作者:冯丽妃 来源: 中国科学报 发布时间:2019/6/4 9:19:20 选择字号:小
中 大 小天体探测考验综合技术实力

三、星际飞越50亿千米

柯伊伯带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星,它们是太阳系演化的遗迹,记录着太阳系形成之初的信息。

1992年,人类才艰难地首次观测到除冥王星外的第一个柯伊伯带天体——直径250千米的QB1,那时我们还不知道是否存在柯伊伯带。而现在,探测柯伊伯带的深空探测器新视野号已经飞抵那里亲临探测。那么,新视野号是如何设计的?怎样才能破解太阳系最初的秘密呢?

“新视野号”发射时的质量为453千克。探测器外形像一把短锹,其中锹把是它的核电站,锹身是探测器本体,锹身上顶着的大锅则是它的天线。探测器本体为三角形,长2.1米,最宽处约2.7米,高0.7米,大小相当于一架钢琴。

皇家88平台注册 1四、全民参与的科普盛事

深空探测的目标大多远离地球,开展深空探测一方面将牵引航天技术的提升,另一方面将扩大人类的认知边界。与商业航天和应用航天不同,深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动,是全人类的共同使命。因此,在深空探测的任务实施中,应想方设法吸引公众的关注,尽可能让普通人获得亲身参与感,以争取民众支持。在这一过程中,勇敢探索未知世界的科学精神被润物无声地传递到每一个人,从而提升公众的科学素养。

2005年,“新视野号”任务团队发起了一个问候冥王星的征集活动,他们设立了一个网页,全世界天文爱好者只需要通过访问这个网页,就可以将自己的名字输入电子卡片内,让自己的问候搭载在“新视野号”,一起飞向柯伊伯带。活动期间共征集到了超过43万人的问候,这些问候被刻在光盘上,放入探测器内。在完成探测任务后,“新视野号”上的计算机将会被重置,上传“同一个地球,来自‘新视野号’的问候”,上面收集了有关地球的各种信息,包括世界各地的人们发来的照片、声音、文字,甚至是计算机程序。“新视野号”将带着这些来自地球的人类信息飞向遥远的星际空间。

