。

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冥王星和冥卫一的标准照比较。新视野号飞船上的远程勘测成像仪(LORRI)分别拍摄了冥王星和冥卫一的标准照,这张照片是他们俩的合成图像。从这张照片可以看出,冥王星和冥卫一在亮度和颜色上均存在明显区别。冥王星颜色偏红,较为明亮;冥卫一为黑白色,表面较暗淡。

7月13日,远程勘测成像仪(LORRI)从46.6万千米远处拍摄了卡戎的照片,由于图像经过了压缩,一些细节有些模糊。新照片发现卡戎北极深色区域的面积很大,但边界模糊不清。深色物质之下掩埋着一片具有清晰边界、棱角突出的地形,完全不同于表面特征。科学家推测这片深色区域很可能是被某种深色物质薄薄地覆盖在表面导致的。目前,这片区域已被非正式命名为“魔多”,即指环王游戏中的那个魔多。

照片中,卡戎的赤道以南,即这张照片的底部,斜射的阳光在冥卫一表面投出了阴影,使表面地形易于分辨,但这片区域却几乎看不到撞击坑。没有撞击坑,说明卡戎的表面相对较年轻,它曾经有过十分活跃的地质活动,改变了它的表面地形,使其变得光滑而平坦。

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图上部是一片大面积的深色区域。右上方弯曲的边缘可以看到一条深7-9千米的悬崖。中下部有一条巨大的峡谷,自左向右延伸长达1000千米,表明卡戎的地壳存在大范围破裂,可能是内部地质活动导致了这样的地形(图片来源:NASA-JHUAPL-SwRI)

冥王星最外侧的小卫星、冥卫三许德拉(Hydra)2005年才被首次发现,但不知不清楚它的形状、大小和反照率,只是一个非常模糊的光点。7月16日,新视野号首次公布了冥卫三的照片,可以清楚地确定这些参数。

冥卫三为不规则的土豆状,大小为43千米×33千米。与卡戎一样,冥卫三不同地区的亮度具有明显差异,反照率介于冥王星和冥卫一之间,表面可能被水冰覆盖。

很多网友问,NASA也太不够意思了,公布一张天体照片还要打上马赛克。可你要知道,这张照片是新视野号从距离冥卫三约64万千米远处拍摄的,照片中每个像素的大小是3千米。

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冥卫三右侧有一块直径约为10千米的圆形深色区域,成分未知(图片来源:NASA-JHUAPL-SwRI)。

(3)极度寒冷的世界

根据初步探测成果,新视野号发现冥王星的北极存在极冠,主要成分是氮冰和甲烷冰。各位请注意,甲烷从液态结成冰的温度为零下183摄氏度。而氮气在零下183摄氏度才能成为液氮,从液氮固结成冰需达到零下218.9摄氏度。冥王星极冠上分布的氮冰和甲烷冰,足以说明那里究竟冷到了何种程度。

可见-红外成像光谱仪获取的光谱数据显示,冥王星表面分布着大量的甲烷冰,但不同区域的甲烷冰又有明显差异。北极极冠的甲烷冰被厚厚的氮冰冲淡了,导致红外线被强烈吸收。在可见光照片中看起来黑乎乎的赤道区域,光谱数据中吸收红外线的程度较弱,表明赤道区域的冰没有被氮冰明显稀释,当然也可能是该区域的冰质地不同造成的。

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新视野号公布的冥王星红外光谱图像,显示了不同区域的甲烷冰具有不同的性质(图片来源:NASA-JHUAPL-SwRI)

新视野号第二次新闻发布会公布了汤博区的一氧化碳含量等值线图。数据显示汤博区西侧是冥王星上一氧化碳含量最高的区域,且分布非常集中,而冥王星上的其他区域没有发现如此集中的一氧化碳分布,其成因目前尚不清楚。

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“新视野号”探测到汤博区存在甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰,液氮都已经结成了冰,可见冥王星上该有多冷。

(4)正在逃离的大气层

从地球附近只能观察到高出表面约50千米,最高到约270千米的冥王星大气层,其上或其下都无法观察到。新视野号对冥王星的掩星观测,观察到了从表面到1600千米高处的大气分布,建立了完整的大气剖面图。无线电科学实验仪的探测数据显示,冥王星的低层大气主要是甲烷,而高层大气主要是氮气,说明冥王星上实在是太冷了,大气层中的主要成分都被冻成雪花掉下来了。

冥王星的引力远弱于地球及火星,所以对大气层的束缚力很弱。新视野号上的太阳风测量仪观测到冥王星身后有条离子成分的尾巴,这就是被太阳风裹挟带走的电离大气,表明大气正在逃离冥王星。

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从光环可以看到冥王星具有稀薄的大气层。

(5)奇特的龟甲地形

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奇特的龟甲地形

新视野号在汤博区内拍摄到了一片范围广大的奇异冰原,为纪念人类第一颗人造卫星,这片平原被非正式命名为“斯普特尼克”(Sputnik)。斯普特尼克平原表面很少有撞击坑,说明其非常年轻。

