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2020年十大太空故事
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Alison Klesman和Jake Parks 文 Shea 编译 |
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一个多国探测器舰队启程飞往火星，中国嫦娥五号成功实现月球采样返回，载人龙飞船把宇航员送上了国际空间站。 在新型冠状病毒的冲击下，2020年无疑是艰难的一年。天文学家发现了最遥远的星系群，探测到了银河系中的波动，证实了火星存在地质活动。参宿四发生了令人惊讶的变暗事件，肉眼可见的新智彗星则大放异彩。 2020年5月，太空探索技术公司（SpaceX）的载人龙飞船把宇航员从美国本土送上了国际空间站，这是近十年来的第一次。7月，由三个航天器组成的多国舰队开赴火星。2020年底，嫦娥五号完成了月球采样返回任务，完美收官。 在全球疫情的肆虐下，许多望远镜被迫关停。尽管有这些挑战，下面的十大太空故事仍展示了人类对未知宇宙的孜孜探求。 10. 发现最年轻星系群 宇宙黑暗时代始于大爆炸之后38万年。起初，不存在恒星和星系来发光。但即便这些天体开始形成之后，由于宇宙中充满了会吸收和散射紫外线的中性氢原子，它们发出的光也步履维艰，传播不了多远。 随着时间的推移，极早期天体发出的紫外线会电离这些氢原子，使之带电。这一再电离时期止于大爆炸后10亿年，从此让宇宙变得透明。 然而，天文学家并不清楚，在再电离过程中是星系、黑洞还是恒星清除了宇宙中的中性氢。目前同样不知道的是，宇宙从不透明到透明的转变花了多长时间。 新的天文观测在大爆炸后6.8亿年发现了3个星系，当时的宇宙仅有目前年龄的5%。被称为EGS77，这是已知最遥远的星系群，因此也是宇宙中可见的最早星系群。 这些星系每一个都正在其周围形成直径约2～3百万光年的电离氢泡。这些泡泡交叠的时就会形成一个更大且没有中性氢的区域，光可以在其中自由穿行。这是第一次观测到星系群让宇宙变得变得透明。 未来，通过该星系群的电离氢泡，天文学家将会去寻找更为暗弱的星系。它们的数量远超较亮的星系，说不定会是再电离的主力军。  9. 火星和金星在地质学上仍然活跃 2020年2月，“洞察”号火星着陆器公布了其初步结果。在最初10个月的探测任务中，它发现火星具有活跃的地震活动。 从2019年2月到9月，“洞察”号探测到了174次火星地震，其中最强的2次来自刻耳柏洛斯堑沟群。在过去的2 000～2 500万年里，这个年轻的地区经历了火山和其他地质活动。火星表面的平均年龄都在几十亿年，因此任何年龄仅几千万年的地区都是让科学家非常感兴趣的地方。这些地质活动的能量来自哪里？为什么火星上的其他地方没有类似的活动？ 到2020年9月，“洞察”号探测到了约500次火星地震，其中约有50次可以提供有关火星内部深处的信息。通过研究火星地震波在地壳中的传播，发现火星地壳很可能是完整的，不像月球地壳因撞击而发生碎裂。总体而言，火星地震活动与预期的相符，但强震的数量要少于预计。 然而，火星并非是（除地球外）唯一活跃的带内行星。2020年7月发表的一项研究为金星上存在近期火山活动凭添了新的证据。金星表面存在一些圆形的地貌，被称为地冕，因熔岩抬升表面而形成。通过将对金星表面的观测结果与地冕形成和演化的三维模型进行比较，发现至少有37个大型地冕仍在演化中，表明金星在地质学上仍是活跃的。 这并不让人意外。虽然过去很长一段时间一直认为金星上已不存在地质活动，但新近有大量的研究发现金星目前仍然是活跃的。 