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《科学大家》专栏|从地球走向深空:伟大的人类航天探索历程

新浪科技2020-10-18 10:39:090阅

出品:新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

撰文:汪毓明 中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长、中科院比较行星学卓越创新中心主任、中科院B类先导专项“类地行星的形成演化及其宜居性”首席科学家。

今年是我国第一颗人造卫星成功发射50周年。这里必须要提到一位非常伟大的科学家——赵九章先生。他是我所在的中国科学技术大学地球和空间科学学院(当时为“应用地球物理系”)的首任系主任,两弹一星元勋,也是“东方红一号”卫星的总设计师,是中国人造卫星事业的倡导者和奠基人,并且前不久我国首次深空探测任务“天问一号”成功发射,标志着我国真正的迈出了深空和行星探测的第一步。 “天问一号”的13个科学载荷之一星载磁强计就是由我们团队花了将近5年时间研制出来的。

我们的地球

地球是一颗非常普通但又不同寻常的星球。在这个星球上,有高山流水、有花,以及其他各种各样的植物、各种各样的生命,还有人类的活动。但是从宇宙角度来看,在浩瀚的宇宙中,它只是一粒尘埃。

这张照片是“旅行者号”在1990年2月14日拍摄的。这是一个情人节,这种日子大家一定不会忘的,“旅行者号”也不会忘,在它要更远的遨游太空之时,往它的情人——地球,再看最后一眼。如果说没有蓝色的圆来圈画,你可能根本找不到地球的位置。在浩瀚的宇宙当中,地球真的只是一粒尘埃。

自古以来,伟大的科学家、哲学家都会问这样的一些“终极问题”:我们到底从哪里来,又将要到哪里去?我们是否孤独?去年的诺贝尔物理学奖就有一半颁给了环绕类太阳恒星的系外行星的发现。系外行星发现为什么那么重要,是因为它从科学上证实了,孕育生命的行星在宇宙中并不唯一,不只有地球,不只有太阳系,这种行星确实存在于另外一个恒星系。系外行星发现之前,所有对地外文明的想象,其实都只是停留在想象当中、停留在哲学层面,系外行星的发现第一次把它提升到科学层面。

这个话题也成为很多电影的主题,例如《火星救援》、《流浪地球》。地球非常独特,它处在太阳系的宜居带,而同样处在宜居带的还有另外两个行星,一个是金星,一个是火星,但为什么它们两个和地球不一样呢?地球未来会往哪个方向发展?金星上面有浓密的大气,非常炙热,可以说温室效应非常严重。火星因为质量相对较小,束缚不了那么多大气,大气逃逸很快,所以现在非常荒芜。这些是地球的过去,还是会成为地球的未来?

站在地球的角度上研究地球的过去、现在和未来,其实是比较困难的,因为样本孤立,而且人类整个的历史在地球漫长的46亿年的演化历程当中是非常的渺小。如果把整个地球的演化当做24小时,人类的历史不到一分钟,人类的文明史只有0.1秒。更何况过去的5亿年发生了5次生命大灭绝,所以可以说人类文明史非常微不足道。

地球为什么会演化成现在这种宜居的状态?地球未来会走向什么方向?我们要到深空去,去深空来寻找答案,因为那里有更多的样本可以供我们研究。下面这张照片是我非常喜欢的,它是我原来的一个本科生在内蒙古的正镶白旗拍摄的。因为没有灯光的污染,满天繁星十分清晰。这满天的繁星也是自古以来多少人向往的地方,它推动着天文航天等科学领域的进步。

太阳系探测历史

人类的深空探测活动有着60多年的历史。上图中,每一圈都代表一次探测。其中人类去得最多的是月球,其次是火星和金星,还有太阳,以及深空当中的其他行星和天体。通过以往大量的探测,人类才能对太阳系以及行星的形成、演化有了非常深刻的了解。

第一站,先带大家去了解我们的太阳。

为什么要了解太阳?因为地球的能量主要来自太阳,太阳控制整个太阳系的运行,包括运行在其中的行星的空间环境。作为宿主恒星,太阳以多种形式影响着我们行星,它的电磁辐射环境,它的粒子辐射环境,还有它的大气逃逸水平,以及束缚这些行星轨道的能力。所以太阳非常非常重要,是需要去了解的。

太阳对人类的影响,深远而巨大。如果大家对天文感兴趣,可能都会知道恒星都有一些所谓的活动周,例如太阳黑子数每11年一个周期,这些变化就会影响到整个太阳系里的空间环境。