平原上分布着许多线性构造,有些地势比周围低,而有些则高出周围地形而成为一座座小山,看起来非常像乌龟背上的纹路。

对龟甲地形的成因,目前有两种可能的解释。一种认为,这种地形的形成过程类似泥浆干燥时发生的收缩过程,地球上干涸的湖底或泥塘中都可以看到类似的裂纹。另一种认为,由于冥王星内部微弱的能量释放,使冰冻的一氧化碳冰、甲烷冰和氮冰发生冻融,冻融物质的流动形成了这些线形的沟槽结构。

龟甲地形的右下方分布着一些坑坑洼洼的麻点,科学家推测该处冰原很可能经历了从固态冰直接变成气体的升华过程,留下了这些斑斑点点的痕迹,类似于我们见到的二氧化碳从干冰直接升华成气体的过程。

(6)高耸的冰山

在冥王星赤道附近区域,新视野号发现了一条年轻山脉矗立在冰原上,高达3500米。尽管冥王星的大部分表面都被甲烷冰和氮冰覆盖,但这么高的冰山不太可能是甲烷冰或氮冰构成的,因为这些物质的强度不足以支撑。该区域的冰山很可能是由水冰作为“基岩”筑成的,水冰比甲烷冰和氮冰更加坚硬,在冥王星如此低温状态下,水冰的性质就像岩石一样。

理论上,与太阳系中其他天体的表面一样,过去几十亿年间,冥王星应该遭受了大量的小天体撞击,表面应该布满密密麻麻的撞击坑。但这块面积不到冥王星表面积1%的区域,没有发现任何撞击坑,说明有比较活跃的地质活动,抹平了原先存在的撞击坑,改变了这里的形貌特征。据估算,这片区域的地质年龄不超过1亿年,跟45.6亿年“高龄”的太阳系相比,算是“年轻人”,而且,冥王星上的造山运动可能目前仍在进行。这让我们重新思考,到底是什么力量驱动了冰质星球上的地质活动。

根据太阳系行星形成理论,冥王星与其他行星一样,都是由许许多多的星子(planetesimals,注意不是“唾沫星子”的星子)吸积、聚集在一起形成的。冥王星上的这些冰山地形很容易让人联想到去年罗塞塔号拍摄到的“大黄鸭”彗星67P的表面。虽然两者的冰山高度相差很大,但冥王星上的冰山可能正是冥王星“吞噬”彗星形成的。彗星质地疏松,可以对撞击过程起到缓冲作用,砸到冥王星表面后可能并不会消失掉,而是像一坨海绵粘连在冥王星表面,留下了如今这些高耸出地表的神奇冰山。

彗星是当时形成冥王星的星子之一,这些冰山到底是不是彗星撞击残留下来的,目前还只是猜测阶段,需要更多的数据才能证伪或证实。

14 冥王星上发现的冰山。这张照片拍摄于新视野号从最近点飞越冥王星前约1个半小时,探测器距离冥王星表面月77万千米。

(7)依然年轻的心

在月球和火星等岩石星球上,放射性元素衰变产生的热量,驱动了这些天体的地质运动,产生了岩浆运动和火山喷发。个头比冥王星大的月球经过数十亿年的演化,放射性元素衰变的能量已经非常微弱,基本成为一颗僵死的天体,不再有大规模的地质活动。行星科学家对月球、火星等岩石星球上的地质活动了解较多,但对冥王星这一类冰态矮行星的地质活动的方式和能量来源知之甚少。

冥王星表面的撞击坑比较少,说明其地质活动比较强烈,表面年龄比预期的年轻。由于冥王星主要由氮冰、甲烷冰、水冰组成,岩石含量本身就比月球低,放射性元素含量可能比预期的还要低得多,可能难以驱动地质运动。

因此,冥王星这一类冰态矮行星的内部能量来源,可能完全不同于火星、水星等类地行星和月球以放射性元素衰变产生能量的过程。到底是什么能量驱动着冥王星的地质运动,支撑冥王星地质活动的能量来源依然还是未解之谜。

那么,除了放射性元素,会不会是潮汐力驱动了冥王星上的地质活动?在太阳系巨行星的冰质卫星上,我们可以看到类似的场景。如木星及其卫星作用于木卫二产生的潮汐力,使冰和液态水如喷泉般喷出木卫二的表面,地质活动十分活跃。由于固态天体伸缩产生的潮汐力较弱,需要较大质量的天体才能产生强大的潮汐力,而冥王星的个头太小,不可能通过与更大的天体发生引力互动而被加热。

七亿美金值不值

太阳系形成之初,大量尘埃和气体逐渐凝聚成为星子,星子之间的碰撞进一步长大成为行星胚胎。小行星就是这样的行星胚胎,我们用来自小行星的陨石进行了大量行星胚胎的研究,也通过深空探测活动研究了太阳系内的各大行星。但对于小行星长大成为行星的过程我们并不清楚。冥王星作为尚未长大的侏儒行星,是联系小行星和行星的中间环节。新视野号的这次探测有助于加深对行星形成过程的理解。

柯伊柏带是天文学家在1992年才发现和确认的太阳系新大陆。柯伊柏带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星,这里是短周期彗星的老家,1986年曾经造访地球的哈雷彗星就来自该带。柯伊柏带天体主要由冰块、岩石和金属组成,其成分可能不同于小行星带中的小行星。彗星是由有机化合物、冰块和岩石组成的“脏雪球”,科学界推测,太阳系中有些小行星可能就是柯依伯带彗星的挥发物丢失后的残留物。此外,一些巨行星的卫星,如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九,最早可能也起源于柯伊柏带,后由于引力摄动才来到巨行星附近。

