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聚焦“大航天”的科学小会,科学家聊了哪些“天”大的事?

2022-09-19

近日,火星探测任务“天问一号”,刚拿下了今年的航天最高奖——世界航天奖。

天问一号火星探测器副总设计师贾阳,在2022年腾讯青少年科学小会上,给孩子们讲了一件背后趣事。

上天以前,“天问一号”要在地面进行充分试验。期间,贾阳晚上会跑到试验设备钢架的正下方,仰头拍下钢架和星空。他拍了上百张,最终合成了一张,在巨大钢架背后是深蓝的夜空,和上面的一圈圈星轨。

这张合成星轨图,却有一个bug:星轨是断断续续的,并不连贯。

月球及火星探测器副总设计师贾阳

贾阳揭秘了这张照片背后的心思。星轨中断续的“划、点划划、划点点点点划、点划划划划”,是他故意留下的“彩蛋”——一串摩尔斯密码,翻译过来是“天问一号”。

带着这份祝福,天问一号顺利落在火星表面,中国航天在深空探测领域,又迈出里程碑的一步。

过去的几年中,类似的进展在中国航天领域不断上演。中国航天工程将不同探测目标统筹起来,多任务并行,多阶段并存发展:探月为探火打下技术基础;观测能力的进步,让探测太阳成为可能;科学卫星的发展,让引力波、黑洞等天文现象研究更进一步。

嫦娥五号带回的样品| 东方IC

不仅贾阳,中国航天的代表性项目——悟空、慧眼、祝融、羲和等大国重器的总师们和首席科学家,都集结在科学小会舞台上,带着他们的科学之问,给小朋友们讲每一项里程碑式成就,带他们“重走”中国航天的宇宙征程。

火星还“活”着吗?

着陆到乌托邦平原后,“祝融号”等不及给地球家里报平安。

为了找好拍摄角度,祝融号把相机放在距它前5米的地方,自拍完后,它又走到着陆平台旁边,一起拍了张合影。此刻,它头顶的环绕器正跟它呼应,承担火星车与地面通信的中继站——照片要通过环绕器送回地球。

地面上的大口径天线更是早就“嗷嗷待哺”,喀什深空站、佳木斯深空站和阿根廷深空站组成巨大的深空(测控)网,等待揭秘更多火星上的未知。这是我们首次对火星的直接探索,尤其是可获得天地联测的系统性数据,有很宝贵的科研价值。

环绕器携带高增益定向天线,而祝融号得把有限的载荷留给核心科学仪器,所以自拍只是“开胃菜”。它们要搞懂一个问题,火星还“活”着吗?

“担子”落在贾阳身上。首先,需要一辆探索生命痕迹的火星车。先不说让它在火星上“开起来”,只是着陆在火星表面,就充满挑战。航天器进入它要着陆的天体大气层,利用大气层减速,并着陆在天体表面的过程叫EDL(进入、下降与着陆),素来也被称“惊险7分钟”。

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 “天问一号”成功“落火” | 东方IC

火星距离地球最远可达4亿公里,每隔26个月有一次探测的时间窗口。遥远距离带来通信延迟,所以火星车在着陆时只能“靠自己”。空气阻力和摩擦在探测器表面不断积累,达到2100摄氏度。火星的大气密度低,除了气动减速,和降落伞之外,还需要配合动力减速,比如我们见过的气囊弹跳、反推发动机减速、甚至“天空起重机”。落地之后,探测器需要抵御恶劣的火星环境,例如沙尘暴、高低温环境。

其他国家选择循序渐进,一步一步推进,先“绕”:远距离探测;接着“落”:着陆原地探测;再“巡”,巡视进行局部探测。然而我们一次性“打卡”了三项任务,成为全球首次。

有了“玉兔号”的经验,贾阳在设计“祝融号”时,给两个后轮印上两个凸起的“中”,“间距一米就代表行驶在坚硬的地面上,间距0.5米,就说明在打滑,可能要有沉陷。”这被网友解读成最浪漫的彩蛋之一。

