有探索,有新生,也有离别:这是2018年天文大事记

有探索,有新生,也有离别:这是2018年天文大事记
2018年12月29日 08:45 新浪科技综合

  来源:中国科普博览

  寒来暑往,匆匆又是一年。

  在即将过去的2018年里,有嫦娥4号、帕克号的发射,有洞察号、隼鸟2号的抵达,有黎明号和开普勒号的告别,也有新视野号继续远行的期盼…

  在即将过去的2018年里,我们在月球上发现了水冰,在火星上找到了复杂有机物,我们重新认识了太阳系中的很多天体,我们还在认识更多的系外的天体… 

  即将过去的2018年里,有喜悦,也有忧伤,有探索,也有发现。

  一笔一划,都记录着人类探索宇宙的蹒跚足迹。

  月 球

  1、嫦娥4号发射

  12月8日,嫦娥4号月球探测器在西昌卫星发射中心发射升空。这是中国的第5次探月任务(算上嫦娥5号 T1的话),也是继5年前的嫦娥3号任务成功完成之后的新进程。

长征3号乙改型(CZ-3B)运载火箭搭载嫦娥4号发射升空。来源:新华网长征3号乙改型(CZ-3B)运载火箭搭载嫦娥4号发射升空。来源:新华网

  12月12日,嫦娥4号探测器经过约110小时的地月转移轨道后,成功实施近月制动,进入了近月点约100公里的环月轨道,并将于2019年1月初择机着陆。

  嫦娥4号任务包括一枚着陆器和巡视器(月球车)的组合体,计划着陆在月球背面的南极-艾肯盆地中,对月球背面的地质和天文环境展开探测——这是人类首次尝试软着陆和实地探测月球背面。

嫦娥4号着陆器(左)和月球车(右)。来源:航天科技集团嫦娥4号着陆器(左)和月球车(右)。来源:航天科技集团

  为了解决挑战月之背面的通讯难题,我国已在半年前(5月21日)预先发射了一枚通讯中继卫星“鹊桥”,作为接下来的着陆器/月球车与地球进行通讯的“桥梁”。这枚人类首颗位于地月拉格朗日L2晕轨道(halo轨道)的通讯中继卫星已于6月14日顺利抵达预定轨道。

“鹊桥”工作示意图。来源:[1]“鹊桥”工作示意图。来源:[1]

  2、水冰月”实锤

  通过对月船1号搭载的月球矿物绘图仪(简称M3)数据的分析,夏威夷大学的李帅团队在月球南北纬70°以上的永久阴影区中确认发现了多处含有水冰的区域,这是科学家们首次在月球发现水冰存在的直接证据。这一成果发表于2018年8月20日的《美国科学院院刊》[2]。

  这一发现既证明了长久以来对月球极区永久阴影区中可能有水冰的猜测,也证实了月球并不像我们曾经认为的那样是完全干燥的。至此,月球终于加入了太阳系水冰大礼包,成为内太阳系中除了金星之外的最后一个确认发现水冰的大天体。

  火 星

  1、洞察号顺利发射并着陆

  作为本次2018火星发射窗口内的唯一一个火星任务,NASA的洞察号火星着陆器在今年圆满完成了发射和着陆两件大事。

  5月5日,洞察号探测器在加州范登堡空军基地发射升空。半年后的11月27日,洞察号顺利经过“恐怖7分钟”的考验,平安登陆火星。

  洞察号的使命是探测火星的内部结构,它也是人类第一颗火星地球物理探测器。它携带了火震仪(SEIS)、热流和物理性质探测仪(HP3)和自转和内部结构探测仪(RISE),将会对火星的内部结构、热状态和自转状态进行深入观测。

  刚着陆不久的洞察号已经顺利完成了诸多准备工作,也收获了火星的新风景。在过去的一个月里,洞察号第一次听到了火星上的风声,拍摄了第一张全景自拍,而且部署下了火震仪。

 洞察号的第一张自拍,拍摄于12月6日,由11张照片拼接而成。来源:NASA/JPL-Caltech [4] 洞察号的第一张自拍,拍摄于12月6日,由11张照片拼接而成。来源:NASA/JPL-Caltech [4]

  2019年,将会是洞察号真正大显身手的一年。

  2、Mars 2020选址敲定

  11月20日,NASA公布了好奇号火星车的继任者,下一代火星车Mars 2020的计划着陆区——Jezero撞击坑。 

  Jezero撞击坑直径约49公里,形成于火星的诺亚纪(约41-37亿年前),很可能是一个古老开放式湖泊干涸后的遗迹。这里有过流水作用的侵蚀,也受到过火山活动的波及,多种地质活动在撞击坑内留下了丰富的堆积物,甚至可能保存了生命的线索。