由于柯依伯带的这些天体自太阳系形成之初业已存在,是太阳系中行星形成后的残渣,记录着太阳系最初形成时的历史,对这些天体的深入探测将帮助我们理解太阳系的起源与演化,以及地球的过去和未来。

好奇是创新的源泉,新视野号任务的目的之一是满足人类对周围环境的好奇心。无论是在荒原还是在遥远的太阳系空间,我们都应该努力探索这些未知世界。这就像如果波利尼西亚人的祖先一直待在亚洲的海滩上,他们可能永远也没有机会发现夏威夷、萨摩亚、马库萨斯群岛、复活节岛以及太平洋上的其他岛屿。正如著名科学家霍金评价说:“新视野号带来的启示,将帮助我们更深入地理解太阳系的形成,我们去探索是因为我们是人类,有求知的渴望。”

“新视野号”对冥王星和柯依伯带的探测,是一次太阳系考古发掘之旅,它的发现将改写太阳系形成理论。“新视野号”从一开始就是为了揭开冥王星神秘的面纱,面纱揭开后的奇特景象却超乎想象。原本你只是希望出去散散步,没想到却一路惊喜不断。

由于太阳系探索的任务周期十分漫长,实际上平摊到每一年所需的费用并不是很多,却足以让青少年在科学研究、艺术和人文领域追求他们的梦想。高难度的太阳系探索任务牵引了新技术的进步,培养了大量工程师、项目管理人员和支撑服务人员,激励青少年选择科学、技术作为他们的求学专业或终身职业。他们将成长为下一代的科技领袖,有助于增强我国的经济竞争力。

伟大的国家才会从事伟大的事业。太阳系探索是全人类共同的事业,是中国作为大国的重要标志。中国在太阳系探索领域已经起步并正在快速发展,在探月工程中,已经实现了环绕、着陆和巡视,并将在两年后实现月球采样返回。

深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动,也是全人类的共同使命。因此,在深空探测的任务实施中,应想方设法吸引公众的关注,尽可能让普通人获得亲身参与感,目的是争取他们的支持,同时提高公众的科学素养,为建设创新型国家奉献力量。

未来在远方

7月14日是令人兴奋的一天,新视野号成功飞越冥王星,上千万人关注了新视野号拍摄到的冥王之心。近距离飞越冥王星和卡戎后,“新视野号”调转镜头回望冥王星,利用太阳照射角很低时表面地形明暗分明的优势,观察冥王星和卡戎的表面地形。

热闹过后,科学家们更关注的是新视野号的心脏——放射性同位素温差电池。而这颗强大的心脏状态良好,至少可以保证新视野号探测器正常工作到2030年。

目前,新视野号已进入了脱离太阳系的轨道,飞向太阳系边缘的深空。下一步,“新视野号”将继续考察柯伊柏带的其他天体。目前已经遴选了两个目标天体,今年秋天将决定选择哪颗天体作为探测目标,预计2018~2019年,新视野号将飞越该天体。

目前获得的这些图片和光谱数据,只是新视野号飞越冥王星期间采集到的极少一部分科学数据。旧的问题有了答案,但新的问题接踵而至。

冥王星上是否存在季节更替?大气分层结构和物质成分是什么?

冥王星表面为什么是黄褐色的,是什么物质?

冥王星内部主要由什么物质组成?内部的能量从哪里来?

冥王星卫星的颜色为何不同于冥王星?这些卫星是如何形成的,是与冥王星一起形成,还是被冥王星捕获的?

故事远未结束,好不容易逮住了这个今生唯一的机会,“冥王星地下党”们还会继续向NASA要钱,让他们的好奇心继续实施方,去探索更遥远的未知世界。面对这片广袤的太阳系新大陆,面对这个全新的世界,许许多多的未解之谜将留给“冥王星地下党”们,以及未来一代的年轻科学家。

00 新视野号任务的主要科学发现

 注:美国行星科学研究所邹小端博士、约翰霍普金斯大学应用物理实验室David Blewett博士对本文有重要贡献

新视野号再探柯依伯带

7月14日,新视野号飞船历史性飞越冥王星和冥卫一。目前,飞船正在快速飞离冥王星、进入柯依伯带中心地带。8月29日,美国宇航局今天公布了这艘飞船的下一个目的地:编号为2014 MU69的柯依伯带天体。2014 MU69的昵称是PT1,即潜在目标一号的英文缩写,运行在冥王星以远16亿千米的轨道上。

根据哈勃太空望远镜的观测,2014 MU69直径约为45公里,比彗星大一些

根据哈勃太空望远镜的观测,2014 MU69直径约为45公里,比彗星大一些

新视野号总投资7亿美元,是美国宇航局的小型太阳系探测任务。该项目由马歇尔太空飞行中心总体负责,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室负责飞船的设计、建造和任务运行,西南研究院负责科学探测任务规划和科学仪器操作。

按照合同规定,新视野号已经圆满完成了探测任务,探测柯依伯带其他天体不是合同规定的任务,也没有经费支持。鉴于新视野号飞船目前状态良好,还有能力进行拓展任务,新视野号团队将向美国宇航局提交建议书,申请拓展任务的经费。独立专家团队将于明年评估该建议书,美国宇航局根据专家评估结论,才最终决定是否同意资助。

