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2021年十大太空故事
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Alison Klesman 文 Shea 编译 |
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在过去的2021年，既有公众参与的重要科学发现，也有对火星上首次直升机飞行感到的兴奋，更有詹姆斯·韦布空间望远镜成功发射为这一年画上的完美句号。 回望2021年，充满了起起伏伏。全球疫情对科学研究的冲击仍在持续。有探测器开始启程回家，也有空间望远镜在一系列的故障中顽强幸存。2020年发射的三个火星任务先后达到了目的地，也带来了许多的“第一次”。与此同时，各航天机构也把目光转向了我们的另一个近邻：金星。 在经历重重困难和多次推迟之后，詹姆斯·韦布空间望远镜终于在岁末成功发射。此外，天文学家也目睹了此前一直猜想中的现象，加深了对我们宇宙的认识。 总之，2021年给我们带来了新的见解，为2022年树立了新的目标。 10. “奥西里斯王”启程回家 奥西里斯王小行星探测器终于启程飞回地球。2018年12月31日，它进入了环绕近地小行星贝努的轨道。2021年5月10日，它点燃引擎，开始回家的路途。在它的采样返回舱中，装着2020年10月20日所采集的约400克、该小行星表面的物质样本。 当时，整个触碰式采样过程仅持续了6秒。探测器拍摄的照片显示，采样头收集到了大量的样本。为了防止样本颗粒飘散，控制人员决定在当年10月底就封存样本，而非原计划的11月初。 现在，“奥西里斯王”所采集的样本已安全保存，它也启程返回地球。预计会在2023年9月24日抵达。届时，样本返回舱会使用降落伞返回地面，而该探测器则会继续飞行，最终进入到位于水星和金星之间的绕太阳轨道。如果获批，其拓展任务意在于2029年造访毁神星。 在“奥西里斯王”之前，日本的隼鸟2号探测器于2019年2月采集了近地小行星龙宫的样本，并于2020年12月6日返回地球。和“奥西里斯王”一样，隼鸟2号也飞掠了地球。现在它正前往另外两颗近地小行星：2001 CC21和1998 KY26。美国已收到并正在研究一部分的龙宫样本，作为交换贝努的部分样本也将提供给日方。  9. 观测到来自黑洞后方的反光 近年来，爱因斯坦的广义相对论已得多次验证。2021年，首次观测到了来自黑洞后方、被黑洞时空强烈弯曲的X射线，让该理论再次通过了检验。 虽然光线无法从黑洞视界内逃逸，但却可以观测到来自于视界外、由围绕黑洞的高温吸积盘所发出的辐射。使用X射线空间望远镜，天文学家观测了一个距离地球约8亿光年的星系中心，寻找超大质量黑洞周围由高能粒子组成的冕所发出的明亮X射线爆发。 但在每一次爆发后不久，望远镜都会在另一个不同的波长上观测到一个较为暗弱的X射线闪光。这些闪光实则是每次爆发所产生的辐射被吸积盘反射所致的回光，而反射这些辐射的地方就恰恰在被黑洞阴影所遮挡的、位于黑洞后方的吸积盘。这些回光在波长上的变化则是由于黑洞的引力对其扭曲和拉伸所致。 虽然广义相对论很久以前就预言了这一现象，但这是首次直接观测到它。每次观测到吸积盘的辐射，其中必有一部分是来自于黑洞后方的辐射，但难点就在于把它们分离出来。 看到这一回光能让天文学家更多地了解黑洞的特性。绝大多数黑洞都无法直接成像，因此关键是找到探测它们的方法。这一发现表明，X射线爆发可以提供紧邻黑洞周围区域的信息。由此，也可以重建宇宙中其他黑洞的图像。  