科普

这段视频发布与2019年3月20日。 来源：melodysheep 数万亿年后，我们的星球和宇宙的命运将会怎样？这段视频从2019年开始，时间呈指数级增长，直至时间尽头。 我们会看到地球的未来，太阳的死亡，所有恒星的终结。下面整理了开篇三分钟的画面。 人类纪（Anthropocene Era）， 地球磁场翻转（Earth’s Magnetic Field Flips）， 海尔-博普彗星（Comet Hale-Bopp）回归， 海平面急剧上升（Drastic Sea Level Rise）， 大小30米的小行星撞击（Asteroid Impact）， 心宿二演化成超新星（Antares Goes Supernova）， 撒哈拉沙漠变成了热带（Sahara Becomes Tropical）， 星座的形状开始变化（Constellation Begin To Wander）， 旅行者1号经过近距恒星（Voyager 1 Passes Nearby Star）， 间冰期结束（Interglacial Period Ends）， 超级火山喷发（Supervolcano Eruption）， 新夏威夷岛出现（New Hawaiian Island Appears）， 形成了新的岛屿链（New Island Chains）， 阿波罗宇航员们的脚印慢慢消失（Apollo Footprints Fade）， 参宿四演化成超新星（Betelgeuse Goes Supernova）， 致命的伽玛射线爆发（Deadly Gamma Ray Burst）， 火星的卫星变成了火星环（Mars‘s Moon Becomes A Ring）， 土星环消失了（Satrun’s Rings Vanish）， 南极融化（Antarctica melts）， 大型的小行星撞击（Major Asteroid impact）， 形成了新的超级大陆（New Supercontinent）， 太阳亮度增加（Sun Increases Luminosity）， 光合作用停止（Photosynthesis Begins to cease）， 所有植物死亡（All Plant Life Dies）， 海洋干涸（Oceans Evaporate）， 所有的生命死亡（All Life Dies）， 太阳膨胀（Sun Expands）， 太阳变成红巨星（Sun Becomes Red Giant）， 地球被膨胀的太阳毁灭（Earth Destoryed By The Dying Sun） 太阳变成了白矮星（Sun Becomes A White Dwarf）。 。。。。。。。。。。。。 黑洞开始死亡……最后，时间变得毫无意义。 一切事物都有其非凡之处，甚至黑暗与静默也一样。不管可能身处何种状态，我都学习着在其中得到知足之乐。——海伦·凯勒 参考 [1]4K高清视频 https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=uD4izuDMUQA

在2017年中期的5个月里，艾米莉•梅森（Emily Mason）每天都重复着同样的事情：来到美国航空航天局（NASA）位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center），坐在自己的办公桌前，打开她的电脑，然后凝视太阳的各类图片——就这样看一整天，每天如此。“我大概查看了相当于三到五年间的图片数据。”梅森估计道。忽然，在2017年10月的时候，她停了下来，因为她意识到一直以来她所仔细查看的对象是错的。 梅森是华盛顿特区美国天主教大学（The Catholic University of America）的研究生，目前正在寻找日冕雨（coronal rain）：一种巨大的等离子体（plasma）团状物或电气化的气体团，它们从太阳外层大气以雨滴般的形状洒落回太阳表面。梅森一开始预计能找到日冕雨的位置会是盔状冕流（helmet streamer），一个数百万千米高的磁环（magnetic loop）区域，因与骑士的尖头盔形状相似而得以命名，在日食期间能明显观察到从太阳中突出的形状。计算机模拟预测，在盔状冕流中可能会找到日冕雨。对从太阳逃逸进入太空的气体，也就是太阳风（solar wind）的观察暗示着，日冕层中可能正在“降雨”。如果梅森能够找到日冕雨，那么日冕雨产生背后的物理机制将对一个谜题产生重大的影响，这个谜题困扰了科学家七十多年：太阳的外层大气，即日冕（corona）为何比太阳表面的温度高出如此之多。然而，经过了近半年的寻找，梅森根本就找不到日冕雨的踪迹。“踏破铁鞋，”梅森说道，“寻觅的对象却压根从未发生过。” 就像这张图片中左侧显示的那种冕流，梅森在盔状冕流中寻找着日冕雨。这张图片拍摄于1994年日食期间的南美洲。在冕流的西侧分支中有一个较小的伪冕流（pseudostreamer），位于图中的右侧。因与骑士的尖头盔形状相似而得以命名，盔状冕流向外延伸到太阳最外层的微弱日冕，在太阳耀眼的表面阳光受到遮挡时最容易被观测到。 版权：© 1994乌皮采天文台（Úpice observatory）和沃伊捷赫•鲁辛（Vojtech Rušin），© 2007米洛斯拉夫•德鲁克米勒（Miloslav Druckmüller） [rml_read_more] 而事实上，问题不是出在她所找的对象上，而是出在了她所找的地方。