虽然美国宇航局已经确认2014 MU69作为新视野号飞船的下一个探测目标,但还需要经过完整的评估程序后。曾经担任航天员的美国宇航科学任务部主任John Grunsfeld介绍说,是否同意新视野号的拓展任务,需要在更高层面的行星科学工作会上讨论,我们希望拓展任务比主任务花钱更少,但仍然确保做出新的令人振奋的科学发现。

新视野号探测的区域光线非常暗弱,太阳辐射能量只有地球上的千分之一,飞船没有太阳能电池板,无法靠太阳能发电。新视野号安装了一个反应堆,携带了10.9公斤二氧化钚,通过放射性燃料衰变发电,提供给飞船上的各种仪器使用。新视野号携带的常规燃料只有66公斤,通过常规燃料点火给飞船提供动力,改变飞行轨道。这66公斤燃料就像一个液化气罐,每点火一次,燃料就变少一点。因此,新视野号下一个探测目标只能在原先的飞行轨迹附近选择,不能偏离原轨迹太远,否则它携带的燃料不足以进行轨道调整。

由于燃料有限,新视野号飞船的下一个探测目标需要尽早确定。10月下旬和11月上旬,飞船将开展一系列的轨道机动,使其朝着2014 MU69飞行,并于2019年1月1日飞越探测目标,庆祝地球新年的到来。但如果迟迟未能决策的话,延迟实施这些轨道调整动作将需要消耗更多的燃料,并增加任务风险。

2014 MU69是柯依伯带中的一种古老天体类型,形成于其现在所在的轨道区域。据新视野号首席科学家、西南研究院研究员斯特恩介绍,去往该柯依伯带天体只需要消耗很少的燃料,比其他候选目标的燃料消耗要少得多。由于新视野号下一步要去的目标了解很少,所以需要尽可能节省燃料,以应付这些难以预见的意外情况。

新视野号飞船最初的设计目的是飞越冥王星及其卫星,在可能的情况下探测其他柯依伯带天体。设计时,飞船携带了飞越柯依伯带其他天体所需的肼燃料,通信系统的设计可以满足比冥王星更遥远天体的探测,飞船上相机和光谱仪都可以在比2014 MU69更暗弱的光照水平下成像。新视野号的心脏——放射性同位素温差电池,至少可以保证新视野号正常工作到2030年。目前,新视野号目前距离地球49亿公里,刚刚开始向地球发送飞越冥王星时存储在飞船硬盘中的大量图像和其他数据,飞船运行一切正常,状态良好。

与火星和木星之间的主带小行星不同的是,柯伊伯带天体离太阳更遥远,只受到很微弱的太阳光照加热,因此得以保存完好,记录着46亿年前太阳系刚刚形成时的历史。2003年,美国科学院曾经发布了行星科学十年规划报告——“太阳系中的新前沿”,这也是指导美国宇航局太阳系探测的纲领性文件。该报告强烈推荐未来的探测任务去飞越冥王星和其他的小型柯依伯带天体,尽可能了解这片未探索区域不同的天体类型。PT1是柯依伯带中完全不同于冥王星的天体类型,因此新视野号的拓展任务选择飞越这种类型的天体,有助于实现规划报告提出的目标。

寻找新视野号下一步探测目标的努力实际上四五年前就已经开始了,但要找到合适的柯依伯带天体绝非易事。科学家用地球上最大的地面望远镜从2011年开始搜索,发现了几十个柯伊伯带天体,但没有一个是新视野号的剩余燃料可以到达的。2014年夏天,科学家不得不借助功能更强大的哈勃太空望远镜来搜寻目标,共发现5个目标,但根据新视野号的飞行轨迹,只有两个目标符合要求,2014 MU69就是其中之一,也是新视野号团队向美国宇航局建议的唯一目标。

据估算,PT1的直径约为45公里。虽然PT1的体积仅为冥王星的0.5-1%,质量仅为冥王星的万分之一,但已经比罗塞塔任务探测的典型彗星(楚-格彗星)的直径大10倍,质量大上千倍。因此科学家相信,PT1可能是太阳系中用于构筑像冥王星这样的大型天体的砖块原料。

冥王星上的龟甲地形,箭头所指为冥王星表面平原上的泥裂状沟渠和山丘,红圈区域可能是冰升华后形成的麻点状地形。1英里=1.61千米。图/NASA,JHUAPL,SwRI

冥王星上的龟甲地形,箭头所指为冥王星表面平原上的泥裂状沟渠和山丘,红圈区域可能是冰升华后形成的麻点状地形。1英里=1.61千米。图/NASA,JHUAPL,SwRI

冥王星上发现的冰山。这张照片拍摄于新视野号从最近点飞越冥王星前约1个半小时,探测器距离冥王星表面约77万千米。图/NASA,JHUAPL,SwRI

冥王星上发现的冰山。这张照片拍摄于新视野号从最近点飞越冥王星前约1个半小时,探测器距离冥王星表面约77万千米。图/NASA,JHUAPL,SwRI

“就像新视野号飞越冥王星时带给我们非常震撼的科学发现一样,近距离飞越柯依伯带天体,可以让我们了解很多地球上永远无法获知的信息,”新视野号科学家团队成员、西南研究院研究员约翰·斯宾塞认为,“新视野号飞越柯依伯带天体将获得清晰的图像和其他数据,将从根本上改变我们对柯依伯带和柯依伯带天体的认识。”

行星的表情说明了冥王星被降级后的不满情绪。非正式民意测验显示冥王星是美国小学生最喜欢的行星,其行星地位不保引起了世界范围的人们带感情色彩的反应。

行星的表情说明了冥王星被降级后的不满情绪。非正式民意测验显示冥王星是美国小学生最喜欢的行星,其行星地位不保引起了世界范围的人们带感情色彩的反应。

人类为什么要探索太阳系?

