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2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

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发表于 2019-2-12 09:34:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
生活圈制作
在人们的印象里,太空充满了奇遇以及冒险,它是“俱怀逸兴壮思飞,欲上青天揽明月”的浪漫之境,也是众多大银幕作品青睐的题材,譬如《疯狂的麦克斯》《星际迷航》《星球大战》……

如果太空是大海,那地球只是其中一个小岛,理解大海,才能更好地建设小岛。这是人类孜孜以求,不断探索的意义。


文/郑永春


郑永春
中国科学院国家天文台研究员、行星科学专家、科普作家

人类探索星空,既可以发送飞船到太阳系的各个星球附近,开展详细考察,也可以利用地面望远镜和太空望远镜,观测宇宙中的奇异现象。前者属于深空探测,与航天技术的能力和水平密切相关。由于人类航天器还没有能力飞出太阳系,所以深空探测只能限于太阳系内的天体。后者属于天文观测,与望远镜的研制能力和技术有关,观测对象主要集中在太阳系外的宇宙空间。

岁末年终,除了感叹岁月匆匆之外,盘点这一年来人类探索太空所取得的成就,不能不为之感到自豪。
在宇宙中,一个黯淡如尘埃般的星球上,有一群脆弱如蝼蚁的物种,时常仰望星空,追索天问:我们为什么在这里?我们从何而来?我们将走向何方?每一年,我们对这些问题的认识都会更深一步,我们走向太空的步伐都会更加坚定。


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中国首探月球背面

2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

嫦娥四号探测器

在人类探索太空的进程中,中国人在很长时间里都只能担当看客的角色,但如今,这个舞台上有了越来越多的中国智慧和中国成就。

这一年,最让我感到自豪的是,中国人在太空中开拓出了一片新的疆界——月球背面。
2018年12月8日,嫦娥四号探测器成功发射。12月12日,嫦娥四号在月球附近成功“刹车”,进入环绕月球运转的轨道。在经历了嫦娥一号、二号、三号任务的实践锻炼之后,这些动作已经驾轻就熟。

在嫦娥四号奔赴月球之前,2018年5月21日发射的“鹊桥”卫星,已经在那里等待,为嫦娥四号与地球之间的联系提供中继通信。在经历一系列轨道调整之后,嫦娥四号于2019年1月3日上午10点26分,成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区,登陆点位于南极艾特肯盆地内的冯•卡门环形山。随后,月球车从着陆器上驶下,科学仪器开始工作,以着陆器和月球车(也叫巡视器)的两器互拍为标志,嫦娥四号任务取得了圆满成功。通过“鹊桥”中继星传回世界上第一批月球背面的近距离探测数据,正在解开古老月背的神秘面纱。

月球上有三大地质体,其中两个已经被人类航天器登陆过,只有位于月球背面的南极艾特肯地体由于着陆难度大,还没有被登陆探测过。现在,这个地体的首次巡航已经由中国的航天器来实现。

接下来的两年内,中国将从月球上采集岩石和土壤样品并返回地球。在探月工程“绕、落、回”三步走的目标实现之后,建立月球科考站,实现载人登月的目标已然立在前方。



在美国,埃隆•马斯克旗下的太空探索技术公司SpaceX 2018年9月在官方网站上高调宣布,第一位私人太空旅游的游客已经与他们签约,将乘坐大型猎鹰火箭实现绕月飞行。这位将要进行私人绕月旅游的游客,是日本的艺术品收藏家、网络电商创始人、日本富豪榜排名第14 位的前沢友作。虽然这次绕月旅游的票价没有透露出来,但据估计,这个“旅游团”的集体票价大约为1.5 亿美元左右。

前沢友作将与8 位不同领域的艺术家一起同行,包括画家、雕塑家、摄影师、音乐制作人、电影导演、时装设计师、建筑师等。在宣布绕月旅游消息的同时,一个名为“亲爱的月亮”(Dear Moon)的艺术项目,也已经同步启动。联想到谷歌在十年前宣布启动的太空竞赛“月球X大奖”,只要有人能将航天器送到月球表面,行驶超过500米,并将高清图像和视频传回地球,就能获得高达2000万美元的奖金。但时至今日,依然没有任何一支团队在最后期限内实现机器人登月。而这次,就要看马斯克的本事了。

