好奇是创新的源泉

按:太空探索的本质是鼓励创新、鼓励探索,使人类在认识宇宙的过程中用科学武装自己;探索太空的过程允许冒险,允许失败,让人类的好奇心得到充分释放。浩瀚的宇宙,壮丽的星空,让人类的目光更加深邃,心灵更加宁静,道德行为遵守规则,为人处世态度谦和。

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好奇是人类的天性

“星垂平野阔,月涌大江流”。浩瀚的宇宙,让人类的好奇心得到充分释放。

好奇是人类创新的源泉。除了生存必需,我们如今所享用的绝大多数文明成果都源于人类的好奇心。地球已经不可能有新的大陆供我们去发现,也很难再有大规模的新物种产生。当我们对地球和地球生物的了解与日俱增时,就会对他们的存在越来越熟视无睹,甚至认为地球万物本该如此,没什么可奇怪的。就在我们对地球万物产生审美疲劳,试图把整个地球都数字化后存进电脑的时候,宇宙为我们打开了一扇窗,让我们再一次认识到世界之广渺和宇宙之无穷。

天文理论的产生无一不是以人类丰富的想象力为基础,在理论推测的基础上,逐渐被观测到的天文事实所证实的。例如,宇宙始于大爆炸,是从一个质量无限大、体积无限小的极紧密、极炽热的奇点逐步膨胀到现在的状态的,宇宙现在仍在不断膨胀;银河系中可能有100万个恒星级黑洞,但目前只找到了17个;在超强引力作用下,时空是可以弯曲的,借助于连接两个不同时空的狭窄隧道——虫洞,人类可以从一个时空穿越到另一个时空……宇宙之壮阔,远远超越人类的想象力。

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我们的宇宙创生于137亿年前的一次大爆炸,一直膨胀至今。图左的绿色椭圆表示宇宙微波背景辐射,是宇宙大爆炸之后留下的痕迹。1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊因发现宇宙微波背景获1978年诺贝尔物理学奖。2006年美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性获诺贝尔物理学奖。

宇宙是一个天然的巨型科学实验室,以至于天文学研究需要一套专门的度量单位来描述数字之巨大。地球和太阳之间的平均距离约等于1.5亿千米,被定义为一个天文单位;光年是天文学常见单位,光速为每秒30万千米,1光年相当于94605亿千米;在银河系中,太阳只是一个中等质量的普通恒星,质量为1.9891×1030千克,是地球质量的33万倍。太阳质量是我们在描述其它恒星时常常用到的单位。

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时空弯曲和时间隧道在宇宙中可能真实存在

天文事件的巨大能量释放、超长时间跨度、超大空间尺度远远超越了人类的认知极限,使得在实验室内模拟天文过程变得异常困难。因此,人类对太空的想象,很大程度上是以我们所认识的地球上的事物为基础的。例如,水是生命之源,生命的产生需要水、有机物和适宜的温度。于是我们寻找地外生命,总是通过在宇宙中寻找有机物,寻找液态水,寻找位于恒星附近温度适宜的“宜居带”中的行星,特别是与地球大小相近的行星,来判断是否可能存在生命;我们发现水在太阳系里其实非常丰富,在太阳系边缘的冷库中,储存着数倍于太平洋的水量;我们在太阳系、银河系中发现了嘌呤、核苷酸、氨基酸等许多复杂的有机物……遗憾的是,我们至今没有发现任何的生命,哪怕是最低级的生命形式——单细胞。

 

 

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火星上发现沉积岩,证明火星曾经有过长时间的大规模水体活动

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火星表面发现水流冲刷痕迹和湖泊遗迹

也许宇宙中的情形与我们已经认识的事物截然不同,以地球的认识为基础来探索宇宙或许是错误的。也许地外生命的存在完全不需要水,他们可以喝着甲烷或其他液体;也许地外生命不是以碳链组装的有机物,而以硅链组装的;也许地外生命可以生活在极端的温度和压力下,人类所谓的宜居,只是因为我们自身适应罢了。因此,在恒星周围的宜居带内寻找生命可能并非有效途径。

对于宇宙,我们可以有无数的想象,但太空的奇特一定远远超越我们的想象。我们的宇宙有上千亿个星系,每个星系都有上千亿颗恒星,我们的太阳只是数千万亿亿颗恒星中的一员。因此从概率分析,地外生命的存在是必然的。但人们想象中的地外生命或三头六臂,或绿皮白发,总脱不了人的基本形状。实际上,地外生命或许具有高度智慧,或许刚处于生命萌芽,但与人类同步进化、具有相似智慧的可能性却是最小的。一种可能是地外生命远比人类落后,还处于极为低端的生命状态,如果不借助超级巨型望远镜,他们根本无法知道我们的存在。地外生命和人类就像分别在太平洋和大西洋中的两条小鱼,它们之间碰面的概率近乎于零。另一种可能是地外生命比人类更为智慧和先进,甚至控制着整个宇宙。既然他们有能力让宇宙从大爆炸中诞生,也应该有能力让它毁灭。等到他准备“关机走人”的那一刻,就是人类的末日,所以人类的未来与宇宙的命运息息相关。

人类对太阳系的认知就是在好奇心的驱使下不断拓展的。中国和世界其他国家的古人很早就注意到天空中运动的天体,中国古代五行学说中的五行最早就是指水星、金星、火星、木星、土星这五个天体,这也是人类肉眼可见的五颗行星。行星(Planet)最早的定义源自古希腊,是指在星空中游荡的天体,这是相对于位置固定不变的恒星而言的。在亚里士多德、托勒密的地心说时代,人类认为有七颗行星,把每天东升西落的太阳和月亮也都视为行星,而地球是宇宙的中心。在哥白尼的日心说确立之后,人类根据行星的运行规律认识到他们并非绕地球运行,而是绕太阳运行。地球只是行星中普通的一员,并非宇宙中心,天空中的行星数量变为六颗。

