科學也可以如此靠近

回首往昔——這是2018天文大事記

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2019

2019年1月22日07時 科普中國網

科普中國網

在過去的2018年里,有嫦娥4號,帕克號的發射,有洞察號,隼鳥2號的抵達,有黎明號和開普勒號的告別,也有新視野號繼

在已經過去的2018年里,有嫦娥4號、帕克號的發射,有洞察號、隼鳥2號的抵達,有黎明號和開普勒號的告別,也有新視野號繼續遠行的期盼…

在已經過去的2018年里,我們在月球上發現了水冰,在火星上找到了複雜有機物,我們重新認識了太陽系中的很多天體,我們還在認識更多的系外的天體…

已經過去的2018年里,有喜悅,也有憂傷,有探索,也有發現。

一筆一划,都記錄著人類探索宇宙的蹣跚足跡。

月球

1. 嫦娥4號發射

12月8日,嫦娥4號月球探測器在西昌衛星發射中心發射升空。這是中國的第5次探月任務(算上嫦娥5號 T1的話),也是繼5年前的嫦娥3號任務成功完成之後的新進程。

長征3號乙改型(CZ-3B)運載火箭搭載嫦娥4號發射升空。

12月12日,嫦娥4號探測器經過約110小時的地月轉移軌道後,成功實施近月制動,進入了近月點約100公里的環月軌道,並將於2019年1月初擇機著陸。

嫦娥4號任務包括一枚著陸器和巡視器(月球車)的組合體,計劃著陸在月球背面的南極-艾肯盆地中,對月球背面的地質和天文環境展開探測——這是人類首次嘗試軟著陸和實地探測月球背面。

嫦娥4號著陸器(左)和月球車(右)。

為了解決挑戰月之背面的通訊難題,我國已在半年前(5月21日)預先發射了一枚通訊中繼衛星「鵲橋」,作為接下來的著陸器/月球車與地球進行通訊的「橋樑」。這枚人類首顆位於地月拉格朗日L2暈軌道(halo軌道)的通訊中繼衛星已於6月14日順利抵達預定軌道。

「鵲橋」工作示意圖。

2. 「水冰月」實錘

通過對月船1號搭載的月球礦物繪圖儀(簡稱M3)數據的分析,夏威夷大學的李帥團隊在月球南北緯70°以上的永久陰影區中確認發現了多處含有水冰的區域,這是科學家們首次在月球發現水冰存在的直接證據。這一成果發表於2018年8月20日的《美國科學院院刊》。

月球南北極區含有水冰的位置(天藍色點),底圖的灰度代表表面溫度,顏色越深就越冷。

這一發現既證明了長久以來對月球極區永久陰影區中可能有水冰的猜測,也證實了月球並不像我們曾經認為的那樣是完全乾燥的。至此,月球終於加入了太陽系水冰大禮包,成為內太陽系中除了金星之外的最後一個確認發現水冰的大天體。

火 星

1. 洞察號順利發射並著陸

作為本次2018火星發射窗口內的唯一一個火星任務,NASA的洞察號火星著陸器在今年圓滿完成了發射和著陸兩件大事。

5月5日,洞察號探測器在加州范登堡空軍基地發射升空。半年後的11月27日,洞察號順利經過「恐怖7分鐘」的考驗,平安登陸火星。

洞察號的使命是探測火星的內部結構,它也是人類第一顆火星地球物理探測器。它攜帶了火震儀(SEIS)、熱流和物理性質探測儀(HP3)和自轉和內部結構探測儀(RISE),將會對火星的內部結構、熱狀態和自轉狀態進行深入觀測。

