太阳系

虽然我们的月球没有空气，但研究表明，月球表面存在化学成分为三氧化二铁（Fe2O3）的赤铁矿，这是一种通常需要氧气和水才会形成的铁锈形式，这让科学家感到困惑不已。 1973年，NASA的水手10号（Mariner 10）所观测到的月球，在当时，研究还没有在月球没有空气的表面上发现任何生锈的迹象。 图片来源：NASA/喷气推进实验室/西北大学（Northwestern University） 长期以来，以铁锈文明的是火星。火星表面上的铁，再加上古代曾经存在过的水和氧气，赋予了火星红色的外表。但是，科学家最近惊讶地发现，有证据表明表面没有空气的月球也“生锈”了。 《科学进展》（Science Advances）上的一篇新论文回顾了印度空间研究组织（IndianSpace Research Organization，ISRO）的月船一号（Chandrayaan-1）轨道探测器的数据，这架轨道器在2008年对月球表面进行调查时发现了水冰可能存在的证据，并绘制出了多种矿物质位置图。论文的主要作者、来自夏威夷大学（University of Hawaii）的李帅（音译，Shuai Li）研究后发现，月船一号上的月球矿物质测绘仪（Moon Mineralogy Mapper，M3）的数据中，存在着大量水的迹象。月球矿物质测绘仪由美国航空航天局（NASA）位于南加州的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所建造。水与岩石相互作用会产生多种矿物质，M3检测到的光谱，或者说从月球表面反射的光，表明月球两极的组成与其余部分完全不同。 印度空间研究组织月船一号轨道飞行器上的月球矿物制测绘仪（M3），合成了上面这张图像，图中的蓝色区域显示，水集中在月球的两极。仔细分析两极的岩石光谱后，研究人员发现了赤铁矿，也就是一种铁锈形式的迹象。 图片来源：ISRO/NASA/加州理工-喷气推进实验室/布朗大学（Brown University）/美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS） 对于这一点，李帅非常感兴趣，他将目光集中到月球的两极光谱。尽管富含铁的岩石在月球表面四处散布，但在发现月球两极的光谱数据与赤铁矿如此匹配时，他仍然感到惊讶不已。赤铁矿是铁暴露在氧气和水中产生的一种铁的氧化物，也就是铁锈的一种形式，但在月球上应该是不会有氧气或者液态水的，它究竟是怎么生锈的呢？ 月球金属之谜 要解开这个谜团，一切还得从太阳风（solar wind）说起。太阳风是从太阳上层大气中射出的超高速等离子体带电粒子流，以氢气为主要成分轰击着地球和月球。氢气的存在会让赤铁矿难以形成，因为它是一种还原剂，在化学反应中通常会被相互作用的原子夺去电子，而这恰恰与产生赤铁矿的反应原理相反：为了让铁生锈，需要有一种氧化剂夺去铁原子的电子。对于地球而言，我们拥有强大的地球磁场将太阳风中的氢气隔绝在外，但月球却没有这样的保护罩。 “这令人非常困惑，”李帅表示，“月球的环境非常不利于赤铁矿的形成。”因此，他找到了JPL的科学家阿比盖尔·弗雷曼（Abigail Fraeman）和维维安·孙（Vivian Sun），帮他梳理分析M3的数据，并确认他真的在月球两极发现了赤铁矿。 “一开始的时候，我是完全不相信的态度。考虑到月球的环境，它（赤铁矿）是不应该存在的。”弗雷曼说，“但是自从我们在月球上发现了水之后，人们就一直在猜测，如果水与岩石发生过反应，那么月球上可能存在着比我们所想象的更多的矿物质。” 在仔细的观察和分析后，弗雷曼和孙确信：M3的数据的确表明月球两极是存在赤铁矿。孙说：“最后，光谱数据明确的体现了赤铁矿的存在，而至于它为什么存在于月球表面，我们还需要一个合理的解释。” 