戈达德太空飞行中心

美国国家航空航天局的旅行者2号宇宙飞船在进行了8年半的太阳系之旅后，已经准备好迎接另一次挑战。那是1986年1月24日，很快它就会遇到神秘的第七颗行星，冰冷的天王星。 旅行者2号在1986年1月14日接近天王星时拍摄了这张照片。该行星朦胧的蓝色是由于其大气中的甲烷吸收了红色波长的光。 来源：NASA/JPL-Caltech 在接下来的几个小时里，旅行者2号在距天王星云顶50,600英里(81,433公里)的范围内飞行，收集的数据显示出两个新光环、11个新卫星和零下353华氏度(零下214摄氏度)的温度。该数据集仍然是我们迄今为止对天王星进行的唯一近距离测量。 三十年后，科学家重新分析了这些数据，发现了另一个秘密。 整个宇宙物理学界都不知道，34年前旅行者2号飞越了一个等离子体，这是一个巨大的磁泡，可能把天王星的大气层带到了太空。这一发现发表在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上，这一发现提出了有关地球独一无二的磁环境的新问题。 一个诡异而不稳定的磁场 整个太阳系的行星大气都在逃逸到太空中。氢气从金星涌出，加入太阳风（太阳风是一种不断从太阳中逃逸的粒子流）。木星和土星喷射出带电的大气，甚至地球的大气层也在逃逸。(别担心，它还会再存在10亿年左右。) 从人类的时间尺度上来看，这样的影响微乎其微，但如果时间足够长，它可以从根本上改变一个星球的命运。以火星为例。 “火星曾经是一个潮湿的星球，有着厚厚的大气层。”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的空间物理学家、火星大气与挥发性演化项目(MAVEN)科学家家吉娜·迪布拉克西奥（Gina DiBraccio）说，“随着时间的推移——在经过了漫长的40亿年的大气泄漏后——它演变成了我们今天看到的干燥的星球。” 行星磁场是大气逃逸的动力，磁场既可以帮助也可以阻止这一过程。物理学家们相信磁场可以保护行星，抵御太阳风吹散大气层。但它们也能创造逃逸的机会，当土星与木星的磁场线纠缠在一起时，两者之间的大气层就可能因此而发生大规模的大气逃逸。不管怎样，为了了解大气如何变化，科学家们密切关注磁性。 这是天王星如此神秘的另一个原因。旅行者2号1986年的飞掠揭示了这颗行星的磁场有多么奇怪。 “它的结构，它移动的方式……”迪布拉齐奥说，“天王星确实是独立存在的。” 与我们太阳系中的任何其他行星不同，天王星几乎完全是在它的一侧旋转——就像烤架上的猪一样——每17个小时完成一次旋转。它的磁场轴与自转轴之间的夹角为60度，所以当天王星自转时，它的磁层——由磁场分割的空间——像投掷不良的足球一样摇摆。科学家们仍然不知道如何建模。 显示天王星磁场的GIF动画。黄色箭头指向太阳，浅蓝色箭头指示天王星的磁轴，深蓝色箭头指示天王星的旋转轴。 来源：NASA/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman 这种奇怪的现象吸引了迪布拉西奥和她的合著者——同为戈达德太空物理学家的丹·格什曼(Dan Gershman)加入到这个项目中来。两人都是一个团队的成员，他们正在制定前往“冰巨星”天王星和海王星的新任务计划，并在寻找需要解决的谜团。30多年前最后一次测量到的天王星的奇怪磁场，似乎是个不错的起点。 因此，他们下载了旅行者2号的磁强计读数，该读数监测了飞船飞行时天王星附近磁场的强度和方向。他们不知道会发现什么，因此比以前的研究放大了更多，每1.92秒绘制一个新的数据点。平滑的线条被锯齿状的尖峰和低谷所取代。那就是他们看到的时候：一个有迷离故事的小锯齿。 你认为那可能是……一个等离子体吗?”格什曼瞥了眼扭曲交缠的线与点，就问迪勃拉西奥。 旅行者2号1986年飞掠天王星的磁强计数据。红线显示的是平均8分钟内的数据，这是旅行者2号之前几项研究使用的时间节奏。在黑线中，同样的数据以1.92秒的时间分辨率绘制出来，显示了等离子体的锯齿状特征。 