剛著陸不久的洞察號已經順利完成了諸多準備工作,也收穫了火星的新風景。在過去的一個月里,洞察號第一次聽到了火星上的風聲,拍攝了第一張全景自拍,而且部署下了火震儀。

洞察號的第一張自拍,拍攝於12月6日,由11張照片拼接而成。

2019年,將會是洞察號真正大顯身手的一年。

2. Mars 2020選址敲定

11月20日,NASA公布了好奇號火星車的繼任者,下一代火星車Mars 2020的計劃著陸區——Jezero撞擊坑。

Jezero撞擊坑直徑約49公里,形成於火星的諾亞紀(約41-37億年前),很可能是一個古老開放式湖泊乾涸後的遺蹟。這裡有過流水作用的侵蝕,也受到過火山活動的波及,多種地質活動在撞擊坑內留下了豐富的堆積物,甚至可能保存了生命的線索。

光譜數據呈現出的Jezero撞擊坑中三角洲一帶豐富的堆積物,不同顏色代表不同的礦物。

Mars 2020火星車計劃於2020年7月發射,並於2021年2月到達火星。

3.火星地下冰層、複雜有機物、冰下湖的發現

人類對 火星生命和火星宜居性的探索 在2018年也有了新的進展。

1月12日,《科學》雜誌發表了美國地質調查局(USGS)Colin M. Dundas團隊的發現。他們通過火星勘測軌道飛行器(MRO)的影像和光譜數據,首次在火星中緯地區發現了大量純凈的地下水冰。這些地下水冰層不僅可以幫助我們追溯火星歷史上的氣候變化,也有望作為將來登陸火星的太空人和火星移民的補給來源。

中緯的斷崖中暴露出的純凈水冰。

6月8日,《科學》雜誌發表了來自NASA哥達德空間飛行中心Jennifer L. Eigenbrode團隊和NASA噴氣動力實驗室Christopher R.

Webster團隊的兩篇論文。前者通過好奇號的鑽孔採樣數據分析,首次在火星的古老泥岩中發現多種噻吩(C4H4S)類和其他芳香族、脂肪族等複雜有機物;後者通過好奇號火星車對跨度達3個火星年(約6個地球年)期間的火星甲烷含量的觀測,證實火星上的甲烷含量有季節性變化。這兩大發現雖然還不足以證明火星上曾經或者現在有生物存在,但也都不能排除生物成因的可能性。

(左)好奇號首次發現噻吩等複雜有機物。(右)好奇號探測到的甲烷季節性變化。

7月25日,《科學》雜誌發表了義大利天體物理研究所的羅伯特·奧羅塞團隊的最新結果。他們通過火星快車號探測器的MARSIS雷達數據,發現火星南極的冰蓋之下1.5公里深處很可能有液態鹽水湖,延伸範圍約有20公里。

可能的液態水湖所在的區域(右圖藍色三角區域內)

越來越多的觀測結果告訴我們,火星、穀神星、木衛二、木衛三、土衛二、土衛六,甚至冥王星…它們的冰層之下很可能都有鹽水湖泊或海洋,太陽系並不是乾涸的沙漠,而是蘊藏著數不清的生命之源。

小行星

1. 黎明號結束任務

2018年11月1日,NASA正式宣布黎明號探測器燃料耗盡,結束了它長達11年的小行星帶之旅。

發射於2007年9月27日的黎明號探測器,以一己之力為人類揭開了小行星帶中兩顆最大天體——灶神星(Vesta)和穀神星(Ceres)的面紗。它也是目前為止唯一一個環繞了兩顆地外天體,第一個環繞小行星帶天體,第一個探訪矮行星的探測器。

黎明號的青春紀念冊。

黎明號結束任務之後的最終軌道是項目組精心設計的距離穀神星最近的「安全軌道」,會保證黎明號在接下來的至少20年里不會撞上穀神星——以防不慎污染了這顆矮行星。

而人類會抓緊接這段時間來確認穀神星上是否真的具備維持生命的條件,甚至存在生命。

2. 隼鳥2號和OSIRIS-REx號探測器到站

雖然目前還暫時沒有重訪穀神星的計劃,但在太陽系的其他地方,另外兩顆近地小行星探測器,JAXA的隼鳥2號和NASA的OSIRIS-REx號都在2018年順利抵達了目的地。