原标题:回望2019,太空精彩纷呈 来源:科技日报  倾听火星“心跳”
探索最远天体  回望2019,太空精彩纷呈NASA“新视野号”飞越2014
MU69小天体(艺术图),该小天体当时名为“天涯海角”,后更名为“天空”。图片来源:NASA官网  今日视点  50年前,尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成功踏上月球表面,成为首批登陆地球以外天体的人类,这一史无前例的壮举彻底点燃了人类探索宇宙的热情和梦想。自此,各国纷纷向太阳、火星、甚至更遥远天体发射探测器,也建造了各类望远镜,试图揭示浩瀚宇宙的奥秘。  2019年即将谢幕,美国《科学新闻》周刊网站为我们讲述了科学家今年在太空书写的传奇故事。  飞越遥远“天空”  今年1月1日,美国国家航空航天局(NASA)的“新视野号”飞越了距地球约64亿公里的“天空”(Arrokoth),打破了其2015年飞越冥王星时创下的太阳系最遥远天体探索记录。  “天空”比冥王星还远15亿公里,位于太阳系的柯伊伯带。柯伊伯带由碎片和矮行星组成,据信包含数十万个类似“天空”的天体。科学家相信,这些天体保留了太阳系形成之初的痕迹。  飞越“天空”没多久,“新视野号”就陆续传回图像,不断刷新科学家的认知。起初,“天空”看起来像是被拉得又细又长;随后,科学家发现它由两颗小行星粘在一起,好似一个胖嘟嘟的雪人;而最新图像显示,它更像是两个煎饼拼接而成。  科学家还从未见过这样的天体,揭示“天空”为何如此“相貌清奇”或有助于进一步了解行星形成早期阶段的情况。  奇异系外行星现身  1995年,米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹于发现了首颗系外行星飞马座51b,开启了天文学的一场革命,他们也因此荣膺2019年诺贝尔物理学奖。随着观测手段不断提升,新系外行星次第现身,科学家迄今已发现了4000多颗系外行星,其大小、形状和轨道之丰富令人惊叹,其中NASA新一代行星猎手“凌日系外行星勘测卫星”(TESS)功不可没!  TESS于2018年7月正式“上岗”,没几个月就发现了8颗系外行星,其中包括一些“怪咖”。例如,一颗行星密度与水差不多;一颗名为LHS
3844b的行星犹如一片“熔岩世界”,在540℃的高温下嘶嘶作响;还有一种新型系外行星——“超热海王星”,这颗行星可能正在褪去炽热蓬松的外衣露出岩石内核,处于从气态巨行星“变身”为固态行星的过程中。此外,TESS还发现了一个大小介于火星和地球间的天体L98-59b,围绕地球附近一颗明亮凉爽的恒星旋转,其大小约为地球的80%,公转周期为2.25天。  小行星变身“网红”  小行星“龙宫”和“贝努”当属今年天文领域的“网红”,贡献了不少流量。  日本宇宙航空开发研究机构的“隼鸟2号”于2014年12月发射升空,2018年6月底抵达“龙宫”,并于今年2月在“龙宫”着陆,开始探索之旅。  今年2月,“隼鸟2号”顺利完成第一次着陆采样;4月,它向“龙宫”表面发射了一枚铜弹,撞出一个约10米宽的坑,并于7月再次登陆“龙宫”,收集地下岩石碎片。这是人类首次在小行星上成功完成多次着陆采样、首次采集到次表层地下样品。“隼鸟2号”目前已携带这些或许保留了太阳系诞生之初样貌的样本踏上归途,预计于2020年年底到达地球。  此外,美国2016年发射的“奥西里斯-REx”探测器于2018年12月抵达小行星“贝努”,并于今年6月为其拍下多张详细图像。  今年12月12日,NASA将“贝努”北极附近的“夜莺”和“鱼嘴”采样点分别选为第一着陆区和备选着陆区。据悉,2020年1到4月,探测器将多次飞越这两个采样点,以获取更清晰详实的数据。真正的采样工作将于2020年8月完成,计划采集样品60克。探测器将于2021年离开“贝努”,并于2023年将样本送达地球。  这些样本有望揭示类似“贝努”这样的小行星是否曾经扮演“邮差”角色,将形成生命的分子带到早期地球。  揭示火星“心跳”的秘密  在火星探测方面,科学家今年也取得不少突破。  2018年11月,NASA的“洞察号”火星探测器结束4.84亿公里的旅程,成功着陆火星表面。其主要任务是了解火星内部结构,探究火星震和火星内核的奥秘,成为首个监测火星“心跳”的探测器。  今年4月6日,“洞察号”不辱使命,其内部结构地震实验仪(SEIS)首次监测到火星震。自那之后,探测器又捕捉到100多次震动,其中21次极可能是火星震。  “洞察号”首席科学家布鲁斯·巴纳特认为,这些探测开启了一个全新的研究领域——火星震学,为理解火星深层内部结构打开了一扇重要窗口,将让我们对火星的形成和演化产生新认识。  研究人员指出,火星震与地震成因不同。地震由地球地壳构造板块间的挤压引发;火星没有地壳构造板块,但火星缓慢降温,会造成压力在火星内部扩散,这也可能引起零星的火星震。  当新手“洞察号”在火星表面侧耳倾听火星“心跳”时,老兵“好奇号”火星车则将满腔热情倾注于火星上奇怪的夏普山。  夏普山位于盖尔陨石坑上方,这一地质奇观在地球上闻所未闻,科学家对此困惑不已,对这个奇怪山体如何形成争论不休。为揭示其中奥秘,“好奇号”一直在夏普山上攀爬,其上的加速计也不断测量引力。加速计读数显示,火星车下方的岩石出奇松散,说明夏普山可能由风吹来的沉积物沉积而成。  新的一年即将到来。明年,我们将迎来哈勃太空望远镜升空30周年,中国也将实施首次火星探测任务,或许还有其他令人惊喜的发现等着我们,让我们进一步认清人类自身在宇宙中的位置。(记者
刘 霞)

▲美国国家航空航天局找到新视野号下一个目标。图片来源:《科学》

五、行星际超远距离飞行宝典

由于冥王星远离太阳,飞往这些遥远天体的探测器需要具备一些基本条件:必须借力行星飞行;采用核能发电机。

长寿秘诀:长期休眠为远征养精蓄锐。为实现长寿命,不仅几乎所有的探测器系统都要有备用设备,以确保系统出现问题时及时启用备份系统;还有一个重要的手段,就是让探测器长期处于休眠状态,为了避免由于长期不活动,腿脚变得不利索,也为了避免探测器一睡不醒,地面控制人员需要每隔一段时间叫醒它,让它锻炼锻炼筋骨。

自2006年1月20日发射升空后,除了用4个月探测木星及其卫星,“新视野号”上的绝大部分仪器处于休眠状态,以节约能源,延缓设备老化,特别是降低地面维护和运营人员的开支。不过地球上的控制人员仍密切关注新视野的运行情况,每隔几个月,探测器上的设备都会定期被唤醒以接受例行检查,进行轨道校正和仪器校准,以保障航线正确和设备正常。此外,“新视野号”还会每周发回一个信号,这个信号被称作“绿色信号灯”,目的是让控制人员知道它仍然活着。