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太阳系八大行星和月球。上面四颗是类地行星,具有岩石组成的固体表面;下面四颗是类木行星,是由气态和液态物质组成,没有岩石组成的表面。

是否存在比土星更远的行星呢?这种好奇心驱使全世界的天文学家开始搜寻第七行星。1608年望远镜发明后,业余天文学家威廉·赫歇尔(W.Hersche)致力于磨制更高放大倍数的望远镜,他制造的望远镜比英国皇家天文学会的专业望远镜性能更优。1781年,赫歇尔利用望远镜开展系统搜寻,最终发现了天王星,成为利用现代科学技术观测发现行星的第一人。

天王星外是否还有行星呢?太阳系第八颗行星海王星的发现归功于数学家的贡献。天王星发现后,天文学家发现其轨道存在扰动,推测可能是未知天体的引力干扰着天王星的轨道。法国数学家勒维耶和英国数学家亚当斯根据牛顿力学推算出了未知行星的轨道,而后的观测终于发现了海王星。

那么,太阳系是否存在第九行星呢?上世纪初,美国天文学家罗威尔曾经痴迷于寻找火星上的运河和火星人,并捐资成立了私人天文台,聘请科学家来寻找火星文明。但后来的证据却表明火星运河和火星人纯属虚构。罗威尔一生坚信海王星之外还存在一颗X行星,但直至去世也没有找到这颗行星。然而,这种没有功利目的好奇探索反而收获颇丰。1930年,罗威尔天文台招聘的农家少年、年仅22岁的观测助理汤博,通过在亚利桑那高原寒冷的观测室里孜孜不倦的巡天观测,终于里发现了冥王星。这是首次由欧洲大陆之外的天文台工作人员发现太阳系内的行星,这一发现成为世界科学中心从欧洲大陆向北美大陆迁移的重要事件。冥王星的发现一直被美国人津津乐道,引以自豪,甚至在长达半个多世纪内被称为“美国行星”。

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海王星轨道以外的太阳系空间有一个由冰冻天体组成的柯伊伯带,冥王星是柯伊伯带的最大天体。柯伊伯带以外还有长周期彗星的发源地奥尔特云,太阳系远比我们已经了解的要丰富得多。

       冥王星之外是空空荡荡的吗?好奇心驱使美国麻省理工学院的大卫.朱维特和研究生刘丽杏,继续搜寻冥王星之外的太阳系空间。经过五年的艰苦搜寻,终于在1992年发现了第一个柯伊柏带天体“1992 QB1”,成为一系列太阳系新发现的开端。由于在冥王星附近发现了比它更大的天体,直接挑战了冥王星保持半个多世纪的行星地位,并导致冥王星在2006年被降级为矮行星。然而,冥王星却从最具争议的行星,摇身变成了太阳系柯伊柏带数以万计冰冻天体的“领头羊”。

柯伊柏带之外是否还有新的行星?太阳系的尽头在哪里?好奇心将驱使人类继续拓展太阳系的认知边界。

好奇是人类的天性,探索未知世界是人类本能的行为。小鸟为什么喜欢歌唱?人为什么热爱自然,喜欢旅行?这些都不是生存所必需的,却是理所当然的。因为小鸟天生就喜欢歌唱,因为人类天性就热爱探索,这是兴趣使然,好奇心使然。

 

本文原载2015年2月的《中国社会科学报》科学与人文版。

修改后的版本载于华东理工大学道器微信公众号。

联系作者:zyc@nao.cas.cn

图片来自网络,仅供示意。

科普:月球岩石和土壤

通过地基天文望远镜对月观测、太空望远镜和环月卫星的遥感探测、以及无人驾驶月球车和阿波罗宇航员的月表巡视勘查,目前已经知道几乎整个月球表面都覆盖着一层细粉状的风化物质——月壤(Lunar Regolith),也就是月球表面的风化物质层。

由于长期的小天体撞击,大块的基岩仅出露于陡峭的山脉、撞击坑和火山通道的峭壁等处。

月壤是指覆盖在月球基岩层之上全部风化物质,甚至包括或卧、或埋于粉状风化物中的直径数米的岩石。

狭义的月壤指月球土壤(Lunar Soil),是根据阿波罗采集的月球样品的分类处理进行定义的。

科学家在对采集的月球样品进行分类时,先按粒度大小进行分级筛选,分成>1 cm、1 cm~4 mm、4mm~2 mm、2 mm~1 mm和<1 mm几个部分。

颗粒直径≥1 cm的部分在研究工作中被当作岩石样品来进行研究,称为月岩(Lunar Rocks);

颗粒直径<1 cm的部分当作土壤样品对待,按习惯也称为月壤,即狭义上的月壤;

其中颗粒直径<1 mm的部分是整个月壤样品的主要组成部分,在大部分月壤样品中占总重量的90%以上。

实际上,不管是月岩还是月壤,都采自月球的风化层。

月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带,包含着相关区域的大量信息。月壤的研究不仅涉及月球本身,而且还包含太阳系空间的物质和能量的重要信息。对月壤层和月壤样品的深入研究可提供丰富信息。这些信息包括:

(1).太阳系早期演化的历史记录;

(2).月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史;

(3).月球中挥发分的脱气历史;

(4).太阳风的组成和太阳表层的成分特征;因为太阳风可以毫无保留地注入月球,而到达地球的大部分太阳风被地球磁场屏蔽掉了,不能抵达地球表面;

(5).小天体和微陨石撞击月球的历史记录,进而推断地球遭受小天体撞击的历史;

(6).月壤主要由下伏基岩演化而来,通过对月壤的研究,可以了解月壳岩石圈的组成和分布特征,对研究月球乃至地月系的演化历史具有重要意义。

除科学意义外,月壤还含有丰富的资源,包括:稀有气体等气体成分(特别是可用于可控核聚变的燃料氦-3)、钛铁矿、克里普岩(KREEP Rocks,富含K、REE和P)等矿物资源。