8. 哈勃空间望远镜故障 即便在工作了30多年之后，哈勃空间望远镜仍是天文学中的主力望远镜之一。但一路走来绝非顺利。随着航天飞机的停飞，已没有办法对老化的“哈勃”进行维修。于是，一旦出现问题，目前只能通过远程诊断并依据现有设备利用变通方法来解决，但要知道“哈勃”上的许多设备可以追溯到上个世纪80年代。 2021年6月13日，“哈勃”管理仪器设备的载荷计算机停止工作。为此，它的主计算机命令科学仪器进入安全模式，停止观测。6月14日载荷计算机在重启后问题依旧，由此开启了近一个月测试、诊断和解决问题的过程。 6月23和24日，为了绕过被认为因老化而出现故障的设备，控制人员启动了此前从未在太空中被开启的备份载荷计算机。但这也没有解决问题。因此，工程师们转向了不同的解决方案，包括启动“哈勃”备份的科学仪器、指令和数据处理单元。这一过程需要从地面上进行极为精细的操作，开启多个此前从未在太空中使用过的备份系统。 一个包括此前在“哈勃”工作或现已退休的50多人组成的团队花了2周时间来制定、模拟并验证这一更换方案。与此同时，问题最终被定位到了“哈勃”的电力控制单元，它负责管理整架望远镜的能源，也包括载荷计算机。幸运的是，“哈勃”的备份科学仪器、指令和数据处理单元也包含了一个备份电力控制单元。7月15日工程师团队开始更换作业，并成功于当晚完成。 两天后，美国航天局宣布，在成功启用了备份硬件后，“哈勃”已恢复正常。7月19日，发布了自故障后拍摄的首批图像，证明“哈勃”已康复如初。 但就在10月25日，“哈勃”的仪器再次进入安全模式，对错误信息的排查发现问题出在“哈勃”无法正确地安排指令和响应。到11月7日，工程师们已经恢复了高新巡天相机，但其他设备仍处于安全模式。 虽然有这些波折，但“哈勃”独有的观测能力意味着，只要还有硬件上的可行性和资金，其任务团队就将会继续维护这架立下汗马功劳的望远镜。  [图片说明]：新的空间望远镜只会补充而无法取代虽已老化的“哈勃”的观测能力。来源：NASA。 7. 宇宙网显现 宇宙网是一张由暗物质和普通物质（恒星和气体）共同编织出的巨大丝网。星系会沿着这些丝线分布，而更大的星系团则位于丝线交叉相聚的地方。 虽然就位于我们的周围，但宇宙网却极难被观测到。只有当位于丝线上星系内外的氢气发光时，才能看到它。但是，要么是其中存在恒星，要么存在诸如类星体或星系团这样明亮的外部光源，氢气需要有东西将它点亮才会发光。此前已经观测到了第二种情况，不过它们是极为罕见的特例，只出现在特定的环境中，无法获得对宇宙网的整体认识。 这一稀松的图像正在改变。2021年3月，公布了宇宙网的新图像。在为期8个月的时间里，对同一天区观测140个小时，欧洲南方天文台甚大望远镜的多单元分光探测器拍摄了这幅开创性的照片。在历经了一整年的数据处理后，这幅图像揭示出了100~120亿年前沿着宇宙网丝线分布的氢气所发出的光。 其中包含了位于不同距离上的5根丝线。由于每条丝线中都包含有数千个小而暗弱的星系，这些丝线都在发光。虽然这些星系每一个都很小无法被单独分辨，但把它们中氢气所发出的光汇集起来就产生了图像中可见的丝线状光带。 这是第一次在典型的宇宙环境中探测到宇宙网，此前也从未探测到过这些点亮宇宙网的大量暗星系。它们的存在对于认识宇宙中星系的形成具有重要的启示，暗示易于观测的、大而亮的星系仅仅是冰山一角，宇宙中还存在着更多得多的小星系。 天文学家现在计划使用尖端的宇宙学计算机模拟来进一步认识这些新发现的小星系，同时他们也希望能利用下一代仪器设备来探测更大天区中的宇宙网。  6. 