先到的是隼鳥2號。6月27日,隼鳥2號探測器抵達小行星「龍宮」上空預定軌道,開始與「龍宮」伴飛。隨後的幾個月里,隼鳥2號迅速完成了對陀螺形小行星「龍宮」的一系列包括地形、重力、溫度等各方面的初步探測。9月21日,巡視器MINERVA-II1成功著陸「龍宮」表面並傳回照片,成為首次成功著陸小行星上的巡視器。10月3日,著陸器MASCOT也順利著陸並完成探測。

(左)隼鳥2號拍攝的直徑約900米的小行星「龍宮」;(右)MINERVA-II-1B著陸後拍攝的「龍宮」表面。

這一巨大的成功也讓領導隼鳥2號團隊的JAXA吉川真副教授入選了今年《自然》雜誌年度十大人物。

吉川真。

2019年,隼鳥2號將會面臨更大的挑戰。在新的一年裡,它計劃完成2-3次著陸採樣,這將是一場異常艱險的硬仗。

而在另一邊,NASA的冥王號(OSIRIS-REx)探測器也於12月3日抵達小行星「貝努」,而且剛抵達沒幾天就傳回捷報:冥王號已經在「貝努」上探測到了水。2019年將是冥王號開始大展身手的一年,讓我們拭目以待。

冥王號拍攝的直徑約500米的小行星「貝努」。

木星:朱諾號的捷報

3月8日,《自然》雜誌一次發表了四篇論文,介紹了朱諾號前6個周期的探測結果。通過這些探測數據,我們對木星的重力場、內部結構、中低緯的條帶、南北極的氣旋都有了更為深入的了解。

朱諾號近紅外波段數據揭示的木星南極區域的氣旋分布。顏色越深表示溫度越低(雲越多)。

轉眼兩年半過去,如今的朱諾號已完成了最初的12個觀測周期,並於今年6月開始了拓展任務。也就是說,朱諾號還會為我們揭開更多關於遙遠、神秘而氣象磅礴的木星的秘密。

木星雲層之上,拍攝於2017年12月16日。

向外:旅行者2號進入星際空間

在很長一段時間裡,旅行者1號都是人類唯一一顆進入星際空間的探測器,而這一切在2018年發生了變化。

旅行者號團隊通過旅行者2號攜帶的等離子科學實驗儀(PLS)、宇宙射線探測儀(CRS)等科學儀器,確認旅行者2號於2018年11月5日也穿過了太陽風的邊界,也就是日球層頂(heliopause),成為第二個正式進入星際空間的探測器。

旅行者1號和2號目前的位置示意圖。

旅行者2號的這一歷史性時刻意義非凡。

不同於只飛掠了木星和土星的旅行者1號,旅行者2號是人類迄今為止唯一一顆一次性飛掠過四顆外太陽系行星系統(木星、土星、天王星、海王星)的探測器,也是人類窮盡當時的技術、智慧和機遇的一次里程碑式的成功。

旅行者2號也讓人類得以首次直接觀察到探測器穿過太陽風邊界進入星際空間之後的環境。是旅行者2號攜帶的等離子科學實驗儀首次探測到探測器穿過太陽風邊界之後周圍環境中的等離子體密度的劇烈減少,因為旅行者1號攜帶的等離子科學實驗儀的在穿過太陽風邊界很久之前就已經壞掉了。

旅行者2號攜帶的宇宙射線探測儀(CRS)顯示,11月5日後,旅行者2號周圍探測到的來自日球層內的粒子驟減,而來自宇宙射線的粒子驟增。

自此,發射於1977年9月5日和8月20日的旅行者1號和2號探測器已經先後於2012年和2018年進入了星際空間。雖然距離「飛出太陽系」還遙遙無期,但它們依然代表著人類向著太陽系外探索的先鋒,正不停歇地飛往更遠的地方。