这些设计细节还有很多。火星车被设计得越可靠,越能解答人类越多的好奇心。

通过祝融号传回的影像和光谱资料,在着陆区附近的板状硬壳岩石中发现含水矿物,证明了在距今10亿年以来,着陆区存在过大量液态水活动。今天科学家们已经基本达成共识,火星上曾经存在过大量的地表液态水。

一直勤恳工作在盖尔撞击坑的美国“好奇号”观测到了甲烷的季节性变化,夏季含量升高,冬季则下降。在地球上,大部分甲烷是由微生物产生,不难让人猜测是生命的季节性活动造成甲烷含量波动。但是这种季节性变化也能用非生命的化学过程所解释,火星是否存在着,或者曾经存在过生命,还需要继续探索。

“探日”有什么意义?

2019年,国家航天局决定要造一颗专门观测太阳的卫星,并计划在2021年升空。

这刚好能配合新一轮太阳周期。随着太阳活动增多,最直观的就是表面黑子数的变化。如果使用覆盖巴德膜的相机拍摄太阳,会发现如豆子一般大小的太阳黑子。它们是太阳上磁场聚集的地方。

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太阳中部偏右有明显太阳黑子 | 东方IC

比如大多数耀斑(一种太阳爆发活动)发生在黑子群的上空。太阳爆发活动是太阳大气中发生的持续短暂,但规模巨大的能量释放现象。但这跟人类又有什么关系?

1989年,太阳耀斑引发的地磁风暴导致加拿大大面积停电9个小时。2022年,一场地磁暴摧毁了正在部署的40颗星链卫星。地球磁场和大气层作为天然屏障,虽让地球上的生命体免受这些太阳能量的冲击。但它所带来的扰动,会让地磁场发生变化。

作为灾害性空间天气的源头,太阳爆发通过严重影响地磁活动和电离层,进而干扰航空航天、卫星安全、导航通信、电网设施等。当你了解这些,就会知道在夜空出现的灿烂美丽的极光背后,其实“暗藏”危险。

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极光美景 | 东方IC

我们探日,不仅是为了留下极具科研价值的数据,也因为它跟人类和地球太息息相关。太阳活动剧烈发生前,我们可以更好预见吗?国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚在科学小会上讲解了羲和会怎么做。

羲和实现了国际首次在轨对太阳Hα波段光谱扫描成像。探日卫星观测的光学波段中,太阳Hα谱线最为关键。它是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能直接反映爆发的源区特征。简单来说,当羲和获取越来越多谱线信息,就能推演太阳爆发的前兆特征,做预警。

羲和搭载了太阳空间望远镜,当它想“盯”着黑子看时,怎么确保看得又准又稳?科学家们将测量部件和其他有噪声的活动部件物理隔离。于是卫星也用上磁悬浮技术。

今天我们不用再举着望远镜数黑子了。羲和还有另一层意义,代表我们在空间观测能力上的进步。它拍摄到人类用肉眼无法直接观察到的景象,带我们看得更远,满足人类最原始的好奇心。那便是我们对于太阳的认知,从神话走向科学,从幻想走向现实。

人类究竟能看多远?

黑洞到底长什么样子?全球科学家们花了五年时间,终于在2019年,“拼凑”出一张银河系中心黑洞(人马座A*)照片。中科院上海天文台台长沈志强,揭秘了这张照片冲洗背后的故事。

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中科院上海天文台台长沈志强

事实上,人马座A*在2017年就被拍下,但成像困难。望远镜给黑洞“成像”,靠的是黑洞周围的发光气体和尘埃,他们在强大引力下所弯曲,呈现出环状结构。然而由于银心黑洞(人马座A*)个头很小,气体只需要几分钟就能够绕黑洞旋转一周,以至于每次“抓拍”都不一样。所以今天我们看到的黑洞照片,是数千张抓拍“合成”的。