下一个目标：金星 金星是太阳系中温度最高的探访目的地之一，表面温度高达470℃。但同时，它也是最炙手可热的目的地。2021年，美国和欧洲选定了三个意在探测金星的任务。 6月2日，美国航天局宣布计划在2030年发射两个金星探测器：“金星辐射、无线电科学、干涉合成孔径雷达、地貌和光谱”（英文缩写为VERITAS，意为“真相”）以及“金星深层大气惰性气体、化学和成像研究”（英文缩写为DAVINCI，译为“达芬奇”）。8天后，欧洲空间局宣布将在21世纪30年代初发射其金星任务“想象”。 “达芬奇”探测器会多次飞掠金星，并释放一个金星大气探测器。这是自1978年以来，美国首次向金星大气层投放探测装置。在持续1小时的下降过程中，这个球形的探测器会对金星浓密大气的化学成分进行数百次采样，以此来了解金星大气的状况和演化历史。在下降的过程中，它还会拍摄金星地貌的高分辨率图像。 与此同时，“真相”探测器会使用雷达来穿透金星的云层，对其整个表面进行三维勘测。这将是自1994年的“麦哲伦”任务之后首次获得金星表面的完整图像。“真相”的近红外传感器将帮助确定金星表面的成分和内部结构，它还将搜寻近期火山活动和其他地质过程的痕迹。由此来发现金星过去和现在的地质学线索，解释金星的演化过程。 最后，欧洲的“想象”探测器会极为精细地研究整个金星。它的分光仪会测量金星大气的成分，测深仪会探测金星的内部，雷达会对金星表面进行高分辨率勘测，无线电科学设备则会研究金星的重力场、内部结构和大气结构。 由于金星从大小、质量到成分都与地球类似，因此它能告诉我们为什么早期完全一样的两颗行星会演化出截然不同的境况。从金星上得到的知识，也可以施用于太阳系外的类金星行星。 虽然距离地球很近，但对金星的研究远不及地球的另一个邻居：火星。“麦哲伦”探测器的数据早已是几十年前的了，因此这三个任务将会是全新的起点。它们会相互补充，共同呈现出金星迄今最清晰的样貌。  5. 公民科学家助力重大发现 公民科学项目可以让地球上的任何人都参与到有意义的科学发现中来。诸如“宇宙动物园”这样的平台鼓励天文学和其他领域的科学家邀请大众来参与各种力所能及的项目。 2021年，“星系动物园”项目的参与率增长了约2～3倍。单单8月的一周，就有约10万人在该平台上的89个项目中进行了数百万次分类。这就是大众的力量，聚沙成塔！ 到9月初，已有20多篇科学论文使用了“宇宙动物园”项目的数据，其中天文学论文占了约半数。 1月21日，超广角行星搜索变星项目公布了其首批变星结果。这些发现源自公民科学家100多次的分类，其中包括了301颗此前未知的变星和双星系统。 2月23日，“宇宙动物园”中的“后院行星：第九行星”项目发布了65光年内迄今最详尽的赫矮星分布图，这些恒星因质量太小而无法聚变核心处的氢。 7月15日，该项目公布了3颗由志愿者发现的、极为罕见的赫矮星，这些极端T型亚矮星的温度非常低。天文学家此前仅知道2颗此类亚矮星，它们也是由该项目的志愿者发现的。 4月13日，有研究发现，“宇宙动物园”中“银河项目”参与者发现的“黄球”包含有极为年轻的恒星，后者仍在吸积周围的气体。“黄球”是新生星团周围小而圆的尘埃区，因在伪彩色红外图像中呈黄色而得名。在搜寻更大质量年轻恒星的其他巡天中，它们常常被忽视了。 4月8日发表的一篇论文则证实了志愿者在恒星K2-138周围发现了它的第6颗行星。该系统中此前已知的5颗行星同样也是由“宇宙动物园”中的“太阳系外行星探索者”项目的参与者发现的。 5月12日则宣布在类太阳恒星HD152843周围发现了两颗海王星和土星大小的行星。有16名参与“凌星太阳系外行星巡天卫星行星猎人”项目的志愿者直接参与了这一发现。  