光谱数据呈现出的Jezero撞击坑中三角洲一带丰富的堆积物,不同颜色代表不同的矿物。来源:NASA/ JPL/ JHUAPL/ MSSS/ Brown University [5]光谱数据呈现出的Jezero撞击坑中三角洲一带丰富的堆积物,不同颜色代表不同的矿物。来源:NASA/ JPL/ JHUAPL/ MSSS/ Brown University [5]

  Mars 2020火星车计划于2020年7月发射,并于2021年2月到达火星。

  3、火星地下冰层、复杂有机物、冰下湖的发现

  人类对火星生命和火星宜居性的探索在2018年也有了新的进展。

  1月12日,《科学》杂志发表了美国地质调查局(USGS)Colin M。 Dundas团队的发现。他们通过火星勘测轨道飞行器(MRO)的影像和光谱数据,首次在火星中纬地区发现了大量纯净的地下水冰[6]。这些地下水冰层不仅可以帮助我们追溯火星历史上的气候变化,也有望作为将来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源。

中纬的断崖中暴露出的纯净水冰。来源:[6]中纬的断崖中暴露出的纯净水冰。来源:[6]

  6月8日,《科学》杂志发表了来自NASA哥达德空间飞行中心Jennifer L。 Eigenbrode团队和NASA喷气动力实验室Christopher R。 Webster团队的两篇论文。前者通过好奇号的钻孔采样数据分析,首次在火星的古老泥岩中发现多种噻吩(C4H4S)类和其他芳香族、脂肪族等复杂有机物[7];后者通过好奇号火星车对跨度达3个火星年(约6个地球年)期间的火星甲烷含量的观测,证实火星上的甲烷含量有季节性变化[8]。这两大发现虽然还不足以证明火星上曾经或者现在有生物存在,但也都不能排除生物成因的可能性。

 (左)好奇号首次发现噻吩等复杂有机物。改编自:NASA。(右)好奇号探测到的甲烷季节性变化。改编自[8]  (左)好奇号首次发现噻吩等复杂有机物。改编自:NASA。(右)好奇号探测到的甲烷季节性变化。改编自[8] 

  7月25日,《科学》杂志发表了意大利天体物理研究所的罗伯特·奥罗塞团队的最新结果。他们通过火星快车号探测器的MARSIS雷达数据,发现火星南极的冰盖之下1.5公里深处很可能有液态盐水湖,延伸范围约有20公里[9]。

可能的液态水湖所在的区域(右图蓝色三角区域内)来源:ESA和参考文献[9]可能的液态水湖所在的区域(右图蓝色三角区域内)来源:ESA和参考文献[9]

  越来越多的观测结果告诉我们,火星、谷神星、木卫二、木卫三、土卫二、土卫六,甚至冥王星…它们的冰层之下很可能都有盐水湖泊或海洋,太阳系并不是干涸的沙漠,而是蕴藏着数不清的生命之源。

  小行星

  1、黎明号结束任务

  2018年11月1日,NASA正式宣布黎明号探测器燃料耗尽,结束了它长达11年的小行星带之旅。

  发射于2007年9月27日的黎明号探测器,以一己之力为人类揭开了小行星带中两颗最大天体——灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)的面纱。它也是目前为止唯一一个环绕了两颗地外天体,第一个环绕小行星带天体,第一个探访矮行星的探测器。

黎明号的青春纪念册。素材来源:NASA黎明号的青春纪念册。素材来源:NASA

  黎明号结束任务之后的最终轨道是项目组精心设计的距离谷神星最近的“安全轨道”,会保证黎明号在接下来的至少20年里不会撞上谷神星——以防不慎污染了这颗矮行星。

  而人类会抓紧接这段时间来确认谷神星上是否真的具备维持生命的条件,甚至存在生命。

  2、隼鸟2号和OSIRIS-REx号探测器到站

  虽然目前还暂时没有重访谷神星的计划,但在太阳系的其他地方,另外两颗近地小行星探测器,JAXA的隼鸟2号和NASA的OSIRIS-REx号都在2018年顺利抵达了目的地。