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 释放好奇的力量

引子:1970年,非洲国家赞比亚的Mary Jucunda修女写信给美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心科学副总监Ernst Stuhlinger,质疑地球上还有这么多孩子吃不饱饭,为什么NASA要花费数十亿美元去探索火星。Ernst Stuhlinger在回信中答道,太空旅行是一项充满挑战的事业,通往火星的航行并不能直接提供食物,解决饥荒问题。然而,它所带来大量的新技术和新方法可以用在火星项目之外,这将产生数倍于成本的收益。

今天的中国面临着同样的问题,我们的医疗、教育、住房等民生项目需要大量经费,为什么还要花钱去探索月球、火星和太阳系?其实,我们用于太阳系探索的经费非常微不足道,即使我们停下探索项目,也无法立即满足这些民生需求。世界航天强国已经探测了太阳系内的所有天体类型,而我们才刚刚开始探测月球。太阳系探索是全人类共同的事业,这一事业关乎人类未来的命运,关乎我们国家和民族的未来。一个国家的目光看得足够远,这个国家才有光明的未来。如果几十亿投资能够牵引航天技术的跨越式发展,能够扩充人类的认知疆界,被全人类持久关注和深刻记忆,这无疑是占世界人口四分之一的中华民族对全人类的贡献。

好奇,遂上下而求索

好奇是创新的源泉,探索未知世界是人类的天性。太空探索的本质是鼓励创新和探索,浩瀚的宇宙,壮丽的星空,让人类的好奇心得到充分释放。

从空间上讲,宇宙无边无际,即使小到太阳系,其半径也达10—15万个天文单位,是一个非常广阔、非常巨大的空间。从太空中回望地球,我们发现,相比宇宙、太阳系而言,地球只是茫茫宇宙中一个暗淡的蓝色圆点,一个非常小的、毫不起眼的地方。

从时间上讲,宇宙的年龄为137亿年,太阳系的年龄为46亿年,都经历了非常古老、极其复杂的演化历史。相比之下,人类在地球上的历史只有200万年,人类文明的历史只有短短5000年,工业革命至今只有数百年,而人的一生只有短短的几十年,相对于宇宙和太阳系的历史而言可谓白驹过隙。

人类数千年来只能用肉眼观察星空,借助望远镜观测宇宙的历史只有四百年,利用航天器开展太空探索的时间仅有半个多世纪,人类迄今为止对宇宙的认识仍然非常有限。无论我们多么努力地探索和求知,面对广阔而巨大的宇宙,我们始终是那么的无知。因此,人类探索太阳系的第一个原动力来自探索未知世界和未知领域的冲动,我们渴望了解地球以外的世界,希望探访太阳系中的各类天体,这一过程显著推动了基础科学的进步。

探索,促技术之进步

探索太阳系使人类的技术能力得到了显著提升。太阳系探索面对的是未知的天体目标、特殊的天体环境,从地球出发,要历经长期飞行,才能实现对这些天体的飞越、环绕、着陆和表面巡视探测,这一过程几乎逼近人类航天技术能力的极限,一旦实现,将使航天技术得到显著提升。

探索太阳系的起源和演化是人类开展太阳系探测的终极目标,日益增长的科学需求是牵引航天技术跨越式发展的主要动力。太阳系不同类型天体的环境往往与地球环境存在很大差异,需要采用创新性的技术才能适应和克服这些环境。例如,木星以远的行星探测需要穿越小行星带,奔赴探测目标需要先从其他行星附近飞越以实现借力飞行;小行星带以远的太阳系探测,由于太阳辐射微弱,太阳能电池板已无法满足需求,必须开发太空核能技术以供应探测器所需的能源,由于距离遥远又对航天器的轨道设计、测控通信、数据传输和能源供应提出了更高的要求;金星表面大气压力约为地球的90倍,降的是强腐蚀性的酸雨,登陆探测难度极大,采用浮空气球是探测金星的可能途径,但这一技术在行星探测中还没有任何成功先例;彗星和小行星的直径一般只有数千米至数十千米,结构松散,体积和重量较小,探测器无法被其引力捕获,如何才能实现对这种“不合作”天体的环绕伴飞和表面附着,又能避免撞击,这对航天器的控制精度提出了很高的要求。

随着对太阳系天体的了解不断深入,针对新提出的科学问题,探测任务早已不再局限于拍一些照片,探测需求变得十分多样化。例如,为了精确测定天体表面的磁场强度,需要将测量磁场的探头从舱内向外伸出10米以上,以避免金属制造的航天器舱体对磁场测量产生干扰或屏蔽。而航天器发射时都是紧密包裹在一起的,如何实现太空伸杆又是一个新的命题;由于天体表面的岩石长期暴露在太空中,受到了风化,行星地质学家们非常希望像在地球上进行野外调查那样,敲开行星表面的石块,通过放大镜观察岩石的新鲜断面,以研究行星的形成和演化过程,为实现这一功能,需要行星表面探测器的机械臂具备敲击、研磨、钻孔和显微成像的能力。