在4月5日发表于《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）的论文中，梅森和她的共同作者描述了在某处第一次观测到日冕雨的发现，这个地方就是一种此前一直被忽视的较小的太阳磁环。在错误方向上漫长而曲折的寻觅之后，这项发现在日冕的异常高温和低速太阳风（slow solar wind）的起源之间建立了新的联系，而这两者则是如今太阳科学所面临的最大的两个谜团。 太阳上如何降下甘霖 太阳是一个等离子体大火球，充斥着围绕巨大燃烧着的磁环而生的磁场线，借助安装在NASA太阳动力学天文台上的高分辨率望远镜，研究人员观测到的太阳与地球似乎毫无物理性质上的相似之处。但在对太阳炽烈混乱的解析上，我们的地球母亲提供了一些有用的指引：其中就包括降雨。 在地球上，降雨只是恢弘水循环的其中一部分，是热量推动与重力拉动之间无休无止拉锯战的一部分。当汇聚在地球表面海洋、湖泊和溪流这些地方的液态水被太阳加热升温，其中一部分蒸发变成水蒸气，向上进入大气层后冷却并凝聚成云，这些云的质量持续增长，直到最终抵抗不了重力的作用，这些水便以降雨的形式落回地球，再次汇聚，如此循环往复。 梅森表示，太阳上日冕雨的形成机制与上述过程类似：“但不同于（地球上）60度的水，（在太阳上）你所面对的是上百万度的等离子体。”等离子体是一种带电气体，不会像水一样聚集在一起，而是沿着太阳表面浮现的磁环运动，就像过山车沿着轨道运动一样。在磁环的底部，也就是磁环链接太阳表面的地方，等离子体被加热到几千到180万华氏度（约100万摄氏度）的极高温度。在如此高温的条件下，等离子体向外延伸，在磁环的最高处聚集，离加热源相当之远。当温度下降时，这些等离子体密度就会变大，凝结成日冕雨被太阳引力拉回磁环的底部。 梅森此前一直在盔状冕流中寻找日冕雨，但她在这个特定区域寻找的动机，更多是因为这一潜在的加热-冷却循环而非日冕雨本身。至少从二十世纪九十年代开始，科学家就已经知道盔状冕流是低速太阳风的一个来源，低速太阳风是一种速度相对缓慢、密度相对更大的气体流，与速度更快的太阳风分离开来，各自为营从太阳逃逸进入太空。然而，对慢速太阳风的测量结果显示，在冷却下来逃离太阳之前，慢速太阳风曾被加热到极高的温度。如果日冕雨背后这一加热-冷却的循环过程是在盔状冕流内部发生的，那它可能就是揭开低速太阳风涞源之谜的重要一环。 谜团背后的另一个原因则与日冕加热问题（coronal heating problem）有关。日冕加热问题指的是：太阳外层大气的温度比太阳表面高出近300倍的未解之谜，我们仍不知道这一现象的机制和原因。模拟显示，只有在对磁环的最底端施加热量时，日冕雨才会形成，这一点有些不同寻常。“如果日冕雨在某个磁环上降下，那就说明在这个磁环底部不大于10%的区域有日冕正在被加热。”梅森说道。日冕雨的降雨带为确定日冕加热的位置提供了一个测量点，或者说一个截止点，巨大的盔状冕流是他们所能发现的最大的降雨带，从盔状冕流开始寻找似乎是一个合理的决定，能将成功找到日冕雨的几率最大化。 梅森手握着这项研究工作最理想的数据：由NASA的太阳动力学天文台拍摄的图像。太阳动力学天文台这一航天器每12秒就会对太阳进行一次拍摄，从2010年发射开始，从未间断。然而，寻找日冕雨的工作已经进行了半年之久，梅森始终没能在任何盔状冕流中发现哪怕一星半点日冕雨的踪迹；不过她注意到了一些对她来说并不熟悉的微小磁性结构。“它们的亮度非常高，一直吸引着我的注意力，”梅森说道，“当我终于不再对它们视若无睹的时候，我发现在这些微小磁性结构里，日冕雨会一次性持续降落数十个小时。” 冕雨有时能在太阳爆发（solar eruption）期间被观测到，就像这幅来自NASA太阳动力学天文台（Solar Dynamics Observatory，SDO）2012年的动图所示，与太阳耀斑（solar flare）相关的剧烈加热现象在太阳爆发后突然中断时，余留的等离子体就会冷却并落回到太阳表面。梅森所寻找的日冕雨与太阳爆发无关，而是由周期性的加热-冷却过程引起，类似地球上的水循环。 版权：NASA的太阳动力学天文台/科学可视化工作室/首席动画师汤姆•布里奇曼（Tom Bridgman） 一开始，梅森专注并执着于她的盔状冕流搜寻工作，以至于踏破铁鞋却一无所获。“她参加组会的时候说道：‘我一直找也找不到，在这些其他的结构里我一直看到日冕雨的降落，但就是无法在盔状冕流里发现它们。’”尼科琳•维奥（Nicholeen Viall）说道，她是戈达德的一名太阳科学家，同时也是论文的共同作者。“然后我说：‘什么？等一下，你在哪看到日冕雨了？我认为还从来没有人发现过那些结构！’” 日冕加热的测量标杆 这些结构在很多方面都与盔状冕流不同，但其中最引人注目的是它们的大小。 “这些磁环比我们所寻找的要小得多，”斯皮罗•安蒂奥克斯（Spiro Antiochos）说道，他是戈达德的太阳物理学家，同时也是论文的共同作者，“所以这意味着，日冕加热的局域性比我们想象中的要更甚。” 梅森的文章分析了3处“日冕雨空点拓扑结构”（Raining Null-Point Topologies，RNTPs）的观察，RNTPs是一种磁性结构，此前一直被忽视，在这张图中以两种极紫外光（extreme ultraviolet light）的波长显示出来。在这些相对较小的磁环中观察到的日冕雨表明，日冕加热发生的区域可能比此前预期的范围限制更小更集中。 