发布单位:台北市立天文科学教育馆

  加拿大多伦多大学(University of Toronto)Dongzi Li(李东子?)等人透过加拿大氢强度绘制实验(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment,CHIME)电波望远镜,发现一个快速电波爆发(fast radioburst,FRB)有稳定的16天周期。这是天文学家第一次确认快速电波爆发具有规律的周期性,能提供FRB天体性质的重要线索。

FRB 180916.J0158+65位于约5亿光年远的大质量螺旋星系SDSS J015800.28+654253.0的外缘。Image via B. Marcote et al./ Arxiv.
FRB 180916.J0158+65位于约5亿光年远的大质量螺旋星系SDSS J015800.28+654253.0的外缘。Image via B. Marcote et al./ Arxiv.

  快速电波爆发如其名,会爆发出短暂的电波辐射,时间1秒以内到数毫秒左右。从2007年发现第一个FRB 010724(随主要发现者Duncan Lorimer而又称为洛里莫爆发Lorimer Burst),迄今已知110个FRB,大部分都只观测到爆发一次,仅其中10个有重复爆发现象,但都不具有规律的周期性。最近的研究FRB180916.J0158+65是第2个已知有重复爆发现象的FRB,现在天文学家更是首度确认它具有稳定而规律的爆发周期,从2018年9月16日开始到2019年10月30日期间共记录到28次爆发,大约每小时2次,持续4天后突然中止,然后约12天之后才又开始再度发出信号。由此测出它的爆发周期约为16.35±0.18天。FRB 180916.J0158+65位于约5亿光年远的大质量螺旋星系SDSS J015800.28+654253.0外缘的一个恒星诞生区中,看起来很遥远,但它已是迄今已知离地球最近的FRB了。(注:FRB编号通常为发现日的YYMMDD,而J0158+65则代表这个FRB的赤道坐标。)

  FRB来源不明,天文学家认为FRB来自河外源(银河系以外的其他天体),有些非专业人士则认为这是外星人发出的信号。这些电波爆发的信号持续时间很短且无规律,天文学家很难发现并研究它们。如果FRB都是偶发性的,只发生一次就没下文的那种,天文学家认为这种可能是像超新星爆发这种剧烈事件引起的;但如果有反复爆发出现,就不可能是剧烈事件引发的。而现在更是出现有规律周期的FRB,那么必定有某种机制控制或调节爆发现象。

  Li等人认为:由具有规律周期这个特征来看,可能是绕着一颗恒星或另一种天体的某种天体发出的,在被另一个天体遮蔽的情况下,才会造成它的信号有周期性;但这只是其中一种可能的解释,而且无法解释这种天体为何会送出FRB信号。另一种可能的解释是伴星交替吹出的恒星风会随公转周期性的遮蔽来自其后方天体的信号。再一种可能是FRB不一定是双星系统,也可能是某种旋转的单一天体。这些天文学家期望未来的新天文设施能详细研究FRB 180916.J0158+65所在的宿主星系,寻找FRB起源的答案。(编译/台北天文馆张桂兰)

CHIME电波望远镜。Credit: CHIME.
CHIME电波望远镜。Credit: CHIME.

资料来源:EarthSky

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  1802年,德国天文学家欧伯斯(Heinrich Olbers)观察到新行星,之后天文学家命名为智神星(帕拉斯,Pallas),随后在“主小行星带”中发现了更多小行星,这导致智神星被重新归类为小行星。几个世纪以来,天文学家一直寻求了解其大小,形状和组成。但大多数主小行星带的天体轨道倾角小于30°,智神星的轨道倾角却高达34.837°(至今仍是个谜)较难观测,因此直到本世纪初,天文学家认为它是扁球形。最近国际团队的新研究,终于拍摄到智神星的第一张详细图象,显示它更像“高尔夫球”。

智神星

  研究团队在2017年和2019年智神星离地球最接近位置时,以欧南天文台甚大望远镜(VLT)的光谱偏振高对比系外行星研究仪(SPHERE)获得11张智神星图象。由于使用SPHERE先进的自适应光学系统,该团队观察到智神星如高尔夫球布满陨石坑。研究小组认为智神星的倾斜轨道导致它在完成公转所花的四年半(1,686天)期间遭受多次撞击。研究小组使用这11张不同角度拍摄的图像制作3D重建图,他们鉴别出直径36个大于30公里的陨石坑。尽管智神星的陨石坑不大,但复盖至少10%的小行星表面,这表明智神星的过去非常暴力。

