《科學大家》| 從地球走向深空:人類航天探索曆程
2021年04月04日11:50

  出品:新浪科技《科學大家》、墨子沙龍

  撰文:汪毓明 中國科學技術大學地球和空間科學學院執行院長、中科院比較行星學卓越創新中心主任、中科院B類先導專項“類地行星的形成演化及其宜居性”首席科學家。

  今天的話題放在這個時候講是很應景,因為今年是我國第一顆人造衛星成功發射50週年。這裏必須要提到一位非常偉大的科學家——趙九章先生。他是我所在的中國科學技術大學地球和空間科學學院(當時為“應用地球物理系”)的首任系主任,兩彈一星元勳,也是“東方紅一號”衛星的總設計師,是中國人造衛星事業的倡導者和奠基人。

  前不久我國首次深空探測任務“天問一號”成功發射,標誌著我國真正邁出了深空和行星探測的第一步。 “天問一號”的13個科學載荷之一星載磁強計就是由我們團隊花了將近5年時間研製出來的。

  我們的地球

  地球是一顆非常普通但又不同尋常的星球。在這顆星球上,有高山流水、有花,以及其他各種各樣的植物、各種各樣的生命,還有人類的活動。但是從宇宙角度來看,在浩瀚的宇宙中,它只是一粒塵埃。

  這張照片是“旅行者號”在1990年2月14日拍攝的。那天是情人節,這種日子大家一定不會忘記的,“旅行者號”也不會忘記。在它要遨遊到太空更遠的地方時,“旅行者號”往它的情人——地球,看了最後一眼。如果沒有藍色的圓來圈畫,你可能根本找不到地球的位置。在浩瀚的宇宙當中,地球真的只是一粒塵埃。

  自古以來,偉大的科學家、哲學家都會問這樣一些“終極問題”:我們到底從哪裡來,又將要到哪裡去?我們是否孤獨?去年諾貝爾物理學獎就有一半頒給了環繞類太陽恒星運行的系外行星的發現者。系外行星發現為什麼這麼重要,是因為它從科學上證實了孕育生命的行星在宇宙中並不唯一。不只有地球,不只有太陽系,這種行星確實存在於另外一個恒星系。系外行星發現之前,所有對地外文明的想像,其實都停留在想像中、停留在哲學層面,系外行星的發現第一次把它提升到科學層面。

  這個話題也成為很多電影的主題,例如《火星救援》、《流浪地球》。地球非常獨特,它處在太陽系的宜居帶內,而同樣處在宜居帶的還有另外兩顆行星,一個是金星,一個是火星。但為什麼它們兩個和地球不一樣呢?地球未來會往哪個方向發展?金星上面有濃密的大氣,非常炙熱,可以說溫室效應非常嚴重。火星因為質量相對較小,束縛不了那麼多大氣,大氣逃逸很快,所以現在非常荒蕪。這些是地球的過去,還是會成為地球的未來?

  站在地球的角度去研究地球的過去、現在和未來,其實是比較困難的,因為樣本孤立,而且整個人類歷史在地球漫長的46億年演化曆程中非常渺小。如果把整個地球的演化當做24小時,人類的歷史不到一分鐘,人類的文明史只有0.1秒。更何況過去的5億年發生了5次生命大滅絕,所以可以說人類文明史非常微不足道。

  地球為什麼會演化成現在這種宜居的狀態?地球未來會走向什麼方向?我們要到深空去尋找答案,因為那裡有更多的樣本可以供我們研究。下面這張照片是我非常喜歡的,它是我原來的一個本科生在內蒙古正鑲白旗拍攝的。因為沒有燈光汙染,滿天繁星十分清晰。這滿天繁星也是自古以來多少人嚮往的地方,它推動著天文航天等科學領域的進步。

  太陽系探測歷史

  人類的深空探測活動有60多年的歷史。上圖中,每一圈都代表一次探測。其中人類去得最多的是月球,其次是火星和金星,還有太陽,其餘為太陽系內的其他行星和天體。通過以往大量的探測,人類才能對太陽系以及行星的形成、演化有了非常深刻的瞭解。

  第一站,先帶大家去瞭解我們的太陽。

  為什麼要瞭解太陽?因為地球的能量主要來自太陽,太陽控制著整個太陽系的運行,包括運行在其中的行星的空間環境。作為宿主恒星,太陽以多種形式影響著我們行星,它的電磁輻射環境,粒子輻射環境,還有它的大氣逃逸水平,以及束縛這些行星軌道的能力。所以太陽非常重要,是需要去瞭解的。

  太陽對人類的影響,深遠而巨大。如果大家對天文感興趣,可能都會知道恒星都有一些所謂的活動週期,例如太陽黑子數每11年一個週期,這些變化就會影響到整個太陽系里的空間環境。