此外，最近在金星大气中发现了磷化氢。在地球上微生物会产生此类物质，因此它被认为是生物征迹。不过，这一发现也存在诸多争议，尚无定论。  8. 参宿四变暗 2019年末，位于猎户座右肩的红巨星参宿四开始急剧变暗。虽然已知它的亮度会随着时间规则变化，但这一变化却始料未及且十分极端，仅用肉眼就能察觉到。到2020年2月中，参宿四的亮度降到了其通常值的仅三分之一。天文学界开始议论纷纷，这难道是它即将要发生超新星爆发的信号？ 但眼下在夜空中参宿四的亮度已恢复了常态，且不再变化。那么，到底发生了什么？根据哈勃空间望远镜的观测，2019年秋参宿四从其光球层抛射出了一团高温气体。当它抵达距离参宿四数百万千米的地方时，冷却并凝聚成了尘埃颗粒，暂时性地遮挡了参宿四的南半球，造成了参宿四视亮度的下降。 类似的事件可以向天文学家展示，诸如参宿四这样的恒星是如何流失物质的。对这一过程，目前仍知之甚少。  7. 太阳科学进入黄金时代 虽然太阳已被广为研究，但关于这颗距离地球最近的恒星仍有一些未解之谜。不过，也许要不了多久，一系列太阳探测任务很快就会解开这些最后的谜团。 这其中最有意思也最重要的发现来自2018年发射的帕克太阳探测器。它从较此前近得多的距离上对太阳进行了测量。最近，它发现太阳的磁场出奇复杂。在类似于条形磁铁的偶极结构之上，还叠加有其他的磁场结构。 与帕克太阳探测器并肩工作的还有环日轨道器。在2020年2月初发射后，它在6月中旬首次近距离飞过太阳。该探测器的10台仪器工作正常。它的成像仪并未受到杂散光的显著影响，磁强计则观测到了一个日冕物质抛射事件的迹象。紫外图像显示太阳上存在前所未见的亮斑。这些亮斑只有普通耀斑大小的十亿分之一到百万分之一，且非常普遍。天文学家怀疑，它们要么是迷你耀斑，要么与加热太阳外层日冕的纳耀斑有关。 太阳探测器越多，得到的认知就越全面。除了上述两个探测器之外，还有太阳和太阳风层探测器、日地关系观测台、贝比科隆博水星探测任务也在观测太阳。这无疑是太阳观测的黄金时代。  6. 载人龙飞船首次运送宇航员 自2011年航天飞机机群停飞以来，美国宇航局的宇航员一直依赖俄罗斯往返国际空间站。但这一情况已成为过去。作为有史以来的第一次，私人宇航企业太空探索技术公司在2020年5月30日把两名美国宇航员送入了轨道。 作为其载人龙飞船演示任务，大约有1 000万人观看了发射的直播。发射后第2天，载人龙飞船与国际空间站对接，两名宇航员进入空间站。在接下去的2个月里，他们对载人龙飞船进行了在轨测试并开展了科学实验。 在完成了国际空间站上的任务之后，这两名宇航员乘坐载人龙飞船返航。2020年8月2日，返回舱安全溅落在墨西哥湾。由于探测到可能有低浓度的有毒推进剂泄漏，宇航员出舱被迫推迟。在排除了安全隐患之后，宇航员安全撤出了载人密封舱，证明了这家私人企业制造载人航天器的安全性。 2020年11月15日，首个正式的载人龙飞船任务发射前往国际空间站。在第二天与国际空间站完成对接之后，两名美国宇航员和一名日本宇航员从龙飞船进入空间站。 在两次成功地把宇航员送上国际空间站之后，载人龙飞船证明了私人企业在载人航天领域的作用和价值。  5. 三颗彗星的惊喜 发现于2019年8月30日，作为已知第二个进入太阳系的星际天体，星际彗星鲍里索夫当时尚未过近日点。不同于在过了近日点之后才被发现的第一个星际天体奥陌陌，天文学家有机会可以看到鲍里索夫彗星在过近日点前后的样子。 即便在温度非常低的情况下，一氧化碳在彗星表面上也能直接从固体升华成气体。因此，如果探测到了一氧化碳，那说明一定存在在低温中保存了很久远的物质。 