月球在不断收缩？这可能证明月球还“活着”

月球在不断收缩？这可能证明月球还“活着”

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月球看起来更像是一个“死寂”的世界：没有任何生命迹象的存在；几乎所有的火山活动也在数十亿年前走到了尽头；就连最年轻的月球熔岩也年事已高，早已布满疤痕——长期的宇宙碎片撞击形成的无数陨石坑。 自50年前的阿波罗（Apollo）时代以来，就已经有迹象暗示月球在地质上并没有完全“死亡”。阿波罗12、14、15和16号任务均在月球表面留下了“月震探测器”（月球地震仪），它们一直到1977年都在正常工作，向地球传回的数据显示了内部“月震”（moonquake）引起的月表震动，其中强度较大的月震相当于5级地震。但是，这些震颤到底是由实际移动的断层引发的月球表面破裂，还是纯粹的内部运动引起的，一直没有人能给出肯定的说法。 现在，一项发表在《自然•地球科学》（Nature Geoscience）期刊上的新研究表明，如今的月球可能确实存在着活跃的断层。 图中的月球地震仪由阿波罗14号部署在月球表面 版权：NASA 另一条显示月球上仍然进行着某种活动的线索来自1972年，阿波罗17号的宇航员吉恩•塞尔南（Gene Cernan）和杰克•施密特（Jack Schmitt）观察到了月球表面一处几十米高的地形结构，他们称其为“李-林肯陡坡”（Lee-Lincoln scarp）。他们以及地面上的顾问团队认为，这个特别的地形可能是一个地质断层（地壳受力发生断裂，沿破裂面两侧的岩块发生显著相对位移形成的构造），但他们对此也不完全确定。 李-林肯陡坡一直延伸至谷底，然后突然转弯，切断了图片右方的山谷一侧 版权：NASA阿波罗17号图像库（框架AS17-137-20897） [rml_read_more] 阿波罗飞船在月球赤道附近的轨道上拍摄了一组图片，其中也存在一些类似的例子，但是直到2010年月球勘测轨道飞行器相机（Lunar Reconniassance Orbiter Camera，LROC）的出现，月球表面精确度小于一米的细节得到了较好的记录，我们才发现这样的陡坡布满了整个月球表面。 LROC拍摄到了上千个陡坡，这个凸出的月球叶状推力断层陡坡就是其中之一。断层处的陡坡（或悬崖）就像是月球景致中的台阶一般（指向朝左的白箭头），由近月表壳层相互碰撞挤压、断裂皱起而形成，并在月球逐渐冷却收缩的过程中沿断层向上推动。在陡坡表面以及背面（陡坡的高侧，指向朝右的箭头）。图像来自LROC NAC，框架为M190844037LR。 版权：NASA/戈达德航天中心/亚利桑那州立大学（Arizona State University）/史密森学会（Smithsonian Institution） 学界现在普遍认同这些属于逆冲断层（thrust fault），月球从最初形成的高温状态逐渐冷却下来的过程中，就会有逆冲断层的形成。正如观测结果显示的那样，“热收缩”（thermal contraction）会让月球体积缩小，月表受到挤压变形，就像葡萄表面收缩变成葡萄干一样：这意味着月球正处于幅度较小的收缩状态。然而，逆冲断层并不一定就是活跃的，也就是说逆冲断层不一定会引起更多的月球震动。 在过去几亿年的时间里，月球半径缩小了大概50米。除了月球，水星其实也在收缩，并且收缩的幅度还挺大：在过去的三百万年里半径减小了7千米；而水星上最大的陡坡则比月球上的大了一百来倍。 分析表明，这些断层相对来说还很“年轻”，年龄都不超过五千万岁。但是，年轻的它们是否仍处于活跃状态，如今又是否还在活动呢？在一项新的研究中，美国史密森学会（Smithsonian Institution）的汤姆•沃特斯（Tom Waters）和同事采用了一种比此前所有可能的方法更精确的新方法，确定了阿波罗数据中近月表的月震位置。 这段李-林肯陡坡视频由月球勘测轨道飞行器拍摄的照片和高程映射创建而成。李-林肯陡坡是一处低矮的山脊，高约80米，由南至北穿过金牛-利特罗峡谷（Taurus-Littrow valley，阿波罗17号的登月着陆点）的西侧谷底，标志着相对年轻低角度逆冲断层的位置。当月壳收缩时，断层以西的月表被挤压向上越过东侧。5月13日发表在《自然•地球科学》的一篇论文表明，这一类断层仍然处于活跃状态，如今仍能触发月震。 版权：NASA/戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）/SVS/厄尼•莱特（Ernie Wright） 研究团队发现，在探测到的28个浅层月震中：有8个月震与断层陡坡非常接近（相距不超过30千米），表明这些可能确实是活跃的断层；有6个月震的发生时间，是在月球距离地球几乎最远的时候，在月球的“远地点”，月表的收缩应力理论上会达到峰值，月震也就最有可能在此时被触发。 研究团队还考察了一些新形成的痕迹，它们很可能是由月面震动推走巨石而留下的，原因是这些痕迹离断层陡坡很近，可能有一些石块从陡坡上滚下来又在低处弹了几下形成的。除此之外，还有一些滑坡塌方的沉积痕迹。研究人员说，这些都是强有力的证据，表明了月球上仍进行着活跃的地质运动。 金牛-利特罗峡谷是阿波罗17号的着陆点（图中星号位置）。穿过山谷，在着陆点的正上方就是李-林肯断层陡坡。断层运动可能是导致峡谷形成的多次月震事件起因。 1）南中央脊（South Massif）斜坡上的大型滑坡在李-林肯陡坡的上方和坡面上覆盖了颜色相对明亮的岩石和尘埃（风化层）。 2）从北中央脊（North Massif）上滚下来的巨石，在北中央脊斜坡上的风化层中留下了细窄的轨迹或槽谷。 3）刻蚀坡（Sculptured Hills）东南斜坡上的滑坡。 版权：NASA/GSFC/亚利桑那州立大学/史密森学会 这是否意味着，人类探月还存在一定的安全风险？美国最近宣布要在未来五年内将人类送上月球，并确立了建造月球空间基地的目标。值得庆幸的是，新的发现里并没有任何证据表明月球上还会持续有月震发生。相比地震，月震的发生几率要小得多，月震幅度也会弱得多；但是在确定月球基地的选址时，最好还是避开那些靠近断层的位置。 参考： [1]https://www.nature.com/articles/s41561-019-0362-2 [2]https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/moonquakes [3]https://theconversation.com/the-moon-is-still-geologically-active-study-suggests-116768 [4]https://www.nasa.gov/mission_pages/LRO/news/shrinking-moon.html