  智神星最新图像还看到其南半球的一个亮点和沿赤道的巨大撞击盆地,尽管团队不确定亮点可能是什么,但他们认为可能是表面上非常大的盐沉积物。研究小组认为,智神星的密度上与谷神星或灶神星很大不同,它很可能是数十亿年前由水冰和硅酸盐的混合物形成的。随着时间的流逝,水冰融化将使硅酸盐水化,在内部形成盐沉积,这些盐沉积可能会因撞击而暴露出来。另一个可能的证据是双子座流星雨。流星雨发生在12月,其母体源是近地小行星Phaethon,它也被认为是是智神星的碎片。由于双子座流星雨的钠含量很大,团队认为这些钠含量可能来自智神星内的盐矿。

  至于赤道的撞击盆地估计约400公里宽,该团队模拟认为可能是大约17亿年前碰撞的结果,碰撞物体的直径在20至40km之间。这种撞击会使碎片弹射回太空,然后坠落到小行星上,并形成一系列碎片,此碎片就是智神星家族小行星。相关论文发表在Nature Astronomy期刊上。(编译/台北天文馆李瑾)

资料来源:Science Alert

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  从2019年开始,参宿四(Betelgeuse)变暗的程度肉眼可见,迄今亮度已剩原来的36%左右。比利时荷语天主教鲁汶大学(KU Leuven)Miguel Montargès等人从2019年12月开始透过欧南天文台(ESO)超大望远镜(Very Large Telescope,VLT)与SPHERE仪器拍摄参宿四表面细节,希望能了解参宿四为何会变暗。这个团队恰巧在2019年1月也曾利用SPHERE捕捉参宿四表面细节,前后两张图像比对后,这些天文学家发现这颗红超巨星不仅正在变暗,而且形状也在改变中。

  许多天文爱好者质疑参宿四之所以变暗意味着它将发生超新星爆炸。如同所有红超巨星一样,参宿四总有一天会走到超新星爆炸这一步,但天文学家不认为爆炸事件近期就会发生。Montargès等人提出新的假设来解释SPHERE图像中看到的亮度和形状变化:可能是有特别的恒星活动,或是有恰好朝向地球的尘埃喷发现象造成的。其中,参宿四不规则的表面来自其巨大对流胞造成物质移动、收缩和膨胀等。这颗恒星也有脉动现象,就像是心跳一样,使亮度有周期性变化。对流与脉动这些都是恒星活动的一部分。Montargès等人认为目前对红超巨星的认识不够全面,所以必定还有惊喜在等着他们。

ESO超大望远镜拍摄参宿四变暗之前(左)与之后(右)的图像。Credit: ESO/M. Montargès et al.
ESO超大望远镜拍摄参宿四变暗之前(左)与之后(右)的图像。Credit: ESO/M. Montargès et al.

  参宿四正式编号为猎户座α星(Alpha Ori),距离约700光年。由于体积庞大,距离也不算太远,因此包括VLT在内的少数望远镜得以直接观测到它的表面变化。此外,由于VLT观测范围涵盖可见光至中红外波段,因此不仅可以拍摄到参宿四的表面,也可以观测到它周围的物质。Montargès等人认为这是我们能了解这颗星正在发生什么事的唯一途径。

  除了Montargès等人之外,法国巴黎天文台(Observatory of Paris)Pierre Kervella等人恰在2019年12月,也以VLT上VISIR仪器拍摄参宿四图像,结果显示有来自参宿四周围尘埃发出的红外辐射。这些尘埃云应该是参宿四向外抛出物质而形成的。

  科普天文中常提到「我们都始于星尘(we are all made of stardust)」,但却少有人提到这些星尘究竟来自何处?SPHERE和VISIS图像正要告诉大众:有一部份就是来自像参宿四这样的红超巨星。在其一生中,尚未发生超新星爆炸之前,红超巨星也会陆续制造并向外抛出大量物质。现代科技已能允许科学家详细研究这些天体,数百光年外的也没问题,所以解开红超巨星质量流失的课题,指日可待。(编译/台北天文馆张桂兰)

资料来源:欧洲南方天文台

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  天王星和海王星是太阳系八大行星中最外侧的两颗,与木星和土星一样,体积质量大且主要由气体与冰所形成,有光环与众多卫星,一般将之归属于「类木行星」,更细致的分类则将之归为所谓的「冰质巨行星(icegiant)」。它们两个有许多性质类似,但许多性质又差异甚大,早已成为天文未解之谜其中之一。瑞士苏黎世大学(University of Zurich)PlanetS研究学者Christian Reinhardt等人提出一个可能的解释,认为这两颗行星其实曾遇到完全不同的撞击作用,才会导致它们差异甚大。相关论文发表在英国皇家天文学会月刊(MNRAS)中。