在鲍里索夫彗星上，一氧化碳比水多，这在太阳系彗星上是闻所未闻的。这一异常的比例表明，鲍里索夫彗星无疑形成于一个与太阳系迥异的系统，它的诞生地有可能是在红矮星附近。红矮星是比太阳更小且温度更低的恒星，占据了银河系恒星总数的绝大部分。 就在鲍里索夫彗星淡去之际，天文爱好者们开始期待C/2019 Y4彗星的增亮。根据预言，到2020年5月中旬它的亮度甚至会超过金星。然而，4月11日天文爱好者拍摄的照片显示该彗星正在解体。哈勃空间望远镜于4月20日和23日获得的图像证实它已经碎裂成了多块。这对于研究彗星的天文学家来说是个非常有趣的事情，但同时也使得C/2019 Y4彗星完全失去了成为“大彗星”的机会。 幸运的是，新智彗星扛起了大旗。在被发现仅3个月后，它就在2020年7月3日左右增亮到1～2等，达到了肉眼轻易可见的程度。它还很快就伸出了一条气体彗尾和一条尘埃彗尾，后两者在天空中的跨度超过了30°，非常得上镜。 对于北半球的人来说，新智彗星是自海尔-波普彗星以来可见最亮的彗星。在数周的时间里，为北半球的观星者在2020这个艰难之年上演了一场绚丽的表演。  4. 首次探测到中等质量黑洞 从数倍到数十亿倍太阳质量，黑洞的质量可谓变化万千。虽然有大量的证据能作证恒星质量和超大质量黑洞的存在，但对于这两者之间的中等质量黑洞却一直处于扑朔迷离的状态。但在2019年5月21日，激光干涉引力波天文台探测到了形成中等质量黑洞的并合事件所发出的引力波。 在花费了一年多的时间来仔细分析这一持续仅0.1秒的信号之后，2020年9月科学家团队公布了有关的结果：这些引力波来自172亿光年之外，由两个黑洞并合形成一个142倍于太阳质量的中等质量黑洞时所产生。以引力波的形式，这一事件释放出了极大的能量，差不多相当于8个太阳的质能。 虽然这一探测证实了中等质量黑洞的存在，但它同时也提出了许多问题。其前身黑洞的质量分别为66和85个太阳质量，后者位于生对不稳定性质量间隙中。当质量最大的恒星死亡时，它们会留下一个黑洞。但当一颗恒星的质量在130～200个太阳质量之间时，其核心处的光子会变得极为强劲，会转变为电子和正电子对，无法再抵抗引力。此时恒星会变得极不稳定，在发生超新星爆炸之后，什么都不会留下。 虽然从发现和物理的角度来看，这是非常激动人心的一件事情，但这一事件引发的问题却比给出的答案还要多。  3. 银河系中的拉德克利夫波 由于地球身处银河系中，因此想要勘测它的大尺度结构是极具挑战性的。对于银河系中的恒星形成区尤其如此。因为它们并非像恒星那样是点状的天体，很难测量这些巨大气体和尘埃云的距离。但是，新的方法急剧提升了测量近距恒星形成区距离的精度，同时还发现了意料之外的东西：拉德克利夫波。 近9 000光年长、400光年宽，这条由相连恒星形成区组成的蛇形曲线在银道面上下蜿蜒。它距离地球最近处不到500光年，与猎户座、金牛座、英仙座、仙王座和天鹅座中的分子云相连。 在发现拉德克利夫波之前，对恒星形成区的研究都是孤立开展的。拉德克利夫波显示，通过纤维状气体结构，在最大的尺度上所有这些区域都是相连的。这一研究综合考虑了气体和尘埃所引起的红化效应以及由盖亚探测器对恒星距离的精确测量结果。 在太阳邻域中，可以观测到红化效应，由此可以确定大量恒星形成区的距离。但此前的距离测量都是零星的，只能得到一个个星云的结果。以好于此前测量5倍的精度，新的研究确定了近距恒星形成区的距离并发现了拉德克利夫波。这会使得天文学家在更大的银河系背景下来重新认识小尺度上的恒星形成过程。  2. 火星探测舰队启航 火星一如以往是一年中的焦点所在。这不仅仅是因为“洞察”号着陆器探测到了数百次的火星地震，也不单单是由于火星快车探测器发现了火星南极冰层下多个地下咸水湖。