  宇宙射線來自遙遠的宇宙,進入太陽系就會受到太陽活動的調節,太陽活動比較強的時候,宇宙線輻射就會比較低,而太陽活動比較弱的時候,宇宙線通量就會高。

  這裏通過幾個例子,大家就能看出,太陽絕不僅僅隻影響我們周圍的空間環境,它還深刻影響著地球的生態系統,也深刻影響了人類文明進程。

  對糧食價格的影響

  2004年,兩位科學家在學術期刊Solar Physics上發表了一篇論文,統計了英國倫敦中世紀小麥的價格,發現一個很有意思的規律:小麥每11年要漲價一次,而且漲價的間隔跟太陽黑子數的最小期吻合的很好,相位也吻合的很好。這就帶來一個非常有意思的結論——太陽活動會影響市場上小麥的價格。這是什麼原因呢?目前的一個解釋是,太陽活動會影響行星際環境,從而影響宇宙線,進而影響我們地球上雲雨天氣等生態系統,從而影響糧食產量,並使價格出現波動。糧食價格的波動不是一件小事,它會影響到老百姓生活的穩定程度。

  對洪水的影響

  這個例子不是特別嚴謹,但是我覺得非常值得關注,所以在這裏展示出來以供參考。如果大家去看長江流域或者中國境內的大水,兩三年就會有一次,或大或小。當然這樣的統計方式,是找不出任何規律的。如果查找長江全流域的特大洪水,在最近的100年里,全流域的特大洪澇災害,公認的有這幾次:1931年、1954年、1998年。把它疊在太陽黑子圖上,非常巧合的是它們都在太陽活動極小附近。其中有一個太陽活動極小在1976年,那年沒有特大洪水。

  但之後我特別在1976年前後去查找後,發現有一個駐馬店大水災。。如果把這個補上,再加上今年,你可以看到,每兩個太陽週期出現一次全流域的特大洪澇災害。這背後表明了一個什麼規律?地球的生態系統是不是也受到太陽活動的影響?而且不是說太陽活動爆發很厲害會對地球有影響,它不爆發對地球也有影響。如果說這真的是一個規律,下一步的問題就是我們怎麼能夠干預,什麼樣的應對措施能夠減少此類太陽活動帶給人類和地球的危害。這是非常值得去探討和進行研究的。

  對生命的影響

  地球之所以特別,是因為地球上有生命。而酶是生命中不可缺少的一種物質。下圖右下插圖中,底下一行是幾個酶的所謂的活化中心,你可以看到它的結構,這些結構我們在自然界里可以找到一些對應的礦物。像氫化酶的活化中心對應的礦物就是鎳鐵礦。結構非常像,但是這裏的問題是:這些自然界的礦物質結構畢竟還不是生命物質,那它是怎麼轉化過去的?轉化需要能量,而這些能量來自哪裡?其中一個學說是來自宇宙線,宇宙線不停的轟擊,會使得這些結構發生一些變化,從而在早期的時候形成了支援生命的一些元素。而宇宙線的變化也受到太陽活動的影響。

  另外宇宙線還給了生命右手螺旋的DNA。我們身體內的遺傳物質DNA還有RNA,絕大部分都是右手螺旋。為什麼會是右手螺旋也是生命起源里一個非常有意思的話題。兩週前,我碰巧看到一篇文章,講述為什麼DNA是右手螺旋。

  在早期時候,左手和右手的都有,但是由於宇宙線跟地球大氣作用,產生π子,π子再衰變產生μ子。而這些μ子是有著右手自旋的屬性,而右手自旋的屬性,容易跟右手的DNA作用。我們知道,生命的進化需要變異,所以作用多了容易變異,就容易進化。這也就形成了我們現在這種右手螺旋為主的生命體系。可以看到,我們現在的這些生命,包括人類的活動,其實在背後都受到了大自然的干預。

  下一站:行星、小行星

  在太陽系46億年的演化曆程中,演化出了八大行星。地球是其中非常特殊的一顆,但事實上其他行星也都非常特別。以火星和木星之間的小行星帶為界,小行星帶以內,我們叫類地行星,小行星帶以外,從木星開始是類木行星。這兩類行星不太一樣。

  這些行星為什麼會演化成不一樣,而我們人類進行太陽系探測,核心目標是什麼?其實這裏有一個詞——水。我們要找水。

  大家有沒有從這個角度看過地球?這是我們的地球。地球表面70%以上被海洋所覆蓋,水是生命的基礎,而有液態水的行星,除了地球之外我們還沒發現其他的。

  水還有什麼重要的作用呢?它對我們整個地球的板塊運動是一種潤滑劑。在地球過去漫長的歷史當中,大陸分分合合。正是這些板塊運動,使得地球上有著物質和能量的循環,如大氣循環、碳氮氧各種元素的循環,還有生命的循環。一個造山運動或者一個板塊俯衝,就會把地面上的生物帶到地面底下,然後若干年之後就成為我們現有的能源:煤、石油。一個宜居的行星之所以宜居,有很多的條件,其中一個條件就是這個行星要足夠穩定,不能總是火山爆發、地震,但是也不能死氣沉沉,板塊運動是一個非常重要的機製。