人类访问最远天体“天涯海角”的最新发现

人类访问最远天体“天涯海角”的最新发现

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《科学》杂志封面：新视野号（New Horizons）科学论文总结了飞越Ultima Thule的早期发现。除了该论文科学成果外，值得注意的是它有超过200位合著者，代表了40多个机构。首席研究员Alan Stern作为任务负责人和第一作者，认为应当为参与成功飞行的所有团队成员提供作者身份。因此，这篇论文作者包括来自科学、航天器、运营、任务设计、管理与通信团队、以及其他合作伙伴。 Credits: AAAS/Science NASA新视野任务团队发布了2014 MU69的第一张“写真”，这是有史以来人类探索的最远天体，它代表构成行星的基石，位于柯伊伯带（Kuiper Belt，矮行星冥王星外天体密集的盘状区域）。 新视野号在2019新年飞越MU69，它的别名“Ultima Thule”可以释为“天涯海角”，但其原释义更意味深长：“a distant unknown region（遥远、未知的地方）; the extreme limit of travel and discovery（旅行与发现的极限）”。通过分析第一批数据，任务团队很快发现它比预期要更复杂。飞越仅四个月后，该团队在5月17日出版的《科学》杂志上发表了第一篇同行评审的科学成果。 [rml_read_more] Ultima Thule距地球64亿公里，除了打破距离记录外，这次飞越也是第一次探索保存完好的微行星（planetesimal，行星形成时的遗迹）的太空任务。 《科学》中总结的初步数据揭示了Ultima Thule的发展、地质、与构成。它是个接触的“双星系统”，由两个形状不同的部分组成，长度大约有36公里。大而扁平部分叫“Ultima”，较小较圆的部分叫“Thule”。如此形状的成因还是个谜团，可能要追溯到数十亿年前它们形成的时候。 很久以前，它们很可能绕行彼此，像柯伊伯带中的许多双星系统一样，直到一些过程将它们“温柔”地合为一体。这说明它们轨道的大部分动量必须消散，但科学家们还不知道具体原因：可能是由于古代太阳系星云中气体的空气动力，或是它们弹射其他部分以消散能量并缩小轨道。Ultima与Thule对齐的轴线表明，在合并之前它们就潮汐锁定（tidal locking，一直以同一面面对另一个天体，比如地球和月球）了。 “我们正在研究保存完好的古代遗迹，”西南研究所（Southwest Research Institute）的新视野首席研究员Alan Stern说，“毫无疑问，关于Ultima Thule的发现将推动太阳系形成的理论。” 正如《科学》报道的那样，新视野研究人员还在研究Ultima Thule的一系列表面特征，例如亮点和斑块，丘陵和低谷，以及陨石坑和凸起。最大的洼地有8公里宽，可能是由撞击形成的，该团队叫它Maryland撞击坑（crater）。其他较小的坑可能是由落入地下的东西造成的，或者是由外来的冰从固体转变为气体（称为升华）而留下的。 在颜色和构成上，Ultima Thule类似于许多柯伊伯带的其他物体。它非常红，比更大的冥王星（直径2400公里，新视野于2015年拜访）还要红。科学家认为它的红色是由其表面有机物质的改变引起的。他们在Ultima Thule表面发现了甲醇、水冰（water ice）、和有机分子的证据，这种混合结果与之前航天器探索过的大多数含冰天体截然不同。 飞越的数据传输仍在继续，将持续到2020年夏末。其间，新视野会远距离观测其他柯伊伯带天体（Kuiper Belt objects，KBO）。 由于离它们较远，新视野无法进行详细观测，但团队可以测量它们的亮度等。 此外，新视野还将继续绘制柯伊伯带中的带电粒子辐射和尘埃环境。 新视野号现在正常运行，距离地球66亿公里，以每小时近53000公里的速度进入柯伊伯带。 这张合成图刊登在5月17日《科学》杂志的封面上， 根据NASA新视野号获得的数据编制而成，结合了增强的色彩数据（接近人眼所见）和详细的高分辨率全色图像。 Credits: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Roman Tkachenko 参考 https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-new-horizons-team-publishes-first-kuiper-belt-flyby-science-results