旅行者2号太空船拍摄的天王星(左)和海王星(右)。Credit: NASA/JPL。
旅行者2号太空船拍摄的天王星(左)和海王星(右)。Credit: NASA/JPL

  天王星和海王星的质量、大小和组成成分都相差无几,与太阳的距离也都很遥远,这些都是它们相近之处。但有些特性却不相同,例如:天王星和它的主要卫星都与黄道面夹角约97度,而且相对于太阳是逆向自转等。此外,天王星的主要卫星都是规则轨道(regular orbit),与行星成几乎相同的一定轨道倾角,显示它们应在环绕天王星的同一盘面中形成,类似地球的月球一样;而海王星最大的卫星崔顿(Triton,海卫一)的轨道倾斜角非常大,因此很可能是被捕获的。最后,它们的热通量(heat flux)和内部结构也非常不一样,海王星似乎有自己的内部热能来源,而天王星只有来自太阳的热辐射。

  由于它们的质量、与太阳的距离和化学组成等都近似,一般认为这两颗行星的形成途径相同。所以造成它们许多特性不同的原因,很可能是在太阳系早期撞击非常频繁的状况下,一起剧烈撞击事件造成它们有巨大差异。但先前相关的研究工作一般仅限于研究天王星受到撞击的结果,或是对撞击计算过于简化,因此所得结果不够清楚。

模拟天王星(上)和海王星(下)受到撞击的结果。Credit: Reinhardt & Helled,ICS,University of Zürich。
模拟天王星(上)和海王星(下)受到撞击的结果。Credit: Reinhardt & Helled, ICS, University of Zürich

  Reinhardt等人利用高精度计算机仿真两颗行星都受到不同程度撞击的结果,如上图。先假定两者在撞击前的条件非常类似,然后受到质量约1-3倍地球质量的天体撞击后的结果能解释现今观察到的这些特性差异。其中在天王星的部分,一个擦边过的撞击事件导致天王星自转轴倾斜,但并未影响到天王星的内部,撞击溅出的物质多到能在天王星周围形成碎屑盘,进而在其中形成规则卫星。另一方面,海王星受到质量密度皆大的天体正面撞击后,使其内部深处的结构受到强烈影响,并因此导致缺乏规则轨道的大型卫星。这样的撞击不仅撞击天体残余物质沈积在海王星内部,并会重新搅拌混合行星内部深处的物质,因此会得出实际观测显示的海王星热通量偏高的现象。

  虽然一向认为这两颗行星诞生之初的过程基本相同,但现在看来似乎也没那么相近。这些天文学家期盼未来有关天王星和海王星有关的太空任务能提供关键线索,给定这个假设的可能范围,让天文学家们能进一步了解太阳系的形成及类似质量的系外行星的状况。(编译/台北天文馆张桂兰)

资料来源:PlanetS

发布单位:可观自然教育中心暨天文馆

  大家在网上看到一些深空天体照片时,是否觉得照片的颜色十分艳丽?但其实这些照片大部分都是由科学家自己「上色」,并非反映这些深空天体的真实颜色,究竟这些颜色有什么特别意义呢?

  科学家最常用的一种上色方法为RGB颜色模型,科学家先用三张滤镜拍摄三张不同的照片,然后把三张照片分别填上红、绿、蓝三种颜色,再把它们重叠合成。最后进行一些光暗调节后,便会成为我们在网上经常看见的深空天体照片。

  那么我们应该如何选择用什么滤镜去拍摄一张照片呢?这要根据该天体所发出的光谱而定。每个深空天体都会发出一种特定的光谱,而当中会有某种特定波长的光的线段比较强,我们就选择一些包含该特定波长的滤镜。

M51在可见光的光谱
图片 1:M51在可见光的光谱
Credit: Stellarscenes, Naoyuki Kurita

  笔者曾使用这个方法拍摄出M51涡状星系的相片,我们可以看见上图红色圈中有几条特别明显的发射线,于是笔者分别选择了425nm、520nm及Hα(656nm)滤镜,作为蓝色、绿色及红色的相片,在进行一些光暗调整后,会得出下图的结果。