版权：NASA的太阳动力学天文台/艾米莉•梅森 虽然这一研究结果并没有解释日冕究竟是如何被加热的，“但这一发现的确进一步缩小了日冕加热可能发生的范围。”梅森说道。她找到了高度约为3万英里（4.8万千米）的降雨带，这大概是她最初搜寻的盔状冕流高度的百分之二；而日冕雨则缩小了日冕加热可能发生的范围。“我们仍不清楚究竟是什么在对日冕进行加热，但我们知道这一过程必须在这一层结构中发生。” 慢速太阳风的新来源 然而，此次的观察中有一处不符合从前的理论：基于现有的理解，日冕雨只会在闭合的磁环中形成，因为在闭合的磁环中，等离子体可以在没有任何逃逸路径的情况下聚集并冷却；但随着梅森对数据的筛选，她在非闭合的开放磁场线中也发现了日冕雨的存在。这些磁场线的一端固定在太阳上，另一端则延伸到了太空里，因此这些磁场线上的等离子体能够逃逸形成太阳风。为了解释这一反常的发现，梅森和她的团队提出了另一种分析，她们将这些微小磁性结构中的日冕雨与慢速太阳风的来源联系了起来。 在这个新的解释中，日冕雨等离子体的降落之旅始于一个闭合的磁环，但通过一种被称为磁重联（magnetic reconnection）的方式，这个闭合的磁环在中途会转换成一个开放的磁环。磁重联这种现象在太阳上时常发生：当一个闭合的磁环撞上了一条开放的磁场线时，该系统就会自动重联。突然之间，闭合磁环上被过度加热的等离子体发现自己处于一条开放的磁场线上了，就像火车突然变轨一样。某些等离子体会迅速膨胀、冷却，然后以日冕雨的形式降回到太阳表面；另外的等离子体则会逃逸进入太空，他们推测这些等离子体会成为慢速太阳风的一部分。 梅森目前正在对这一新的解释进行计算机模拟，她同时也希望，即将与世人见面的观测数据能证实这个新的解释。如今，于2018年发射的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）正在前往太阳的途中，它已经比此前所有的航天器都要接近太阳，它能飞跃慢速太阳风的爆发之处，而慢速太阳风能追溯到太阳表面发生的事件，这之中可能就有梅森的日冕雨事件。在开放的磁场线上观察到日冕雨之后，一部分等离子体逃逸到太空中变成太阳风，通常情况下我们的后代将不再能看到这些等离子体；但不久之后这将不再是一个难办的问题，“未来我们或许可以通过帕克太阳探测器让我们的后辈‘见到’这些等离子体，并告诉他们，‘看，那就是。’”维奥说道。 在数据中挖掘真相 那么在盔状冕流中究竟能否找到日冕雨呢？研究人员仍然没有放弃继续搜寻。模拟的结果清楚地显示：那里确实应该存在日冕雨。“可能只是雨点太小了所以我们还没看到？”安蒂奥克斯说，“我们也不知道。” 但是话说回来，如果梅森一开始就在盔状冕流中找到了她所寻觅的日冕雨，那她可能就不会有现在的这个新发现，或者只是将所有的这些时间花费在了理解太阳数据的来龙去脉上。 “这项工作听起来是个苦差事，但说实话，这是我最喜欢做的事情，”梅森说，“我的意思是，这正是我们建造能拍摄如此多太阳照片的探测器的原因：这样我们就能对它们进行分析，弄明白其中的奥秘。” 参考： [1] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/unexpected-rain-on-sun-links-two-solar-mysteries [2] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0c5d

地球上的我们是幸运的， 因为我们可以看到日全食， 可以看到瑰丽的日冕。 地球上的我们大约每16个月可以看到一次日全食（当然，每次能看到的地方是不同的）。来源：ESA[1] 这并不是一件容易的事，基本只能靠宇宙的馈赠。因为这要求太阳和月亮在地球上看起来大小差不多才行——而刚刚好，太阳的大小是月球的约400倍，而太阳到地球的距离是月亮到地球距离的约400倍。 日全食的原理，月亮几乎刚好可以完全遮住太阳。来源：ESA[1] 将来的火星移民们就没那么幸运了。 火星虽然有两颗卫星，但它们都太小了。 [rml_read_more] 火星的两颗卫星火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），直径分别只有26公里和16公里（火星平均半径3389.5公里） 火卫一、火卫二和火星，大小和距离没有按比例。来源：NASA[2] 日全食是不可能的，大个儿一点的火卫一引起的日食有点儿类似地球上的日环食，而更小个儿也更远的火卫二引起的日食，则更经常被称为“凌日”（transit）。 火星上的日食长什么样？NASA的好奇号火星车最近连拍了两场[3]。多亏了NASA专门给好奇号火星车的Mastcam相机配了日食眼镜，让好奇号可以“直视”太阳。 好奇号火星车MASTCAM的位置和定标器件。来源：NASA[4] 2019年3月26日(Sol 2359)，好奇号拍到的火卫一（Phobos）引起的日食 来源：NASA[3] 2019年3月17日(Sol 2350)，好奇号拍到的火卫二（Deimos）凌日 来源：NASA[3] 这并不是好奇号第一次拍到火星上的日食。例如： 2013年8月20日（Sol 369），好奇号就拍到过火卫一引起的日食 来源：NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems/Texas A&M Univ[5] 除了好奇号，勇气号和机遇号的Pancam也可以拍摄日食。 