NASA史上第一次：四个科学部门有三位女性负责人

NASA史上第一次：四个科学部门有三位女性负责人

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NASA的四个科学部门中，有三个负责人是女性，这些部门是地球科学（Earth Science）、太阳物理学（Heliophysics）、和行星科学（Planetary Science），这自NASA成立以来还是第一次呢。她们每个人都来自不同的国家，为NASA的探索工作带来了独特的专业知识。 “我们有一群非凡的女性，她们负责数十个NASA太空任务和研究计划的成功，揭示了有关我们星球、太阳、和太阳系的新见解，”NASA总部科学任务理事会副主任Thomas Zurbuchen说，“她们正鼓励着下一代女性成为太空探索的领导者，我们也将完成第一位登月女性的计划。” 听听三位女领导者讲她们的故事 Credits:NASA [rml_read_more] SandraCauffman NASA地球科学部代理主任Sandra Cauffman拿着一枚纪念她的邮票，由她的家乡哥斯达黎加于2017年发行。 Credit：NASA SandraCauffman是地球科学部门的代理主任。她领导部门努力了解我们复杂且精细的地球，这是我们已知唯一一个有生命存在的地方。一路走来，她的NASA之旅充满了决心和坚持。 成长在哥斯达黎加的Cauffman从小喜欢阅读科幻小说，比如凡尔纳的《从地球到月球》和阿西莫夫的小说。她的母亲，也是Cauffman的英雄和灵感，在努力维持生计的同时还保持乐观的态度。 “即使我们没有任何东西，即使我们被赶出来，即使我们因无处可去而住在办公室，她总是积极的，”Cauffman说，“我的母亲告诉我，‘你可以做任何你想做的事情，只要你全心全意。’” 因为没有电视，她们去邻居家看了1969年的阿波罗11号登陆。“我只记得告诉妈妈我想去月球，”Cauffman说。 Cauffman在高中时对物理学着迷，本科在乔治梅森大学（位于弗吉尼亚州费尔法克斯）攻读物理和电子工程。同时，她在一家五金店打工以帮忙赚取学费。因为母语是西班牙语，她每天都努力学英语，从在店里工作时学习“锤子”、“钉子”、“螺栓”这样的词汇开始，她勉强通过了英语作为第二语言的考试。她继续前进，最终获得了电子工程硕士学位。 她于1991年2月加入NASA，担任戈达德太空飞行中心卫星服务项目的地面系统经理。她参与了哈勃的第一次任务、高层大气研究卫星（UARS）、探索者平台（Explorer Platform）/极紫外探测器（EUVE）等。此外，她还参与了气象卫星项目地球静止环境业务卫星（GOES）任务，以及火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）。在戈达德工作了25年后，她于2016年来到NASA总部，成为科学任务理事会地球科学部副主任。2019年2月，在Michael Freilich退休后，她被任命为地球科学部的代理主任。 在她NASA早期的职业生涯中，Cauffman经常是房间里唯一或极少数的女性，但她增强勇气说出自己的想法。如今，随着更多女性加入NASA，她寻找机会确保每个人的声音都能被听见。如果年轻女同事的意见在会议中被打断，Cauffman会介入：“喂，她在说话，我们可以听她说吗？” 虽然Cauffman曾短暂涉足火星任务，但地球是她最喜欢的星球，她也乐于认为地球科学对社会有实际的收益。 “当我们观测地球这一系统时，这些工作会有益于公众健康，会帮助地球人在飓风、龙卷风、污染、火灾中生存下来，”她说，“了解海洋、水华（藻类大量繁殖）等，都可以帮助地球上的人类。” 正像她母亲告诉她的那样，Cauffman向那些渴望她这样职业生涯的年轻人传达了正能量：“不要在第一次被拒绝时就放弃。凭着决心和毅力，我们可以成为我们梦想成为的样子。” Nicola Fox NASA太阳物理学部门主任Nicola Fox Credit：NASA 太阳物理学部门主任Nicola Fox领导NASA努力探索我们的太阳，这颗让地球存在生命成为可能的恒星。太阳物理科学家们正在研究太阳如何影响地球和太阳系的其他部分，以及我们如何保护宇航员、卫星、和机器人任务免受其强烈辐射。科学家们还可以将太阳与其他有行星的恒星进行比较，从而深入了解哪些遥远的岩石行星可能能使生命存在。 “自从人类第一次抬起头来，就一直注视着天空中最明亮的光，”她说，“太阳物理学真的是最古老的科学分支了。” 出生于英国集镇希钦（Hitchin），Fox也与阿波罗11号月球登陆有段故事。当她8个月大的时候，父亲将她从婴儿床里抱到电视机前，给她来了一段现场解说。 “（我有今天的空间科学事业）要感谢我的父亲，”Fox说，“对他而言，在生活中最棒的事情就是在NASA工作。”但是由于英格兰没有太空计划，这对Fox而言似乎是个白日梦，就像赢得格莱美或奥斯卡。 Fox上了一所全女子学校。学校鼓励学生追随她们的兴趣，她的母亲也确保她有机会尝试各种各样的爱好和追求。她从没有“男孩/女孩应该怎样”的概念。然而，在大学里，Fox经常是她科学课程中唯一的女性。在获得物理学士学位后，Fox进入了远程信息处理（卫星和计算机工程）硕士课程，她是280名学生中的四名女性之一。再之后她继续完成了空间和大气物理的博士学位。 后来她移居美国，在戈达德做博士后，导师Mario Acuña（已故）是行星磁场研究的先驱。“他（Acuña）鞭策我做一些超出我舒适区的事情，”她说。1998年，她搬到约翰霍普金斯大学应用物理实验室。最近，她担任NASA派克太阳探测器的项目科学家，该探测器于2018年发射，是第一个“触摸”太阳的任务。 她与太阳更深的渊源是2017年的日食，那时她与父母（专门从英格兰飞过来）和孩子们一同在内布拉斯加州的旷野上，期待看到太阳被月亮遮住，然而阴雨天几乎使这次期待泡汤了。但就在最重要的时刻，云层散开并勾勒出太阳的日冕，辉煌的美景尽收眼底：“这是我第一次看日食，太令人兴奋了。” 她于2018年9月加入NASA总部并领导太阳物理学部。她非常喜欢所有人都能参与NASA探索任务，从火箭工程师到监管人，以及“参与比你更‘大’的事情。” 她要告诉下一代太空迷：每个人在NASA都可以有自己的职业生涯。 “如果考虑到将任务带入太空的角色多样性，所有不同类型的工作都有参与，”她说，“如果你想在NASA工作，这儿就有一份工作适合你。” Lori Glaze NASA行星科学部门主任Lori Glaze Credit：NASA LoriGlaze是行星科学部门的负责人，该部门专注于太空任务和研究，寻求我们太阳系如何形成、演化这种基本问题的答案，以及是否有其他行星现在或过去可以孕育生命。 当Glaze成长时，她的母亲是一名对工作充满热情的航空工程师。从事从商用客机到航天飞机项目的机械工作，Glaze的母亲坚持在男性主导的领域。她在自己喜欢的领域工作并发展，给Glaze留下了深刻印象。 “作为一个年轻女性，这对我来说是一个巨大的启发，看到技术职业、在数学或科学领域的领导职业生涯是可能的，”Glaze说。 1980年，那时Glaze还是西雅图的一名高中生，她听到了圣海伦火山爆发的声音。硅酸盐灰碎片雨一样地落在房屋和汽车上，像小块玻璃一样打在窗户上。这次经历，加上一个关于公元79年庞培火山爆发的展览，让Glaze迷上了火山。 在大学里，她学到火山不仅仅在地球上。NASA的旅行者号任务在1979年发现了木卫一（Io）上的火山活动，这是地球之外火山活动的第一个证据。火星上有座巨大的休眠火山，奥林匹斯山（Olympus Mons），是太阳系中最高的火山。金星在我们太阳系中有最多火山，尽管大家不知道它们如今是否活跃。Glaze好奇熔岩流动、喷发的方式以及不同行星上火山之间的差异。她最终获得了德克萨斯大学阿灵顿分校的物理学士和硕士学位。在NASA喷气推进实验室（JPL）工作期间，她获得了英国兰开斯特大学环境科学的博士学位。 在JPL，她研究了轨道火山观测台的概念和其他地球遥感研究项目。之后，她在一家私人公司任职十多年，然后开始了在NASA戈达德的职业生涯。她继续追求自己对火山的兴趣：卫星如何跟踪地球上的火山爆发，我们地球之外的火山史是怎样的。 Glaze参与了许多NASA赞助的金星任务概念制定研究（具体任务见原文）。在她2018年加入NASA总部之前，她还是金星大气进入器概念DAVINCI（Deep Atmosphere Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging）的主要研究者。 在过去10到15年间，Glaze见证了像她这样的女性在领导岗位上的工作机会的巨大增长。就在两年前，Glaze意识到她是某个研究会议上唯一的女性，但她仍然认为她的贡献得到了尊重与重视。 “他们是我共事过的人中最多元化的一群人。在这个地方，我觉得每个人的想法都得到了尊重，并且我们真的在继续前进、提升我们的理解、思考如何在NASA进行科学研究，“Glaze说，“能在这里真是太好了。” 最后一个NASA科学部门是天体物理学（Astrophysics），由Paul Hertz领导。 参考 https://www.nasa.gov/feature/meet-the-women-in-charge-of-nasa-s-science-divisions

在太空中，寻找延缓衰老的秘诀

在太空中，寻找延缓衰老的秘诀

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随着年龄的增长，岁月悄悄在我们身上留下印刻：横生的皱纹、酸痛的肌肉、渐生的血压、下降的认知。很多时候，我们无力阻止这些自然衰老现象的发生，更令人沮丧的是，细胞在渐渐老化的同时，一些慢性疾病也悄悄找上门来。 如今，研究人员设计了一批精致小巧的“药丸”，这些不起眼的纳米颗粒或许会成为解决我们变老困扰的关键所在。没错，这里所说的纳米颗粒就是一种潜在的抗衰老剂（anti-ageing supplement）。 纳米二氧化铈 版权：詹尼•乔法尼（Gianni Ciofani） 地球上的实验环境已经无法满足探索欲极强的科学家了，欧洲的一项实验将眼光投向了遥远的太空，希望能在地球之外寻找抗氧化剂的新思路。 5月4日，SpaceX的龙飞船（Dragon）在美国卡纳维拉尔角成功升空，并于5月6日完成了与国际空间站（International Space Station）的对接。在这次龙飞船所运载的货资中，就包含了一批特别的活体细胞样品，研究人员在里面注入了一些特制的陶瓷颗粒，它们将在迷你孵化器中待上6天的时间。 为了能让活体细胞们更好地适应太空环境，它们所处的孵化器温度为30°C，可以说是一次舒适而温暖的太空之旅。离开地球进入太空后，失重环境、人造引力以及宇宙辐射都会对细胞中的菌群造成影响，地球上等待着的研究人员则热切地想知道：这种影响到底会是怎样的。 [rml_read_more] 研究人员正在准备送往太空的细胞样品 版权：ESA 这项纳米抗氧化剂（Nano Antioxidants）实验的目标，是寻找一种全新的方法来对抗肌肉损失、心力衰竭、糖尿病或帕金森；而对于在地球轨道上以及更远的太空任务中，科学家希望能在基因水平上，让宇航员长期处在非地球环境时，不能免去环境因素带来的侵害。 保护细胞的智能颗粒 这些陶瓷颗粒被称为“纳米二氧化铈”（nanoceria），设计的思路是在模仿生物体内酶的生物学行为，研究人员对这些纳米颗粒抱有极大的期望。 “我们实验室设计的这些纳米材料具有优异的抗氧化活性，可以保护生物免受氧化应激（oxidative stress）造成的损伤。”意大利技术研究所（Italian Institute of Technology）的首席科学家詹尼•乔法尼（Gianni Ciofani）解释说。 “人类已经在地球上探究了纳米技术的医学应用，但在太空中的研究仍处于起步阶段。”詹尼说道。 被细胞吸收的纳米二氧化铈作为一种抗氧化剂，不需要以药丸或是注射的形式重复补充，并且它的抗氧化效果可以持续数周的时间，比药房现有的任何抗氧化补剂都要持久。 在之前2017年的实验里，有一批样品同样被送入了空间站，实验过程中样品颗粒的性质一直保持稳定，并为肌肉细胞提供了有效的保护。已有其他的研究对纳米粒子做过测试，发现它们的确能延长苍蝇的寿命，也能在体外试验中延长人类神经元的寿命。 “这些颗粒可以连续自我再生好几天。”詹尼说道。 这一次，纳米二氧化铈将会在一个迷你实验室中待上6天的时间，比上一批颗粒体验的微重力和宇宙辐射时间多出一倍。 库比克（Kubik）孵化器被安装在国际空间站欧洲空间局（ESA）建造的哥伦布实验舱（Columbus module）中，内含一个模拟重力环境的小型离心机。其中一半的样品将会一直处于接近零重力的条件下，另外一半则保持与在地球上重力情况相同的条件下。太空旅行结束之后，这些颗粒将会被储存在–80°C的环境中。 空间站中的库比克孵化器 版权：NASA 研究人员将会比较太空中的颗粒和同一时间地球上的对照组颗粒实验结果，来考察最终观察到的结果是否与失重或其他环境因素（如太空辐射）相关。 抗氧化剂的需求 在太空中，抗氧化剂的需求非常大，而太空则提供了一个极好的机会，一方面能再现衰老效应，另一方面则能研究氧化对人体造成的巨大影响。 纳米二氧化铈颗粒 版权：詹尼•乔法尼 这项研究的结果或许有助于开发新的补剂，以支持宇航员在太空中的长期停留以及未来的月球任务。这些纳米颗粒的抗氧化特性也可以使地球上的老年人和肌肉萎缩症（muscle atrophy disorder）患者受益。 对于广大爱美人士来说，它们甚至还能改善皮肤管理，让人的皮肤焕发年轻光彩。 参考： https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/International_Space_Station/Stop_ageing_in_space