笔者拍摄的M51
图片 2:笔者拍摄的M51

哈勃太空望远镜所拍摄的M51
图片 3:哈勃太空望远镜所拍摄的M51
Credits: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

  我们可以看见照片中不同位置有不同颜色,而这正与M51的发射线有关,当某种颜色愈明亮,代表某种特定发射线愈强,亦暗示对应该发射线的特定化学物质在该天体中该位置的丰度。以图片2中的红色为例,红色所代表的最主要为Hα线,这种线大多源自于一些早期较高温的恒星附近的电离氢,而这些恒星大多集中在星系的旋臂,所以我们可以看到M51中旋臂位置中有较多的红色。

  同一个原理亦可应用至其他颜色上,当我们了解到相片中的颜色所代表的波长,便能知道这些发射线的来源,从而了解不同恒星或物质的分配。所以下次大家在欣赏一张天文照片时,不妨了解一下相片背后用了什么滤镜拍摄以及它的光谱,从而了解该天体的化学物质组成及分布。

可观自然教育中心暨天文馆
实习生谢梓淇

发布单位:台北市立天文科学教育馆

冥王星上的心形区域命名为“汤博区”,以纪念冥王星的发现者、美国天文学家克莱德·汤博。

  汤博区(Tombaugh Regio)是冥王星著名的心形结构,在NASA的新视野号任务于2015年拍摄这颗矮行星后成名。新研究表明汤博区控制着它的大气循环。冥王星的稀薄大气层主成分是氮,以及少量的一氧化碳和甲烷。冷冻的氮气也覆盖在冥王星的表面并呈现心脏的形状。在白天,薄薄的氮冰变暖蒸发成气体;在晚上,气体凝结再次结冰。如同心跳一般,在矮行星周围泵送氮气。最近发表在《Journal of Geophysical》期刊研究表明,这现象推动冥王星的大气层沿其自转的反方向吹拂(retro-rotation),当气流接近地面时,它会传递热量,冰粒和霾颗粒,并在北部和西北部地区形成深色条纹和平原。作者表示冥王星即使大气密度很低,其大气与风也会影响表面。

  冥王星表面的大部分氮冰位于汤博区,它的“左心”是一个1,000公里宽的冰盖,位于3公里深名为史波尼克高原(Sputnik Planitia)的盆地中,该地区因地势低而拥有大部分的氮冰。“心脏的右瓣”则是由延伸到盆地的高地和富氮冰川所组成。研究团队从新视野号飞越中获取观测数据,后使用天气预报模型模拟氮循环,并评价了风如何吹过地表。发现冥王星在“一年中”的大部分时间里,在其表面4公里以上吹西风,这是汤博区的氮在北部蒸发并在南部变成冰时所触发。研究人员还发现史波尼克高原的高悬崖会将冷空气困在盆地内部,使气流在流经西部地区时变得更强。这些来自汤博区的风能解释为什么史波尼克高原的西部拥有深色的平原和风条纹。因为风可以传递热量使表面变暖,使冰更快升华,并降低反射率,此外风也会传递和沈积深色颗粒,使表面条纹颜色变深。如果冥王星的风向不同,则它表面景观可能会完全不一样了。(编译/台北天文馆李瑾)

资料来源:Science Daily

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  2020年2月3日,美国佛罗里达天文爱好者Martin Wise在太阳南半球发现一个挣扎着要诞生的黑子群,可惜,诞生活动失败了!这场挣扎活动的具体表现就是在太阳表面出现一个约行星大小的磁沫(magnetic froth)。Wise是在他的自家后院天文台捕捉到了这场骚乱。下方照片是Wise使用口径120mm的望远镜,透过钙-K滤镜(Calcium K-line filter,CaK,波长393.4纳米)拍摄的太阳大气影像,清楚呈现太阳磁场网络中的白色磁沫,这就是黑子浮现的地方。如果这场黑子群能成功诞生,它将属第25太阳活动周期这个大家等待已久的新一轮太阳活动周期。之所以能知道它属于第25活动周期,是因为从太阳动力观测卫星(Solar Dynamics Observatory,SDO)测量到的磁沫磁极性是+/-,与第25活动周期的磁场模式相符。

Ca-K滤镜拍摄的太阳磁场影像。Credit: Martin Wise on February 2, 2020 @ Trenton, Florida, USA
Ca-K滤镜拍摄的太阳磁场影像。Credit: Martin Wise on February 2, 2020 @ Trenton, Florida, USA