由于月壤处于月球的最表层,具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点,是未来月球基地建设、采矿、修路、资源提取的首选目标。

在可预见的相当长的时间内,月壤的经济价值远高于下伏的基岩。

因此,通过对月壤的精细研究,可提供月球资源开发利用前景的重要信息,并为月球基地的选址提供重要的科学依据。

需要说明的是,目前所谓的月球资源,是指对地球上的人类具有潜在的开发价值,还不具备商业开发的价值。但是,利用月壤在月球上就地生产一些建筑材料、结构部件、铺设路面、生产氧气和水等,对于人类在月球上的长期居留是十分必要的。由于地球和月球之间运输费用十分昂贵,月壤资源的就地开发利用,可以大大减少从地球上运到月球的运货量,从而降低经费投入。

以下照片为作者摄于约翰逊航天中心:

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月球上没有氧气、绝对干燥、没有微生物,所以采回地球的月球样品必须存放在充满氮气的密封箱内,研究人员通过密封箱的两个塑胶手套,来进行分样、切割、称量等操作。

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这是平放的钻孔样品。钻孔的层序反映了月球土壤层的层序,不能颠倒。

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操作月球样品的塑胶手套。

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阿波罗11、12、14号人物的钻孔直径为1.97 cm,阿波罗15、16、17的钻孔直径为4.13 cm。

最长的钻孔长度不到2.5米。由于当时技术所限,钻孔完全依靠人力钻取,而由于月球重力仅为地球的六分之一,达到这个长度已经非常不易。

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怎样保证月球样品免受地球环境的污染,避免月球样品接触到氧气、水、生物,是月球样品保存最重要的课题之一。

 

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加工和存放月球样品的器皿和工具也有严格要求,要避免对样品的沾染。

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阿波罗样品的编号头两位,15表示是阿波罗15号任务采集的样品。对岩石和土壤分开采用不同的编号方式。

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阿波罗15的岩石样品

岩石类型:月壤角砾岩,采样地点:Dune撞击坑南部坑缘

这块角砾岩是由玄武岩碎片和玻璃胶结在一起形成的。由于每一个碎片是撞击溅射过来的,可能来自完全不同的地区,因此需要对每个碎片进行精细的研究。

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阿波罗16号采集的月球岩石样品

这是月球上的斜长岩,也就是我们从地球上看过来月球上颜色比较明亮地区的岩石。地球上也有很多类似的岩石,河北的张家口附近就有这种岩石。

采样地点:阿波罗登月舱西北角30米处。

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60016是阿波罗16号任务采集的,是一块易碎的、灰色的、角砾岩。岩石孔隙度较大,有很多浅色和黑色的碎屑斑晶,代表不同的岩石和矿物。

采样地点:登月舱西南14-15米处。

 

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这是月球土壤。月球土壤非常不同于地球土壤,形成机制也与地球土壤迥异。

月球土壤也有一些特殊的物理性质,包括热导率、磁性、电导率、颗粒粒度、粒形都很有特点,是我们研究的兴趣所在。

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博物馆设计了一个触摸月球的设施,中间有一小块真正的月球岩石,每个人都可以触摸它,我能虔诚地摸了摸,感觉凉凉地、滑滑地…………

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让公众都有机会了解航天项目,发挥航天计划对青少年和公众的教育、启迪的重要作用,科普教育是十分重要的一环。

约翰逊航天中心准备了很多月球样品的,将其密封在有机玻璃里面,供博物馆和青少年教育。

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大块的月球样品要切割成薄片进行研究。

月球样品来自不易,不管是教育目的,还是研究目的,样品使用要非常谨慎,慎之又慎,浪费一克就是罪人。

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航天计划经费高昂,是全体纳税人的钱支撑的,就要对全体纳税人负责。

公器私用,罪莫大焉。

要让更多的人了解航天计划,让他们能够有机会参与到航天计划中来,通过展览、征集名称、参与训练、大学生实习等方式,不是唱高调、不是灌输、不是说教,而是平等地传授。

这方面我们的意识还有差距。

 

说明:本文图片均为作者摄于美国休斯敦的约翰逊航天中心,如需使用,请联系:zyc@nao.cas.cn

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助力阿波罗载人登月的巨无霸——土星五号火箭

按语:航天任务是激励创新,传播知识的重要载体,激励着年轻一代勇于探索、敢于创新。既然是纳税人支撑着航天任务,就必须对此有所回报。将航天基础知识和太空科学介绍给公众和青少年,是责任,更是义务。

每一次航天任务都耗资甚巨,每一次航天任务都激动人心。

这是一个国家、一个民族的事业,更是全人类共同的事业。

这是追求梦想,勇于冒险的人类精神的体现。

我们的梦想是:

勇于探索,追求卓越。

飞得更高,飞得更远。

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人类在月球上的第一个脚印

阿波罗 11号飞船在1969年抵达月球,这是人类第一次登陆月球,宇航员阿姆斯特朗(Neil Armstrong)踏上月球土地后的第一句话称为经典:这是我个人的一小步,更是人类迈出一大步。阿姆斯特朗迈出他那一小步,象征人类探索太空的一大步。

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宇航员在月球表面进行钻探作业

阿波罗飞船载着宇航员成功登月,包括阿波罗载人登月舱和月球车。

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土星五号第三级尾部喷管

土星5号(Saturn V)运载火箭,是上世纪60~70年代美国载人登月计划(阿波罗计划)和天空实验室两项太空计划中使用的多级、可抛式、液态燃料火箭。

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土星五号第三级尾部喷管

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存放土星五号的厂房

土星5号高达110.6米,是迄今为止最大的火箭,更是目前使用过的最高、最重、推力最强的运载火箭。

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土星五号第三级尾部喷管

 