向內:帕克號和貝比科隆博號發射

向太陽外的探索固然非常艱難,但向太陽系內的探索卻也絲毫沒有更容易。太陽巨大的引力和嚴酷的高溫,讓人類不敢輕舉妄動。

然而,2018年也是人類向太陽系內探索的突破之年。

2018年10月20日,歐空局ESA和日本航天局JAXA聯合研製的貝比科隆博號水星探測器(BepiColombo)在法屬蓋亞那庫魯航天中心發射升空——這是人類迄今為止的第3個水星探測器,也將是繼2004年發射的信使號探測器之後的第2個水星軌道器。

貝比科隆博號水星探測器假想圖。

貝比科隆博號水星探測器由ESA主導的水星探測軌道器MPO和JAXA主導的水星磁層軌道器MMO兩部分組成,預計花費7年時間抵達水星軌道,對水星的地形、重力、內部結構、礦物成分、磁層以及水星周圍的各種粒子環境進行全方位探測。

而更激動人心的,是人類「觸摸」太陽的勇氣和豪情。

2018年8月12日,NASA的帕克太陽探測器在美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。這顆致力於探索太陽的大氣層、磁場和太陽風的帕克太陽號探測器以美國天體物理學家尤金·帕克的名字命名,這也是NASA歷史上第一顆以還在世的人的名字命名的探測器。

這顆探測器將成為人類有史以來最接近太陽的探測器,也將成為有史以來速度最快的人造物體。它將帶著白色的隔熱盾,勇闖1400攝氏度的高溫。

帕克號將在發射後的7年里環繞太陽24圈,一點一點靠近太陽。而在2018年的最後幾個月里,帕克號進展良好,已經完成了第一次金星飛掠和第一次近日點飛掠。

帕克號「觸摸」太陽的假想圖。

系外行星:苔絲接棒開普勒,薪火相傳

2018年10月30日,偉大的系外開拓者、行星獵人、NASA的開普勒探測器在幾次掙扎在油盡燈枯的邊緣之後,因燃料耗盡醫治無效,永遠離開了我們。這顆發射於2009年3月7日,使命是尋找太陽系以外的行星的探測器,原本的設計壽命只有3.5年,但它一再超期服役,最終堅持工作了9年半。

作為人類第一顆職業行星搜尋探測器,開普勒告訴了我們太多太多。

在2001年底,開普勒任務正式通過之前,人類只發現了約80顆系外行星。而到了2018年底,人類已經確認發現了約3800顆系外行星——其中有2662顆都是開普勒探測器發現的,占了70%。

9年多的飛行,觀測了53萬多個恆星系統,確認發現了2662顆系外行星。

開普勒探測器告訴我們,系外行星是普遍存在的,類地大小的行星也是普遍存在的;開普勒探測器也告訴我們,行星系統可以有多麼豐富多彩,傳統的行星形成理論可能亟需修改——我們以為是典型的太陽系,只不過是其中一種情況罷了。

可以說,是開普勒探測器,真正讓我們開始以全新的視角看待星空——

曾經,那只是一個個遙遠而陌生的亮點;

而現在,我們知道那一個個亮點裡,也有著和我們的太陽系一樣甚至更加豐富多彩的行星甚至衛星世界。

紀念開普勒探測器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。

欣慰的是,開普勒探測器的繼任者——NASA的凌日系外行星巡天衛星苔絲(TESS)已於今年4月18日發射升空,接過了開普勒探測器的火炬,而且短短几個月就已經確認發現了3顆系外行星。

薪火相傳。

1%的銀河系:蓋亞任務數據第二次發布

發射於2013年12月19日的歐空局蓋亞(Gaia)任務,至今已完成了四年多的探測。蓋亞任務的設計功能是以前所未有的精度測量星體的位置、距離和運動等特徵,目標是繪製10億顆天體(主要是恆星)的三維星圖,或者說,「下載」1%的銀河系「資料庫」,以此來揭示銀河系的組成、形成和演化。