总之,太阳系探测需要优化的轨道设计,新的测控体制、激光通信和数传技术,小型化的太空核能反应堆,以及多功能、轻小型、长寿命的科学探测设备等,这些探测需求直接推动了航天技术的跨越式发展,牵引人类的知识、能力、技术取得新的进展。因此,太空探索是人类社会文明进步的动力源泉。

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进入航天时代以来的过去五十多年,人类探索的足迹已经抵达了太阳系内所有的主要天体类型,这一过程显著地提升了人类的技术能力,特别是航天技术和地外生存的能力,极大地扩充了人类的知识疆界,这些科学和技术成果不断地修改我们的教科书,鼓舞和吸引着未来年轻一代的探索者(图片来源:美国国家地理) 

 

寻“宝”,缓环境之重压

为缓解人类对地球资源和环境的焦虑,我们应该在太阳系中寻找另一个家园。随着人口数量的增长,石油、天然气、金属矿产等地球资源将逐渐枯竭,难以承受我们日益增长的需求。随着生活水平的提高,人均资源消耗量和污染排放量也快速增加,人类面临巨大的环境压力。

然而,地球环境的容量是有限的,不会允许我们这么折腾,一旦突破环境容量的阈值,人类将受到大自然的报复。我们已经看到,由于人口过多,生存的竞争让许多人变得只顾眼前,我们无暇看看壮丽的星空,无法思考关系人类未来的深远问题。挤公交、闯红灯、抢电梯、捞实惠,我们争先恐后,唯恐慢了半步;面对弱者和不幸,我们没有及时伸出援手;有的人在公共场所乱涂乱画,大声喧哗,完全不顾及他人感受;有的人在万米高空大打出手,全然不顾在飞上高空的瞬间航班上的每个人就已成为命运的共同体;我们只看重眼前的物质财富,只看重对我们“有用”的东西,我们对周围事物的容忍度越来越低。

由于星际飞行理论还没有实质性突破,人类的探索范围在相当长的时期内将局限在太阳系内。因此,太阳系探索的一个重要目的是在太阳系中寻找人类的第一个家园。虽然我们尚不具备向那里移居或实现大规模移民的能力,但一定要先找到这样的行星,了解他们的环境,研究开发利用之道。从长远看,当未来航天技术高度发达,行星际运输成本大幅下降的时候,现在的月球、火星、木卫二、土卫六将成为太阳系中人类定居的一个个“岛屿”,而地球是这些岛民共同的故乡。

灾难,宜未雨而绸缪

地球和人类面临的重大天文灾难是太阳系探索的主要动力。纵观地球历史,人类将面临超级太阳爆发、小天体撞击地球、地球磁极倒转、伽玛暴和高能射线爆发、超新星爆发、外星生命攻击等不同类型的重大天文灾难。其中,小天体撞击地球是危险等级最高的天文灾难,时刻威胁着地球和人类的可持续发展,需要全世界科学界共同应对。根据太阳系探测的结果,我们在月球、水星、火星、行星的卫星、小行星等天体的表面都发现了密密麻麻的撞击坑,这正说明地球也曾经遭受过大规模的、频繁的小天体撞击。目前全世界已经确认的撞击坑已经将近200个,未发现和未确认的撞击坑更多。小天体撞击曾经导致地球环境的剧烈变化和大规模生物灭绝。例如,6500万年前有一颗小行星撞击地球,撞击地点可能在现在的墨西哥湾。这次撞击激起的大量尘埃进入地球大气对流层之上的平流层,挡住了太阳光,导致全球海洋冻结,极地冰盖扩大,地球表面气温骤降,气候环境发生剧烈变化,大约80%的生物种类灭绝,曾经独霸地球的恐龙从此消失。离我们较近的小天体撞击发生在1908年,俄罗斯西伯利亚的通古斯地区遭受了小天体撞击,引起数千平方公里的森林大火,大量动植物遭受生态灾难。1994年,“苏梅克—列维9号”彗星被木星强大的引力捕获,整颗彗星被撕裂成21块碎片,像一列太空列车一般先赴后继地撞击木星,在气液态的木星表面形成了一连串斑块,每个斑块的大小甚至相当于整个地球。假如“苏梅克—列维9号”彗星的碎片撞击地球,很可能现在人类已经不存在了。最近的例子发生在2013年2月15日,恰逢阖家团圆的中国农历春节,人们通过电视镜头目睹了发生在俄罗斯西西伯利亚的车里亚宾斯克的小天体撞击事件。伴随着一道白光划过天际,几声巨响之后,一个小天体穿过大气层撞击地表。孩子们上学的教室和工厂厂房被破坏,造成大约1500人受伤和7200座建筑物损毁。而后的研究发现,这个小天体只是一个非常小的小行星碎片,进入地球大气层之前的直径仅为18米左右。如果是直径为公里级的小行星撞击地球,则完全可以摧毁一座城市,引发大规模的自然灾难。