1967年-1973年间,共发射13枚土星5号,从来没有过损失有效载荷。研发和生产经费达65亿美元。

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土星五号第三级

 

土星5号由三级组成:S-IC一级、S-II二级和S-IVB三级。每一级都使用液态氧(LOX)作为氧化剂。第一级使用高精炼煤油(RP-1)作为燃料,其他两级使用液态氢(LH2)作为燃料。

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巨大的喷管之一(与左下角的观众比较可谓巨大)

 

在登月计划中,地面点火后,前面约20分钟一般由火箭推动,主要用于脱离地球引力、穿越地球大气层。

土星5号的总指挥德裔火箭专家沃纳·冯·布劳恩等。纳粹德国战败后,美国将他和他的设计小组带到美国。美国宇航局对冯·布劳恩的评价是:“无庸置疑的,他是史上最伟大的火箭科学家。他最大成就是在担任NASA马歇尔空间飞行中心总指挥时,主持土星5号的研发,成功地在1969年7月首次实现人类登陆月球的壮举。”

 

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天空实验室(Skylab

天空实验室是美国宇航局在1973~1979年进行的首次空间站计划。1973~1974年间,曾有三批宇航员到空间站内进行科学实验。这是土星5号的最后一次发射,将天空实验室的空间站送入太空。此后土星五号退役。

 

说明:本文图片均为作者摄于美国休斯敦的约翰逊航天中心,如需使用,请联系:zyc@nao.cas.cn

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冥王星重返行星队伍?现在还不行

原标题:冥王星重返行星队伍?现在还不行

北京时间7月15日8:52分,美国国家航空航天局宣布收到“新视野”号传回的信息,确认它已成功近距离飞掠冥王星。而对探测数据的最新分析显示,冥王星直径为2370.6公里,比过去认为的要“胖一些”。这一数据使它重新成为柯伊伯带已发现天体中个头最大者,也被不少人认为是它重返行星队伍的“筹码”。

冥王星被降级为矮行星,是在“新视野”号发射升空7个月之后。不少人寄希望于“新视野”号能找到证据,让冥王星重返行星队伍。比如美国科学家古莱姆·罗布奇恩提出,如果探测确认冥王星存在地下海洋,这意味着它存在地质活动,是支持它重新被分类为行星的重要证据。

对于这种希望,国内天文专家表示怀疑。早在“新视野”号近距离飞掠冥王星之前,北京天文馆馆长、小行星专家朱进就表示,这次探测不太可能给出冥王星是行星的支持性证据。专注太阳系行星的南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇则表示,对冥王星大小的不同测量结果,属于不同观测手段产生的合理误差。“‘新视野’号的测量结果无疑更准确,但不会对现有理论体系提出任何挑战。而且从行星的定义看,冥王星被踢出行星队伍,不是因为个头大小,也不是地质活动,自然不会因此再次调整它的身份。”他说。

根据国际天文学联合会2006年通过的决议,一个天体要成为行星必须满足三个条件:位于围绕太阳的轨道上;质量足够大,以达到近似球形;自身有足够的引力,以清空其轨道附近区域的天体。显然,是第三条标准让冥王星惨遭降级。

但冥王星是行星这一观点的拥趸者不乏“大腕”,比如“新视野”号探测项目首席科学家阿兰·斯特恩。在回答如何看待冥王星目前是一颗矮行星的问题时,他曾幽幽地说了一句,把冥王星踢出行星队伍是天文学家干的,而不是行星科学家。在他心目中冥王星一直是一颗行星。在他看来,冥王星与太阳系八大行星有着太多的相似,比如大气、地形、季节的变化等。

“对目前行星定义持反对意见的多为美国科学家。” 中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员郑永春认为,这与他们对冥王星的特殊情节分不开。“冥王星是过去太阳系九大行星中,唯一由美国人发现的行星,在美国国内有‘美国行星’之称。”由此也能解释美国科学家为冥王星保留行星身份的种种努力,比如2006年国际天文学联合会关于行星新定义的投票中,投反对票者多为美国科学家,又比如2014年通过决议希望恢复冥王星行星身份,以及对“新视野”号尤其热切的期待。

抛开情感因素,行星、矮行星之争只是事关名称吗?当然不是这样。郑永春解释说,太阳系形成之初,大量尘埃和气体凝聚成为星子,而后经由行星胚胎以及其他中间环节,演化为行星。作为行星胚胎的小行星和八大行星分别位于演化链条的两端,目前我们对它们已有相当了解。“矮行星作为没有长大的侏儒行星,是链接小行星和行星的中间环节。深入研究矮行星才能更好探析行星形成过程,了解地球作为一颗行星的过去、现在、未来”。

回到冥王星重返行星队伍的话题。目前对行星的定义已是完美无瑕吗?郑永春表示,人类对行星的定义经历了多次修改。“最初人们认为太阳、月亮是行星,后来认为只有围绕太阳公转的才是行星,这些定义变更的背景都是对太阳系认识的深化”。2006年行星新定义出台也是如此。观测手段的进步,使大量与冥王星类似天体被发现。科学家需要做出选择,是让太阳系拥有更多行星,还是修改行星定义、保持太阳系行星数量相对稳定。经过研究、商讨,天文学家选择了后者。

郑永春说,“新视野”号探测器已探知的距离只有50个天文单位,相较于太阳系半径为10—15万以上天文单位的广袤空间,这只是很小一部分。在未来的探索中,很有可能发现与太阳系八大行星类似、符合目前行星定义的天体。“届时行星的定义很可能面临再次调整。而在未来调整中,冥王星是否会重新成为一颗行星,谁也说不好”。

换句话说,冥王星想重返行星队伍,现在还不行。(科技日报北京7月15日电)

(来源:科技日报)

【光明日报】“新视野号”首探冥王星

人类有史以来第一次如此近距离观测冥王星,或将改变对太阳系的认识

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美国宇航局2015年7月12日提供的照片显示的是“新视野号”探测器发来的冥王星迄今为止最清晰的图片。