来源：NASA/Dan Gershman 在旅行者2号飞越天王星时，人们对等离子体知之甚少，但自那以后，等离子体被认为是行星失去质量的重要途径。这些巨大的等离子气泡，或带电的气体，从行星的磁尾部被夹断，磁尾就是行星磁层中被太阳推回的部分，它们就像是无垠宇宙中的风向袋，标示着对垒双方的力量强弱。如果有足够的时间，逃逸的类等离子体可以将离子从行星的大气中吸走，从而从根本上改变其组成。他们曾在地球和其他行星上被观测到，但还没有人在天王星上发现过等离子体。 迪布拉克西奥通过她的处理程序运行了数据，结果显而易见。她说：“我认为它是明确的—气泡逃逸了。” 等离子体逃逸 在旅行者2号45小时的天王星飞行中，迪布拉克西奥和格什曼发现的等离子体只占了60秒。在磁强计的数据中，它表现为一个快速的上下波动。格什曼说:“但是，如果以3D绘制它，则它看起来就像一个圆柱体。” 他们将研究结果与在木星、土星和水星上观察到的等离子体做了比较，估计其圆柱形的长度至少为12.7万英里(20.4万公里)，直径约为25万英里(40万公里)。作者相信，像所有行星等离子体一样，它充满了带电粒子-主要是离子化的氢。 当旅行者2飞越它时，等离子体的内部读数暗示了它的起源。尽管一些等离子体均具有扭曲的内部磁场，但迪布拉克西奥和格什曼的却是平滑的闭合的磁环。这样的环状等离子体是由一颗旋转的行星将其部分大气层抛向太空而形成的。格什曼说:“离心力开始起作用，等离子体开始收缩。”根据他们的估计，在天王星的大气质量损失中，这样的等离子体可能占15%到55%，比木星和土星都要大。这可能是天王星向太空释放大气的主要方式。 随着时间的推移，等离子体逃逸是如何改变天王星的?只有一组观测结果，很难说。 “想象一下，如果有一艘宇宙飞船飞过这个房间，试图描绘整个地球的特征。”迪布拉齐奥说，“显然，它不会向你展示任何有关撒哈拉或南极洲的情况。” 但这些发现有助于聚焦有关天王星的新问题。剩下的谜是吸引人的部分原因。“这就是我热爱行星科学的原因，”迪布拉齐奥说，“你总是去你不知道的地方。” 参考： [1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/revisiting-decades-old-voyager-2-data-scientists-find-one-more-secret [2]https://www.nasa.gov/feature/nasa-completes-study-of-future-ice-giant-mission-concepts [3]https://voyager.jpl.nasa.gov/galleries/images-voyager-took/uranus/ [4]https://www.nasa.gov/feature/jpl/voyager-mission-celebrates-30-years-since-uranus

一个天文学家小组利用美国国家航空航天局(NASA)的哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)的独特功能，发现了宇宙中有史以来最强劲的能量外流。它们从类星体发出，像海啸一样横扫星际空间，对类星体所在的星系造成严重破坏。 类星体是极遥远的天体，释放出异常巨大的能量。类星体中包含着由入射物质推动的超大质量黑洞，这些物质的亮度是由几千亿颗恒星组成的主星系的1000倍。 当黑洞吞噬物质时，热气体将其包围并发出强烈的辐射，从而形成类星体。由黑洞附近的炽热辐射压力驱动的风将物质推离银河系的中心。这些流出物加速到惊人的速度，其速度达到光速的百分之几。 “没有其他现象会携带更多的机械能。在一千万年的生命周期中，这些流出物所产生的能量是伽马射线爆发的一百万倍。”弗吉尼亚州布莱克斯堡的弗吉尼亚理工学院的首席研究员纳胡姆·阿拉夫解释说，“这些风每年都在推动数百个太阳质量的物质。这些流出物携带的机械能比整个银河系的光度高数百倍。” 这是一个以活跃类星体为中心的遥远星系的图示。 