在火星上“赏月”

在火星上“赏月”

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火卫一的三个视图由NASA的2001火星奥德赛号（2001 Mars Odyssey orbiter）使用其红外摄像机THEMIS拍摄。颜色代表不同的温度范围。 Credits: NASA/JPL-Caltech/ASU/SSI 我们第一次看到了满月时的火卫一（Phobos），由NASA的火星奥德赛号拍摄。就像在地球上赏月一样，当我们刚好看到月球被太阳照亮的那一面时，这时的月相（phase）称为满月（full moon）。这张图片中的不同颜色代表奥德赛红外相机检测到的温度范围，该相机自2017年9月开始研究火星卫星。火卫一是火星两个卫星中较大的那个，每七小时绕火星一圈，从图片看起来像个彩虹色的大块硬糖（jawbreaker），这些最新的观测结果可以帮助科学家了解它的构成。 奥德赛号是NASA历史最悠久的火星任务。它的热视觉相机，热辐射成像系统（Thermal Emission Imaging System，THEMIS），可以检测表面温度的变化，而不同的纹理和矿物质决定了THEMIS检测到的热量。 上面动图展示了NASA的2001火星奥德赛号在可见光下观测火卫一的三个视图。位置变化是由于THEMIS（并不是火卫一）的运动。 Credits: NASA/JPL-Caltech/ASU/SSI [rml_read_more] “这个图像有些像靶子，中间温度最高，向外逐渐变冷，”NASA喷气推进实验室的奥德赛项目科学家Jeffrey Plaut说，“每个对火卫一的观测，角度或时间都稍有不同，每一张图都提供了新数据。” 2019年4月24日，当太阳在THEMIS后方时，THEMIS正好对准火卫一。这种满月视图更适合研究材料组成，而半月视图更适合观察表面纹理。 “通过半月视图，我们可以看到表面是多么粗糙或光滑，以及它是如何分层的，”空间科学研究所THEMIS联合研究员、高级研究科学家Joshua Bandfield说，“现在我们正在收集上面矿物质和金属的数据。” 这些金属包括铁和镍。根据金属的丰富程度以及它们与其他矿物的混合程度，这些数据可以帮助确定火卫一的起源：是一颗从别处来的小行星，还是来自火星的碎片。 Bandfield补充道，这些最近的观测结果并不能完全解释火卫一的起源，但奥德赛号正在收集新的的数据。未来的任务也会拜访火卫一，比如日本的样本返回计划（将于2020年启动）。 “通过研究其表面特征，我们正在了解火卫一上岩石最粗糙/最细腻的地方，”Bandfield说，“识别着陆的潜在危险并了解太空环境将有助于未来任务着陆。” 自2001年以来，奥德赛号一直在火星轨道运行。它每月拍摄数千张火星表面图像，其中许多可以帮助科学家选择着陆点以供将来执行任务。此外，它还为火星最新居民（NASA的InSight着陆器）的数据传递起着重要作用。研究火卫一是奥德赛号的又一任务。 Bandfield说：“一个运行很久的航天器可以完成一些新任务，这是一个很好的例子。我们仍然可以使用它来开创科学，这真是太棒了。” 参考 https://www.nasa.gov/feature/jpl/why-this-martian-full-moon-looks-like-candy