  根据美国海洋大气局(NOAA)太空气象预报中心(SWPC)于2019年12月初提出的预报:第25活动周期应在2020年4月开始(+/-6个月),极大期将发生在2025年7月(+/-8个月),强度与第24活动周期差不多,属于比较弱的活动程度。此外,如果SWPC预测正确,那么第24活动周期跨越了11.4年,将是有纪录以来第7长的太阳活动周期。(编译/台北天文馆张桂兰)

资料来源:Spaceweather.com

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  高光度超新星(superluminous supernova)是宇宙中最亮的爆发事件,自爆发后数个月的时间内所辐射出的能量相当于太阳整个生命周期发出的总辐射量,在它们最亮的期间,甚至可比拟它们宿主星系的总亮度。位在2.38亿光年远的NGC 1260星系中,SN 2006gy曾是迄今已知最亮的高光度超新星爆炸事件,也是这类事件中被研究最多的其中之一;但即便如此,天文学家仍不清楚这样的超新星是怎样形成的。瑞典斯德哥尔摩大学(Stockholm University)与日本研究学者透过这颗超新星的光谱中发现它含有大量中性铁元素,以前从未在其他超新星或其他天体中发现这样的状况。他们终于找到可以解释这个事件的光谱中那些特别的发射谱线(emission line)从何而来,以及这个超新星发生的原因。

SN 2006gy超新星
SN 2006gy超新星。Image: Fox, Ori D. et al. Mon.Not.Roy.Astron.Soc. 454 (2015) no.4

  由于天体中的铁元素通常是游离化的,即其原子结构中的电子总会损失几颗而成为带正电的阳离子。从未有人将SN 2006gy的未知发射谱线与未损失任何电子的中性铁光谱比对过。Anders Jerkstrand等人首度尝试进行这样的比对,最后惊讶地发现那些观测到的未知发射谱线,居然一一与中性铁谱线对上了。更让他们惊讶的是:他们发现要形成这样的谱线,所需铁元素数量非常庞大,至少是1/3倍太阳质量这么多。这个发现直接排除一些有关SN 2006gy的旧有解释理论,例如:有个Ia型超新星刚好位在SN 2006gy后方这样的理论就被摒弃了。

  根据最新理论,SN 2006gy的前身恒星是由一颗与地球差不多大的白矮星,和一颗富含氢元素的大质量恒星所组成的双星系统,两者互绕轨道非常接近,大约仅相当于太阳系的大小。当富氢恒星的内部点燃最后一轮的核融合反应,外层大气包层开始膨胀,白矮星被富氢恒星的包层包围吞噬,逐渐旋落至富氢恒星的核心。当抵达核心时,这颗不稳定的白矮星发生爆炸,形成所谓的Ia型超新星(Type Ia supernova)。超新星爆炸时向外抛出的物质撞击到原本持续向外膨胀的包层,因而造就了SN 2006gy闪瞎人的超高光度。这样的论点将启发天文学家重新检视并建立关于双星系统演化以及白矮星爆发所需必要条件的理论。(编译/台北天文馆张桂兰)

资料来源:瑞典斯德哥尔摩大学

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  旅行者2号(台湾名:航海家2号)的旅程有一些颠簸。2020年1月25日星期六,旅行者2号没有执行排定的动作,将机身旋转360度以校准其搭载的磁场检测仪器。之后对旅行者2号的遥测分析显示,原排定的任务命令出现了不明延迟,使得太空船上两个系统的运作时间重叠,这微小的失误使得旅行者2号功率暂时提升,马上耗尽了可用的电源。

  意外马上触发了工程师已经预先编写的自动保护程序,在出现系统故障时能自动关闭太空船上的科学仪器,避免造成永久性的损害。团队花了几天的时间来评估情况,因为旅行者2号离地球的距离大约185亿公里。以光速行进的无线电讯号到达太空船需要17个小时,而太空船的回覆又需要17个小时才能抵达地球。工程师不得不等待大约34个小时,才能确定他们的命令是否对太空船有效。截至2020年1月28日,旅行者2号的工程师已经重新启动了太空船上的仪器,但尚未恢复观测数据的纪录,该团队正在检查其它设备的状态,并致力于使旅行者2号恢复正常运行。

  旅行者1号及2号的电源来自放射性核衰变,将热量从放射性物质的衰变转变为电能,为太空船提供动力。由于放射性物质的自然衰减,旅行者2号的功率每年下降约4瓦,NASA在2019年才关闭了它的「宇宙射线子系统仪器」的加热器,以减低功耗保持仪器继续运行。

