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2016年十大太空故事

(2017-01-04 20:54:12)
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杂谈

​编译:Shea

在过去的2016年中,洞察力、创新和新兴技术构成了其最重要的太空故事。

引力波天文学元年定格在了2016年,昭示着科学家们能够以从未有过的方式来探测宇宙。我们身处的太阳系也占据了不少的头条。朱诺探测器抵达木星,科学家发现存在第9颗行星的线索。此外,有两家私营公司证明了火箭的可重复使用性。当然,从日益扑朔迷离的射电爆发,到宇宙中最的极端事件,意料之外的发现也成为了大新闻。

下面个将依次列出2016年的十大太空故事。

10.火星任务蹒跚行进

2016年3月,美国宇航局原计划发射“洞察”火星任务。它会着陆到火星的表面上,探测来自火星内部的地震。但2015年8月,科学家发现它的主要仪器——内部结构地震实验——存在真空泄漏。虽然裂缝本身的长度只有几个纳米(1纳米等于是十亿分之一米),但进行补救在时间上已经来不及了。

2015年12月,原定的发射不得不推迟。由于轨道几何的限制,下一次的发射窗口会在2018年5月。发射时间的改变兴许也能带来一丝慰籍,科学家们有额外的时间来精调地震传感器。

虽然“洞察”不得不推迟,但火星仍在2016年迎来了另一个造访者。3月14日,欧洲空间局和俄罗斯航天局联合发射了“火星生命”2016探测器,它是一个多步骤火星计划中的一步。这一初始任务包含了一个痕量气体轨道器,用来探测器火星大气中甲烷和其他生物学气体的痕迹。

2016年10月19日,它释放了一个名为“斯基亚帕雷利”的测试模块,来演示受控的进入、下降和着陆技术。不幸的是,该着陆器坠毁在了火星表面。不过,轨道器仍杂运转。其下一阶段为“火星生命”2020,计划把一辆火星车安全放置到火星上。


“火星生命”2016中的痕量气体轨道器正在环绕火星工作,而用来演示进入、下降和着陆技术的测试模块则已经坠毁。版权:ESA。

9.银河系产生高能粒子

2016年,在分析了10年的数据之后,高能立体系统的科学家发现在迄今所观测到的能量最高的粒子中有一些来自银河系的中心。

构成高能立体系统的5架望远镜并不直接探测这些高能粒子,它们所观测的是次级辐射。高能事件会发射出粒子。天体的磁场可以俘获并迫使这些粒子反复穿过激波波前数千次,其中每一次都可以增大粒子的能量。在粒子最终逃逸的时候,它们的速度可以与光速相当。

这些电子和原子核被统称为宇宙线,它们会与与其他物质发生相互作用,产生高能γ射线和低能宇宙射线。所有的宇宙线都带电荷,因此磁场会改变它们的轨迹。但γ射线是电中性的,所以如果能探测到它们,就能反向追溯其源头。

γ射线无法穿透地球大气层,但当它们在大气层中穿行时会发出蓝色的闪光。位于非洲的纳米比亚,高能立体系统的每架望远镜上都安装了对这些蓝光敏感的传感器,可以观测到银河系中心的完整图像。

它在银河系中心周围30光年的范围内探测到了辐射,它们来自于被加速度到可见光能量1千万亿倍的质子。这些质子最明显的来源则是位于银河系中心的超大质量黑洞,已经连续发射出宇宙射线至少有1 000年。


高能立体系统由1架28米和4架12米的望远镜组成,专门用来搜寻因γ射线和宇宙线与大气分子相互作用而产生的辐射。版权:HESS COLLABORATION/CLEMENTINA MEDINA。

8.第九行星和离奇的外太阳系

2016年,有天文学家发现了在冥王星轨道之外还存在一颗行星的线索,而其他的则发现了2颗新的矮行星。

在距离太阳50到数百个天文单位的地方是柯伊伯带中的散射盘。其中有6个小天体的轨道在穿越黄道面时有相同的夹角,且它们穿越黄道面的位置也相近。2016年2月,有行星科学家提出因偶然性而导致这些相似性的概率只有0.007%,他们提出这是由一颗质量至少为地球10倍的行星的引力所导致的。