作为离地球最近的自然天体,月球的空间位置十分重要,从那里既可以回望地球,又可以借此走向深空。2019年是人类首次登月50周年,相信会有大规模的纪念活动。在政府层面,美国总统特朗普对人类重返月球情有独钟。2017年底,他签署了《太空政策1号指示》,表示美国正在制订方案,将派航天员重返月球,并从那里起步,最终实现载人登陆火星。欧洲空间局也有自己的“月球村”计划,他们邀请中国参与合作——计划在2030年把人类送上月球,并建设采用3D打印技术建设的月球永久基地。


2

红色行星更具魅力

北京时间2018年11月27日凌晨4点左右,美国“洞察号”火星探测器成功登陆火星。这是继2012年“好奇号”火星车登陆火星以来,人类航天器又一次成功登陆火星。之前着陆火星的航天器,主要是为了考察火星表面的地形地貌和物质成分,但“洞察号”的使命与它们不同。正如它的名字一样,“洞察号”的主要目的,是探测火星内部。为此,它配备了地震仪和热流探测仪,专门用于探测火星内部的地质结构和能量。

2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

NASA发射的“洞察号”火星探测器

最近十来年,人类对火星的探索一直秉持“追踪水的痕迹”,把它作为最高战略加以推进。这一战略取得了巨大成功,不仅在火星上找到了大量水流作用留下的三角洲、冲击扇、干涸的湖泊,甚至还有曾经的小溪流、鹅卵石等证据。在火星的一些特定地区,还发现了新近形成的冲沟,峭壁上露出的冰层,以及隐藏在极地冰盖下的液态水湖。
自然而然地,火星探测的目标正在从寻找水源,逐步转变到寻找生命。然而,火星上至今没有发现任何生命的痕迹。研究发现,现在的火星土壤是有毒的,紫外线很强,环境严酷,并不适合生命的繁衍,但地底下有可能会适合吗?现在的火星上没有生命,但远古时候的火星上是否诞生过生命呢?或者退一步讲,即便火星上没有产生过生命,那是否曾经有过适宜生命生存的环境呢?这是当前火星探索最重要的主题。不管怎样,在找到生命之前,先要探索火星上过去或现在的环境是否适合生命生存。

2012年登陆火星、2018年消除故障重新启动工作的“好奇号”是一辆火星车。但它实际上是一个移动的岩矿化学实验室,配备了三台照相机、四台光谱仪、两台辐射探测仪、一台环境探测仪,既可以播报火星上的每日气象,又可以进行钻探取样分析,自动完成地球上岩矿实验室可以完成的大部分分析测试任务,目的是探测登陆点盖尔环形山的水环境,分析细颗粒物质的挥发性成分和有机物成分,分析沉积岩的化学成分和其他岩石的矿物组成等。



如今,“好奇号”在火星岩石样品中发现了水合矿物,证明在距今33—38亿年前,火星上曾经长期拥有海洋、河流和湖泊。当加热沉积物时,从释放的物质中检测到了一氧化氮,而如果氮元素以这种方式存在,说明一氧化氮可能是由硝酸盐分解产生的。

2018年6月,加州理工大学的研究团队在分析形成于35亿年前的细粒沉积岩时,发现了三种不同的有机分子,证明这一地区在远古时可能是一个湖泊。

在“好奇号”火星车上还有一个机械臂,机械臂的末端携带了1枚钻头,可以对火星岩石进行钻探,这也是有史以来机器人第一次在火星上进行采样。利用火星车携带的科学仪器,对岩石样品进行分析的结果显示,岩石样品中含有硫、氮、氢、氧、磷、碳等与生命相关的元素,说明在环境适宜的情况下,火星是有可能孕育出生命的。