4. 发现新型超新星 长久以来就已经知道，质量超过8个太阳质量的恒星会以剧烈爆炸的形式死去，即II型或核心坍缩超新星。但1980年发表的一篇论文指出，位于8～10个太阳质量这一特定区间内的恒星会发生独有的电子俘获超新星爆发。在这样一颗恒星死亡之前，其核心是由电子简并压支撑的，后者源于高密度环境下自由电子无法相互靠得太“近”这一规律。但随着恒星核心中的镁和氖原子俘获吸收这些自由电子，简并压就会下降。于是，恒心的内部区域会坍缩成中子星，外部区域则反弹爆炸成超新星。 虽然一些超新星已表现出了电子俘获超新星的迹象，但与理论之间并不完全相符。2018年3月，日本天文爱好者在距离地球约3 100万光年的星系NGC2146中发现了一颗超新星SN2018zd。通过比较哈勃空间望远镜在超新星爆发前后对该星系所拍摄的图像，天文学家识别出了它的前身星。在全面地分析了这颗恒星及其爆炸后，发现它几乎符合电子俘获超新星所有的6个判据条件。由此，也终于结束了长达40年的理论长跑。 该前身星有着特定的质量，是理论预言能产生电子俘获超新星的特定类型红巨星，其爆发前吹出星风的密度和成分也符合预期。这一爆炸自身的行为也完全如理论模型的预言。最后，爆炸残骸的特定化学成分也和由电子俘获超新星计算得到的一致。 由此，天文学家可以把这些信息填补进更宏大的图像中。能产生电子俘获超新星的恒星质量正好位于能形成白矮星的恒星（例如太阳）和能爆炸成核心坍缩超新星的之间。天文学中的主要问题之一就是认识恒星的演化和死亡，这其中仍有许多缺失的环节，因此这一发现非常激动人心。  3. 商业太空飞行升温 2020年5月30日，乘坐太空探索技术公司的载人龙飞船，2名宇航员升空前往国际空间站。从那时起，该公司的载人太空飞行成为常态。在2020和2021年，通过成功反复使用“猎鹰”9号火箭和载人龙飞船，它把三批、超过12名宇航员送往国际空间站。由此，美国航天局也正式摆脱了需要俄罗斯把其宇航员送入太空的境地。 美国航天局也热切拓展与该公司的合作。2021年4月16日宣布，该公司的载人登陆系统星舰被选中，实施载人登月的阿尔忒弥斯计划。此前普遍认为美国航天局会选择两家公司，结果太空探索技术公司战胜了蓝色起源公司和国家动力系统公司，“独吞”了价值28.9亿美元的合同。 与此同时，商业太空竞赛持续升温。7月11日，维珍银河公司的“团结”号亚轨道太空飞船把该公司创始人和其他5位乘客送到了86千米的高空。不到2周后，蓝色起源公司的“新牧羊人”火箭于7月20日载着包括该公司创始人在内的4名乘客上升到了107千米的高度，超过了国际公认分隔大气层和太空、海拔100千米的卡门线。9月15日，太空探索技术公司的载人龙飞船把4名平民送入轨道，并在太空中逗留了3天。 这三次发射都是通向真正太空旅游业的重要里程碑。未来，商业太空飞行无疑会有很多看点。  2. 三个新探测器齐聚火星 2020年，三个全新的无人探测任务启程前往火星。2021年，这些播下的种子开始有了收获。 首先登场的是阿拉伯联合酋长国的祈望号探测器，这是该国第一个行星际任务。2021年2月9日，“祈望”进入环火星轨道，使得该国成为了第5个抵达环火星轨道的国家。该探测器目前正在对火星稀薄的大气开展研究，监测其温度、湿度和含尘量。 就在“祈望”入轨的第二天，2月10日中国的天问一号探测器进入环火星轨道。3个月后，天问一号释放载有着陆器和巡视器的登陆舱。在成功软着陆到火星北半球的乌托邦平原后，中国成为了第3个在火星着陆、第2个在火星上部署巡视器的国家。5月22日，由太阳能驱动的祝融号巡视器开始对火星地下水、冰和生命迹象展开探测。