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1994年7月17日4:15至22日8:12的5天内,苏梅克—列维9号彗星被木星强大的引力撕裂成21块碎片,前赴后继地撞向木星,释放的能量相当于在木星上引爆了20亿颗原子弹,在木星上形成的伤疤几乎可以装下整个地球。

 

这些小天体撞击地球的例子并非危言耸听,而是希望提醒大家,地球和人类社会时刻面临着这些毁灭性的重大天文灾难。为应对小天体撞击灾难,我们首先需要监测这些对地球具有潜在危险的小天体,精确测定他们的轨道,预测和预报小天体撞击地球的可能性。其次需要开发新一代航天技术,改变这些具有潜在威胁的小天体的运行轨道,规避撞击地球的风险。在确有把握规避小天体撞击之前,我们需要发展载人航天和地外生存技术,让人类的足迹从地球出发,登陆月球和火星,在地球之外开辟另一个生存家园。只有进行充分的准备,在人类面临灭顶之灾的时候,才有能力避免像恐龙那样成为仅仅出现在地层中的化石,在地球或外星球上延续人类的火种。

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小行星撞击地球是人类未来面临的最大危险之一

从根本上说,人类未来的命运取决于我们对自然界的理解。开展太阳系探索的主要目的是促进科学探索和技术创新,寻找资源和预防灾难,加深对自然界的理解,造福人类社会。因此太阳系探索是全人类共同的事业。

从地球出发,月球是离地球最近的一个天体,离我们只有38万公里,是永不坠落的天然空间站。但月球上没有大气层、没有磁场、没有氧气、没有水、也没有任何形式的生命。月球是一片荒漠,并非是人类宜居的好地方。然而,把月球作为试验平台,通过载人月球探测突破技术,积累经验,是实现载人深空探测和长期地外生存的合理途径。因此,月球是人类向深空进军的必经阶段和重要中转站。

火星,移民新居所

环顾整个太阳系,我们可以发现,火星其实是人类移居的最理想场所,也理所当然地成为世界各国太阳系探测的战略焦点。目前,火星探测已经从早期的全球普查,逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测;从火星找水逐步转到寻找生命信息。火星上已经发现了大量三角洲、冲击扇、沟渠等流水侵蚀地貌;一些盆地中的盐类物质与中国柴达木盆地中的干涸盐湖十分相似,说明火星上曾经发育过大型湖泊;2007年发射的凤凰号着陆器直接探测到了火星土壤中的水蒸气;这些证据表明火星表层土壤或许就像青藏高原的冻土层一样,仍然含有水。科学界越来越清晰地认识到,火星是人类面临重大灾难时最有可能移居的避险地。

火星上有水已经得到确证,那么火星是否适合生命生存呢。生命科学的研究发现,生命可以在很多极端环境和极限条件下生存。细菌和孢子可以在非常寒冷、干燥、隔绝空气的环境下休眠数百万年,在环境条件适宜时重新获得新生。科学家在地球上模拟火星上的辐射、磁场、昼夜温差等环境条件,结果表明10000个被测试的样品中有6个食杆菌属的细菌在30天的试验后仍然存活,证明微生物可以在火星上长期存活。这一实验验证了人类改造火星的一种可能,即把低等微生物作为先锋生物释放到火星表面,通过这些作为先锋队的低等生物吸收二氧化碳,释放氧气,逐步改造火星环境,最终使之适合人类生存。

需要特别说明的是,我们目前已知的任何一个地外天体上的环境,对人类而言都是非常严酷的。新闻报告中宣称的宜居星球、第二个地球、超级地球等新潮概念,仅仅是这些星球的某些环境条件与地球相似,整体上仍然与地球环境相差甚远。因此,地球是人类唯一的家园,也是最好的家园。一旦离开地球,我们可能找不到比地球更好的、适宜人类生存的环境。“保护地球,保护环境。”不是一句空洞的口号,而是人类在透视寰宇,探索整个太阳系之后的客观现实。迄今为止,只有地球具有最适宜人类和生物生存的环境,如果地球环境被破坏,人类将很难再找到第二个真正的地球。

“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。人类首先小心翼翼地穿出大气层,然后将征服整个太阳系。”“人类现在的能力尚且有限,但已经改造了地球表面。几百万年后,人类将有能力改造地球表面、海洋和大气,可以像控制地球一样控制气候变化和太阳系。人类将穿越太阳系,到其他恒星去寻找新的能源,替代已经老化的太阳。”——航天之父齐奥尔科夫斯基。

人类一直有一个梦想:飞出地球,在太空中找到第二个“地球”——一个新的人类家园。新家园探索的第一步是太阳系探索,特别是在目前地球人口快速增长,资源消耗惊人,环境破坏严重的情况下,人类更有必要加快太阳系探索的脚步。那么,什么是推动太阳系探索的原动力?未来,人类是否可以实现大规模的太空移民?如何才能实现向地外移民的梦想?哪里是人类的未来家园?

4 5 红色的火星是人类未来希望之所在

中国登月梦·未来智慧城 ——人民网“未来论坛”访谈

2015年06月10日15:24    来源:人民网1

欧阳自远院士在大屏幕前留影(人民网 刘子溪摄)

人民网北京6月10日电 5月5日,中国科学院院士欧阳自远、中国科学院地质地球化学研究所研究员林杨挺、国家天文台副研究员郑永春做客人民网,就“中国登月梦 未来智慧城”相关话题与网友在线交流。

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欧阳自远、林杨挺、郑永春在大屏幕前留影(人民网 刘子溪摄)

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欧阳自远等嘉宾在直播间访谈(人民网 刘子溪摄)

人民网:登月工程对于国家的科技发展,对于社会进步以及人民生活的提高、综合国力的提升有什么样的意义和影响呢?