一个类星体会释放超高质量的黑洞，该黑洞由物质坠落推动而产生大量能量。 利用哈勃太空望远镜的独特功能，天文学家发现黑洞附近的巨大辐射压力将物质以光速的几分之一将物质推离星系中心。每年“类星体风”正在推动数百个太阳质量的物质。 当物质像雪一样进入周围的气体和尘埃中时，这会影响整个星系。 来源：NASA, ESA and J. Olmsted (STScI) 类星体风扫过星系的圆盘。原本会形成新恒星的物质被猛烈地从星系中扫出，导致恒星的诞生停止。辐射将气体和尘埃推到远比科学家先前认为的更远的地方，形成了整个星系范围的事件。 当宇宙海啸猛烈撞击星际物质时，激波前部的温度会飙升到数十亿度，在那里物质在X射线中大量发光，但在整个光谱中也很宽泛。任何目睹这一事件的人都会看到灿烂的天象。“你首先会受到x射线和伽玛射线的大量辐射，然后它会渗透到可见光和红外光中。”阿拉夫说，“你会看到一个巨大的像灯光秀一样的圣诞树遍布整个星系。” 星系演化的数值模拟表明，这种外流现象可以解释一些重要的宇宙学难题，例如，为什么天文学家在宇宙中观察到的大星系如此之少，以及为什么星系的质量与其中心黑洞的质量之间存在关系。这项研究表明，如此强大的类星体外流应该在早期宇宙中普遍存在。 “几十年来，理论家和观测者都知道，在大质量星系中，有一些物理过程阻止了恒星的形成，但这个过程的本质一直是个谜。”纽约哥伦比亚大学和新泽西州普林斯顿大学的著名宇宙学家耶利米·P·奥萨斯特解释说，“将观测到的流出物纳入我们的模拟可以解决银河系进化中的这些突出问题。” 天文学家研究了13个类星体的外流，他们通过观察这些发光的气体发出的光谱“指纹”，可以计算出类星体风加速气体的惊人速度。哈勃的紫外线数据显示，由于气体在空间中的快速运动，由物质沿光路产生的这些光吸收特征在光谱中发生了位移。这是由于多普勒效应所致，一个物体的运动压缩或拉伸光波，取决于它是接近还是远离我们。只有哈勃望远镜具有特定的紫外线敏感度范围，天文学家才能获得导致这一发现的必要观测结果。 除了测量迄今为止观测到的能量最大的类星体外，研究小组还发现了另一个比其他任何类星体都要快的星体流出物。在三年的时间里，它从4300万英里每小时加速到大约4600万英里每小时。科学家们认为，随着时间的推移，其加速度将继续增加。 “哈勃望远镜的紫外线观测使我们能够跟踪类星体的整个能量输出范围，从较冷的气体到更大质量的风中极热的、高度电离的气体，”马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的研究小组成员杰拉德·克里斯s补充说。“这些以前只能通过更困难的X射线观测才能看到。如此强大的外流可能会让我们对中央超大质量黑洞的形成和整个主星系的发展之间的联系有新的认识。” 该团队还包括来自弗吉尼亚理工大学的研究生徐欣凤和博士后研究员蒂莫西·米勒，以及太空望远镜科学研究所的雷切尔·普莱莎。这些发现在2020年3月发表在《天体物理学杂志增刊》重点期刊的一系列的六篇论文中。 哈勃太空望远镜是NASA与ESA（欧洲航天局）之间国际合作的项目。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。太空望远镜科学研究所（STScI）进行哈勃科学操作。 STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/quasar-tsunamis-rip-across-galaxies