但是,这并不能被视作是发现,科学家们需要直接观测到这颗行星。行星科学家估计出了这颗行星的轨道,以方便观测搜寻,但迄今对这颗第九行星的搜索仍一无所获。

第九行星并非是外太阳系中唯一被关注的目标,在过去一年中还发现了其他的天体。2016年7月,外太阳系起源巡天项目发现了一颗矮行星候选体,被称为2015 RR245。它轨道的近日点距离为34个天文单位,远日点则为129个天文单位。据估计,它的直径约为770千米。

之后,使用全景巡天望远镜和快速反应系统,天文学家在海王星之外发现了一个甚至更为离奇的天体。它的轨道几乎垂直于黄道,在此之前仅发现有一个天体拥有这样的轨道。


第九行星的艺术概念图。它看上去类似天王星或者海王星,其表面上的小片明亮区域为出现在它大气层中的闪电。版权:CALTECH/R. HURT (IPAC)。

7.正在逝去的夜空

晚上抬头仰望,你也许只能看到几颗亮星。人造光源已经污染了地球上83%人口的夜空。这个数字在2001年时为66%。在美国和欧洲这个数字甚至更加令人沮丧:99%的人口生活在受到光污染的夜空之下。由于光污染,地球上只有不到三分之一的人口可以看见银河。这些数据来自2016年6月公布的新版世界夜空亮度分布图。

为了绘制出这份分布图,科学家们综合了可见光和红外成像辐射计组件在白天和夜间的测量数据、高精度CCD亮度测量的结果以及一个新的天空质量数据库中的数据。它将服务于各个领域的科学家,为他们提供最好的光污染数据。

对于我们这些生活在城市地区的人来说,这些研究的结果兴许并没有太大的意外。然而,一旦远离了这些人造光源之后,你就会明白自己到底错过了多少大自然的神奇。亲眼看到银河,或者是猎户大星云,又抑或是昴星团中许许多多的光点,能更加紧密地把我们和宇宙联系到一起。


根据最新的数据所制作的新版世界夜空亮度分布图。不同的颜色代表了不同程度的光污染程度,例如红色表示看不见银河的区域。版权: F. Falchi等人。

6.重返木星

2016年7月,木星引来了它的新伴侣。朱诺探测器点燃其主发动机,进入环木星轨道。

这听起来很简单,但实际上却很难。“朱诺”抵近木星时的速度是每小时21万千米。在启动其主发动机进入为期53天的环木星轨道之前,它必须按时进行一系列精确的轨道机动。2016年10月,它进入了为期14天的科学轨道。

自伽利略探测器坠入木星大气结束使命至今,木星在近13年的时间里没有一位来自地球的访客。“朱诺”携带了9台科学仪器来对木星进行近距离地研究。木星拥有强大的磁场,会把粒子加速到极高的能量。这些辐射会对电子设备造成严重的破坏。为此,“朱诺”任务的团队设计了几种方法来延长仪器设备的寿命。首先,它的科学轨道会飞过木星的两级,以避开最恶劣的辐射环境。其次,“朱诺”的计算机和许多电子器件都放一个重170千克的钛防护罩内,用来阻挡大部分的高能粒子。

但是,即使有了精心的准备,它的一些仪器仍会在整个任务结束前失灵。由于恶劣的环境,朱诺探测器的寿命也不会很长,它会在2018年2月坠入木星。但在那之前,“朱诺”将透过木星的云顶揭示它隐藏了数十亿年的秘密。


科学家们预期正在环绕木星的朱诺探测器可以工作到2018年2月。版权:NASA/JPL。

5.快速射电暴日趋迷离

大约10年前,天文学家在澳大利亚帕克斯射电望远镜的归档数据中发现了一个奇怪的信号。这个信号仅持续了几毫秒,似乎来自银河系之外,与当时所知的任何东西都对不上号。2013年,天文学家在帕克斯望远镜其他的数据中又发现几个这样的信号。