结合两方面的证据,就会发现新的问题:火星上至今没有发现生命,究竟是因为适宜生命繁衍的气候持续时间不够长,生命来不及诞生,还是曾经孕育过初等生命,但现在这些曾经的生命痕迹已经消失了呢?这一问题依然没有答案。


3

努力寻找宜居行星

系外行星是天文和天体物理研究的重点,从2013年起就一直是这一领域的十大前沿热点之一。虽然早在1855年就有天文学家宣称发现了系外行星,但直到20 世纪90年代,寻找系外行星的努力仍然一无所获。1995 年,日内瓦大学的科学家Michel Mayor和Didier Queloz采用视向速度法,发现了围绕主序恒星、质量与木星相似的第一颗系外行星——“飞马座51b”(51 Pegasi b),开启了系外行星研究的序幕。



近20年来,利用视向速度法、凌星法、微引力透镜法、直接成像法等,已经发现了约3800颗系外行星,还有几千颗候选系外行星有待确认。其中,大部分系外行星是2009年发射的“开普勒”太空望远镜发现的。“开普勒”望远镜耗资约6亿美元,是世界上首个专门用于搜寻系外行星的航天器。借助高精度的测光能力,它对天鹅座和天琴座约10 万个恒星系统进行了搜寻,获得了最像地球的系外行星、最像太阳系的恒星系统等一系列重大发现,使系外行星研究进入了新时代。

2018年4月19日,“泰丝”望远镜发射升空,这架耗资约3.37亿美元的太空望远镜,成为“开普勒”望远镜的接班人。“泰丝”搭载了4台宽视场相机,将覆盖全天85%的视场,在为期两年的任务期内,将逐一测绘南、北天球的各个天区,主要搜寻30-300光年内的系外行星。由于这些目标与我们的距离较近,因此科学家有望采用光谱学方法,测定系外行星的质量、密度和大气成分等。相比“开普勒”,“泰丝”发现系外行星的能力又有了新的提升。
未来,随着一系列以搜寻系外行星为目标的项目陆续启动并投入运行,预计系外行星将持续成为天文领域最受关注的研究主题之一。然而,我国科学界还没有对这一方向给予足够的重视,仅有零散研究,缺少整体布局,国内外差距正在逐步扩大。


4

引力波探测迎来中国军团

探索宇宙的前沿热点,可以被精炼地概括为“一黑两暗三起源”: 一黑是指黑洞,两暗是指暗物质和暗能量,三起源分别是宇宙的起源、天体的起源、生命的起源。

2016年,人类首次直接探测到引力波,媒体将其形容为两个黑洞并合时产生的宇宙的“涟漪”;而在2017年,人类首次探测到两颗中子星并合产生的引力波。这两项成果证实了爱因斯坦广义相对论的最后一项预言,开启了引力波天文学的新时代。2017 年诺贝尔物理学奖授予LIGO(激光干涉引力波天文台)合作组的三位科学家,就是对人类探测到引力波这一重要成就的认可。

引力波就是宇宙中的涟漪

作为引力波探测的后起之秀,中国科学家开始后发赶超。中国科学院高能物理研究所在西藏牵头实施“阿里原初引力波探测计划”,将在阿里地区海拔5250米的高原上建设探测宇宙微波背景辐射的偏振望远镜,对北半球天区导致极早期时空量子涨落的原初引力波进行精确测量。
地面已有布局,太空也不能落后。在太空中探测引力波虽然技术难度大,却可以消除地面噪声的干扰。中国目前有2项这方面的计划正在推进,一项是“太极计划”,由中国科学院牵头,计划在2033年左右,将三颗卫星组成的探测星组发射到太空,形成一个边长约为300万公里的正三角形。另一项是“天琴计划”,由中山大学牵头,同样由三颗卫星组成,但探测手段不同。2018年,“天琴计划”的地面模拟装置已经正式立项,总投资超过10亿元。
在人类首次探测到引力波之后,国内外都在推动建设探测引力波的新的大科学装置,我们希望,这些装置之间能够各有侧重,优势互补,避免不必要的重复和浪费。同时,应重点关注产生引力波的源头,如黑洞并合、中子星并合等天文过程,开展地面观测和模拟。