  先到的是隼鸟2号。6月27日,隼鸟2号探测器抵达小行星“龙宫”上空预定轨道,开始与“龙宫”伴飞。随后的几个月里,隼鸟2号迅速完成了对陀螺形小行星“龙宫”的一系列包括地形、重力、温度等各方面的初步探测。9月21日,巡视器MINERVA-II1成功着陆“龙宫”表面并传回照片,成为首次成功着陆小行星上的巡视器。10月3日,着陆器MASCOT也顺利着陆并完成探测。

(左)隼鸟2号拍摄的直径约900米的小行星“龙宫”;(右)MINERVA-II-1B着陆后拍摄的“龙宫”表面。来源:JAXA(左)隼鸟2号拍摄的直径约900米的小行星“龙宫”;(右)MINERVA-II-1B着陆后拍摄的“龙宫”表面。来源:JAXA

  这一巨大的成功也让领导隼鸟2号团队的JAXA吉川真副教授入选了今年《自然》杂志年度十大人物[10]。

吉川真。来源: Nature/Noriko Hayashi [10]吉川真。来源: Nature/Noriko Hayashi [10]

  2019年,隼鸟2号将会面临更大的挑战。在新的一年里,它计划完成2-3次着陆采样,这将是一场异常艰险的硬仗。

  而在另一边,NASA的冥王号(OSIRIS-REx)探测器也于12月3日抵达小行星“贝努”,而且刚抵达没几天就传回捷报:冥王号已经在“贝努”上探测到了水。2019年将是冥王号开始大展身手的一年,让我们拭目以待。

 冥王号拍摄的直径约500米的小行星“贝努”。来源:NASA哥达德空间飞行中心/University of Arizona[11] 冥王号拍摄的直径约500米的小行星“贝努”。来源:NASA哥达德空间飞行中心/University of Arizona[11]

  木星:朱诺号的捷报

  3月8日,《自然》杂志一次发表了四篇论文,介绍了朱诺号前6个周期的探测结果。通过这些探测数据,我们对木星的重力场、内部结构、中低纬的条带、南北极的气旋都有了更为深入的了解[12-15]。

朱诺号近红外波段数据揭示的木星南极区域的气旋分布。颜色越深表示温度越低(云越多)。来源:NASA朱诺号近红外波段数据揭示的木星南极区域的气旋分布。颜色越深表示温度越低(云越多)。来源:NASA

  转眼两年半过去,如今的朱诺号已完成了最初的12个观测周期,并于今年6月开始了拓展任务。也就是说,朱诺号还会为我们揭开更多关于遥远、神秘而气象磅礴的木星的秘密。

木星云层之上,拍摄于2017年12月16日。来源:NASA木星云层之上,拍摄于2017年12月16日。来源:NASA

  向外:旅行者2号进入星际空间

  在很长一段时间里,旅行者1号都是人类唯一一颗进入星际空间的探测器,而这一切在2018年发生了变化。

  旅行者号团队通过旅行者2号携带的等离子科学实验仪(PLS)、宇宙射线探测仪(CRS)等科学仪器,确认旅行者2号于2018年11月5日也穿过了太阳风的边界,也就是日球层顶(heliopause),成为第二个正式进入星际空间的探测器[16]。

旅行者1号和2号目前的位置示意图。来源:NASA/JPL-Caltech [16]旅行者1号和2号目前的位置示意图。来源:NASA/JPL-Caltech [16]

  旅行者2号的这一历史性时刻意义非凡。

  不同于只飞掠了木星和土星的旅行者1号,旅行者2号是人类迄今为止唯一一颗一次性飞掠过四颗外太阳系行星系统(木星、土星、天王星、海王星)的探测器,也是人类穷尽当时的技术、智慧和机遇的一次里程碑式的成功。

  旅行者2号也让人类得以首次直接观察到探测器穿过太阳风边界进入星际空间之后的环境。是旅行者2号携带的等离子科学实验仪首次探测到探测器穿过太阳风边界之后周围环境中的等离子体密度的剧烈减少,因为旅行者1号携带的等离子科学实验仪的在穿过太阳风边界很久之前就已经坏掉了。

 旅行者2号携带的宇宙射线探测仪(CRS)显示,11月5日后,旅行者2号周围探测到的来自日球层内的粒子骤减,而来自宇宙射线的粒子骤增。来源:NASA 旅行者2号携带的宇宙射线探测仪(CRS)显示,11月5日后,旅行者2号周围探测到的来自日球层内的粒子骤减,而来自宇宙射线的粒子骤增。来源:NASA