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美国宇航局2015年7月提供的“新视野号”探测器与冥王星及其卫星“会面”的设想图。

北京时间2015年7月14日19点49分,这是一个注定要载入天文学史册的历史时刻——美国国家航空航天局(NASA)发射的“新视野号”飞船,经过9年的行星际旅行,首次近距离飞越冥王星。这是人类有史以来第一次如此近距离地观测冥王星。不仅如此,“新视野号”还将考察太阳系里面的新大陆——柯伊柏带。中科院国家天文台月球与深空探测研究部、中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员郑永春将这次探测称为“太阳系的考古发掘之旅”,他说:“新的发现或许将破解太阳系诞生之初的奥秘,让我们重新认识太阳系。”

“新视野号”的旅程 

“新视野号”2006年1月在美国发射升空,它的主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎,还要探测位于柯伊柏带的小天体群,设计寿命为15年左右。

郑永春介绍,太阳系包含三个主要区域,一区为内太阳系,包括水星、金星、地球和火星,称为类地行星,均为岩石质天体;二区为外太阳系,包括木星、土星、天王星和海王星,称为类木行星,均为气液态巨行星。一区和二区之间以距离太阳2.3~3.3天文单位(1天文单位为日地平均距离,约等于1.5亿千米)的小行星带为界。三区为海王星以远,包括距离太阳约30~50天文单位的柯伊柏带。在柯伊柏带之外,距离太阳5万~10万天文单位还有一片由千亿颗冰冷天体组成的奥尔特云。

7月14日,“新视野号”来到旅途中最接近冥王星的位置——最近距离为9600千米。它与卡戎的最近距离为2.7万千米,观测持续时间约半小时。之后,“新视野号”将逐渐远离冥王星,继续向离地球更远的太阳系空间飞行。在飞离冥王星和卡戎时,“新视野号”还将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,观察冥王星和卡戎表面是否平坦;观察冥王星是否拥有类似彗星那样的“尾巴”;冥王星是否像木星、土星等巨行星那样拥有环带;冥王星是否还有未被发现的卫星。

近距离飞越冥王星之后,2017年至2020年,“新视野号”将抵达柯伊柏带其他天体,这一探测阶段可能持续5至10年。

最近距离观测冥王星 

“新视野号”飞船飞越冥王星将是有史以来人类最接近冥王星的探测任务。郑永春说:“探测器利用可见光和近红外相机拍摄最高分辨率为60米、迄今为止最清晰的冥王星和卡戎照片。图像质量远远超过哈勃空间望远镜拍摄的冥王星。如果幸运的话,‘新视野号’有望拍摄到冥王星上的云层或喷发的冰火山。虽然科学家推测冥王星表面可能存在这些现象,却从未被证实过。”

好事多磨,我们并不能马上看到“新视野号”获得的这些信息。郑永春介绍,当近距离飞过冥王星时,“新视野号”采集的数据量异常庞大,而“网速”太慢,探测数据传给地球的下行速率仅为1.68kb每秒,这些探测数据根本来不及向地球回传。因此,这些探测数据将暂时存储在飞船携带的硬盘上,在之后的1年多时间里陆续发送回地球。

虽然冥王星被“开除”出太阳系的行星队伍,但这并不影响冥王星探测的重要性。“冥王星及其卫星作为行星胚胎,对研究行星的形成具有重要价值。”郑永春说,“同时,冥王星虽然被降级为矮行星,但由于天文学家在柯依伯带发现了大量小天体,冥王星作为柯依伯带已知的最大天体,幸运地成了柯依柏带中数千颗冰冻小天体的‘领头羊’。这些冰封在太阳系冷库中的冰冻天体含有大量水,不同于常见的八大行星和小行星,‘新视野号’的发现或将直接改变我们对太阳系的已有认识。”

深入“柯伊柏带”

探测完冥王星,“新视野号”将继续探测柯伊柏带的其他天体。郑永春介绍,柯伊柏带是科学家们在1992年才确认发现的太阳系“新大陆”,这些天体自太阳系形成之初已存在,是太阳系各大行星形成后的残渣,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和地球生命的起源。

正如“新视野号”首席科学家艾伦·斯特恩指出的那样:“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。探索冥王星和柯伊柏带就像是在太阳系新大陆进行的考古发掘工作。通过考察可以窥探到太阳系行星形成的最初状态。”

柯伊柏带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星。郑永春介绍,彗星主要由甲烷、氨和水等冰冻物质组成,也有石块和尘埃。柯伊柏带是短周期彗星的老家,著名的哈雷彗星就产于该带。柯伊柏带的小天体主要由冰块、岩石和金属组成,其成分可能不同于小行星带中的小行星。据推测,太阳系中有些小行星可能是彗星上的挥发物逃逸后形成的。矮行星是直径上千公里、呈球体的行星,由于没有足够多的小天体供其碰撞、吸积,成为一颗长不大的侏儒行星。除此之外,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。郑永春说:“可以说,柯伊柏带的天体是太阳系演化的遗迹,记录着太阳系形成之初的信息。”

(原载于《光明日报》 2015-07-15 06版)

【中国科学报】“新视野号”钱花在了刀刃上

为我国深空探测提供了有益借鉴和启示

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“新视野号”拍摄到的冥王星

北京时间7月14日晚,美国宇航局(NASA)宣布,“新视野号”飞船经过9年多的行星际旅行,首次近距离飞越冥王星,还将首次探测太阳系中的一片新大陆——“柯依伯带”。

在中国科学家看来,“新视野号”是太阳系探测中的里程碑,无论在新技术的突破上,还是对于行星科学的未来规划,甚至是在人类对宇宙的认识上,都带来新的启示。

据了解,在技术上,“新视野号”的“绝招”是一台放射性同位素温差发电机。冥王星和“柯依伯带”远离太阳,太阳辐射强度只有地球上的千分之一。这意味着“新视野号”所需的电力无法通过太阳能电池发电提供,只有核能发电机能胜任供电任务。