宇宙线来自遥远的宇宙,进入太阳系就会受到太阳活动的调节,太阳活动比较强的时候,宇宙线辐射就会比较低,而太阳活动比较弱的时候,宇宙线通量就会高。

这里通过几个例子,大家就可以看出,太阳绝不仅仅只影响我们周围的空间环境,它还深刻影响着地球的生态系统,也深刻地影响了人类文明的进程。

对粮食价格的影响。2004年,两位科学家在学术期刊Solar Physics上发表了一篇论文,统计了英国伦敦中世纪小麦的价格,发现一个很有意思的规律:小麦每11年要涨价一次,而且涨价的间隔跟太阳黑子数的最小期吻合的很好,相位也吻合的很好。这就带来一个非常有意思的结论——太阳活动会影响市场上小麦的价格。这是什么原因呢?目前的一个解释是,太阳活动会影响行星际环境,从而影响宇宙线,从而影响我们地球上云雨天气等生态系统,从而影响粮食产量,进而使得价格出现波动。粮食价格的波动不是一件小事,它会影响到老百姓生活的稳定程度。

对洪水的影响。这个例子不是特别严谨,但是我觉得非常值得关注,所以在这里展示出来以供参考。如果大家去看长江流域或者中国境内的大水,两三年就会有一次,或大或小。当然这样的统计方式,是找不出任何规律的。如果查找长江全流域的特大洪水,在最近的100年里,全流域的特大洪涝灾害,公认的有这几次:1931年、1954年、1998年。把它叠在太阳黑子图上,太巧,都在太阳活动极小附近。其中有一个太阳活动极小在1976年,那年没有特大洪水。

但之后我特别在1976年前后去查找后,发现有一个驻马店大水灾,当时有一个水库垮坝了,这也是世界上最大的一次水库垮坝惨案,在百度上都能找到。如果把这个补上,再加上今年,你可以看到,每两个太阳周出现一次全流域的特大洪涝灾害。这背后表明了一个什么规律?地球的生态系统是不是也受到太阳活动的影响?而且不是说太阳活动爆发很厉害会对地球有影响,它不爆发对地球也有影响。如果说这真的是一个规律,下一步的问题就是我们怎么能够干预,什么样的应对措施能够减少此类太阳活动带给人类和地球的危害。这是非常值得去探讨和进行研究的。

对生命的影响。地球之所以特别,是因为地球上有生命。而酶是生命中不可缺少的一种物质。下图右下插图中,底下一行是几个酶的所谓的活化中心,你可以看到它的结构,这些结构我们在自然界里可以找到一些对应的矿物。像氢化酶的活化中心对应的矿物就是镍铁矿。结构非常像,但是这里的问题是:这些自然界的矿物质结构毕竟还不是生命物质,那它是怎么转化过去的?转化需要能量,而这些能量来自哪里?其中一个学说是来自宇宙线,宇宙线不停的轰击,会使得这些结构发生一些变化,从而在早期的时候形成了支持生命的一些元素。而宇宙线的变化也受到太阳活动的影响。

另外宇宙线还给了生命右手螺旋的DNA。我们身体内的遗传物质DNA还有RNA,绝大部分都是右手螺旋。为什么会是右手螺旋,这也是生命起源里面一个非常有意思的话题。两周前,我碰巧看到一篇文章,讲述为什么DNA是右手螺旋:在早期时候,左手和右手的都有,但是由于宇宙线跟地球大气作用,产生π子,π子再衰变产生μ子。而这些μ子是有着右手自旋的属性,而右手自旋的属性,容易跟右手的DNA作用。我们知道,生命的进化需要变异,所以作用多了容易变异,就容易进化。这也就形成了我们现在这种右手螺旋为主的生命体系。可以看到,我们现在的这些生命,包括人类的活动,其实在背后都受到了大自然的干预。

下一站:行星、小行星

在太阳系46亿年的演化历程中,演化出了八大行星。地球是其中非常特殊的一颗,但事实上其他行星也都非常特别。以火星和木星之间的小行星带为界,小行星带以内,我们叫类地行星,小行星带以外,从木星开始是类木行星。这两类行星不太一样。

这些行星为什么会演化成不一样,而我们人类进行太阳系探测,核心目标是什么?其实这里有一个词——水。我们要找水。

大家有没有从这个角度看过地球?这是我们的地球。地球表面70%以上被海洋所覆盖,水是生命的基础,而有液态水的行星,除了地球之外我们还没发现其他的。

水还有什么重要的作用呢?它对我们整个地球上板块运动是一种润滑剂。在地球过去漫长的历史当中,大陆分分合合。正是这些板块运动,使得地球上有着物质和能量的循环,如大气循环、碳氮氧各种元素的循环,还有生命的循环。一个造山运动或者一个板块俯冲,就会把地面上的生物带到地面底下,然后若干年之后就成为我们现有的能源:煤、石油。一个宜居的行星之所以宜居,有很多的条件,其中一个条件就是这个行星要足够稳定,不能总是火山爆发、地震,但是也不能死气沉沉,板块运动是一个非常重要的机制。