2004年3月10日，机遇号火星车拍到的火卫一引起的日食 来源：NASA[6] 2004年3月14日，勇气号火星车拍到的火卫二凌日 来源：维基/NASA[7] 火星上的日食罕见吗？ 并不。 由于两颗卫星的公转速度很快，火星上的日食其实比地球上要频繁得多 火卫一和火卫二的轨道。改编自：维基/MagentaGreen 仅仅是观测到的，勇气号、机遇号、好奇号三辆火星车也已经拍到了约40次火卫一日食和8次火卫二凌日[3]。实际发生过的远远不止这么多。 所以呀，对将来的火星移民来说，日食会是很常见的景色呢。 最后上个小彩蛋，好奇号拍摄的火卫一从火卫二前面飞过 来源：NASA[2] 参考 [1] https://www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2018/07/What_is_an_eclipse [2] https://svs.gsfc.nasa.gov/11326 [3] https://www.nasa.gov/feature/jpl/curiosity-captured-two-solar-eclipses-on-mars [4] https://www.nasa.gov/mission_pages/msl/multimedia/pia16798.html [5] https://www.nasa.gov/mission_pages/msl/multimedia/pia17356.html [6] https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA05553 [7] https://www.wikiwand.com/en/Transit_of_Deimos_from_Mars

就像灰尘会聚积在家里的角落和书架上，它们也会在太阳系中堆积起来，不同的是，星际尘埃聚成的是好几个环状的圈圈，围绕着我们的太阳。这些尘埃环恰好与行星的运行轨道重合，因为在行星绕太阳运行的时候，会通过万有引力的作用拖拽着这些星际尘埃，最终形成环绕太阳的尘埃圆环。 在大约46亿年前，太阳系从一片混沌中开始诞生，小行星相互冲击、彗星东碰西撞，星际尘埃就是由当时残存的碎石和碎屑组成的。这些星际尘埃散布在整个太阳系中，但又主要聚集在地球和金星的运行轨道上，形成满是颗粒的圆环，从地球上用望远镜就能看得到。通过研究这些星际尘埃的组成、由来和运动，科学家探寻着行星的诞生和太阳系中一切可见物质的组成。 最近的两项研究发表了太阳系内部尘埃环的新发现。其中一项研究用到了NASA的数据，概述了围绕太阳的水星轨道上存在一个尘埃环的证据。另一项研究则来自NASA，确定了金星轨道上尘埃环的可能来源：一组与金星共轨运动的、从没探测到过的小行星。 “在太阳系里，我们并不能每天都发现新的东西。”马克•库彻纳（Marc Kuchner）说道，他是金星研究的作者之一，同时也是NASA位于马里兰格林贝尔特戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天体物理学家。“而这些星际尘埃就在我们的身边。” 在这张图中，有好几个环绕着太阳的尘埃环，由行星的万有引力拖拽形成，覆盖在相应的行星轨道上。最近，科学家在水星的公转轨道上发现了一个尘埃环；另外还有研究表明，金星轨道上的尘埃环来自一组从未被探测到过的共轨小行星。 版权：NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith [rml_read_more] 另一个围绕太阳的环 吉耶尔莫•斯滕堡（Guillermo Stenborg）和吕塞伊•霍华德（Russell Howard）两人是华盛顿特区美国海军科研实验室（Naval Research Laboratory）的太阳科学家，他们一开始并没有想到会找到一个尘埃环。“我们是偶然发现它的。”斯滕堡笑道。他们将这个新发现总结在了论文里，发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。 他们在研究中描述了水星轨道上存在一个星际尘埃环的证据，宽度大约有930万英里（1500千米）。水星的直径为3030英里（4878千米），足以让美国大陆横越过来，在这圈更宽大的尘埃环中，水星划过无数石块碎屑，环绕着我们的太阳运行。 略带讽刺意味的是，这两位科学家一开始是为了搜寻太阳附近一片“无尘区”的相关线索和证据，结果却被这个巨大的尘埃环绊住了脚。根据几十年前的一个预测，在离开太阳一定距离的区域中，太阳巨大的热量会让周围的星际尘埃灰飞烟灭，清理出一片洁净无痕的空间。如果能找到这个空间的边界所在，科学家就能了解星际尘埃本身的成分，也会有助于探索我们所在的年轻的太阳系中行星是如何形成的 。 科学家认为，行星的起源就是简单的尘埃粒子，诞生于环绕恒星的巨大星际尘埃和气体圆盘。万有引力和其他的作用力让圆盘内的物质相互碰撞，最终聚合凝结在一起。 版权：NASA’s Jet Propulsion Laboratory 到目前为止，我们还没能找到与“无尘区”相关的证据，但其中一部分原因是我们很难从地球上探测到这些线索。在地球上，无论科学家多么努力地设法去探测，横在我们和太阳之间不计其数的星际尘埃都会形成一种屏障，这也让科学家怀疑，或许我们设想的太阳周边的“无尘区”压根就不存在。 