  探測水是一個非常核心的目標。經過60多年的探索,我們對太陽系有了長足的認識。一句順口溜概括就是“類地愛氧,類木愛氫”。把這兩個結合起來,可以說太陽系從來沒缺過“水”,氫、氧合起來就是水。但事實上有液態水的,目前為止發現的只有地球。火星上我們發現有很多河道一樣的痕跡,但在古代是不是真的存在水,這還是學術界非常有爭議的一個話題。

  除了行星,太陽系還有很多的衛星。木星是一顆非常大的行星,它自己攜帶了90多顆衛星,其中四顆伽利略衛星是最主要的,所以木星自成一個體系。木星的衛星,我們發現很有可能存在液態水。如果我們看哈勃望遠鏡所拍的木衛二照片,經常能看到有大的噴泉,當然這個噴泉也可能是其他液體,不一定是水。另外小行星探測器“黎明號”去了太陽系的兩個小行星——灶神星和穀神星,發現穀神星有1/4的質量來自水,要比之前的認識多得多。所以可以說在太陽系里確實並不缺水。

  在太陽系的探測裡面,最熱的還是火星,可以說水和生命一直是火星探測永恒的主題。從上世紀60年代開始,到目前為止,火星探測總共發射有44加3次:44次是前面已經發射的,已經到了火星那邊,還有3次就是我們過去一段時間剛發射的,一個是阿聯酋的,一個是美國的,還有一個是中國的“天問一號”。

  在過去已經到達火星的44次探測當中,成功的是23次,可以看到,深空探測、行星探測是非常困難的,風險極大,成功率只有52.3%。中國的“天問一號”還在路上,目前為止都是很順利的。

  在2020年7月底,美國也進行火星探測器的發射。為什麼我們紮堆要去火星,而且紮堆在一個時間段,是因為去火星每26個月有一次機會,這是軌道的要求,因為這時去最省燃料。

  很多學者都認為,火星過去是一個宜居的星球,那它現在為什麼不宜居了呢?可能是由於各種原因使大氣逃逸而變荒蕪了。下一個問題就是,我們有沒有辦法能夠讓火星變回宜居狀態?就有科學家提出,火星和地球的一個差別就是它沒有內稟的磁場。地球有內稟磁場,所以能夠屏蔽太陽風,把很多高能粒子擋在外面,降低地球大氣的逃逸。火星沒有內稟磁場,那我們能不能用人造火星磁層來改造火星的大氣呢?

  差不多5年前,一位科學家提出改造火星大氣計劃。在火星和太陽的第一拉格朗日點上放一個永磁鐵,永磁鐵的強度按照他的估計可能也不用太大,1到2個T,也就是1萬到2萬高斯。現在按照我們實驗室等離子體物理技術,瞬時這麼高的磁場是可以產生的,在不遠的將來,持續的這麼大的磁場也是可以預見的。在這種情況下,火星本身的大氣逃逸狀態就會被改變。可能過個若干年,或許能慢慢恢復出火星原有的宜居環境。這是一個大膽的設想。

  星際空間

  我們再下一站就是星際空間,人類從來沒有停止過探索的腳步。現在在星際空間的飛船隻有兩個,一個是“旅行者一號”,還有一個“旅行者二號”。旅行者號原來是太陽系的行星探測飛船,在2005年前後進入了星際空間,成為人類第一個進入星際空間、觸摸星際介質的飛船。“旅行者號”當時還攜帶了一個使命,號稱是穿梭宇宙的時空膠囊。也就是說如果由於某種原因,地球乃至整個太陽系都被毀滅了,宇宙當中還有什麼東西能夠證明人類曾經存在並如此輝煌過,那就是“旅行者號”。它上面帶了一張金唱片,是由特殊材料製成的,可以保存十億年。如果一不小心被另外一個文明撿到,就知道在宇宙當中還有這麼一個文明存在。

  人類的足跡一直從地球向遠處擴展。從陸地,到占領海洋,然後占領天空,後來也占領了近地空間,下一個疆域一定是太陽系的深空和行星。人類走出非洲大草原,走向整個藍色星球,花了200多萬年的時間。從發明望遠鏡,仰望星空,到第一次進入太空,花了350年的時間。從進入到深空,再到進入星際空間、觸摸星際介質,僅花了50年的時間。大家可以看到人類的步伐是越來越快,人類的步伐快到以至於我們無法想像、也無法預期。

  註:本文內容根據汪毓明院長於墨子沙龍現場演講編譯整理而來

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