三种关键成分 他们的论文提供了一个“三管齐下”的模型，来解释在月球环境中为什么能形成铁锈。 首先，尽管月球没有自己的大气层，但实际上它还是拥有微量的氧气，这些氧气的来源正是我们的地球。地球的磁场就像一个风袋一样，在地球后侧有较长的拖拽。2007年的时候，日本的辉夜号（Kaguya，又称辉夜姬号、月亮女神号）轨道飞行器发现，来自地球上层大气的氧气可以顺着这种延伸的磁尾飘荡出去，这是众所周知的，地球上的这些氧气可以飞行239 000英里（385 00千米）到达月球。 这一发现与M3的数据相吻合，M3的数据表明，相比背对地球的那一侧，在月球面向地球的一侧所发现的赤铁矿数量更多。李帅表示：“这表明地球的氧气可能在推动着赤铁矿的形成。”在过去数十亿年间，月球一直在一点一点地远离地球，所以当两者在遥远的过去相距较近时，可能有更多的氧气跃过了这个距离。 还有第二个需要解决的问题，那就是太阳风输送来的所有这些氢气。作为还原剂，氢气应该会防止氧化反应的发生，但地球磁场的磁尾在这里也起到了中介作用。磁尾部分除了将氧气从我们的星球运送到月球之外，还在月球饶轨运行的某些时期阻挡了99%以上的太阳风，特别是在月相为满月的时候，这就为月球打开了特定的周期性窗口，让铁锈能得以形成。 谜团的第三个部分则是水，尽管月球的大部分地方都完全干涸了，但在月球另一侧被阴影覆盖的月球陨石坑中，科学家们发现了水冰。然而，赤铁矿的发现地点却又离发现水冰的地方很远。李帅认为，相比在月球表面发现的水分子，更可能是定期飞掷到月球上的快速移动的尘埃粒子释放了月球表面含有的水分子，在冲击到月球表面时与土壤中的铁混合。一方面，撞击产生的热量可以提高氧化反应的速度；另一方面，这些尘埃粒子本身可能也携带了水分子，随着撞击穿入月球表面，从而与铁混合。在恰好合适的时机，也就是当月球因地球磁尾的阻挡受不到太阳风的侵扰且存在氧气时，可能就会发生形成赤铁矿的化学反应。 要确定水和岩石之间相互作用的确切方式，还需要更多的数据。这些数据还可能有助于解释另一个谜团：为什么在月球的另一侧仍然有少量的赤铁矿形成，毕竟地球的氧气在理论上并不能到达月球背面。 更多的月球探索将带来更多月球科学 弗雷曼说，这种模型还可以解释在其他没有空气的星体（如小行星）上发现的赤铁矿：“可能是少量的水和尘埃颗粒的撞击让这些星体中的铁生锈了。” 李帅指出，这是月球科学一个激动人心的时刻。自上一次阿波罗（Apollo）计划登月以来的将近50年后，月球再次成为了一个主要的探索目的地。作为阿耳忒弥斯（Artemis）计划的一部分，NASA计划从明年开始向月球发射数十种新的仪器和技术实验，然后从2024年开始进行人类探月任务。 JPL还为名为“月球开拓者号”（Lunar Trailblazer）的轨道器建造了M3的新版本，其中一个仪器是高分辨率挥发物和矿物质月球测绘仪（High-resolutionVolatiles and Minerals Moon Mapper，HVM3），它将绘制月球上永远处在阴影中的陨石坑内的水冰位置图，或许还能揭示有关赤铁矿的新细节。 “我认为这些结果表明，太阳系中发生的化学过程比我们此前意识到的还要复杂。”孙说道，“我们可以通过在未来发射前往月球的任务，来检验这些假设，从而更好地理解它们。” 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-moon-is-rusting-and-researchers-want-to-know-why