2014年8月,地面对“新视野号”进行了一次例行检查,上传指令要求它按计划于12月7日苏醒。12月7日,地面收到了它从遥远的深空传来的回复,确认此指令已经得到执行。这次唤醒标志着“新视野号”此行的主要目的——探测冥王星及其卫星的任务正式开始了。从此,“新视野号”将一直保持“清醒”状态,直到2015年7月14日,它抵达距离冥王星最近的位置。

唤醒后的数周内,地面团队全面检查了探测器的身体状况,测试了在飞越冥王星时需要用到的各种程序,确保探测器各系统正常工作。结果表明,“新视野号”现在很健康,正安静地在深空漫游。

2015年1月15日,“新视野号”上的所有系统被唤醒,开始对冥王星和卡戎进行探测。随着探测器的逐渐靠近,冥王星和卡戎将从此前由望远镜中观测的小亮点,展现出越来越多的细节。届时,人类将首次获得它们的标准照。

高速秘诀:木星借力成就迄今最快的航天器。发射以后,“新视野号”直接进入了地球和太阳的逃逸轨道,在最后完成加速关闭引擎时相对于地球的速度是16.26千米/秒,相当于每小时58,536万千米/小时,接近第3宇宙速度,成为人类有史以来以最快发射速度离开地球的高速飞行器。

由于超高速飞行,“新视野号”在发射后9小时就飞过了月球。而阿波罗载人飞船飞往月球用了3天,嫦娥一号奔月飞行用了13天半,嫦娥二号奔月用了5天。

13个月后,“新视野号”于2007年2月底抵达木星,而探测木星的伽利略探测器飞抵木星用了6年4个月。“新视野号”离木星最近处约227万千米的位置,其飞抵木星的目的也是为了加速。目的是借助木星的巨大引力进一步提速到7万~7.5万千米/小时,加速飞向遥远的冥王星。

利用飞越木星的机会,“新视野号”顺便对木星和它的20多个卫星进行了为期4个多月的考察。主要探测了木星的大气结构及风暴、木星及其卫星的环带结构,通过带电粒子流和极光遥感测量探测研究木星磁层。探测器还收集了木星主要卫星的大气层、物质组成、表面结构等信息。

皇家88平台注册 2六、破解太阳系最初的秘密

柯伊伯带位于太阳系的边缘,寒冷而阴暗,探测难度很大。这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力,值得我们长期守候并努力探索呢?

首先,柯伊伯带作为太阳系的新大陆,“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。柯伊伯带是短周期彗星的“老家”,而奥尔特云是长周期彗星的“老家”。由于彗星经过太阳附近时质量会消耗掉,若没有这两个彗星老巢的不断补充,经过漫长的太阳系演化历史,我们可能早就看不到彗星了。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过,我们对太阳系新大陆的广阔空间仍知之甚少,对太阳系结构的认识仍然不够清晰。我们一直把冥王星视为太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星,但现在知道冥王星是通往柯伊伯带这片全新大陆的大门。“新视野号”的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体,将这片区域的场景清晰地展现出来。

其次,冥王星及其卫星作为行星胚胎,对研究行星的形成具有重要价值。太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星、彗星,主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散盘、奥尔特云。从科学角度而言,深空探测就是探测太阳系的各种天体类型和主要区域,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,所有的深空探测任务的终极科学目标都是为了回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。

2014年8月,罗塞塔号刚刚探访了同样来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚—格彗星,搭载的菲莱着陆器还实现人类首次登陆慧核表面,大大加深了对彗星的认识。除彗星外,柯伊伯带还有数十颗直径200~2000千米不等、由岩石和冰块组成的天体,其中以冥王星及其卫星最为典型。我们知道,太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转,星云逐渐凝聚形成星子,星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎,进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后,太阳星云的残留物形成了数量众多的小天体。而矮行星就是没有长大成行星的“侏儒”行星。由于远离太阳系的柯伊伯带天体稀疏,受到的撞击、太阳辐射等太空风化较弱,可以保存更为原始的状态。因此,柯伊伯带的天体相当于在太阳系的“冷库”中保存了46亿年,保留着太阳系形成时的原始状态,对了解太阳系的起源具有极大的作用。通过“新视野号”对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测,将有助于揭示行星形成的关键环节。

人类已经对岩石行星(地球、金星、水星和火星)和气液态巨行星(木星、土星、天王星和海王星)进行过多次探测,但在“新视野号”之前还没有探测器对柯伊伯带的冰态矮行星进行过探测。因此我们对矮行星这一新的天体分类的认识是严重不完整的。而“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,完善了我们对于太阳系天体类型的知识。

