科普

一百年前的今天，1919年5月29日，对日食的测量为爱因斯坦的广义相对论提供了验证。甚至在那之前，爱因斯坦就已经发展了狭义相对论，它彻底改变了我们理解光的方式。直到今天，它还为理解粒子如何在太空中运动提供指导——这是一个关键的研究领域，以确保航天器和宇航员免受辐射。 狭义相对论表明，光子，光的粒子在真空中以每小时670,616,629英里的恒定速度运动——在那样的环境中，这个速度是非常难以达到的，也不可能超过的。然而，在整个太空中，从黑洞到我们的近地环境，粒子实际上正在以令人难以置信的速度加速，有些甚至达到了99.9%的光速。 NASA的工作之一是更好地理解这些粒子是如何加速的。研究这些超高速、相对论性粒子可以最终帮助保护任务探索太阳系,到月球旅行,他们可以教我们更多关于我们的银河社区:一个好的意图near-light-speed粒子可以一次旅行机载电子和太多的辐射的负面效应在太空宇航员去月球旅行,或者更远。 以下是3种加速的方式。   1）电磁场 大多数使粒子加速到相对论速度的过程都是在电磁场中进行的——这和使磁铁保持在冰箱上的力是一样的。电场和磁场，这两个组成部分，如同一枚硬币的两面，共同作用，在整个宇宙中以相对论的速度扫描粒子。 本质上，电磁场加速带电粒子的运动，是因为带电粒子在电磁场中感受到一种推动它们前进的力，类似于重力对有质量物体的引力。在适当的条件下，电磁场可以使粒子以接近光速加速。 在地球上，电场通常是专门利用在较小的规模被特别利用以加速实验室中的粒子。粒子加速器，如大型强子对撞机和费米实验室，利用脉冲电磁场将带电粒子加速到光速的99.99999896%。在这样的速度下，粒子可以被粉碎在一起，产生具有巨大能量的碰撞。这使得科学家能够寻找基本粒子，并了解宇宙在大爆炸后最初几秒内是什么样子的。 2）磁爆炸 地球周围的空间不断发生巨大的，无形的爆炸。这些爆炸是扭曲的磁场的结果，这些扭曲磁场突然断裂并重新排列，将粒子射向太空。 资料来源:NASA’s Goddard Space Flight Center 磁场遍布太空，环绕地球，横跨太阳系。它们甚至能引导带电粒子在空间中移动，而空间又绕着磁场旋转。 当这些磁场相互碰撞时，它们就会纠缠在一起。当交叉线之间的张力过大时，这些线就会发生爆发性的断裂，并重新排列，这一过程被称为磁重联。一个地区磁场的快速变化会产生电场，从而导致所有伴随而来的带电粒子被高速抛出。科学家怀疑磁场重连是粒子加速到相对论速度的一种方式，例如太阳风，它是来自太阳的带电粒子的恒定流。 这些高速粒子也会在行星附近产生各种副作用。磁场重连发生在离我们很近的地方，在那里太阳的磁场推动地球的磁层——它的保护磁性环境。当磁场重连发生在地球背向太阳的一侧时，这些粒子就会被抛到地球的上层大气中，并在那里引发极光。磁重联也被认为是木星和土星等其他行星形成类似现象的原因，尽管方式略有不同。 NASA的磁层多尺度宇宙飞船（Magnetospheric Multiscale spacecraft）的设计和建造是为了专注于理解磁重联的所有方面。该任务使用四艘相同的航天器环绕地球飞行，捕捉磁场重连的动作。分析数据的结果可以帮助科学家理解粒子在地球和宇宙中以相对论速度运动时的加速度。 科学家John Dorelli讲述了MMS任务的轨道，以及为什么四个航天器以四面体的形式飞行。 在它的旅程中，MMS将观察到一种鲜为人知但却普遍存在的现象，称为磁重联。磁重联导致了地球附近磁性环境的戏剧性重塑，常常将大量的能量和快速移动的粒子送往一个新的方向。这不仅是一个发生在整个宇宙的基本物理过程，也是地球空间天气事件的驱动因素之一。要真正理解这个过程，需要四个相同的航天器来跟踪这种重新连接事件如何在三维空间中移动。 3)波粒子相互作用 粒子可以通过与电磁波的相互作用而加速，这种相互作用被称为波粒子相互作用。当电磁波碰撞时，它们的磁场会被压缩。带电粒子在电磁波之间来回弹跳可以获得类似于球在两个合并的墙之间弹跳的能量。 这些类型的相互作用不断发生在近地空间，并将粒子加速到可以破坏太空飞船和卫星上的电子设备的速度。