斯滕堡和霍华德想出了一个方法，他们觉得或许可以建一个模型来解决这个问题，借助于NASA日地关系观测台（Solar Terrestrial Relation Observatory，STEREO）卫星的行星际（interplanetary）空间图片数据。 最终，这两位科学家希望能对他们的模型进行测试，以为NASA的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）作准备，帕克太阳探测器目前正在一个相当扁的椭圆轨道上绕太阳飞行，在接下来的7年中将一点一点向太阳靠近。他们希望能用他们的技术方法去分析帕克将会发回地球的图片，探究靠近太阳附近的星际尘埃的性质。 帕克将要探索的区域距离太阳非常之近，科学家从未在这一人类尚未涉足的区域收集过数据，更不用说对这些数据进行研究了。类似斯滕堡和霍华德所建立的一些模型，为理解帕克太阳探测器的观测数据提供了重要的理论背景，同时也能一窥探测器处于怎样的太空环境，究竟是洁净无瑕还是尘土飞杨。 日地关系天文台的图片中显现出了两种光：其中一种光来自太阳熊熊燃烧的外层大气，也就是日冕（corona）；另一种光由太空中漂浮的星际尘埃反射而来。由围绕太阳缓缓运动的尘埃所反射的太阳光亮度，大约比日冕发出的光要高出100倍。 “我们并不是真正想要这些星际尘埃。”霍华德说道，他同时也主要负责日地关系天文台和帕克太阳探测器上针对日冕进行拍照的照相机。“那些靠近太阳的尘埃仅仅只是在我们的观测中出现了，而一般来说，我们会把它从数据中移除掉。”像霍华德这样的太阳科学家，已经花费了数年的时间开发各种技术来消除星际尘埃的影响，他们对太阳活动进行研究是为了达到一些特定的目的，例如预测即将到来的太空天气，包括太阳某些物质的巨型爆炸（有时可能会溅射到地球上），而只有在消除掉来自星际尘埃的“光污染”之后，他们才能清楚地探测到日冕上发生的反应和产生的现象。 这两位科学家建立的模型可以作为一种工具，让其他人可以在处理日地关系天文台和未来的帕克太阳探测器传回的图片数据时，免受这些讨厌的星际尘埃的烦扰；但是对于“无尘区”的预测，他们仍存有希望。如果他们能够设计出一种将两种光区分开，并分离出来自尘埃的反射光，那就能算出太阳周围究竟存在多少星际尘埃了；打个比方说，如果他们发现拍摄的图像中所有的光都来自日冕，那就可能表明他们真的找到了“无尘区”。 水星的尘埃环仿佛上天的恩赐，来自斯滕堡和霍华德在研究他们的模型使的意外发现。当用他们的新技术来分析日地关系天文台拍摄的图片时，斯滕堡和霍华德注意到沿着水星轨道有一圈亮度较强的区域，也就是那里有更多的星际尘埃，而他们一开始只是准备弃去这些强光数据。 “这一发现并不是一个独立存在的事件，”霍华德说，“无论探测器处于什么位置，我们都能在太阳附近观测到同样5%的尘埃亮度增加，或者说5%的尘埃密度增加。这表明那里存在着什么东西，它们围绕着太阳向整个外界延伸。” 斯滕堡表示，科学家从未料想会有一个尘埃环存在于水星的运行轨道上，也可能正因为如此，我们直到现在才发现它。“我们认为水星不像地球或是金星那样，它实在太小，距离太阳也太近了，不太可能会吸附这么多星际尘埃而形成一个环，”他说道，“科学家认为来自太阳的太阳风（solar wind）和磁力会将所有水星运行轨道上的星际尘埃‘吹走’。” 凭借着意外的新发现和他们成功研究出的灵敏的新工具，研究人员对“无尘区”仍非常感兴趣。随着帕克太阳探测器对日冕的进一步探索，他们的模型也能帮助其他的研究人员，揭示所有潜伏在太阳周围的“尘埃小贼”。 藏在金星轨道中的小行星 其实这不是第一次在太阳系内部发现尘埃环了，25年之前，科学家就发现地球是在一个巨大的尘埃环中围绕太阳运行时。另有一些研究人员则在金星的运行轨道上发现了类似的尘埃环，他们一开始在2007年利用的是德-美太阳神号空间探测器（Helios space probes）的档案数据，后来在2013年借助日地关系天文台的数据证实了他们的发现。 从那时起，科学家就查明了地球运行轨道上尘埃环的来历：这些星际尘埃来自小行星带，一片位于火星和木星之间的巨型甜甜圈状的区域，太阳系中大部分小行星的栖身之处。这些岩石小行星不断地相互撞击，撞击过程中脱落的星际尘埃则会受太阳巨大引力的牵引，向太阳系内部漂移，如果地球的引力将这些星际尘埃拐走了，那它们就会留在地球的运行轨道上。 一开始的时候，金星轨道上尘埃环的形成看起来和地球轨道上的的相似，来源于太阳系其他地方产生的星际尘埃，但是当戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天体物理学家彼得•波科尔尼（Petr Pokorny）对由小行星带旋转飘向太阳的星际尘埃进行模拟时，他只得到了与地球轨道上观测到的尘埃环相符合的环状物，而没有得到金星轨道上的。 这种差异让他不禁怀疑，如果金星轨道上的尘埃环不是来源于小行星带，那又会来自哪里呢？在一系列的模拟之后，波科尔尼和他的研究搭档马克•库切纳假设这个尘埃环来自一组从未被探测到过的小行星，它们和金星一起围绕太阳运行。他们将这一研究工作发表在了2019年3月12日的《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上。 这一可视化视频展示了对围绕太阳的金星轨道上尘埃环的模拟，科学家假设这些构成金星尘埃环的星际尘埃，来自一组从未被探测到的小行星，它们和金星一同围绕着太阳运行。 