探测水是一个非常核心的目标。经过60多年的探索,我们对太阳系有了长足的认识。一句顺口溜概括就是“类地爱氧,类木爱氢”。把这两个结合起来,可以说太阳系从来没缺过“水”,氢、氧合起来就是水,但事实上有液态水的,目前为止发现的只有地球。火星上我们发现有很多河道一样的痕迹,但在古代是不是真的存在水,这还是学术界非常有争议的一个话题。

除了行星,太阳系还有很多的卫星,木星是一颗非常大的行星,它自己携带了90多颗卫星,其中四颗伽利略卫星是最主要的,所以木星自成一个体系。木星的卫星,我们发现很有可能存在液态水。如果我们看哈勃望远镜所拍的木卫二照片,经常能看到有大的喷泉,当然这个喷泉也可能是其他液体,不一定是水。另外小行星探测器“黎明号”去了太阳系的两个小行星——灶神星和谷神星,发现谷神星有1/4的质量来自水,要比之前的认识多得多。所以可以说在太阳系里确实并不缺水。

在太阳系的探测里面,最热的还是火星,可以说水和生命一直是火星探测永恒的主题。从上世纪60年代开始,到目前为止,火星探测总共发射有44加3次:44次是前面已经发射的,已经到了火星那边,还有3次就是我们过去一段时间刚发射的,一个是阿联酋的,一个是美国的,还有一个是中国的“天问一号”。

在过去已经到达火星的44次探测当中,成功的是23次,可以看到,深空探测、行星探测是非常困难的,风险极大,成功率只有52.3%。中国的“天问一号”还在路上,目前为止都是很顺利的。

在这个月月底,美国还有火星探测器要发射。为什么我们扎堆要去火星,而且扎堆在这个月,是因为去火星26个月一次机会,这是轨道的要求,这时去最省燃料。

很多学者都认为,火星过去是一个宜居的星球,那它现在为什么不宜居了呢?可能是由于各种原因使大气逃逸而变荒芜了,下一个问题就是,我们有没有办法能够让火星变回宜居状态?就有科学家提出,火星和地球的一个差别就是它没有内禀的磁场。地球有内禀磁场,所以能够屏蔽太阳风,把很多高能粒子挡在外面,降低地球大气的逃逸。火星没有内禀磁场,那我们能不能人造火星磁层来改造火星的大气呢?

差不多5年前,一位科学家提出改造火星大气计划:在火星和太阳的第一拉格朗日点上放一个永磁铁,永磁铁的强度按照他的估计可能也不用太大,1到2个T,也就是1万到2万高斯。现在按照我们实验室等离子体物理技术,瞬时这么高的磁场是可以产生的,在不远的将来,持续的这么大的磁场也是可以预见的。在这种情况下,火星本身的大气逃逸状态就会改变,可能过个若干年,或许能够慢慢的恢复出火星原有的宜居的环境。这是一个大胆的设想。

星际空间

我们再下一站就是星际空间,人类的脚步从来没有停止过。现在在星际空间的飞船只有两个,一个是“旅行者一号”,还有一个“旅行者二号”。旅行者号原来是太阳系的行星探测飞船,在2005年前后进入了星际空间,成为人类第一个进入星际空间、触摸星际介质的飞船。“旅行者号”当时还携带了一个使命,号称是穿梭宇宙时空的胶囊,也就是说,如果由于某种原因,地球乃至整个太阳系都被毁灭了,宇宙当中还有什么东西能够证明人类曾经存在并如此辉煌过,那就是“旅行者号”。它上面带了一张金唱片,是由特殊材料制成的,可以保存十亿年。如果一不小心被另外一个文明捡到,就知道在宇宙当中还有这么一个文明存在。

人类的足迹一直从地球向远处扩展。从陆地,到占领海洋,然后占领天空,后来也占领了近地空间,下一个疆域一定是太阳系的深空和行星。人类走出非洲大草原,走向整个蓝色星球,花了200多万年的时间;从发明望远镜,仰望星空,到第一次进入太空,花了350年的时间;从进入到深空,再到进到星际空间、触摸星际介质,仅花了50年的时间。大家可以看到人类的步伐是越来越快,人类的步伐快到以至于我们无法想象、也无法预期。

注:本文内容根据汪毓明院长于墨子沙龙现场演讲编译整理而来

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