NASA的任务，比如范艾伦探测器，帮助科学家理解波粒子相互作用。 波粒子相互作用也被认为是加速一些来自太阳系外的宇宙射线的原因。超新星爆炸后，一种被称为爆炸波的炽热而致密的压缩气体壳层从恒星核心喷出。这些气泡中充满了磁场和带电粒子，这些气泡中的波粒子相互作用能以99.6%的光速发射高能宇宙射线。波粒子相互作用也可能是加速太阳风和来自太阳的宇宙射线的部分原因。 电场和磁场可以增加和消除粒子的能量，改变它们的速度。 资料来源：NASA’s Scientific Visualization Studio 参考： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/three-ways-to-travel-at-nearly-the-speed-of-light/

我们的地球是一个相当活跃的星球，充满着激烈的气候活动，从短时的疾雷迅电，到风驰电掣的狂暴飓风，气势上无不惊天动地，带来的后果也经常是毁灭性的。其实除了地球之外，其它的行星上空也会产生积雨云（storm cloud）、划破天际的电光火石，甚至是倾盆大雨。下面，不如让我们来一次星际风暴的探索之旅，去别的星球上看看奇绝的巨型风暴。 1. 水星（Mercury）：沐浴在微流星雨和磁性“龙卷风”中的清晨 水星上某些大型陨石坑的内部相当平滑，就像月球上充斥着熔岩的火山一样。 版权：美国航空航天局（NASA），约翰•霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室（Applied Physics Laboratory），华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington，CIW） 用浪漫的微流星雨（micrometeoroid shower）来开启美好的一天，是一种怎样的体验？水星，焦金流石般炽热，是距离太阳最近的行星，白天的气温甚至超过了800华氏度（约430摄氏度）；较小的引力（只有地球引力的38%）让水星难以留住围绕它的行星大气，这让水星的“保温性”很差，也就是白天焦灼似火，夜里严寒胜冰。 稀薄到几乎没有的大气还意味着水星上不会产生剧烈的风暴，但这不代表就不会有其他奇怪的“天气”模式：水星会遭遇微流星体（micrometeoroid）或微小尘埃的轰击，时间则通常在早上。 除此之外，水星上还有一种诡异的磁性“龙卷风”，也就是扭曲缠绕在一起的磁场束，这些磁性“龙卷风”将水星的磁场连接到了外太空。在2008年10月6日，美国航天航空局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的信使号（Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging，MESSENGER）水星探测器第二次飞掠水星之时，就遇上了这种磁性“龙卷风”。 [rml_read_more] 2. 金星（Venus）：与地球最相似的“双胞胎”是一团炙热的乱麻 运用强大的高分辨率雷达，NASA的麦哲伦号金星探测器（Magellan spacecraft）对金星的永久云层进行了观测，绘制出了金星的全球地形图。 版权：NASA，SSV，MIPL，麦哲伦号团队 金星总是被称为地球的双胞胎，因为这两颗星球有着相似的大小和结构。但是在我们的太阳系中，金星却是温度最高的那颗行星，被令人窒息的硫酸云层和支离破碎的大气包围，处于900华氏度（约480摄氏度）水深火热的炙烤之中。 再加上闪电的频发（甚至可能比地球上还要频繁），“金星可不是一个非常好的度假之选，这一点毫无疑问。” 克里斯托弗•罗素（Christopher Russell）说道。欧洲空间局（European Space Agency，ESA）的金星快车（Venus Express）任务的研究团队发现了金星上的闪电，罗素则是团队中一名受NASA资助的科学家。 当你抬头仰望星空时，夜空中的金星是一颗略显淡黄的明亮星体，这是由它的表面云层决定的。