虽然我们对太阳系很熟悉，但它其实可能有些不为人知的古怪之处。银河系拥有许多行星围绕恒星运行。不过我们发现了根本不围绕任何恒星运行的行星，它们独自在银河系中漂流（除非有卫星相伴）。这类行星被称为流浪行星（ rogue planets）。 https://nasa.tumblr.com 流浪行星源自何处？ 行星的形成过程相当混乱。科学家认为，行星是在年轻恒星周围被称为原行星盘的气态尘埃盘中形成的，气体尘埃不断聚集形成更大的天体。 碰撞和近距离接触有时会使行星脱离其母恒星的引力束缚，形成流浪行星。不过流浪行星也可能形成于孤立的尘埃气体云，这些尘埃气体云因规模太小而无法创生出恒星。 https://nasa.tumblr.com 看见原先所看不见的行星 科学家已经发现了4000多颗系外行星，但只有少数是流浪行星。因为流浪行星很难被发现！流浪行星对我们来说几乎完全看不见，因为它们不能像恒星同样本身发出耀眼的光芒，而且宇宙也漆黑一片。这就像是在没有手电筒的情况下，在一间暗房里寻找一只黑猫。 天文学家寻找行星时，一般都是通过它所围绕运行的恒星来进行寻找的，观测围绕轨道运行的行星可能对母恒星产生的微小影响。但这对流浪行星却不起作用，因为它们没有围绕恒星运转。此外，流浪行星通常温度很低，所以也无法利用红外线望远镜的热视觉找到它们。 那么我们怎样才能找到流浪行星呢？天文学家利用一种奇妙的宇宙现象，通过流浪行星对星光的影响来探测它们。当地球、流浪行星和遥远的背景恒星排成一列时，流浪行星会扭曲增强背景恒星的星光。这种现象被称为引力微透镜效应（Microlensing），看起来是如下所示： https://nasa.tumblr.com 想象你有一个蹦床，一个高尔夫球和一个看不见的保龄球。如果你把保龄球放在蹦床上，即使你不能直接看到球，你也能看到它是如何在蹦床上留下凹痕的。如果你在它附近滚动高尔夫球，它会改变高尔夫球的路径。 流浪行星对太空的影响就像保龄球扭曲蹦床一样。当来自一颗遥远恒星的光经过一颗流浪行星时，会在发生扭曲(就像上面的动画中它在恒星周围弯曲一样)。如果地球上的天文学家观察这颗恒星，他们会注意到恒星会短暂地变亮。亮度尖峰的形状和持续时间会使天文学家们知道那里有一颗行星存在，即使行星本身无法被看见。 https://nasa.tumblr.com 地面望远镜必须透过地球的湍流大气来搜寻流浪行星。但当南希•格蕾丝•罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）于本世纪20年代中期发射后，将处于地球大气层之外（甚至比月球还远），这将为观测遥远的恒星以及流浪行星提供更好的视角。 其他的太空望远镜必须非常幸运才能发现这些百万分之一的引力微透镜信号。但是罗曼太空望远镜会花几个月的时间观察大片的天空来捕捉这些转瞬即逝的信号。 https://nasa.tumblr.com 来自流浪行星的教训 科学家们已经提出了不同的模型来解释不同的行星系统是如何随着时间的推移而形成和变化的，但我们仍然不知道哪些是正确的。这些模型对流浪行星做出了不同的预测，所以研究这些流浪行星可以帮助我们发现哪种模型最有效。 当罗曼太空望远镜发现微小的透镜状星光光点时，天文学家就能通过光点持续的时间，很好地了解产生该信号的天体的质量。科学家们希望这项任务能探测到数百颗流浪行星，这些行星的体积小至火星（大约是地球的一半大小），大至气态巨行星，比如木星和土星。 https://nasa.tumblr.com 按照设计目的，罗曼太空望远镜只打算在银河系的一小片区域寻流浪行星。科学家们想出了一个机智的方法，利用罗曼太空望远镜未来的数据来估计整个银河系中有多少流浪行星。这些信息将帮助我们更好地了解太阳系，知道相比银河系的其他星系，太阳系是相当普通还是有点古怪。 https://nasa.tumblr.com 罗曼太空望远镜将有非常广阔的视野，其捕捉到的视野几乎是哈勃太空望远镜的100倍。这项任务将帮助我们了解除了流浪行星之外的各种各样的有趣的事情，比如暗能量和暗物质，这将帮助我们更好地了解我们在太空中的处境。 欲了解关于罗曼太空望远镜的更多信息，请戳阅：https://roman.gsfc.nasa.gov/。