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多个信使探秘宇宙

没有金刚钻,不揽瓷器活。现代天文研究有一个很重要的特点,就是强烈依赖大型、精密、昂贵的仪器装备,大量的研究成果与高精尖的观测设备之间存在高度的相关性。其实不光是天文,其他科研领域现在也大多如此。

在研究宇宙起源和天体演化的过程中,高能宇宙线、中微子和伽马射线,都扮演着信使的角色,通过它们,可以了解动荡的宇宙正在发生什么。中微子反映出宇宙中发生的复杂过程,宇宙线显示剧烈活动的强度和速度,而高能伽马射线则用于标记中微子和宇宙线的来源。

南极的“冰立方”中微子天文台和“费米”伽马射线太空望远镜,是研究高能中微子和伽马射线的主要设备。“冰立方”位于南极冰原2.4千米深的冰层之下,是全球最大的中微子望远镜,主要探测穿过地球表面的中微子。有了“冰立方”这样的设备,才能获得中微子探测数据。2013年,科学家宣布,“冰立方”首次捕捉到太阳系外的高能中微子。2016年,又首次探测到起源于银河系之外的高能中微子。2017 年再次捕捉到一个高能中微子。

2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

2018,关于宇宙的探索不止月球背面 | 《腾云》年度特别策划

南极的“冰立方”中微子

然而,这些中微子来自哪里呢?这就需要“费米”伽马射线望远镜的支持了。“费米”的主要任务,是持续监测整个天空中的伽马射线。有了“费米”这样的设备,才能获得伽马射线数据。伽马射线的探测数据,与高能中微子的探测数据之间,可以进行对比研究,以揭示宇宙的奥秘。2018年7月,科学家利用“费米”的探测结果,证实“冰立方”发现的高能中微子来源于一个遥远星系中的超大质量黑洞,这是人类首次确定极高能中微子的来源。

就像人类诊断疾病,需要借助验血、B超、CT等多种检查手段一样,如今很多的天文发现,都要用多种手段进行研究,才能揭示它们背后的物理机制,这意味着多信使天文学变得越来越重要。

1989年发射的宇宙背景探测者(Cosmic Background Explorer)卫星首次证实,宇宙微波背景辐射水平的变化,精确地符合温度为2.73开尔文的黑体辐射谱,表明当今的宇宙起源于一个高温、高密度的极早期态。2006年,这一成果获得了诺贝尔物理学奖。

2001年NASA发射的“威尔金森”微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP),更加精确地测量了宇宙微波背景在各个方向上的温度涨落,对限制宇宙学组分起到了关键作用,确立了标准宇宙学模型及其各个组分的组成,使人类进入了精确宇宙学的年代。

2009年发射的“普朗克”宇宙辐射探测器,是第三代宇宙微波背景观测卫星,从红外到微波,高精度观测宇宙微波背景温度的涨落和各向异性。通过一以贯之的持续努力,人类对宇宙微波背景的认识提高到了一个新的层次,这些研究成果对标准宇宙学模型的六个参数提出了更加严格的约束。



上世纪90年代,我们观测到宇宙正在加速膨胀,但这个结果用现有理论无法解释,从根本上颠覆了人们对宇宙的认知。虽然有很多种理论可以解释这一现象,但暗能量无疑是其中最合理的解释。但暗能量究竟是怎么产生的?它的本质究竟是什么?我们对暗能量的未知远多于已知,这些问题还远未有答案。

同一片星空下,我们拥有共同的梦想。太空探索一方面拓展了人类的认知疆界,另一方面提升了人类的技术能力,成为新的探索的起点。因此,太空探索事关人类福祉,本质上是全人类共同的事业,需要世界各国加强合作,共同努力。

宇宙就像无边的大海,而我们生活的地球只是汪洋大海中的一个小岛。岛上居民的存续和小岛的未来,取决于我们对这片大海的理解。这就是人类探索太空的意义所在。
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