版权：NASA’s Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman “关于这个结果，我认为最让人兴奋的一点就是，它或许能让我们发现一群新的小行星，而这可能为太阳系的形成提供了新的线索。”库切纳说道。如果波科尔尼和库切纳能够观察到这群新的小行星，它们或许就能揭开地球和金星早期形成史的面纱；应用恰当的工具，这群小行星或许同样能为太阳系的化学多样性研究带来线索。 由于金星的尘埃环分布在一个更大的轨道区域上，它比新探测到的水星尘埃环要大得多，它的外经大约有1600万英里（约2600万千米），环的宽度大约有600万英里（约970万千米），满布着大大小小的尘埃颗粒，其中最大的尘埃颗粒和砂纸上粗糙颗粒的大小相近。由于星际尘埃的存在，这片区域比其他周围的空间的密度要高大约10%，尽管如此，它的结构仍然相当松散：如果将环中所有的尘埃紧密地聚集在一起，也只会得到一颗直径约为2英里（3.2千米）的小行星。 利用十几种不同的模型工具对尘埃围绕太阳的运行进行模拟，波科尔尼已经对所有他能想到的尘埃来源进行了模型处理，只为找到能和观测数据相符的模拟金星尘埃环。他列出所有尝试过的尘埃来源，看起来就像是太阳系中岩石星体的花名册：主带小行星（Main Belt asteroids）、奥尔特云彗星（Oort Cloud comets）、哈雷型彗星（Halley-type comets）、木星族彗星（Jupiter-family comets），以及最近发生在小行星带中的碰撞。 小行星代表了太阳系岩石行星的构建基石，当它们在小行星带中相互冲击碰撞时，会有不计其数的星际尘埃脱离下来，并散落在整个太阳系之中。对这些星际尘埃进行研究，科学家可以探索早期行星的形成史。 版权：NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab “但是在所有这些模拟的模型中，没有一个是可行的，”库切纳说道，“所以我们开始自行拼凑这些尘埃的来源。” 这两位科学家认为，或许金星尘埃环中的星际尘埃来自比小行星带离金星更近的一组小行星，可能存在一组小行星与金星共轨围绕太阳运行，也就是说它们的运行轨道和金星的是同一个，只是和金星一直保持着一个较远的距离，一般而言相对于金星位于太阳的另一侧。波科尔尼和库切纳认为，这组与金星共轨的小行星直到现在都未被探测到，是因为我们很难将位于地球上的望远镜调整到那个方向，那里距离太阳如此之近，全然没有来自太阳光的干扰。 共轨的小行星就是被称为“共振轨道”（resonance orbit）的一个例子，一种将不同的运行轨道锁定在一处的轨道模式，这一模式取决于星体引力作用的相互影响。波科尔尼和库切纳对多种潜在的共振轨道进行了建模：比如当金星围绕太阳每运行3周，小行星就围绕太阳运行2周；或是金星每运行10周，小行星就运行9周；或是金星围绕太阳一周，小行星也围绕太阳一周。在所有的可能性中，有且只有一个模型对金星尘埃环作出了与实际相符的模拟：一组在金星轨道上、以与金星公转相同的速度运行的小行星。 即使找到了一个可行的假设方案，科学家仍不能就此宣告研究的终结。“我们认为我们已经发现了这些小行星的存在，但我们还需要证明这一点，并证明共振轨道的模式是真实可行的，”波科尔尼说道，“我们一开始的确激动不已，但事后又意识到，‘啊，我们还有很多工作要完成呢。’” 他们需要证明这些小行星的存在对于太阳系是有意义的，而他们同时也意识到，这些位于金星环状轨道上特别的小行星与小行星带不同的是，它们不太可能来自其他地方，如果这群小行星从太阳系初形成时就已经存在，那么他们的假说就会显得更有科学意义。 两位科学家又建立了一个另外的模型，这次他们从邻近金星的10000颗小行星群着手，让这个模拟迅速地由初始状态走完太阳系45亿年的历史，结合每一个行星所有的引力效应。当这个模型模拟到现在的时间点时，大约有800个小行星在这场时间的测试中存留了下来。 波科尔尼认为这是一个相当乐观的小行星存留率，这表明在早期太阳系的一片混沌之中，小行星是有可能在金星的运行轨道中存在的，其中有一些甚至能直至今日都一直留在那里，并成为金星尘埃环的一部分。 下一步需要做的其实是对这些难以捉摸的小行星位置进行确定，并进一步切切实实地观测到它们。“如果真有东西存在于那里，理论上我们就应该能找到它。”波科尔尼说道。想要验证它们的存在，或许可以借助像哈勃（Hubble）这样的空间望远镜，或者是类似日地关系天文台这样的星际空间成像仪。验证了存在性之后，就会有更多的问题等待科学家去探索：那里究竟有多少小行星，每颗小行星的大小又如何呢？它们是在不断地散落星际尘埃，还是一次性地将其全抛出去呢？ 其他恒星周围的尘埃环 在这幅图像中，由于LSPM J0207+3331这颗白矮星（white dwarf）强大的引力作用，一颗小行星变得四分五裂。LSPM J0207+3331位于地球之外145光年的地方。科学家认为，摇摇欲坠的小行星能为这颗古老恒星周围的尘埃环带来原料。 版权：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger 水星和金星引领的尘埃环距离我们只有1～2个行星的距离，而科学家已经在遥远的恒星系统中发现了许多其他的尘埃环，这些巨大的尘埃环比系外行星（exoplanet）更容易被观测到，并且可以用于推断隐藏的行星所在，甚至还能用于探究这些隐藏行星的轨道特性。 但是想要解释太阳系外的尘埃环并不是件容易的事。