“再电离”之谜的新线索：来自遥远星系的第一束光

“再电离”之谜的新线索：来自遥远星系的第一束光

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这张天空深场视图（deep-field view）由NASA哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜拍摄，图中主要是星系，包括一些非常微弱、遥远的星系 （红色圈出）。右下方插图显示的是在长时间观测期间从其中一个遥远星系收集的光。 Credits: NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe NASA斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）透露，宇宙中一些最早的星系比预期的要亮。额外的光来源于星系的副产品——大量的电离辐射（ionizing radiation）。这一发现提供了引发“再电离时期（Epoch of Reionization）”的线索，EoR是宇宙演化过程中的一个重要事件，此后宇宙从不透明的“混沌”变为今日所见的满天繁星。 在一项新研究中，研究人员报告了一些最早期星系的观测结果，它们是在大爆炸后不到10亿年（或130多亿年前）形成的第一波星系。数据显示，在一些特定波长的红外光中，这些星系比科学家预测的要亮得多。这项研究第一个证实了此现象：这一时期的大量星系样本都具有超过预期的亮度，表明这些“亮度过高”不是特殊情况。 [rml_read_more] 没有人知道我们宇宙中的第一批恒星是什么时候形成的。但是有证据表明，在大爆炸后大约1亿到2亿年之间，宇宙中充满了中性氢气（neutral hydrogen gas），它们可能刚刚开始凝聚成恒星，然后开始形成第一个星系。在大爆炸后约10亿年，宇宙变成闪耀的星空。中性氢气的电子被有足够能量的光子剥离（此过程称为电离），“再电离时期”记录了宇宙从充满中性氢转变为充满电离氢（ionized hydrogen）的阶段。 在整个宇宙的转变之前，波长较长的光，比如无线电波（radio waves）和可见光（visible light），基本都能不受阻碍地穿越宇宙。但波长较短的光，包括紫外线（ultraviolet light）、X射线（ X-rays）、和伽马射线（gamma rays），会被中性氢原子阻止。光子的能量与波长成反比，所以波长较短的光能量高。当具有大于氢原子电离能（ionization energy）的光子撞到无处不在的氢原子时，这些碰撞会剥离中性氢原子的电子，使它们电离。 这张概念图描绘了宇宙中最早星系可能的样子。高频率且猛烈的恒星形成与恒星死亡会照亮恒星之间的气体，使得星系大部分不透明、没有清晰的结构。 Credits: James Josephides (Swinburne Astronomy Productions) 但什么能产生足够的电离辐射来影响宇宙中的所有氢呢？是单独的恒星？或是巨大的星系？如果其中一个是“罪魁祸首”，那么说明这些早期宇宙的殖民者与大多数现代恒星和星系不同，后者通常不释放大量的电离辐射。或许其他东西引起了这一事件，例如类星体（quasars），它们是中心非常明亮的星系，有着大量物质驱动的超大质量黑洞。 “这是观测宇宙学中最大的开放式问题之一，”该研究的第一作者、瑞士日内瓦大学的博士后研究员Stephane De Barros说，“我们知道它发生了，但是是什么导致了它？这些新发现可能是一个很大的线索。” 追光 为了回到“再电离时期”即将结束之前的时代，斯皮策分别盯着两个天空区域超过200小时，收集了“走了”超过130亿年才到我们这儿的光。 作为斯皮策有史以来进行的最长的科学观测，这是GREATS观测计划的一部分。GREATS是斯皮策GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury的简称（GOODS是Great Observatories Origins Deep Survey，大型天文台宇宙起源深空场巡天的缩写）。该研究同时使用了NASA哈勃太空望远镜的档案数据，研究结果发表在英国皇家天文学会（Royal Astronomical Society）月刊上。 通过斯皮策这些“超深”的观测，天文学家团队观测了135个遥远的星系，发现它们在两个特定波长的红外光中都特别明亮，这些红外光是由电离辐射与星系内的氢气和氧气相互作用产生的。这意味着这些星系主要由年轻的大质量恒星组成，而这些恒星的主要成分是氢（H）和氦（He）。与普通现代星系中发现的恒星相比，它们含有非常少量的“重”元素（比如氮、碳、氧，以及所有比氢和氦重的元素）。 这些恒星不是宇宙中形成的第一波恒星（仅由氢和氦组成），但它们仍是早期恒星的成员。“再电离时期”不是一个瞬间事件，虽然新研究结果还不足以揭示真相，但它确实提供了一些新细节，有关于宇宙如何在这个阶段演化以及过渡是如何完成的。 “我们没想到，斯皮策还没呼拉圈儿大的镜面能够看到‘黎明时刻’的星系，” 喷气推进实验室（位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市）的斯皮策项目科学家Michael Werner说道，“但大自然充满惊喜，这些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表现，使我们小而强大的天文台发现了这些星系。” NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将于2021年发射，它的红外线覆盖范围将超出斯皮策。此外，斯皮策的主镜直径只有85厘米，而韦伯有6.5米，大约是斯皮策的7.5倍，这使韦伯能够更详细地研究这些星系。事实上，韦伯将试图探测来自宇宙中第一批恒星和星系的光。新的研究表明，由于它们在这些红外波长中的亮度，对于韦伯来说，研究斯皮策观测到的星系比之前认为的更容易。 “斯皮策的这些结果必定是解决宇宙再电离之谜的又一步，”日内瓦大学助理教授、该研究的共同作者Pascal Oesch说，“我们现在知道，这些早期星系的物质条件与现在典型的星系非常不同。韦伯的目的就是告诉我们详细的原因。” JPL负责管理NASA科学任务理事会的斯皮策太空望远镜任务。加州理工学院的斯皮策科学中心负责科学运营。洛克希德马丁太空系统（位于科罗拉多州利特尔顿）负责太空运营。数据存储在加州理工学院IPAC的红外科学档案。加州理工学院为NASA管理JPL。 有关斯皮策的更多信息，请访问： http://www.nasa.gov/spitzer www.spitzer.caltech.edu/ 参见 https://www.nasa.gov/feature/jpl/new-clues-about-how-ancient-galaxies-lit-up-the-universe

洞察号探测到一个过境风涡

洞察号探测到一个过境风涡

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这是美国国家航空航天局（NASA）洞察号在火星上的第二张自拍照。自拍摄第一张自拍照以来，着陆器已将热探头和地震仪从甲板上卸下放置在火星表面，同时航天器表面也覆盖了一层薄薄的灰尘。 来源：NASA/JPL-Caltech 如同水能载舟亦能覆舟，将火星裹满灰尘的风，同样也可以将这些灰尘吹走。灾难性尘暴，和美国国家航空航天局（NASA）的机遇号火星车一样有可能在结束任务后“寿终正寝”。但更多的时候，掠过的火星风清除了火星车太阳能电池板上的灰尘，并提升了其能量。这些灰尘的清除使得机遇号和它的姊妹火星车勇气号能够在90天有效期后依然能够存活数年。 搭载在洞察号上的气象传感器，每次除尘都可以提供火星事件重要科学数据，本次火星探测任务也注意到了这一点。 2月1日，即火星探测任务的第65个火星日，洞察号探测到一个过境风涡（若风涡卷起灰尘从而变得肉眼可见，也被称为尘暴；但此次“洞察号”的相机并没有捕捉到风涡）。同时，洞察号着陆器上两块大太阳能电池板的发电功率发生了微小的上浮，其中一块电池板的发电功率增强了0.7％，另一块增强了2.7％，这说明太阳能面板上确有少量灰尘被抬起。 上图：洞察号在火星上的第一张自拍照< 来源：NASA/JPL-Caltech 上图：洞察号在火星上的第二张自拍照 来源：NASA/JPL-Caltech 与勇气号和机遇号火星车所观测到的除尘火星风偶尔会使电力增加10%，同时使太阳能电池板明显变得干净相比，火星风对洞察号带来的上述影响都是小巫见大巫。但最近的事件也科学家们提供了首次测量到火星风在火星表面与尘埃相互作用“实况”的机会， 因为NASA此前的探测器都没有安装气象传感器，无法全天候记录如此多的数据。随着时间的推移，这些传感器所收集到的除尘数据可以为太阳能发电任务的设计以及火星风如何影响地貌的研究提供了参考。 马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯大学应用物理实验室的“洞察号”科研团队成员Ralph Lorenz表示，“火星风虽然对洞察号电池功率输出并没有太大影响，但这是一项令人着迷的科学。它为我们了解火星风是如何驱动地表变化提供了一个出发点。我们仍然不知道在火星上扬起尘埃到底需要多大的风。” 工程师们在分析洞察号太阳能发电情况时，会定期计算“灰尘因子”，即覆盖在太阳能板上的灰尘量。虽然他们没有观察到灰尘因子在尘暴过境期间发生任何变化，但发现电流显著加强，表明过境尘暴的确掀起了一部分灰尘。 测量这些除尘的关键是洞察号上的众多天气传感器，统称为辅助载荷传感器套件(APSS)。在第一次尘暴事件中，APSS观测到风速稳步上升且气压急剧下降—这是尘暴过境的标志。 APSS观测到风向发生了180度左右的改变，这在尘暴径直穿过着陆器的情况下是可以预料到的。APSS测得的最高风速为每小时45英里 (每秒20米)，但同时也探测到了火星表面探测任务中所记录的最明显的9帕斯卡的气压下降，即环境压力的13%。这种情况表明，可能有更强的火星风，因湍流太大使得传感器无法记录。 巴黎索邦大学动力气象学实验室参与洞察号研究的科学家Aymeric Spiga表示，“洞察号迄今为止测量到的最高风速为每小时63英里(28米/秒)，因此从太阳能面板上扬起的灰尘漩涡也是我们所见过的最强风之一。如果没有过境风涡，风速通常在每小时4-20英里(2-10米/秒)之间，取决于一天当中的时间。” 此次扬尘发生在火星当地时间下午1点33分，与洞察号探测到的尘暴一致。在火星和地球上，最剧烈的尘暴活动通常出现在中午到下午3点之间，即阳光强度最大且地面比地表空气热的时候。 洞察号于2018年11月26日在火星赤道附近名为“极乐世界”(Elysium Planitia)的一块多风区域着陆。着陆器已经探测到许多过境尘暴，据Lorenz表示，在洞察号执行两年主要探测任务期间，极有可能探测到大量除尘事件。 洞察号每一块餐桌大小的太阳能面板在着陆后都覆盖了一层薄薄的灰尘。在那之后，由于尘埃和火星远离太阳的双重原因，太阳能面板的能量输出功率下降了30%左右。如今这些太阳能面板每火星日可产生2700瓦时的电能，对于日常运行所需要的1500瓦时电能来说是完全足够使用的。 此次任务的动力工程师们仍在期待着出现与勇气号和机遇号所经历的类似的除尘事件，但即使有段时间内可能无法看到，他们也有足够的力量继续等待下去。 关于洞察号 喷气推进实验室(JPL)服务于美国国家航空航天局（NASA）科学任务理事会，负责管理洞察号。洞察号属于NASA发现计划的一部分，由该机构位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心管理。位于丹佛的洛克希德马丁太空公司制造了洞察号航天器，包括其巡航级和着陆器，并为其执行任务期间的运行提供技术支持。 洞察号的探测任务得到了包括法国国家太空研究中心(CNES)和德国航空航天中心(DLR)在内的许多欧洲合作伙伴的大力支持。法国国家太空研究中心和法国巴黎地球物理学院(IPGP)提供了内部结构地震实验装置(SEIS)，其他为SEIS做出重要贡献的机构包括：德国马克斯•普朗克太阳系研究所(MPS)，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH），英国帝国理工学院，英国牛津大学和美国国家航空航天局喷气推进实验室。德国航空航天中心提供了热流和物理性质包(HP3)仪器，同时，波兰科学院空间研究中心(CBK)和波兰Astronika做出了重要贡献。西班牙天体生物学中心(CAB)提供了温度与风速测量传感器。 有关洞察号的更多信息，请访问：https://mars.nasa.gov/insight/ 有关火星的更多信息，请访问：https://mars.nasa.gov 参考 https://www.nasa.gov/feature/jpl/for-insight-dust-cleanings-will-yield-new-science