  自此,发射于1977年9月5日和8月20日的旅行者1号和2号探测器已经先后于2012年和2018年进入了星际空间。虽然距离“飞出太阳系”还遥遥无期,但它们依然代表着人类向着太阳系外探索的先锋,正不停歇地飞往更远的地方。

  向内:帕克号和贝比科隆博号发射

  向太阳外的探索固然非常艰难,但向太阳系内的探索却也丝毫没有更容易。太阳巨大的引力和严酷的高温,让人类不敢轻举妄动。

  然而,2018年也是人类向太阳系内探索的突破之年。

  2018年10月20日,欧空局ESA和日本航天局JAXA联合研制的贝比科隆博号水星探测器(BepiColombo)在法属圭亚那库鲁航天中心发射升空——这是人类迄今为止的第3个水星探测器,也将是继2004年发射的信使号探测器之后的第2个水星轨道器。

贝比科隆博号水星探测器假想图。来源:ESA贝比科隆博号水星探测器假想图。来源:ESA

  贝比科隆博号水星探测器由ESA主导的水星探测轨道器MPO和JAXA主导的水星磁层轨道器MMO两部分组成,预计花费7年时间抵达水星轨道,对水星的地形、重力、内部结构、矿物成分、磁层以及水星周围的各种粒子环境进行全方位探测。

  而更激动人心的,是人类“触摸”太阳的勇气和豪情。

  2018年8月12日,NASA的帕克太阳探测器在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。这颗致力于探索太阳的大气层、磁场和太阳风的帕克太阳号探测器以美国天体物理学家尤金·帕克的名字命名,这也是NASA历史上第一颗以还在世的人的名字命名的探测器。

  这颗探测器将成为人类有史以来最接近太阳的探测器,也将成为有史以来速度最快的人造物体。它将带着白色的隔热盾,勇闯1400摄氏度的高温。

  帕克号将在发射后的7年里环绕太阳24圈,一点一点靠近太阳。而在2018年的最后几个月里,帕克号进展良好,已经完成了第一次金星飞掠和第一次近日点飞掠。

帕克号“触摸”太阳的假想图。来源:NASA帕克号“触摸”太阳的假想图。来源:NASA

  系外行星:苔丝接棒开普勒,薪火相传

  2018年10月30日,伟大的系外开拓者、行星猎人、NASA的开普勒探测器在几次挣扎在油尽灯枯的边缘之后,因燃料耗尽医治无效,永远离开了我们。这颗发射于2009年3月7日,使命是寻找太阳系以外的行星的探测器,原本的设计寿命只有3.5年,但它一再超期服役,最终坚持工作了9年半。

  作为人类第一颗职业行星搜寻探测器,开普勒告诉了我们太多太多。 

  在2001年底,开普勒任务正式通过之前,人类只发现了约80颗系外行星。而到了2018年底,人类已经确认发现了约3800颗系外行星——其中有2662颗都是开普勒探测器发现的,占了70%。

 9年多的飞行,观测了53万多个恒星系统,确认发现了2662颗系外行星。来源:NASA[17] 9年多的飞行,观测了53万多个恒星系统,确认发现了2662颗系外行星。来源:NASA[17]

  开普勒探测器告诉我们,系外行星是普遍存在的,类地大小的行星也是普遍存在的;开普勒探测器也告诉我们,行星系统可以有多么丰富多彩,传统的行星形成理论可能亟需修改——我们以为是典型的太阳系,只不过是其中一种情况罢了。

  可以说,是开普勒探测器,真正让我们开始以全新的视角看待星空——

  曾经,那只是一个个遥远而陌生的亮点;

  而现在,我们知道那一个个亮点里,也有着和我们的太阳系一样甚至更加丰富多彩的行星甚至卫星世界。

纪念开普勒探测器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。来源:NASA [18]

  欣慰的是,开普勒探测器的继任者——NASA的凌日系外行星巡天卫星苔丝(TESS)已于今年4月18日发射升空,接过了开普勒探测器的火炬,而且短短几个月就已经确认发现了3颗系外行星。

薪火相传。来源:NASA薪火相传。来源:NASA

  1%的银河系:盖亚任务数据第二次发布

  发射于2013年12月19日的欧空局盖亚(Gaia)任务,至今已完成了四年多的探测。盖亚任务的设计功能是以前所未有的精度测量星体的位置、距离和运动等特征,目标是绘制10亿颗天体(主要是恒星)的三维星图,或者说,“下载”1%的银河系“数据库”,以此来揭示银河系的组成、形成和演化。