这要感谢1974年诺贝尔奖颁给天文学家马丁·赖尔。他建成第一台射电干涉仪,使不同望远镜接收到的电磁波能叠加成像,VLBI技术得以发展。

射电望远镜的口径越大,看得越多越清。就像贵州的“天眼”,500米也许是目前能做到的单口径望远镜极限。但是人类探索宇宙的步伐不会因此停滞。简单来说,我们利用VLBI技术将两个没有物理连接的望远镜,通过信号记录和处理,等效于一个口径更大的望远镜。

这次给人马座A*拍照的EHT(事件视界望远镜)合作组织,就是采用VLBI技术,调动了全球8个射电望远镜,组合成一个孔径达到地球直径大小的“虚拟望远镜”。上海65米天马望远镜参加了17次对M87*和人马座A*协同观测。更强观测能力的亚毫米波VLBI望远镜也在规划建设中。

“我们人类目前在宇宙中已发现的物质,仅仅只占宇宙总质量的5%,对另外的95%一无所知。”为了探索95%的无知,常进带领团队研制“暗物质粒子探测卫星”(悟空号),性能超过世界上同类探测器。也是我们第一颗天文卫星。

“慧眼”卫星是我们第一颗X射线天文卫星。X射线会被大气层阻挡,所以在地面上看不到天体发来的X射线。“想让X射线“穿越”大气,我们必须将卫星送上天。”实现这一构想,花了天文学家24年。最后张双南带领学生们将卫星送上天,慧眼确认了快速射电暴的起源之谜。

我们能看多远,取决于我们想看多远。

中国航天的下一站

既然“慧眼”要耗费三代人的心血,有没有另一种解题思路,能加快天文探索的进程?

CATCH项目在这一思考下提出。CATCH由数百颗卫星组成观测星座,每个卫星里放台新一代X射线望远镜,更加轻量级,物理结构上也更紧凑。“批量化”捕捉天文爆发现象,比如引力波、快速射电暴、黑洞等。除了技术,也为人类探索天文领域提供了一个大胆的实现思路。

卫星之间并不是孤立的,他们收到指令后做判断,协同观测,像一支纪律严明,但又配合默契的部队。CATCH项目将借助腾讯在游戏AI里的经验,训练卫星判断太空环境,协同工作。现代科学技术开始辅助航天,加快研究步伐。

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腾讯科学小会现场

CATCH项目和它背后的理念,都极为先进。有国外天文学家了解后表示,“如果CATCH能实现,那它一定是game changer。”可困难也是有的。比如验证超薄、超轻材质的望远镜镜片的可靠性,星座之间的信息传输如何保证等等。CATCH第一颗试验星计划于2023年发射。

毫无疑问,CATCH将是中国航天探索极富创新的一项突破。它的意义可能超越项目本身,成为了中国航天征程的一个代表性缩影:从跟跑,到并跑,再到领跑,中国航天在过去六十多年,完成了从无到有,从小到大,从弱变强的奇迹式发展。

伟大精神成就伟大事业,中国的航天奇迹也许能在小会开场的珍贵历史影像中找到源头,中国航天事业奠基人、“两弹一星”元勋钱学森,讲到当年他被陈赓大将问“中国人搞导弹行不行”,自己心里正憋着一股劲儿,回答没有半刻犹豫,“外国人能搞的,难道中国人不能搞?”

六十多年,这一股劲儿凝成“航天精神”,推动一代又一代人投身航天,走出了深入太阳系的壮阔旅程。航天科学家们的言传身教,告诉青少年一个朴素的道理,胸怀远方、脚踏实地,星辰大海虽远可达。而小会现场与线上,孩子们阵阵的惊叹声、经久不息的掌声和全场始终满座的热情,是他们的回答与回应。

参考文献

[1] https://www.thepaper.cn/

newsDetail_forward_17775417

[2] https://baijiahao.baidu.com/

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[3] https://mp.weixin.qq.com/s/

GWTYqIczg3EiniW2Aj9hlA

[4] https://baijiahao.baidu.com/

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[5] https://baijiahao.baidu.com/

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[6] https://baijiahao.baidu.com/

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[7] https://m.huxiu.com/article/

400615.html?type=text&f=app_ios_friends

[8] https://www.huxiu.com/article/428586.html

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