哈勃天文学家绘制出一张宇宙肖像

哈勃天文学家绘制出一张宇宙肖像

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天文学家使用NASA哈勃太空望远镜16年的观测，将最大、最全面的星系“史书”整理成一幅图像。 深空马赛克（deep-sky mosaic）拼接图由近7500个曝光图像组成，为宇宙描绘了一幅画像。图中包含265000个星系，可以追溯到133亿年前 （即大爆炸后的5亿年），其中最暗、最远的星系只有人眼可见亮度的十亿分之一。宇宙的演化史也记录其中：它展示了星系如何随着时间而变化，如何成为附近宇宙中看到的巨大星系。 这张哈勃太空望远镜图像代表了哈勃遗产场（Hubble Legacy Field）的一部分，这是迄今为止宇宙最广阔的视图之一。该图像由数千张快照的组成，集聚了十六年的观测结果。哈勃遗产场结合了哈勃深场（Hubble deep-field）以及极端深场（eXtreme Deep Field，XDF）的几次观测。波长范围从紫外（ultraviolet）延伸到近红外（near-infrared），随着时间推移捕捉星系的关键特征。图像展示了遥远宇宙的宽幅画像，包含大约200000个星系，它们的演化从宇宙大爆炸后的5亿年延续至今（宇宙年龄138亿年）。 Credits: NASA, ESA, G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz), K. Whitaker (University of Connecticut), R. Bouwens (Leiden University), P. Oesch (University of Geneva) and the Hubble Legacy Field team [rml_read_more] “现在我们已经比以前巡天（survey）的范围更广，我们正在哈勃有史以来最大的数据集中收集更多遥远的星系，”组建图像团队的领导者、加州大学圣克鲁兹分校的Garth Illingworth说道， “这一幅图像包含了宇宙中星系生长的完整历史，讲述它们从’婴儿’长到’成年人’的过程。” 在未来的太空望远镜发射之前，这个图像是无法超越的。Illingworth补充道：“我们将这种马赛克拼接图作为天文学家们使用的工具。我们期望它带来对未来几年宇宙的演变更连贯、更深入、更透彻的理解。” 该图像产出了一个遥远星系的大目录。“这个目录中，很多星系具有精确的高分辨率测量，这使我们能够进行大范围的河外（extragalactic，银河系外）研究，”该目录的首席研究员、康涅狄格大学的Katherine Whitaker说，“通常，这类巡天带来了意想不到的发现，这些发现极大程度上影响了我们对星系演化的理解。” 视频以哈勃超深场（Hubble Ultra Deep Field）中成千上万个星系的开始，慢慢缩小以显示更大的哈勃遗产场（包含265000个星系）。 Credits: NASA, ESA, G. Illingworth (University of California, Santa Cruz) and G. Bacon (STScI) 正如天文学家Edwin Hubble曾在一个世纪前所描述的那样，星系是“宇宙的标记”。星系使得天文学家追踪宇宙的膨胀、提供宇宙基础物理学的线索、显示化学元素的起源、并使我们的太阳系和生命的出现成为可能。 这个更广阔的视图包含的星系数量是之前深场的30倍。新的肖像是由多个快照构成的马赛克拼接图，角大小几乎覆盖了满月的宽度，而极端深场的覆盖范围不到满月直径的十分之一。遗产场还发现了星系间相互作用的痕迹，这是宇宙早期年轻星系与其他星系相撞、合并而产生的。 上图将天哈勃遗产场与月球的角直径（angular diameter）进行比较。哈勃遗产场是宇宙视图中最广阔的之一，近7500个曝光构成的马赛克拼接图几乎覆盖了月球在天上的大小。月球在天空上对应一个半度的角（就是当你伸直手臂对向天空时食指宽度的一半）。 Credits: Hubble Legacy Field Image: NASA, ESA, and G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz); Moon Image: NASA, Goddard Space Flight Center and Arizona State University 集合所有观察结果是一项艰巨的任务，该图像是31个天文学家团队集体创作的结果。哈勃在这个小区域花费的时间比在任何其他天空区域都多，总计超过250天。 “我们的目标是将十六年间所有的曝光组合成一张图像，”该团队的数据处理负责人、加州大学圣克鲁兹分校的Dan Magee解释说，“之前，大多数曝光并没有以一致的方式组合在一起，使其有用于研究人员。天文学家可以选择并立即使用他们想要的数据，而不是在进行科学分析之前执行大量的数据简化。“ 通过Mikulski太空望远镜档案馆（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST），全球天文界可以使用该图像以及其构成的各个曝光。MAST是哈勃和其他NASA任务的天文数据在线数据库，位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。 为了在遥远的宇宙中采集更深入的“核心样本”，哈勃太空望远镜已经走过了漫长的道路。在哈勃于1990年发射之后，天文学家们一度争论，是否值得花费大量望远镜时间去长时间曝光一片看似“空无一物”的小天空。由此产生的哈勃深场图像在1995年捕获了数千个看不见的星系。大胆的努力是一个具有里程碑意义的示范和典型的概念验证，为未来的深场图像奠定了基础。2002年，哈勃望远镜的高级巡天相机甚至更深入地发现了一个快照中的10000个星系。天文学家使用了2009年安装在哈勃望远镜上宽视场相机3（WFC3）拍摄的照片，以便组装2012年极端深场的快照。与之前的相机相比，WFC3涵盖了更广的波长范围（从紫外到近红外）。 这个新的图像拼接是哈勃遗产场图像系列中的第一个。该团队正在制作第二组图像，在另一个天空区域，总共超过5200个曝光。在未来，天文学家希望扩大图像中的多波长范围，包括波长更长的红外数据以及斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）和钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）的高能X射线观测（NASA的其他两个大天文台）。 遗产场图像中的大量星系也是未来望远镜的主要目标。“这将为NASA计划的宽场红外探测望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）奠定基础，”Illingworth说，“遗产场是WFIRST的探路者，它将捕获比典型哈勃图像大100倍的图像。在WFIRST三周的观测时间内，天文学家将能够集合一个更深场的图像，是哈勃遗产场大小的两倍多。“ 此外，NASA即将升空的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将使天文学家能够更深入地探索遗产场，以揭示星系的成长。韦伯的红外线覆盖范围将超出哈勃和斯皮策，这将帮助天文学家识别宇宙中的第一个星系。…