  盖亚任务于2016年9月14日发布了第一批数据(Gaia DR1),包括了截止到2015年9月的为期14个月的初步探测内容。

  而今年(2018年)4月25日,盖亚任务的第二次数据发布(Gaia DR2)则更为瞩目。这次发布包括了从2014年6月25日到2016年5月23日长达22个月的观测数据,涵盖了16.9亿颗恒星的位置和亮度,13.3亿颗恒星的视差和自行运动信息,13.8亿颗恒星的颜色,720万颗恒星的径向速度,7700万颗恒星的半径和光度测量数据等大量信息[19]。可以说,至此盖亚任务已经完成了“绘制1%的银河系”这一最初的目标。通过对这些数据的分析和研究,无数关于银河系的谜题已经或将会被揭开。

盖亚第二次数据发布呈现的银河系星图。来源:ESA [20]盖亚第二次数据发布呈现的银河系星图。来源:ESA [20]

  领导这个由400多名科学家组成的盖亚数据处理和分析团队的科学家——荷兰莱顿大学的Anthony Brown教授也入选了今年《自然》杂志年度十大人物[10]。盖亚任务发布的数据已经被超过700篇学术论文引用,还有许多天文学家们正在孜孜不倦地深挖这个珍贵的数据宝库。

Anthony Brown。来源:Nature/ Timothy Archibald [10]Anthony Brown。来源:Nature/ Timothy Archibald [10]

  盖亚任务接下来还将会有一次或者更多次激动人心的数据发布。

  来自遥远星系的使者:“冰立方”探测到中微子

  2017年9月22日,“冰立方”团队探测到了一次极高能中微子事件,在这颗中微子的来源方向上,刚好有一个正处在活跃状态的“耀变体”(flaring blazar),科学家们认为这就是本次观测到的极高能中微子的源头——这是人们首次确认中微子的银河系外来源体。在此之前,人类只确认过两个中微子源天体:太阳和超新星1987A。由于中微子是宇宙射线作用的产物之一,因此这也意味着这很可能是人们首次找到宇宙中高能射线的来源体。这一结果发表于2018年7月13日的《科学》杂志[21]。

  中微子这种极轻极小的粒子极难被探测到,探测到本次中微子事件的装置叫做“冰立方”(IceCube):在南极厚厚的冰层之下1450-2450米之间的不同深度处,安置了60个用于探测中微子产物信号的光学传感器,构成了一个大约覆盖一立方公里范围的传感器阵列。

 南极冰下的探测装置——冰立方。来源:JAMIE YANG AND SAVANNAH GUTHRIE/ICECUBE/NSF[22] 南极冰下的探测装置——冰立方。来源:JAMIE YANG AND SAVANNAH GUTHRIE/ICECUBE/NSF[22]

  事实上,在冰立方团队9月22日探测到中微子之后,是包括专门监测高能伽马射线的费米卫星、美国的 “央斯基甚大阵” 射电望远镜、日本的 “昴星团”光学望远镜等多种观测手段和仪器加入了进来,一同寻找和确认来源,才最终锁定了这个耀变体。因此,这次中微子事件也标志着多信使天文学新的里程碑。这一成果入选了《科学》杂志的“2018年十大突破”榜单[22]。

  下一站,月之背面!下一站,天涯海角! 

  或许你还没有从忙碌而充实的2018年里缓过神来,但勤奋的探测器们却已经开始了新的征程。

  在2019年刚刚开始的几天,两件大事即将发生。

  1月1日,离开冥王星多时的NASA新视野号探测器将飞掠它的下一个目标——柯伊伯带天体2014 MU69,它还有一个浪漫的昵称:Ultima Thule(拉丁语“天涯海角”之意)。这将是人类通过探测器近距离探访的最远的太阳系天体。

新视野号飞掠天涯海角的假想图。来源:NASA/JHUAPL/SwRI新视野号飞掠天涯海角的假想图。来源:NASA/JHUAPL/SwRI

  同样是1月初,我国的嫦娥4号探测器将尝试着陆月球背面。虽然通讯的难题已经解决,但地形复杂崎岖的月之背面依然凶险异常——这将是人类首次挑战软着陆月球背面。

盘踞月球背面南半球的南极艾肯盆地(红圈内)是嫦娥4号的目标。根据LROCWAC影像绘制。盘踞月球背面南半球的南极艾肯盆地(红圈内)是嫦娥4号的目标。根据LROCWAC影像绘制。

  2019,新的一年,新的期待。

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