虽然天文学家已经编目了17个这样的爆发事件,被称为快速射电暴,但并不清楚其成因。主流理论认为它们源于恒星的死亡,但这却与2016年3月公布的一项发现不符。使用阿雷西博天文台的射电望远镜,天文学家在2015年定期对一个已知的快速射电暴进行了观测。他们意外地发现这个源又爆发了10次以上。

天文学家之所以知道它们来自同一个源,是因为它们出现在天空中相同的位置上,其重复出现的信号与多年前第一次观测到的有相同的特性。这一特性被称为色散,是由该源所发出的射电波在向地球传播的过程中与电子相互作用所产生的。它会使得低频辐射传播的速度小于高频辐射。这一效应会在入射的射电信号中留下印迹,为识别出不同的爆发实则来自同一个源头提供了一条途径。

2016年2月公布的另一项研究声称,通过研究其余辉,确认了一个快速射电暴的位置。但整个领域随后被卷入到了快速射电暴再次增亮的漩涡中。天文学家现在所需要的是完全清晰明了地探测到快速射电暴本身,正在建造的数个项目兴许可以做到这一点。


在检查澳大利亚帕克斯射电望远镜的归档数据时,天文学家发现了持续仅数毫秒的快速射电暴,其成因至今仍扑朔迷离。版权:CSIRO。

4. 探索柯伊伯带

新视野探测任务无疑是2015年最最重磅的太空故事,但它依然出现在2016年榜单中前10名的原因有如下两个。第一,其历史性飞掠冥王星时所采集的数据已于2016年10月悉数传回地球。第二,分析这些数据尚需时日。

它最大的发现是,在过去的几百万年里冥王星必定一直处于活跃状态,这颠覆了科学家们对太阳系小天体的认识。对冥王星表面上最光滑区域中多边形结构的研究暗示其内部的温度超过预期。有对流过程正在把冥王星核心处温度较高的物质输运到其表面冷却。这些多边形的氮冰就漂浮在其他的冰流之上,尽管速度缓慢,但却在不断更新。

现在,“新视野”正在探测柯伊伯带中的其他天体。2016年4月,它观测了柯伊伯带天体1994 JR1。这些观测让科学家们更好地确定了它绕太阳公转的轨道并且测定其自转周期仅5.4个小时。

2016年7月1日,美国宇航局批准了“新视野”为期5年的扩展任务。由此,它会在2019年1月1日近距离飞掠小型柯伊伯带天体2014 MU69。瞄准其他的柯伊伯带天体一直是新视野任务的一部分,到整个任务结束时它会观测研究约20~25个柯伊伯带天体。


在新视野探测器飞掠冥王星1年之后,仍有新的发现在不断涌现。这幅图像显示的是冥王星的东南部区域,那里存在这一个白色光滑冰原与深色高地的交界地带。版权:NASA/JHUAPL/SwRI。

3.可重复使用火箭

一旦把载荷送入太空之后,运载火箭的第一级就会被丢弃。但是,如果这第一级火箭可以着陆并再次使用会怎么样?那它每次能节省数百万美元的开支。在过去的一年里,有两家私营公司向世人证明,可重复使用的火箭在技术上是可能的。

2015年12月21日,太空探索技术公司成功地把11颗卫星送入了近地轨道。在发射后2分钟,第一级和第二级火箭分离。在第二级不断攀升把载荷送入轨道的同时,第一级火箭回落到了地面,垂直降落在了美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地。

2016年4月8日,太空探索技术公司把近3 175千克的物资送往了国际空间站。9分钟后,其第一级火箭降落到了一艘位于大西洋的船上。此后,该公司又分别在5月6日、5月27日和8月14日进行了3次在海上无人船只上垂直回收火箭,7月18日在卡纳维拉尔角又进行了一次陆地回收。