“为了对其他恒星周围的尘埃环进行模拟和准确读取，我们首先必须了解我们‘地球后院’中尘埃的物理性质。”库切纳说道。邻近的水星尘埃环、金星尘埃环和地球尘埃环中的星际尘埃，记录着太阳系中万有引力的持久影响，通过对它们进行研究，科学家可以开发出新的技术，来同时理解距离我们较近和较远的尘埃环。 参考： [1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/what-scientists-found-after-sifting-through-dust-in-the-solar-system [2]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aae6cb/meta [3]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0827

NASA/JPL-Caltech/D.Berry and NASA Goddard Scientific 一个行星系统中，首先需要一颗恒星，这段视频从距离我们大约6500光年的”创生之柱”讲起。 0到10万年间，一颗恒星诞生于一团冷云中，它会塌缩成一团气体，周围环绕着一个看上去像是煎饼的圆盘。 10万年到100万年间，处于婴儿期的恒星会吞噬周围的气体和尘埃，此时新生恒星的亮度和增强，并在两极喷射喷流。 1百万到1千万年间，婴儿行星诞生于环绕恒星的尘埃聚集，并在与其他小天体的碰撞中变得更大。 1千万年到10亿年间，少年期的行星，它们会四处移动，相互作用，将较小的天体踢向其他行星，或恒星，或踢出这个行星系统。 10亿年到100亿年间，青壮年期的行星就像我们今天的太阳系一样，行星的轨道不再发生太大的变化，我们的太阳系有着46亿年的历史，我们的太阳正处于主序星阶段。 100亿年到110亿年间，当恒星度过其青壮年期，步入老年期时，会先变成一颗红巨星，体积膨胀，会吞噬掉周围临近的行星，这也是大刘作品《流浪地球》的原因。 110亿年到130亿年间，红巨星最终会燃烧掉其核心的所有燃料，并吹走外层气体，留下一个致密星“白矮星”，这就是我们太阳的归宿。 从现在起，我们的太阳大约还有80亿年就会死亡。 参考： https://exoplanets.nasa.gov/life-and-death/intro/

横幅图片：此图显示了我们银河系的基本结构：螺旋盘（spiral disk），中心核球（bulge），以及恒星和球状星团的漫射晕（diffuse halo）。银河系周围的大量暗物质晕并没有显示。 Credits: NASA, ESA and A. Feild (STScI) 我们没法称出整个银河系的质量，但是天文学家已经能使用NASA的哈勃太空望远镜和欧洲航天局的盖亚卫星（Gaia satellite），对我们银河系的质量进行准确的测量。 根据最新的测量数据，银河系大约有1.5万亿太阳质量（solar mass，太阳质量约为2*10^30kg）。这其中只有很小一部分来自银河系中大约2000亿颗恒星和中心一个400万太阳质量的超大质量黑洞。大部分质量来自暗物质，一种“看不见”的神秘物质，就像宇宙中的脚手架一样，将恒星保持在它们的星系中。（我们为什么知道暗物质的存在呢？请看文末） [rml_read_more] 左边是哈勃太空望远镜拍摄的一部分球状星团NGC 5466的图像。右边的动图对比了相隔十年拍摄的哈勃图像以计算星团的速度。背景中的网格有助于显示前景星团（位于52,000光年之外）中的恒星运动。注，背景星系（分别位于中间右上和中间左下）似乎没有移动，因为它们距离我们数百万光年之远。 Credits: NASA, ESA and S.T. Sohn and J. DePasquale (STScI) 早在几十年前的研究就使用了各种观测技术来估算我们银河系的质量，估计值在5000亿到3万亿太阳质量之间。改进后的测量值接近这个范围的中间。 太空望远镜科学研究所（STScI，位于马里兰州的巴尔的摩）的Roeland van der Marel说：“我们希望更准确地了解银河系的质量，以便我们可以将其置于宇宙学背景中并与星系演化模拟进行比较。不知道银河系的精确质量会为许多宇宙学问题带来问题。” 与宇宙中的其他星系相比，新的质量估计使我们星系置于较大的一边。最轻的星系大约有10亿个太阳质量，而最重的则有30万亿（是轻的30,000倍）。银河系的质量（1.5万亿太阳质量）对于其亮度的星系来说是相当正常的。 天文学家使用哈勃望远镜和盖亚卫星来测量球状星团的三维运动，球状星团（globular clusters）就像个孤立的球形岛，每个都包含数十万颗恒星，每颗恒星围绕我们银河系的中心运行。 虽然我们并看不到，但暗物质是宇宙中物质的主要形式，我们可以通过它对像球状星团这样的可见物质的影响来衡量它的质量。星系质量越大，其中的球状星团在重力作用下运动得越快。大多数先前的测量一直沿着到球状星团的视线，因此天文学家知道球状星团接近或远离地球的速度。然而，哈勃和盖亚记录了球状星团的侧向运动，从中可以计算出更可靠的速度（因此也可以计算重力加速度）。 哈勃望远镜和盖亚的观测是互补的。盖亚卫星专门用于在整个银河系中创建精确的天文物体三维地图并跟踪它们的运动。它进行了精确的全天测量，包括许多球状星团。哈勃望远镜的视野较小，但它可以观测较暗的恒星，因此可以看见更远的星团。这项新研究用了盖亚测量的65,000光年内的34个球状星团，以及哈勃从10年间拍摄的图像中获得的130,000光年内的12个星团。 