2011年，NASA在执行ICESCAPE任务时拍摄到了北极海冰的照片，ICESCAPE的意思是“气候对北极太平洋环境的生态系统和化学的影响”。这是一项船载研究，旨在研究北极变化的条件如何影响海洋的化学和生态系统。 大部分研究是在2010年和2011年夏天在波弗特海和楚科奇海进行。 来源：NASA/Kathryn Hansen NASA的一项新研究显示，由于海冰迅速融化，北极的主要洋流更快，更湍急。洋流是脆弱的北极环境的一部分，现在已经被淡水淹没，这是人为引起的气候变化的结果。 利用12年的卫星数据，科学家们测量了这种被称为波弗特环流的环流是如何不稳定地平衡大量涌入的冷水和淡水的——这种变化可能会改变大西洋的洋流，并使西欧的气候变冷。 波弗特环流通过在海洋表面附近储存淡水来保持极地环境的平衡。风以顺时针方向绕着加拿大和阿拉斯加北部的北冰洋西部旋转，自然地从冰川融水、河流径流和降水中收集淡水。这种淡水在北极很重要，部分原因是它漂浮在温暖的咸水之上，有助于保护海冰免于融化，进而有助于调节地球的气候。在几十年的时间里，环流缓慢地将这些淡水释放到大西洋中，让大西洋洋流将其少量带走。 但自1990年代以来，该环流已积累了大量淡水-1,920立方英里（8,000立方公里）-几乎是密歇根湖的两倍。发表在《自然通讯》杂志上的这项新研究发现，淡水浓度增加的原因是夏季和秋季海冰的减少。几十年来，北极夏季海冰覆盖面积的减少使得波弗特环流更容易受到风的影响，风使环流旋转得更快，并将淡水截留在洋流中。 20多年来，持续的也在一个方向上拖曳着环流，增加了顺时针环流的速度和大小，并阻止了淡水离开北冰洋。这种持续数十年的西风对该地区来说是不同寻常的，在此之前，风向每5到7年就会改变一次。 科学家们一直在关注波弗特环流，以防风向再次改变。风向一旦改变，风向就会逆转环流，使环流逆时针方向流动，同时释放积聚的水。 “如果波弗特环流将过量的淡水排放到大西洋中，可能会减缓其循环。这将对西半球的气候产生影响，特别是在西欧。”这项研究的主要作者、美国宇航局喷气推进实验室的极地科学家汤姆·阿米蒂奇说。 从北冰洋释放到北大西洋的淡水会改变地表水的密度。正常情况下，来自北极的水会把热量和水分流失到大气中，然后沉入海底，把来自北大西洋的水像传送带一样输送到热带地区。 这一重要的洋流被称为大西洋经向翻转环流，它将热量从热带温暖的海水输送到欧洲和北美等北纬地区，从而帮助调节地球的气候。如果其放慢速度，可能会对海洋生物和依赖它的群落产生负面影响。 “我们预计墨西哥湾暖流不会停止，但会受到影响。这就是为什么我们如此密切地监测波弗特环流的原因。”论文的合著者、马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的极地科学家阿莱克佩蒂说。 研究还发现，尽管波弗特环流由于风增加的能量而失去平衡，但水流通过形成小的、圆形的水漩涡排出了多余的能量。尽管湍流的增加有助于保持系统的平衡，但它有可能导致更多的冰融化，因为它将冷的淡水层与下面相对温暖的盐水层混合。融化的冰进而会改变海洋中的营养物质和有机物质的混合方式，对北极的食物链和野生动物产生重大影响。结果显示，在气候变化的影响下，随着海冰的消退，风和海洋之间出现了微妙的平衡。 佩蒂说:“这项研究表明，海冰的消失对我们的气候系统产生了非常重要的影响，而我们只是刚刚发现这一点。” 来源： https://www.nasa.gov/feature/jpl/arctic-ice-melt-is-changing-ocean-currents

一艘新的宇宙飞船正在飞往太阳，拍摄太阳南北两极的首批照片。 由欧洲航天局与NASA合作的太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）将于美国东部时间2020年2月7日下午11:15从卡纳维拉尔角发射升空。该航天器将利用金星和地球的引力使自己脱离黄道平面——这一区域大致与太阳的赤道平行，所有行星都围绕该区域运行。 “在太阳轨道飞行器之前，所有的太阳成像仪器都在黄道平面内或非常接近黄道平面，”华盛顿特区海军研究实验室的空间科学家罗素·霍华德说，他是太阳轨道飞行器十种仪器之一的首席研究员。“现在，我们可以从上面俯瞰太阳了。” 太阳轨道飞行器高度倾斜轨道的一部分的动画。 来源： ESA/ATG medialab [rml_read_more] “这将是一个未知的世界。”荷兰欧洲空间研究与技术中心(European Space Research and Technology Centre)负责此次任务的欧洲航天局(ESA)项目科学家丹尼尔·穆勒说。