蓋亞任務於2016年9月14日發布了第一批數據(Gaia DR1),包括了截止到2015年9月的為期14個月的初步探測內容。

而今年(2018年)4月25日,蓋亞任務的第二次數據發布(Gaia

DR2)則更為矚目。這次發布包括了從2014年6月25日到2016年5月23日長達22個月的觀測數據,涵蓋了16.9億顆恆星的位置和亮度,13.3億顆恆星的視差和自行運動信息,13.8億顆恆星的顏色,720萬顆恆星的徑向速度,7700萬顆恆星的半徑和光度測量數據等大量信息。可以說,至此蓋亞任務已經完成了「繪製1%的銀河系」這一最初的目標。通過對這些數據的分析和研究,無數關於銀河系的謎題已經或將會被揭開。

蓋亞第二次數據發布呈現的銀河系星圖。

領導這個由400多名科學家組成的蓋亞數據處理和分析團隊的科學家——荷蘭萊頓大學的Anthony Brown教授也入選了今年《自然》雜誌年度十大人物。蓋亞任務發布的數據已經被超過700篇學術論文引用,還有許多天文學家們正在孜孜不倦地深挖這個珍貴的數據寶庫

Anthony Brown。

蓋亞任務接下來還將會有一次或者更多次激動人心的數據發布。

來自遙遠星系的使者:「冰立方」探測到中微子

2017年9月22日,「冰立方」團隊探測到了一次極高能中微子事件,在這顆中微子的來源方向上,剛好有一個正處在活躍狀態的「耀變體」(flaring

blazar),科學家們認為這就是本次觀測到的極高能中微子的源頭——這是人們首次確認中微子的銀河系外來源體。在此之前,人類只確認過兩個中微子源天體:太陽和超新星1987A。由於中微子是宇宙射線作用的產物之一,因此這也意味著這很可能是人們首次找到宇宙中高能射線的來源體。這一結果發表於2018年7月13日的《科學》雜誌。

中微子這種極輕極小的粒子極難被探測到,探測到本次中微子事件的裝置叫做「冰立方」(IceCube):在南極厚厚的冰層之下1450-2450米之間的不同深度處,安置了60個用於探測中微子產物信號的光學傳感器,構成了一個大約覆蓋一立方公里範圍的傳感器陣列。

南極冰下的探測裝置——冰立方。

事實上,在冰立方團隊9月22日探測到中微子之後,是包括專門監測高能伽馬射線的費米衛星、美國的 「央斯基甚大陣」 射電望遠鏡、日本的 「昴星團」光學望遠鏡等多種觀測手段和儀器加入了進來,一同尋找和確認來源,才最終鎖定了這個耀變體。因此,這次中微子事件也標誌著多信使天文學新的里程碑。這一成果入選了《科學》雜誌的「2018年十大突破」榜單。

下一站,月之背面!下一站,天涯海角!

或許你還沒有從忙碌而充實的2018年里緩過神來,但勤奮的探測器們卻已經開始了新的征程。

在2019年剛剛開始的幾天,兩件大事即將發生。

1月1日,離開冥王星多時的NASA新視野號探測器將飛掠它的下一個目標——柯伊伯帶天體2014 MU69,它還有一個浪漫的暱稱:Ultima Thule(拉丁語「天涯海角」之意)。這將是人類通過探測器近距離探訪的最遠的太陽系天體。

新視野號飛掠天涯海角的假想圖。

同樣是1月初,我國的嫦娥4號探測器將嘗試著陸月球背面。雖然通訊的難題已經解決,但地形複雜崎嶇的月之背面依然兇險異常——這將是人類首次挑戰軟著陸月球背面。

盤踞月球背面南半球的南極艾肯盆地(紅圈內)是嫦娥4號的目標。根據LROCWAC影像繪製。

2019,新的一年,新的期待。


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