今年早些时候，基于围绕金星运行的破晓号（Akatsuki）探测器的探测结果，日本的研究人员在金星的云层中发现了一个巨大的带状结构， 3. 地球（Earth）：风暴频繁，危险常在 2018年10月，大型飓风“迈克尔”登陆佛罗里达州，成为21世纪登陆美国的最强飓风。 版权：NASA，美国国家海洋和气候管理局（National Oceanic and Atmosphere Administration，NOAA） 地球上的风暴多种多样，包括雷暴（thunderstorm）、暴风雪（blizzard）和龙卷风（tornado）。龙卷风的风速可以超过300英里每小时（约480千米每小时），所到之处常常拔树撼山，给建筑和车辆带来毁灭性的损害。 但是对比飓风（hurricane）的大小规模和破坏力，其他的风暴都会相形见绌。飓风通常也被称作台风（typhoon）或旋风（cyclone），可以持续数天之久，风力高达12级以上，波及范围可达675英里（约1100千米），摧毁的区域从沿海地区一直延伸到远离海洋的内陆。 最近的飓风之中，最强飓风非“迈克尔” （Michael）莫属。飓风“迈克尔”于2018年10月10日强势登陆美国佛罗里达州墨西哥海滩，当时的风速高达160英里每小时（约257千米每小时）。“迈克尔”是有史以来仅有的第四次登陆美国的五级飓风（Category 5），根据飓风的风力分类，五级飓风为顶级强度的飓风。 4. 火星（Mars）：沙尘暴围困的世界 全球性沙尘暴：2001年拍摄的两幅图像，分别显示了被全球性沙尘暴席卷前后的火星。 版权：NASA，JPL-Caltech，MSSS 因为那些遮天蔽日的沙尘暴，有些甚至能围困住整个行星，火星变得声名狼藉。2018年的时候，一场全球性的沙尘暴罩住了NASA创下纪录的机遇号（Opportunity）火星车，让机遇号15年的火星任务不得不遗憾地走到终点。 火星的大气也非常稀薄，绝大部分都是二氧化碳，空气中还充斥着尘埃，在人类眼里，这样的大气会让天空看起来呈现出一片雾蒙蒙的红色或焦糖色。 这些尘埃也会成为未来火星任务的绊脚石，给探测器的电子系统和机械系统带来负面影响，如果人类在不久的未来登陆火星，尘埃对宇航员的健康来说也是一种不小的威胁，尽管真实的火星沙尘暴不会像2015年的电影《火星救援》（The Martian）里给宇航员马克•沃特尼（Mark Watney，由美国演员马特•达蒙（Matt Damon）扮演）带来那样强烈的影响。 除了地球，火星也是唯一一颗拥有气象站的星球，没错，NASA的洞察号（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，InSight）着陆器能监测火星的温度、风速和大气压，从2019年2月19日起，便每天发布火星赤道附近埃律西昂平原（Elysium Planitia）的天气报告。 5. 木星（Jupiter）：一个逐渐缩小的斑块 这张朱诺相机（JunoCam，朱诺号所搭载高分辨率光学相机）的视图中，研究人员利用风暴气旋模型对木星大红斑附近的风暴进行了动态模拟。所应用的风暴模型被称为速度场，模型建立在NASA旅行者号（Voyager）航天器以及地球上望远镜所收集的数据基础上。 版权：NASA，JPL-Caltech，SwRI，MSSS，杰拉尔德•艾希施塔特（Gerald Eichstadt），贾斯汀•考沃特（Justin Cowart） 木星大红斑（Great Red Spot，GRS）：太阳系中最著名的风暴之一。在繁盛之时，它至少猖獗了300年，但到现在也已经萎缩了一个半世纪之久，没有人知道，这块地标式的大红斑会在什么时候不再可见，但它最终大抵还是会消失。 NASA的朱诺号（Juno）木星探测器为科学家们带去了这个著名风暴的新见解。“朱诺号的数据表明，这个太阳系中最著名的风暴几乎有一个半地球直径那么宽，风暴的根部向下穿透木星大气的深度大约为200英里（约300千米）。” 朱诺号的首席研究员斯科特•博尔顿（Scott Bolton）说。 