到11月初，“祝融”已累计行驶了超过1 200米，完成并超出了原定设计指标。 2021年2月18日，美国航天局的毅力号火星车最后抵达火星，并成功着陆。它的着陆地点是位于一个古代河流三角洲附近的耶泽罗陨击坑。2个月后，它迎来其首个重大里程碑。“毅力”号上搭载了质量1.8千克的灵巧号直升机，用来测试在密度仅地球1%的火星大气中进行飞行的可行性。由此，未来的无人机可以为火星车领航，或者是对火星车难以到达的地区开展空中探测。 4月19日，“灵巧”号首飞成功，成为了第一个在另一颗行星上飞行的有动力飞行器。在持续约39秒、离地高约3米的首飞之后，它飞行的范围、时长和复杂度都逐渐开始提升。到2021年11月初，它已成功完成了15次飞行，最高上升到12米，单次最远飞行距离625米。 与此同时，“毅力”号也十分忙碌。4月20日，“毅力”号上的火星氧气就地资源利用实验成功把周围大气中的二氧化碳转化成了5克的氧气。这一关键的演示为成规模地制造宇航员呼吸和驱动火箭所需的氧气奠定了基础。 8月6日，“毅力”号钻取了它的首份岩石样本，后者被储存到了一个钛容器中以便日后送回地球。根据指令，“毅力”号完成了钻取和放置样本的多步操作。正当所有人开始满心欢喜之时，对样本体积的测量结果却显示，容器是空的。进一步的检查发现，“毅力”号并没有把样本倒到容器的外面。唯一合理的解释是，岩石样本碎裂成了沙粒或者尘粒。 问题似乎出在岩石样本上。它过于易碎，无法抵御钻探和搬运的过程。9月2日，“毅力”号的第二次样本采集取得了成功。9月6日，确认了样本并对容器进行了密封。“毅力”号会对着陆地点继续进行数百天的探测，行驶超过5千米，再采集8个样本。随后它会前往河流三角洲，搜寻古代生命的痕迹。  1. 詹姆斯·韦布空间望远镜成功发射 美国东部时间2021年12月25日早晨，詹姆斯·韦布空间望远镜由“阿丽亚娜”5型火箭发射升空。在飞行了近30分钟后，“韦布”与火箭分离，进入预定轨道。最终“韦布”将去往距地球约150万千米的第二拉格朗日点。在正式开始科学观测前，它将进行为期约半年的调试，包括打开天线和太阳能板，展开遮阳板和镜面，校准光学系统，冷却仪器设备等。 作为人类迄今所建造的最强大空间望远镜，“韦布”主镜直径6.5米，由18块六边形镜面拼合而成。它的仪器设备包括了成像照相机、分光仪和精密导星相机，可以探测从可见光光谱中段到中红外的辐射。这将极大地拓展并提升哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜的观测能力。 “韦布”将会探测第一代星系、第一代恒星、第一代超新星和第一代黑洞，测量神秘暗物质和暗能量的效应，穿透气体和尘埃云目击恒星的形成。它会观测形形色色的太阳系天体，以此来更深入了解太阳系的形成和演化。它还会观测太阳系外行星，来搜寻其大气的信号，乃至地外生命的征迹。 早在哈勃空间望远镜发射前，天文学家就已经开始考虑它的继任者。“韦布”的成功发射，承载着数千名参与者长达25年地不懈努力，它会遥望比哈勃空间望远镜所能及的更深邃宇宙，革新人类对宇宙的既有认识。  |
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[Astronomy 2022年2月]
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2001-2021火流星工作组制作
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