国家天文台月球与深空探测研究部、中科院月球与深空探测重点实验室副研究员郑永春介绍说,核能发电机位于“新视野号”的尾部,内装10.9千克二氧化钚,其中的钚-238衰变时会释放出热量,通过温差发电提供稳定的电力。

负责研发探测器的约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室联合团队为避免太空核污染,专门为“新视野号”探测器使用了坚固的燃料箱,将核燃料封装在特制的球形防火陶罐中,核燃料外泄的可能性微乎其微。同时,NASA和美国能源部还为可能发生的风险作了详细的预案,组建16个移动跟踪小组,并且部署33个空气取样装置和监控器,以检测可能的核辐射。

郑永春表示,这些计划具有前瞻性,经验值得我国在开展月球和深空探测时借鉴。

中科院紫金山天文台研究员季江徽则告诉《中国科学报》记者:“‘新视野号’是一项花钱不多但收获丰富的科学项目,这得益于研究团队对科学目标的精确设计。”

据记者了解,“新视野号”的经费来源于“新前沿科学项目”,预算不超过5亿美元。

季江徽指出,“新视野号”的科学目标聚焦在探测冥王星的大气喷发、大气逃逸及形貌上的特征,因此其科学仪器并不多,把钱都花在了刀刃上。“这启发我们在开展深空探测项目时,要集中资源,作重要的科学研究。”

此外,不久前约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家大卫·布莱维特受中科院国际访问学者计划的资助,来到中科院国家天文台,与郑永春研究小组开展合作。布莱维特是“信使号”水星探测项目的核心科学家,他所在的应用物理实验室也是负责“新视野号”飞船研制和运行的机构。

“我们之间的合作主要是应用‘嫦娥’探月的数据开展月球科学研究,包括月球地质演化、表面物质成分等课题。”郑永春说。

针对公众对政府耗资开展深空探测的质疑,布莱维特向郑永春介绍了美国普通百姓和科学家对深空探测的态度,并让后者颇受启发。

“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,尽可能地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,为建设创新型国家贡献力量。”郑永春指出。

据悉,我国的深空探测工作在“嫦娥”系列探月飞船的推动下进展良好,但仍与美国始于“阿波罗”飞船的深空探测工作存在不小差距。根据计划,我国预计在2020年着陆火星,2030年实现火星采样返回。科学家们期待,随着我国科技力量和航空航天技术的不断提高,我国行星探测将走向越来越远的深空。

  (原载于《中国科学报》 2015-07-16 第1版 要闻)

附件:

破解太阳系形成之初的秘密

郑永春

国家天文台月球与深空探测研究部,中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员

首届香江学者,中国科学院青年创新促进会优秀会员,国家科普专家太阳

星子慢慢从行星胚胎成长为行星,而矮行星是没有长大的侏儒行星,是联系小行星和行星之间的纽带,新视野号对冥王星的探测有助于揭示太阳系最初阶段行星形成的历史

冥王星所在的柯伊伯带位于太阳系的边缘,寒冷而阴暗,探测难度很大。这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力,值得我们长期守候并努力探索呢?

首先,柯伊伯带作为太阳系的新大陆,“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。柯伊伯带是短周期彗星的“老家”,而奥尔特云是长周期彗星的“老家”。由于彗星经过太阳附近时质量会消耗掉,若没有这两个彗星老巢的不断补充,经过漫长的太阳系演化历史,我们可能早就看不到彗星了。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过,我们对太阳系新大陆的广阔空间仍知之甚少,对太阳系结构的认识仍然不够清晰。我们一直把冥王星视为太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星,但现在我们知道冥王星是通往柯伊伯带这片全新大陆的大门。“新视野号”的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体,将这片区域的场景清晰地展现出来。

其次,冥王星及其卫星作为行星胚胎,对研究行星的形成具有重要价值。太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星、彗星,主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散盘、奥尔特云。从科学角度而言,深空探测就是探测太阳系的各种天体类型和主要区域,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,所有的深空探测任务的终极科学目标都是为了回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。

2014年8月,罗塞塔号刚刚探访了同样来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚格彗星,搭载的菲莱着陆器还实现人类首次登陆慧核表面,大大加深了对彗星的认识。除彗星外,柯伊伯带还有数十颗直径2002000千米不等、由岩石和冰块组成的天体,其中以冥王星及其卫星最为典型代表。我们知道,太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转,星云逐渐凝聚形成星子,星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎,进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后,太阳星云的残留物形成了数量众多的小天体。而矮行星就是没有长大成行星的“侏儒”行星。由于远离太阳系的柯伊伯带天体稀疏,受到的撞击、太阳辐射等太空风化较弱,可以保存更为原始的状态。因此,柯伊伯带的天体相当于在太阳系的“冷库”中保存了46亿年,保留着太阳系形成时的原始状态,对了解太阳系的起源具有极大的作用。通过“新视野号”对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测,将有助于揭示行星形成的关键环节。

我们已经对岩石行星(地球、金星、水星和火星)和气液态巨行星(木星、土星、天王星和海王星)进行过多次探测,但在“新视野号”之前还没有探测器对柯伊伯带的冰态矮行星进行过探测。因此我们对矮行星这一新的天体分类的认识是严重不完整的。而“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,完善了我们对于太阳系天体类型的知识。