更为重要的是，2020年见证了一支新的火星探测器舰队的启航。它们利用了每26个月才会出现一次的有利条件，可以通过最短的路程抵达火星。 第一个出发的是2020年7月19日阿拉伯联合酋长国发射的“希望”号火星探测器。它搭载了红外和紫外分光仪，前者会探测火星低层大气中的尘埃、水和冰，后者会研究火星高层大气中的氧气和一氧化碳。此外，它还携带了一台多波段相机，具有每像素好于8千米的分辨率。总体而言，“希望”号探测器会提供对火星大气层更加全面的认识。 紧随其后，7月23日中国的天问一号火星探测器发射，它由一个轨道飞行器、着陆器和巡视器组成。根据计划，在环绕火星2个多月后，轨道飞行器会释放着陆器和巡视器。后两者会在火星北半球的乌托邦平原附近着陆，寻找过去或现有生命的痕迹。此后，轨道飞行器会进入一条椭圆形的极轨道，为着陆器和巡视器提供通讯中继，并对火星表面和环境开展科学探测。 最后一个出发的是美国宇航局7月30日发射的“坚毅”号火星车。作为火星2020任务的一部分，这辆小汽车大小的火星车有着雄心勃勃的蓝图。大部分基于“好奇”号火星车的设计，它配备有可以探测岩石中元素和矿物成分的仪器，由此来寻找火星耶泽罗陨击坑曾经存在有古生物的证据。它还会开展一些概念验证实验，包括一个制氧装置和一架由太阳能驱动的直升机。此外，“坚毅”号火星车还计划寻找、采集并封装火星岩石和土壤样本，它们最终会被送回地球，以便开展更为尖端的科学分析和研究。 上述所有任务都预计会在2021年2月抵达火星，因此2021年注定是一个火星探测的大年。  1. 嫦娥五号成功实现月球采样返回 2020年12月17日凌晨，嫦娥五号返回器携带约1.7千克月球样本在内蒙古四子王旗安全着陆。这是21世纪人类首次月球采样返回任务，也是中国首次实现地外天体采样返回。作为中国目前复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，嫦娥五号的成功标志着中国航天向前迈出了一大步。 该任务始于2020年11月24日清晨，长征五号遥五运载火箭从文昌航天发射场将嫦娥五号送入太空。嫦娥五号重达8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成，任务实施由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控与回收、地面应用等五大系统共同完成。 在完成了地月转移、近月制动、两两分离、平稳落月、钻表取样、月面起飞、交会对接及样品转移、环月等待、月地转移、再入返回、安全着陆等多个步骤之后，嫦娥五号返回器携带月球样品，成功返回地面。 嫦娥五号任务创造了五项“中国首次”：在地外天体的采样与封装；地外天体上的点火起飞、精准入轨；月球轨道无人交会对接和样品转移；携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回；建立中国月球样品的存储、分析和研究系统。 嫦娥五号的成功实施标志着中国具备了地月往返的能力，实现了“绕、落、回”三步走规划完美收官，为未来月球与行星探测奠定了坚实基础。  |
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[Astronomy 2021年2月]
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2001-2021火流星工作组制作
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