火星浅层地下水的最佳地图：火星赤道在历史上可能是两极？

火星浅层地下水的最佳地图：火星赤道在历史上可能是两极？

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一方面，关于火星大气中甲烷性质和存在的争论仍在继续，另一方面，水曾经存在于火星这一点却已经实锤，并且，它仍以水-冰或水合矿物质的形式存在着。这一点尤为重要，因为有水的地方，就可能有生命。 为了让我们更好地理解火星上水分布的具体位置以及形成历史，联合发射的火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）的精细分辨超热中子探测器（Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector，FREND）正在绘制火星表面最上层的氢原子分布图。氢原子是水分子的组成原子之一，它象征了水分子的存在，同时也能代表被吸收进火星大气的水分子，以及在有水条件下形成的矿物质。 火星浅层地下水的分布< 版权：ESA/ATG媒体实验室；数据来源：I. Mitrofanov et al (2018) FREND地图绘制任务的完成将会需要大约一个火星年的时间，也就是几乎两个地球年，FREND将会用最佳生成的数据来构建最高质量的地图。实际上，仅仅只用现有的几个月的数据，FREND构建出的第一张地图就已经超越了此前所有测量结果的分辨率。 [rml_read_more] “在短短131天的时间内，这台仪器就已经绘制出了比上一任版本更高分辨率的地图，也就是超越了美国航天航空局（NASA）的火星奥德赛（Mars Odyssey）16年以来的数据绘制的地图，并且，这份地图正处于不断优化之中。”伊戈尔•米特罗法诺夫（Igor Mitrofanov）说道。伊戈尔是位于莫斯科的俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）的空间研究所（Space Research Institute）FREND仪器的首席研究员。 除了两极地区已经确定富含水的永久冻土（permafrost）之外，这份新的地图还显示了局部“潮湿”和“干燥”地区更为精密的细节；同样得到突出的，还有赤道地区富含水的区域，这可能意味着现阶段赤道地区存在富含水的永久冻土，或者这里在过去曾是火星的两极。 魔鬼般沙尘的细节 版权：ESA/Roscosmos/CaSSIS, CC BY-SA 3.0 IGO “TGO得到的数据质量正在不断提高，最终，我们将会得到足够完整的数据，来构建火星的浅层地下富水材料地图，而这份地图对理解火星的整体演变以及现存水的来源尤为重要。”伊戈尔补充说道，“这对火星科学意义重大，对未来的火星探索也极具价值。” “多亏了TGO的成像系统，我们已经能够享受到现有的如此精美的火星图片和立体视图，现在，我们很高兴还能从其他仪器的数据中共同观察到这一切。” 欧洲空间局（ESA） TGO的项目科学家霍坎•斯韦德赫姆（Håkan Svedhem）总结道。 “我们的未来充满希望，多个探索项目都在为火星科学的迷人之处作出贡献：从地下水的分布，到活跃的火星表面反应过程，再到神秘的火星大气。” 延伸阅读 本文是关于火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）解读的第三篇，前两篇文章分别是 一：这场全球性的沙尘暴，让火星大气湿度迅速增加 二：火星大气中变幻莫测的甲烷，为何神秘消失？ 参考： [1] https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/First_results_from_the_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter [2] “Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” by O. Korablev et al, is published in the journal Nature. [3] “Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” by A.C Vandaele et al, is published in the journal Nature. [4] “Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” by I.G. Mitrofanov et al, is accepted…