再次,随着深空探测的进展,我们对太阳系的认识不断深化,太阳系的边界不断拓展。这些科学成果改变了人类的知识边界,进而影响和改造着我们的世界观。在古希腊时代,我们认为地球是宇宙的中心、太阳、月球都是绕着地球运转的行星;在哥白尼之后,人类逐渐接受太阳是太阳系的中心,认为行星就是围绕太阳运转的天体,因此地球是行星而月球不是。后来大量小行星的发现迫使人们修改了行星的定义,认为行星必须质量足够大,大到能通过自转成球体。再后来,发现了许多与月球大小相近的谷神星、智神星、阋神星、妊神星、婚神星等,天文界面临着再次选择,要么将他们统统被纳入行星,要么排除他们。必须承认的是,我们对柯伊伯带的小天体(除了矮行星以外,还包括彗星和小行星)还了解的很少,甚至是才处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测获得的新发现,我们将不得不再次修改行星的定义。

最后,远征太阳系边缘的深空探测将显著牵引航天技术实现新突破。“新视野号”奔赴柯伊伯带的旅途长达9年,为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用,探测器有2/3的时间是在休眠中度过的;为实现早日抵达冥王星,“新视野号”先飞抵木星开展飞越探测,并借助木星引力进行加速;由于距离遥远,地面发出的指令要4.5小时之后才能被探测器接收到,数据传输链路和测控精度要求均大大提高;柯伊伯带寒冷而黑暗,太阳辐射强度仅为地球上的千分之一,冥王星表面温度低至零下212234摄氏度,因此必须研发高效核能系统以提供飞行动力和保温。“新视野号”在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核动力和能源供应等关键技术,将是中国航天努力突破的重要领域。

今晚,千万别错过“蓝月亮”!

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蓝月亮2015年7月会有两次月圆之夜,一次已经发生在7月1日,另一次将要发生在7月31日。天文术语中:在同一个月份,如果能看到两次满月,第二次月亮称作“蓝月亮”。民间也有:“蓝月亮”预示着灾难的说法。7月31日我们将要看到的满月,是“蓝月亮”吗?它真的是不祥的征兆吗?
月色朦胧,树影婆娑

月色朦胧,树影婆娑

其实,天文术语中的“蓝月亮”并不指蓝色的月亮。“蓝月亮”这个词主要起源于西方国家。在大约400年前,当人们提起“蓝月亮”时, 就好像“把白色说成黑色” 一样荒谬。“蓝月亮”后来就引申为“从来不会发生”。英语中说:当月亮变成蓝色时,这件事才会发生,就好比我们经常说:当太阳从西边升起时一样。英语中的谚语“Once in a blue moon”,就意味着几乎不会发生的事情。 
那么天文中的“蓝月亮”究竟是什么意思呢?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。这多出来的月亮就是“蓝月亮”,是意料之外的月亮的意思,它在天文术语里有两种解释。
第一种:19世纪和20世纪早期,美国缅因州的农民历中给当地农民列出了“蓝月亮”的日期。指出在通常情况下,一个季度有三个满月。如果在一个季度中,发生了四次满月,第三次满月被称做“蓝月亮”。 
第二种:1946年,美国人在《天空和望远镜》杂志中的一篇文章“Once in a Blue Moon”中误解了缅因州农民历中的解释,将19年中存在7次“蓝月亮”误解为在这19年中,有7年时间每年会有13次月亮,也就是,其中11个月中每月有1次圆月亮,另外一个月有两次圆月亮。将同一个月中的第二次满月称为“蓝月亮”。后来,这种解释的“蓝月亮”被应用。1980年美国电台广播节目“StarDate”,应用这种定义的“蓝月亮”。 “蓝月亮”作为同一个月中的第二次满月被广泛传播并接受。
2015年7月份月相图

2015年7月份月相图

天空中会出现蓝色的月亮吗? 
通常情况下,月亮是红黄色的,人们很少能够看到蓝色的月亮。只有当火山爆发或森林着火时,它们产生的火山灰、烟雾或尘埃粒子抛到大气中,这些粒子散射蓝光,这时的月亮看起来是蓝色的。 
“蓝月亮”预示着灾难,并没有科学的根据。但是,当地球上有火山爆发或森林发生大火时,有可能会看到蓝色的月亮。 
1883年,印尼的喀拉喀托火山爆发,像一个威力庞大的原子弹爆炸,火山灰飘到地球大气层的高处,使月亮出现蓝色近两年。1950年发生在瑞典,1951年发生在加拿大的森林火灾,使烟雾或尘埃粒子漂浮在大气中,人们看到了蓝色的月亮。
森林大火导致天空中烟雾弥漫

森林大火导致天空中烟雾弥漫

1980年美国Mount St. Helens火山,1983年墨西哥的El Chichón火山以及1991年菲律宾Mount Pinatubo的火山爆发后,人们也都看到了蓝色的月亮。
火山爆发释放的火山灰进入大气层

火山爆发释放的火山灰进入大气层

能够看到蓝色月亮最关键的因素是空气中存在许多直径略大于0.7微米(红波) 且小于1微米的粒子。通常情况下,这种状况在大气中是罕见的,只有当火山爆发或森林发生火灾时,才会产生很多这种尺度的粒子,它们倾向于散射蓝光,这时才会看到蓝色的月亮。
7月31日将要看到的月亮是“蓝月亮”,但不是蓝色的月亮。 
月亮的颜色:红月亮?蓝月亮?灰月亮? 
通常我们仰望星空,看到的月亮是红黄色的,那么在什么情况下,会出现不同颜色的月亮? 
空间卫星上拍摄的月球照片是灰色的。因为月亮的表面主要有氧、硅、铁、钙、铝等组成。其中颜色较深的部分,是月亮上的黑斑,形貌很像地球上的海洋,叫雨海、静海、云海等。组成月海的主要是玄武岩,颜色比较黑,对太阳的反光比较弱,所以看上去比周围月陆区暗一些。除了这些黑色斑块以外,颜色较浅的部分是月亮上的“陆地”,也称为月陆,平均高出月海2~3千米,也称为月球高地。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。
真实的月球颜色