“这是真正的探索科学。” 太阳在塑造我们周围的空间中起着核心作用。它巨大的磁场延伸到冥王星之外很远的地方，为被称为太阳风的带电太阳粒子铺设了一条高速公路。当爆发的太阳风袭击地球时，它们会引发太空风暴，干扰我们的GPS和通信卫星——在最坏的情况下，它们甚至会威胁到宇航员。 模拟太阳风暴爆发撞击地球磁场。 来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Community-Coordinated Modeling Center 为了应对即将到来的太阳风暴，科学家们监测太阳磁场。他们的技术以平视视角工作得最好；视角越陡，数据越嘈杂。我们从黄道平面上瞥见太阳两极，这在数据上留下了很大的空白。 “两极对于我们进行精确建模尤为重要。”NASA戈达德太空飞行中心的项目科学家霍利·吉尔伯特说。“为了预测太空天气事件，我们需要一个相当精确的太阳全局磁场模型。” 太阳的两极可能也解释了已有数百年历史的观测结果。1843年，德国天文学家塞缪尔·海因里希·施瓦贝发现，太阳黑子的数量——太阳表面标记着强磁场的黑色斑点——以一种重复的模式盈亏。今天，我们知道它是一个大约11年的太阳周期，在这个周期中，太阳在太阳活动高峰期(太阳黑子激增，太阳活动活跃，活动剧烈)和太阳活动最低值(太阳黑子活动减少且较为平静时)之间转换。吉尔伯特说：“但是我们不明白为什么是11年，或者为什么有些太阳最大值比其他最大值更大。”观测两极磁场的变化可以提供答案。 此前唯一飞越太阳两极的航天器也是欧洲航天局和美国宇航局的联合项目。尤利西斯号宇宙飞船于1990年发射，在2009年退役前环绕我们的恒星飞行了三圈。但是尤利西斯号从未比地球距离太阳更近，它只携带了被称为“原位仪器”的东西——像触觉一样，它们可以立即测量宇宙飞船周围的太空环境。另一方面，太阳轨道飞行器将携带4个原位仪器和6个遥感成像仪从水星轨道内经过。负责此次任务的NASA副项目科学家特蕾莎·尼维斯-钦奇利亚说:“我们将能够绘制出我们用原位仪器‘接触’的东西和我们用遥感‘看到’的东西的地图。” ESA/NASA太阳轨道飞行器任务概述。 资料来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Joy Ng 在飞行任务的七年寿命中，太阳轨道飞行器将达到太阳赤道上方24度的倾角，并通过延长三年的飞行任务使其增加到33度。在最接近太阳的时候，飞船将在离太阳2600万英里的范围内通过。 为了抵御高温，太阳轨道飞行器有一个定制设计的带有磷酸钙涂层的钛隔热板，它可以承受超过900华氏度的温度——是地球轨道上航天器所面临的太阳能加热的13倍。五种遥感仪器通过隔热罩中的窥视孔观测太阳；剩下的一个在隔热罩侧面观测太阳风。 继2018年8月发射帕克太阳探测器之后，太阳轨道飞行器将是美国宇航局近年来对太阳系内部的第二个主要任务。帕克已经完成了四次近距离的太阳通行，将以最接近的方式在距离太阳四百万英里的范围内飞行。 这两个航天器将协同工作：当帕克近距离采样太阳粒子时，太阳轨道飞行器将从更远的地方捕获图像，将观测结果进行关联。这两个航天器有时也会对齐以在不同时间测量相同的持长线或太阳风流。 尼维斯-钦奇利亚说:“我们从帕克那里学到了很多东西，把太阳能轨道飞行器加入其中只会带来更多的知识。” 太阳轨道飞行器是欧洲航天局和美国宇航局之间的国际合作任务。欧洲航天局在荷兰的欧洲空间研究和技术中心(ESTEC)负责发展工作。位于德国的欧洲空间操作中心(ESOC)将在发射后运行太阳能轨道飞行器。太阳能轨道飞行器由空客防务与航天公司建造，包含10个仪器:其中9个由欧空局成员国和欧空局提供。NASA提供了一个仪器套件SoloHI，并为其他三个仪器提供了探测器和硬件。 参考： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/new-mission-will-take-first-peek-at-sun-s-poles