哈勃最新数据进一步确认宇宙在加速膨胀

哈勃最新数据进一步确认宇宙在加速膨胀

ByNASA中文

十几年以来，两种测量宇宙膨胀速率的关键技术并没有得到一致的结论。通过使用NASA的哈勃太空望远镜，天文学家表示，他们在揭示这种不一致的途中已经越过了一个重要的门槛。最近的研究结果表明，可能需要新理论来解释塑造宇宙的力。 简要回顾：宇宙每时每刻都在膨胀。星系之间的空间正在延伸，就像烤箱里的面团一样。但宇宙的扩张速度有多快？当哈勃望远镜和其他望远镜试图回答这个问题时，它们的观测和科学家的预测出现了一个有趣的差异。 根据宇宙130亿年前的样子，哈勃测量值表明现代宇宙的膨胀率比预期更快。这些早期宇宙的测量数据来自欧洲航天局（ESA）的普朗克卫星（Planck satellite）。这种矛盾已在过去几年的科学论文中得到确认，但尚不清楚是否应该归因于测量技术的不同，或是由“偶然”的测量值引起的。 最新的哈勃数据降低了这种差异来自测量本身的可能性，仅为10万分之一。而不到一年前的估计是三千分之一。这些迄今为止最精确的哈勃测量值表示，可能需要新物理来解释这种差异。 “在早期和晚期宇宙之间的哈勃矛盾可能是几十年来宇宙学中最激动人心的进展，”诺贝尔奖得主、太空望远镜科学研究所（STScI）和约翰霍普金斯大学的首席研究员Adam Riess说， “这种差异一直在增长，现在已经到了一个不可能被视为侥幸的地步。这种不一致不可能偶然发生。” 拧紧“宇宙距离阶梯”上的螺栓 科学家使用“宇宙距离阶梯（cosmic distance ladder，或宇宙距离尺度）”来确定宇宙中天体的距离。这种方法取决于准确测量到附近星系的距离，然后使用它们的恒星作为里程碑标记，再到更远的星系。天文学家使用这些数值，以及星系光通过宇宙拉伸而变得“更红”（注：空间伸展使波长变长，称为宇宙学红移，cosmological redshift）的测量值，来计算宇宙随时间膨胀的速度，称为哈勃常数（Hubble constant）。Riess和他的SH0ES（Supernovae H0 for the Equation of State）团队自2005年以来一直致力于通过哈勃望远镜改进这些距离测量并微调哈勃常数。 在这项新研究中，天文学家使用哈勃望远镜观测了大麦哲伦星云（Large Magellanic Cloud）中70颗称为造父变星（Cepheid）的脉动星（pulsating stars）。通过比较这些造父变星、更远星系中的造父变星、以及更远更亮的Ia型超新星（Type Ia supernovae，当双星系统中的白矮星质量超过上限时出现）的测量结果，这些观测有助于天文学家“重建”距离尺度。Riess的团队从而将哈勃恒常数的不确定性从早先估算的2.2％降低到1.9％。 [rml_read_more] 这是一个地面望远镜拍摄的大麦哲伦星云，我们银河系的卫星星系（satellite galaxy）。插图是由哈勃太空望远镜拍摄，显示了散布在整个矮星系（dwarf galaxy）中的众多星团（star clusters）之一。星团成员包括一类特殊的脉动星，称为造父变星，它明暗交替的速率与其本征光度（intrinsic brightness，恒星的明亮程度，不考虑因星际尘埃或气体引起的距离或吸收的影响）直接相关。一旦天文学家确定了这个值，他们就可以通过测量来自这些恒星的光来计算它们到银河系的准确距离。当新的哈勃观测与大麦哲伦星云的独立距离测量技术（使用简单的三角测量法）相关联时，研究人员能够加强所谓“宇宙距离阶梯”的基础。这种“微调”显著提高了宇宙膨胀速度（即哈勃常数）的准确性。 Credits: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU) and Palomar Digitized Sky Survey 随着团队的测量值变得更加精确，他们对哈勃常数的计算与早期宇宙膨胀观测得出的预期值仍然不一致。这些测量来自普朗克卫星，它绘制了宇宙微波背景（cosmic microwave background），宇宙大爆炸38万年后遗迹的余辉。 测量值已经过彻底的审查，因此天文学家无法忽视两个结果之间的差异，这不太可能归因于任何单个测量值或方法的错误。这两种结果都经过了多种测试。 “这不仅仅是两个有分歧的实验，”Riess解释道，“我们正在测量本质上不同的东西。一个是宇宙现今膨胀的速度，正如我们所看到的那样；另一个是基于对早期宇宙物理的预测，它应该以多快速度膨胀。如果这些测量值不一致，我们就很有可能在连接这两个时代的宇宙学模型中遗漏了一些东西。” 新研究是如何完成的 一个多世纪以来，天文学家一直使用造父变星作为宇宙尺度来测量附近星系间的距离。但是试图收集一堆这些星星是非常耗时的，几乎无法实现。因此，该团队采用了一种聪明的新方法，称为DASH（Drift And Shift，漂移并移位），使用哈勃作为“傻瓜”相机拍摄极其明亮的脉动星的快速图像，从而避免了耗时的精确定位。 上图显示了天文学家用来计算宇宙随时间膨胀的速度（哈勃常数）的三个基本步骤。所有步骤都涉及建立一个牢固的“宇宙距离阶梯”上。首先测量到附近星系的准确距离，然后再测量到更远的星系。这个“阶梯”是对不同类型的天文物体的一系列测量，研究人员可以通过它们的本征光度来计算距离。对于较短距离而言最可靠的是造父变星，这些恒星以可预测的速率脉动，该速率表示它们的本征光度。天文学家最近使用哈勃太空望远镜观测了附近大麦哲伦星云中的70个造父变星，以便对该星系进行最精确的距离测量。天文学家将附近造父变星的测量数据与远处星系的数据进行了比较，这些测量数据还包括另一个宇宙尺度，是称为Ia型超新星（Type Ia supernovae）的爆炸恒星，比造父变星更亮。天文学家将它们作为“里程碑标记”来衡量从地球到遥远星系的距离。这些标记中的每一个都建立在“阶梯”中前一步的基础上。通过使用不同类型的里程标记，“阶梯”可以在宇宙中达到非常大的距离。天文学家将这些距离值与整个星系光线的测量结果进行比较：由于空间的均匀扩展，这些光线随着距离逐渐红移（redshift）。然后天文学家可以计算出宇宙膨胀的速度：哈勃常数。 Credits: NASA, ESA and A. Feild (STScI) “当哈勃通过锁定导星（guide stars）使用精确定位时，它在地球周围每90分钟一个的哈勃轨道上只能观测到一个造父变星。因此，观测每个造父变星是非常昂贵的，”来自STScI和约翰霍普金斯大学的团队成员Stefano Casertano解释说，“相反，我们搜寻了一组彼此足够接近的造父变星，使观测可以在它们之间移动，而无需重新校准望远镜指向。这些造父变星非常明亮，我们只需要观测两秒钟。这种技术让我们在一个轨道的持续时间内观测到数十个造父变星。所以，我们保持陀螺仪控制并且非常快速地‘DASHing’”。 之后，哈勃天文学家将他们的结果与南洋杉项目（Araucaria Project，由来自智利、美国、和欧洲的机构的天文学家合作完成）的另一组观测结果相结合。该小组通过凌日现象中光线的减少来对大麦哲伦星云进行距离测量。（在我们视线中，双星系统中一颗恒星从另一颗前面经过时，我们会观测到来自后面恒星的光线减少，这种现象称为凌日。） 综合测量结果帮助SH0ES团队改善了造父变星的真实亮度。通过更准确的结果，团队可以“拉紧”距离阶梯其余部分的螺栓。 哈勃常数的新估计是74公里每秒每百万秒差距（Megaparsec是距离单位，即一百万个秒差距，1秒差距，parsec，定义为某天体与1天文单位的对角为1角秒时的距离，即3.26光年或31兆公里；哈勃常数的量纲是1/时间，写作74km/s/Mpc）。这意味着，距离我们更远的星系，每隔330万光年，由于宇宙的扩张，它每秒多移动74公里。这个数字表明宇宙的扩张速度比67km/s/Mpc的预测速度快9％。预测速度来自于普朗克卫星对早期宇宙的观测，以及我们目前对宇宙的理解。 有什么能解释这种差异 对不一致的一种解释涉及在年轻宇宙中意外出现的暗能量（dark energy），科学家认为它现在占宇宙的70％。约翰霍普金斯大学的天文学家提出“早期暗能量（early dark energy）”理论，称宇宙演变像一场三幕剧。 天文学家假设，暗能量在大爆炸后的第一秒内就存在，并在整个太空中推动物质开始初始膨胀。暗能量也可能是宇宙今天加速膨胀的原因。新理论表明，大爆炸后不久发生了第三次暗能量事件，这使宇宙膨胀的速度超过了天文学家的预测。 Riess说，这种“早期暗能量”的存在可以解释两个哈勃常常数之间的矛盾。 另一个想法是，宇宙包含一种亚原子粒子（subatomic particle），速度接近光速。这种高速粒子统称为“暗辐射（dark radiation），”其中包括已知的粒子，比如在核反应（nuclear reaction）和放射性衰变（radioactive decay）中产生中微子（neutrinos）。 另一个引人注目的可能性是，暗物质（一种“不可见”的物质，不由质子、中子、和电子组成）与正常物质或辐射的相互作用比以前假设的更强烈。 但真正的原因仍然是一个谜。 Riess对这个棘手的问题没有答案，但他的团队将继续使用哈勃望远镜来减少哈勃常数的不确定性。他们的目标是将不确定性降低到1％，这应该有助于天文学家找出出现差异的原因。 该团队的成果将在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）上发表。 哈勃太空望远镜是NASA和ESA（欧洲航天局）的国际合作项目。NASA的戈达德太空飞行中心负责管理望远镜。太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃的科学运营。STScI由华盛顿特区的大学天文研究协会（AURA）为NASA运营。 参考 [1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mystery-of-the-universe-s-expansion-rate-widens-with-new-hubble-data/ [2]https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/stsci-h-p1925b-editable10x6_0.pdf