真实的月球颜色

我们从地球上看月亮是穿过地球的大气层看到的月亮,它并不是真实的月亮的颜色,而是经过大气散射后看到的月亮颜色。太阳光经过大气后,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。 
当月亮出现在地平线附近时,光几乎通过所有的大气,大部分蓝光被散射掉,红光并没有被散射,这时的月亮看起来是红色的。当月亮出现的高度增高时,它穿过的大气层很薄,这时月亮看起来是黄白色的。
月上中天时,月亮呈黄色

月上中天时,月亮呈黄色

当发生月全食时,月亮并不会完全消失。因为地球有大气层,太阳光穿过大气层时,短波光被散射掉,剩下波长较长的红光,所以,我们会看到“红月亮”。
月全食时,红月亮

月全食时,红月亮

当地球上,火山爆发或者森林起火时,会释放大量的灰尘和粒子。这些粒子将红光散射掉,我们会看到蓝色的月亮。
蓝色的月亮

蓝色的月亮

 延伸阅读 
 月上一日,地上一月 
月球到地球的距离约40万千米,月球的直径约为地球直径的1/4。月球的表面积有3800万平方千米,中华人民共和国陆地版图的面积是960万平方千米,也就是说月球的表面积大约相当于四个中国陆地的版图总和。
由于月球自转一周的时间大约是一个月,月球绕着地球运行一圈的时间也是一个月。这两个运行周期相等,所以不论在地球的何时何地,永远只能看到月球的正面,而月球的背面是不可能在地球上看到的,这就是因为月球的自转周期和它的绕地球公转的周期相等所造成的。正因为是这样,月球自转一周的时间接近于一个月,所以月球的一天接近于我们地球的一个月,也就是说,月球的白天接近地球的半个月,月球的黑夜也接近地球的半个月。所以我们过去常说,“天上一日,地上一年”,在月球上的一日相当于地球的一个月。 
地球人永远只能看到月球的正面。

地球人永远只能看到月球的正面。

月球上有风霜雨雪吗?
地球上的气候

地球上的气候

月球上的大气浓度大约是地球上的一万亿分之一,相当于没有大气,是一个超高真空的世界。除了月球南北极太阳永远照不到的深坑中可能有水冰之外,月球上也没有水。没有了空气和水,月球上也就没有地球上的风、霜、雨、雪和氧化等的风化作用,也没有河流、冰川、湖泊、和海洋的侵蚀和搬运作用。 
极冷极热的月球生活 
由于月球上没有大气来传递热量,所以白天和夜晚的温度变化很大。白天太阳光直射的地方,最高温度可以达到130摄氏度;到了晚上没有太阳的时候,温度就会下降到零下180摄氏度左右。而且,不管是白天还是黑夜,只要是太阳没有照射到的地方,就和晚上一样冷。所以,月球上山峰的向阳面比火焰山还要热,而翻过山的背阳面却比冰窖还要冷。而地球上最冷的地方也就零下89摄氏度,那还是在毫无人烟的南极洲最冷的“冰点”上测量到的,实际上,南极洲其它地方的温度要高得多,比如,中国南极中山站的冬天最冷的时候也就是零下30多摄氏度。
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7月31日,一起来看“蓝月亮”

2015年7月,会有两次月圆之夜,一次已经发生在7月1日,另一次将要发生在7月31日。

天文术语中在同一个月份,如果能看到两次满月,第二次月亮称作“蓝月亮”。民间也有“蓝月亮”预示着灾难的说法。

今天晚上,我们将要看到的满月是“蓝月亮”吗?它真的是不祥的征兆吗?

蓝月亮0731

作者:陈洁、郑永春、孔啸、张硕

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我们为什么要探索太阳系?

-或许,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”。

太阳系

前一段时间,“新视野号”探测冥王星的新闻引起全世界关注。冥王星从原本只有在天文望远镜中才能看到的暗淡小圆点,变成了具有爱心和活力的“萌王星”;从与我们日常生活毫不相干的、遥远的外太阳系天体,成为我们生活谈资的一部分。

很多人要问,为什么要去探索太阳系?它又不能直接带来经济效益。探索太阳系的魅力,首先是当人类面对一个完全未知的世界,一切都是新发现,能极大地满足人类好奇的内心和探索天性。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。

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,这一过程也能显著推动基础科学的进步。从地球出发,探索太阳系,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。太阳系探测的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,是人类社会文明进步的动力源泉。

随着人口增长和生活水平的提高,人均资源消耗量和污染排放量也快速增加,石油、天然气、金属矿产等地球资源将逐渐枯竭,人类面临巨大的资源与环境压力。为缓解这一压力,从长远看,我们有必要探索太阳系,寻找另一个家园。虽然我们尚不具备向太空移居或大规模移民的能力,但一定要先找到这样的天体,了解他们的环境,研究开发利用之道。或许,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。

纵观地球历史上的生物大灭绝事件,科学界预测人类未来将面临超级太阳爆发、小天体撞击地球、地球磁极倒转等重大灾难,威胁地球和人类的可持续发展。我们只有进行充分的准备,在面临灾难之时,才有能力在地球或外星球上延续人类的火种,避免像恐龙那样成为地层中的化石。

从根本上说,人类未来的命运取决于我们对自然界的理解。太阳系探索是全人类共同的事业,目的是加深对各大行星、小行星和彗星等太阳系天体的了解,认识作为太阳系行星之一的地球的过去、现在和未来。人类通过在太阳系中寻找资源,预防来自太阳系和宇宙的灾难,将有力地促进科学探索和技术创新,造福后代。

从地球出发,月球是离地球最近的一个天体,被誉为永不坠落的天然空间站。虽然月球并非是人类宜居的好地方,却是人类向深空进军的必经阶段和重要中转站。把月球作为试验平台,通过载人月球探测突破技术壁垒,积累探索经验,是实现人类长期地外生存的合理途径。相比月球,火星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。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。

原文发表于2015年7月24日的《人民日报》

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