当盖亚和哈勃望远镜的测量结果结合，天文学家可以估算出银河系距地球近100万光年内的质量分布。 “我们从宇宙学模拟得知星系中质量的分布应该是什么样的，因此我们可以计算出这种推断对于银河系的准确程度，”欧洲南方天文台（European Southern Observatory，位于德国加兴）的Laura Watkins说。她是这次哈勃/盖亚研究的第一作者，该论文将发表在《天体物理学杂志（The Astrophysical Journal）》上。这些计算基于盖亚和哈勃望远镜对于球状星团运动的精确测量，使研究人员能够确定整个银河系的质量。 银河系中最早的“住户”，球状星团包含已知最古老的恒星，可追溯到大爆炸后的几亿年内。它们形成于银河系螺旋盘之前，我们的太阳系就在螺旋盘上。 “由于它们的距离很远，球状星团是一些最好的示踪剂（tracers），天文学家可以测量星系周围暗物质的巨大质量，它们的分布远远超出星系的螺旋盘，”STScI的Tony Sohn说道，他领导了哈勃的测量。 本研究中的国际天文学家团队包括Laura Watkins（欧洲南方天文台，位于德国加兴）、Roeland van der Marel（太空望远镜科学研究所和约翰霍普金斯大学天体物理科学中心，位于马里兰州巴尔的摩）、Sangmo Tony Sohn（太空望远镜科学研究所，位于马里兰州巴尔的摩）和N. Wyn Evans（剑桥大学，位于英国剑桥）。 哈勃太空望远镜是NASA和ESA之间的国际合作项目。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）负责哈勃科学运营。 STScI由华盛顿特区天文研究大学协会为NASA运营。 暗物质的观测证据： 1. 星系自转曲线（Galaxy Rotation Curves） Credit：Van Albada et al. (左), A. Carati, via arXiv:1111.5793 (右). 上图是星系NGC 3198中恒星轨道速度vs距星系中心的距离。右图第一条曲线上的点是观测值，第二条是理论曲线（左图类似）。根据经典力学，当恒星离中心越远，它们的速度变慢。但观测表示，随着离星系中心的距离增加，恒星的轨道速度基本不变，说明有我们看不见的质量来维持这个速度，而且暗物质的分布远超出于我们看的见的星系的边界。 2. 子弹星系团（The Bullet Cluster） Credit：NASA 上图是两个星团由于引力相互靠近并发生碰撞后的合成图片。紫色部分是哈勃望远镜通过引力透镜（gravitational lensing，即光通过引力而弯曲，弯曲程度取决于引力场的强弱，从而可估算质量分布）检测到的星团质量，粉色部分是钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）检测到的X射线。这两个质量中心并不重合：X射线来自于“热气体（hot gas），”碰撞使它们相互作用；而引力透镜检测到的暗物质并不相互作用，它们直接穿过对方，并不像表示气体质量的粉色部分还在“纠缠”。 除了这两个，暗物质的观测证据还包括星系团（Galaxy Clusters）、宇宙微波背景 （CMB，Cosmic Microwave Background）、大尺度结构的形成（Large-Scale Structure Formation）等。 参考： [1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/what-does-the-milky-way-weigh-hubble-and-gaia-investigate [2]https://apod.nasa.gov/apod/ap170115.html

在古代传说中 嫦娥住在月亮上的广寒宫 相伴的是一只玉兔 嫦娥和玉兔 上一张是现代嫦娥玉兔，古代的应该像这样 住着地球生命的地方 水自然是必不可少的 那他们怎么用水呢？ （虽然小仙女不需要喝水，但是小兔子需要鸭） [rml_read_more] 这个问题在1998年有了答案 1998年的今天 美国科学家宣布 在月球表面的陨石坑发现水冰 1998年的喜报，在月球发现水啦！ 随着探测的深入 月球上水的面貌也渐渐清晰 2008年 印度的第一艘月球探测器 月船1号 Chandrayaan-1 其分光计观测在反射的阳光中 侦测到羟基的通用吸收谱线 提供了有大量水冰在月球表面的证据 月船1号 2009年6月 NASA的月球勘测轨道飞行器LRO升空 同它一起上天的 还有月球坑观测和传感卫星LCROSS 后者在10月完成了对月球的撞击 LCROSS，来源：NASA 结果从撞击中喷射的羽状物质中 检测到了至少100千克的水 对LCROSS数据的另一项分析显示 检测到的水量接近155±12千克 2009年10月9日拍摄的撞击现场；来源：NASA 而就在去年8月 美国夏威夷大学等机构的研究人员宣布 首次发现月球两极存在水的确切证据 他们分析月船1号上矿物质绘图仪的数据 发现了冰的近红外吸收光谱的特征 直接证明了那是月球上的水冰 月球表面水冰的分布，左边是月球南极，右边是月球北极；来源：NASA 有了水，就有了长期基地的资源支撑 月球上存在水冰的发现 无疑让我们离月球基地更近一步 夜空中的大玉盘 从古至今寄托着我们的各种情绪 而从发现水的那天起 它又承载起更多的希望了