20世纪的时候，三个较小的椭圆形风暴合并形成了“小红斑”（Little Red Spot），大约有它的大红斑表亲一半那么大，如果没有坚固的物质表面降低风暴的速度，木星上的这些“斑”可以肆虐很多年。 6. 土星（Saturn）：风暴追逐者的天堂 这一系列图片由NASA卡西尼号探测器所拍摄，显示了自1990年以来土星上发生的最大风暴的发展过程。这些真彩色（true-color）以及复合近真彩色（near-true-color）的视图纪录了从2010年到2011年中期的风暴发展“连续剧”，展示了风暴的头部是如何迅速变大而最终又被尾部吞没的。 版权：NASA，JPL-Caltech，空间科学研究所（Space Science Institute） 土星具有太阳系中最特别的大气特征之一：位于北极的六边形云图。 这里的六边形实际上是一个六面喷射流，风速高达200英里每小时（约322千米每小时），每一个面都比地球稍微宽一点，所以可以在这个六边形里塞上好几个地球。 在六边形的中间，有一个看起来像宇宙肚脐般的东西，但它实际上是一个看起来像飓风一样的巨大漩涡。 如果你是一个酷爱追寻风暴的人，那你将会在土星上度过一个收获满满的快乐日。由于探测器在土星的南半球上一部分区域观察到了频繁的风暴活动，NASA卡西尼号（Cassini）任务的科学家将其称为“风暴联盟”（Storm Alley）。风暴持续的时间可能会长达数年之久，因此不必急于追逐它们。至少有那么一场风暴，它在追逐着它自己：在2010年和2011年，科学家目睹了一场风暴，它围绕着土星呼啸而过，直到它最后撞向了自己的尾部，溅出翻腾的“风暴之花”。 7. 土卫六（Titan）：甲烷雨和沙尘暴共存 这张近红外、彩色马赛克图片来自NASA的卡西尼号探测器，展示了土卫六（又被称作泰坦星）北极海面上的粼粼波光。 版权：NASA，JPL-Caltech，亚利桑那大学（University of Arizona），爱达荷大学（University of Idaho） 在我们的太阳系中，地球并不是唯一一个表面覆盖了液体的世界。在土星的卫星土卫六上，同样存在着河流、湖泊和大海。土卫六是唯一一个除了地球之外，拥有类似地球水循环的液体循环的世界：雨水从云层中飘落，流过卫星表面，进入湖泊和海洋之中，然后再蒸发回到空中。但是在土卫六上，雨水、河流和海洋的液体成分并不是水，而是甲烷。 来自卡西尼号探测器的数据还揭示了土卫六赤道地区的巨大沙尘暴，使土卫六成为除地球和火星外的第三个发现了沙尘暴的太阳系星体。 8. 天王星（Uranus）：一处极地风暴，以及……臭鸡蛋味？ NASA的哈伯空间望远镜每年都会对太阳系的外围行星进行常规天气监测，而在此期间，它在海王星（右图）上发现了一个新的神秘而黑暗的风暴，除此之外，还对天王星北极地区周围一个持续了很长时间的风暴进行了全新的观察（左图）。 版权：NASA，ESA，A. Simon（NASA戈达德航天中心）、M.H. Wong和A. Hsu（加州大学伯克利分校） 长期以来，天王星都是那个被嘲笑的对象，而最新的一些研究可能会让它的处境变得更尴尬。 在天王星这颗冰巨星（ice giant planet）的上空，飘着一些云，科学家们正试图解决一个与之相关的难题：这些云是由什么组成的？当旅行者2号（Voyager 2）在1986年飞掠天王星时，它发现了一些云的踪迹。（这些云的存在部分是由于包围着天王星的浓雾，还有部分是由于旅行者号的相机设计，旅行者2号配备的相机并不能很好地透过阴霾用红外线进行拍摄。）但是在2018年，NASA的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST）拍下的一幅图像显示了横跨天王星北极的一处巨大而明亮的风暴云盖。 同样在2018年，利用夏威夷莫纳克亚天文台（Mauna…

好奇号是NASA有史以来最先进的火星车，于美国东部时间2012年8月6日早上着陆在火星，观看下面这段视频，来了解下好奇号是如何着陆火星的。 您的浏览器不支持H5视频播放器 版权：NASA JPL 《火星一分钟》系列延伸阅读 一：火星真的是红色的吗？