再次,随着深空探测的进展,我们对太阳系的认识不断深化,太阳系的边界不断拓展。这些科学成果改变了人类的知识边界,进而影响和改造着我们的世界观。在古希腊时代,我们认为地球是宇宙的中心、太阳、月球都是绕着地球运转的行星;在哥白尼之后,人类逐渐接受太阳是太阳系的中心,认为行星就是围绕太阳运转的天体,因此地球是行星而月球不是。后来大量小行星的发现迫使人们修改了行星的定义,认为行星必须质量足够大,大到能通过自转成球体。再后来,发现了许多与月球大小相近的谷神星、智神星、阋神星、妊神星、婚神星等,天文界面临着再次选择,要么将它们统统纳入行星,要么排除它们。必须承认的是,我们对柯伊伯带的小天体(除了矮行星以外,还包括彗星和小行星)还了解得很少,甚至是才处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测获得的新发现,我们将不得不再次修改行星的定义。

最后,远征太阳系边缘的深空探测将显著牵引航天技术实现新突破。“新视野号”奔赴柯伊伯带的旅途长达9年,为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用,探测器有2/3的时间是在休眠中度过的;为实现早日抵达冥王星,“新视野号”先飞抵木星开展飞越探测,并借助木星引力进行加速;由于距离遥远,地面发出的指令要4.5小时之后才能被探测器接收到,数据传输链路和测控精度要求均大大提高;柯伊伯带寒冷而黑暗,太阳辐射强度仅为地球上的千分之一,冥王星表面温度低至零下212~234摄氏度,因此必须研发高效核能系统以提供飞行动力和保温。“新视野号”在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核动力和能源供应等关键技术,将是中国航天努力突破的重要领域。

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■本报记者 冯丽妃

皇家88平台注册,小行星数量庞大,种类繁多。李爽在接受《中国科学报》采访时说,针对小行星组成物质、物理特征等的科学探测,对于研究太阳系演化、生命起源等科学问题具有重要意义。同时,地球附近存在大量潜在危险小行星,相关探测任务可以验证小行星防御技术,提升小行星防御能力。

美国新视野号探测器在今年元旦成功近距离飞越了太阳系边缘小天体天涯海角。探测器在此过程中收集的数据正缓慢传回地球。近日,《科学》杂志发表了研究团队利用已返回的10%数据获得的首批研究成果。

天涯海角编号为2014
MU69,位于太阳系边缘柯伊伯带,是人类造访的最远的一个天体。此次KBOs之旅是迄今为止对这些原始冰冷天体的最佳观测时机。美国亚利桑那州洛威尔天文台项目联合调查员Will
Grundy说。

从来没有一个探测器像新视野号一样,这么近距离地去看一个KBOs的天体,去看如此遥远、如此原始的星子。中科院紫金山天文台研究员季江徽在接受《中国科学报》采访时说,它就像一个时间胶囊,可以告诉我们太阳系在46亿年前形成之初的信息。

因为要考验的技术很多,所以小行星探测是一种高风险、高难度,但成果也非常多的空间任务。季江徽说。对此,南京航空航天大学航天新技术实验室教授李爽也表示,小行星探测任务周期长、挑战性强,可以推动深空探测技术的发展。

最遥远的邂逅

天涯海角距离太阳约67亿千米,比冥王星还远16亿千米。作为史上最快速的探测器,新视野号速度可达16.26千米/秒,但自2006年1月发射升空后,花了13年时间才到达天涯海角。

这颗天体外形像一个小雪人,由相接的双星构成。天涯较大且扁平,海角较小呈圆形,它们被一个颈部连接着,总长约36千米。研究人员推测,它们曾是两个互相环绕的天体,在一次轻微碰撞中结合在一起。

据了解,这是迄今发现的第一个保存完好的星子行星吸积阶段的先驱小天体。太阳星云充满了气体和尘埃,是形成行星的最基本的环境。小的尘埃会慢慢黏在一起,从厘米级、分米级慢慢长成米级、千米级大小的星子。季江徽解释。

他补充道,在引力作用下,星子继续生长会形成体积介于星子和行星之间的行星胚胎,达到上千千米的量级,如谷神星和灶神星。在此基础上进一步形成火星、地球等类地行星,再进一步吸积原行星盘里的气体就会形成类似木星的气态巨行星,或是天王星、海王星一类的冰巨行星。

这颗星子同时属于KBOs的一批冷经典天体,它们被认为是来自太阳系早期原始物质的剩余物,其轨迹似乎因为太阳系外围巨行星的存在而相对平静。研究发现,天涯海角没有卫星、光环、瞬态大气,也没有气体排放或尘埃,没有任何迹象表明相对较近的扰动。

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