欧阳自远:对于月球,联合国有一个规定,不能在月球上占有土地,不能殖民。但是,谁先开发利用,谁先获益。中国以前没有资格谈月球问题,因为你去不了。我们中国为什么发展月球探测?一是形势,航天发展的必然规律。另外,我认为第二点更重要的,刚才林杨挺研究员提到了,它可以带动一系列高新技术的发展。美国的“阿罗波计划”,带动了整个上世纪60年代、70年代20多年,可以说几乎全世界全部的高新技术的发展,因为它提出了很多新的要求,整个世界产生了很多很多高新技术的工业群体,航天航空、军事、通信、材料、医疗卫生、计算机、其他民用科技等等,这对现代的科技发展打下了一个非常重要的基础。

人民网:中国在搞登月工程,中国登月工程的目的是什么?

林杨挺:我们现在不能说在搞登月工程,我们现在还是在探月,因为登月是让人上去的,所以现在还是探月的阶段。原来嫦娥工程分三期,一期、二期现在已经完成了,就是“绕”和“落”。“回”我们正在做,比如2017年、2018年可能样品会回来,这些都属于第一阶段的无人月球探测工程。载人登月的计划与方案已经讨论了很多,现在还没有公布明确的方案与时间表。

人民网:人类都在探索,能不能找到一个新的家,一个新的地球。郑永春研究员,能否跟我们讲一讲,第一是有没有这种可能性?

郑永春:我们在太阳系和宇宙里面,哪里才能找到这样一个宜居地?从地球出发可以发现,月球是离地球最近的一个天体,它离我们只有38万公里,人类要去深空探索,第一步必须先到月球,然后才有能力飞的更远。但是,在整个太阳系里,月球并不是人类可以居住的一个好地方。因为月球上没有氧气、没有大气层、没有水、也没有任何形式的生命,所以月球就是一片荒漠。从月球飞往更远的深空,可以发现,火星其实是人类移居的最理想场所。

人民网:中国搞登月工程,怎样培养自己的人才队伍呢?

欧阳自远:我们要培养出一支队伍来。不光是绕地球转的队伍,而且我们要探测太阳系的一支队伍,在科学上、在人才培养上,只有通过这种实战,才能把人锻炼提高。现在看看“嫦娥”的所有各方面的领导,都是年轻的一支队伍,太了不起了,这才是我们共和国的实力。

视频链接:

http://unn.people.com.cn/GB/395908/396423/index.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-50811-899199.html  此文来自科学网郑永春博客,转载请注明出处。

 

另一个地球不是地球

郑永春

 7月24日凌晨,美国国家航空航天局(NASA)发布了一个“大”新闻,宣布开普勒太空望远镜发现了“另一个地球”——开普勒-452b(见科技日报7月24日1版报道)。一觉醒来,第二个地球的帖子刷爆朋友圈,内心激动、心潮澎湃者有之,脑洞大开、卖萌无限者有之,自然也有“切”的一声、扭头不屑者。

NASA提前3天预告的这次发布会吊足了大家的胃口,但实际的科学分量并不值得如此大张旗鼓。毕竟开普勒望远镜前几年已召开过数次发布会,数次宣布发现了第二个地球、超级地球等,只不过这颗系外行星是迄今为止最像地球的。我们实际上只确切知道开普勒-452b的直径和轨道周期与地球相似,位于母恒星的宜居带内,但到底有无生命、大气、海洋、陆地,我们一概不知。所以第二个地球不是地球,人类未来的命运系于太阳系内的地球,除了它,我们别无所依。

以笔者的分析,NASA组织的这次新闻发布会更像是开普勒太空望远镜向全球公众,特别是美国政府、国会和纳税人的“汇报演出”,目的是告诉他们,你们给的6亿多美元花完了,但这些钱没有白花,开普勒-452b只是被拿来消费的一个噱头,希望争取到进一步的研究资助。

NASA不仅是一个庞大的航天科研机构,也是一个政府部门,在新闻素材的饥渴发布和吸引公众关注方面已十分娴熟。类似的操作手段其实已屡见不鲜。这些操作既塑造了它良好的公众形象,也回应了公众期待,值得我们借鉴。他们在实施新的太空探索计划时的无畏无惧,在发布科学成果时的充满自信,以及遭遇挫折时的无限自嘲,生动地传递着科学价值和探索精神。

在发明汽车、铁路和飞机前,我们去哪儿都觉得挺远的;在进入太空时代前,我们认为脱离地球就无法生存;在实现星际穿越前,第二个地球遥不可及。然而,未来的路还很长,人类现在探索宇宙的努力,将变成决定未来命运的重要力量。

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富氧的大气层、完美的偶极磁场、大片的陆地和海洋,这一切我们视为稀松平常、视为理所当然,然而从整个宇宙、整个太阳系的角度来看,这些实乃稀世珍宝、独一无二

 

原文刊载在2015年7月24日的科技日报第1版

 

图片来自网络,仅供示意。