在成功发射载荷和回收火箭方面,太空探索技术公司并非是唯一一个证明可重复使用火箭可行性的公司,也绝不是第一个。2015年11月23日,蓝色起源公司把一枚火箭送到了地面上方100.5千米的地方,并安全地把它垂直降落回地面。2个月之后,同一枚火箭再次发射并垂直降落。2016年4月2日和6月19日蓝色起源公司又成功进行了2次发射和回收,证明其新牧羊人火箭是可重复使用的。


2016年1月,蓝色起源公司的新牧羊人火箭在受控的情况下垂直着陆,证明了它的可重复实用性。版权:Blue Origin。

2.比邻星旁发现行星

在过去的几年里,天文学家在其他恒星周围已经发现了数千颗行星。但在2016年,观测发现距离我们仅4.2光年远的比邻星拥有一颗行星,它到比邻星的距离足够远,使得在其表面之上可能有液态水存在。

当这颗新发现的行星被称为比邻星b,它在环绕其宿主恒星公转时,会使得该恒星绕它们的公共质心转动。虽然这一作用很微小,但天文学家却可以测量出由此导致的比邻星星光所出现的周期性微小红移和蓝移。

一个国际天文学家小组在连续60天里每个夜晚都使用欧洲南方天文台的3.6米望远镜对这颗距离太阳最近的恒星进行20分钟的观测。与此前16年的观测结果相结合,他们发现比邻星的星光存在为期11.2天的周期变化,说明有一颗行星正在围绕它公转。

天文学家计算出比邻b的质量是地球的至少1.3倍,最大不会超过3个地球质量,可以推断出它是一颗类地行星,这意味着它会用一个固态的表面。比邻星b到其宿主恒星的距离为日地距离的5%。如果它拥有大气,其温度可以让液态水存在于它的表面之上。

比邻星b有一侧被始终锁定在了朝向其宿主恒星的方向上。相比于太阳,比邻星存在着更为频繁的爆发,由此产生的高能辐射会轰击它周围的行星。这些辐射可以吹散行星的大气,不利于生命的起源和演化。

比邻星b的发现无疑带来了许多的“如果”,但所有这些问题都让人兴奋不已。


比邻星b的艺术概念图。它的宿主恒星比邻星(背景中红色恒星)是距离太阳最近的恒星。比邻星也是三星系统半人马α的一员,另外两颗子星距离它0.1个光年,在图中位于前两者之间。版权: ESO/M. KORNMESSER。

1.引力波天文学兴起

2016年2月11日,高新激光干涉引力波天文台的物理学家证实,他们已经在2015年9月探测到了由2个黑洞并合所发出的引力波。几个月后,他们又捕捉到了另外2个黑洞并合所产生的引力波。

这个发现得益于50年来的技术进步和100年前的理论预言。第一次探测到引力波绝不仅仅是看到了一个期待已久的信号,它更是打开了一扇通向宇宙的新窗口。它类似于伽利略首次把望远镜指向夜空,以人类前所未有的方式来观察宇宙。伽利略这一举动彻底改变了天文学,催生出了过去400年间的各种新发现。现在所探测到的引力波也会发挥同样的作用。

开启这个新时代的就是高新激光干涉引力波天文台分别位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿汉福德的两个探测器。2015年9月14日,这2个探测器都处于其工程运转的最后阶段。团队成员正在测试探测器中的环境噪音。在结束了测试之后,他们并没有关闭探测器。几个小时之后,计算机算法识别出了一个被这两个探测器都探测到的、间隔7毫秒——这个时间恰好是引力波从一个探测器传播到另一个所需的时长——的相同信号。

为此,科学家们夜以继日地工作,旨在排除掉其他的一切可能性,从地震到探测器附近行驶的车辆。2016年1月21日,该团队提交了有关这一发现的论文。2016年2月11日,就在该论文发表的当天,高新激光干涉引力波天文台对外宣布探测到引力波。

现在,我们有了一种全新的方式来感知宇宙。每当我们这样做的时候,宇宙总能再一次地给我们带来惊喜。


2016年2月科学们宣布在2015年9月探测到了引力波,它们来自于10亿光年之外2个黑洞的并合。版权: SXS LENSING。


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