  旅行者2号与旅行者1号于1977年一起发射升空,40余年来,它们不可思议的持续运作至今。但是旅行者号不是只有面对电源的问题,许多仪器甚至通讯系统还是得保持一定的温度才能继续运作,工程师必须绞尽脑汁榨出太空船任何一点点的废热,才能为史上最长寿的太空船尽量延长工作年限。(台北天文馆虞景翔/编译)

资料来源:NASA

发布单位:台北市立天文科学教育馆

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  由美国国家科学基金会出资兴建的DK井上太阳望远镜,2020年1月30日发布了其所拍摄的第一张太阳表面影像,可清楚地辨认出太阳表面30km大小的活动细节,是有史以来最高解析度的太阳表面影像。

  影像中可以看到一颗颗明亮的中心被称为米粒组织,是太阳表面气体对流造成的现象,明亮的部分气体受热上升,冷却后再从灰暗的边缘下沉。至于灰暗的边缘偶尔出现的明亮颗粒,天文学家认为与太阳磁场将表面能量导引至日冕有关。由于太阳光十分强烈,望远镜的焦点部分温度甚至可以融化金属,因此营运团队每天晚上都得准备相当于一整个游泳池的冰,并搭配专门的冷却系统才得以冷却望远镜。

  D. K.井上太阳望远镜设置于夏威夷的哈莱亚卡拉火山上,主镜口径为4.24公尺,可观测波长400到2000奈米的光。这座望远镜是以出生于夏威夷的日裔美国人井上建(英文名:Daniel Ken Inouye)所命名,井上建在第二次世界大战期间曾与美军第442步兵战斗团参与欧洲战事,并在2000年获颁美国最高荣誉的荣誉勋章;战后当选夏威夷第一届众议员,1963年起出任参议员,2010至2012年逝世前还担任参议院临时议长,是美国史上官阶最高的亚裔政治家。为了表彰他对夏威夷的贡献,2017年檀香山国际机场也改以他的名字命名。(台北天文馆王彦翔/编译)

资料来源:Astronomy Now

  随着嫦娥卫星成功着陆,这么一个问题又被人们热议:“探月有什么用?”

  作为一名拿这个领域当饭碗的科研工作者,我一直觉得这是个极好的“开题报告”式的问题,无论是开一篇博士论文的题还是开一场公众报告的题。对于大多数科学家们来说,是社会的支持让他们得以站在人类认知领域的最前沿,因此他们有责任也有义务向公众解释自己研究的意义和价值。我记得第一次和导师见面,他反复提到一句话:“对科学家来说,没有问题是幼稚问题。”我觉得,这一观点,无论是对自己专业内的问题,还是对“旁观者”提出的问题,都是适用的。“探月有什么用?”“登陆火星有什么用?”“观察遥远的星系有什么用?”科学家们向公众展示自己的结果,公众当然完全有权提出这样的问题,而且要求一个可以被他们所理解的答案。

  尝试回答这类问题的好文章不少。NASA科学副总监施图灵格曾特别撰文《为什么要探索宇宙》;国际天文学联合会的网站也有一篇文章,《天文学为什么重要》,这两篇文章都从方法论上尝试对这一问题进行回答。但有一些挑剔的网友并不买帐,认为罗列“人类精神”和“长线布局”的好处,对至少一部分个体来说,看不见摸不着,难以衡量产出效果。我能理解他们——在科研圈里有一句话:“人们不看你说什么,只看你做什么。”于是我想,这一次,不妨用已经实实在在地落在你我手中的技术,来回答“有什么用”系列问题吧。

  我先从我们离不开的电脑和手机说起。大家一定知道,从你我的电脑,到手机,到数字化微波炉,到我们身边稍微复杂一点的任何电子产品,有一样东西无数不在,它叫“集成电路”(严格来说,我们现在使用的应该叫微电路,是由集成电路发展而来的)。集成电路是1958年发明的,但能让它得以迅速普及并进一步改良的,却离不开60年代的一个重大航天工程:阿波罗计划。50年代的计算机均是庞然大物,但宇航员们需要计算机来协助控制飞船。由于飞船载荷的严格限制,机载计算机必须小巧可靠,因此德州仪器公司开发了更轻巧的集成电路供NASA使用。阿波罗飞船上搭载的阿波罗引导计算机(Apollo Guidance Computer, AGC)是第一批采用集成电路的计算机。集成电路的价格在1962年到1968年间下降了25倍,很大程度上就是因为阿波罗计划的大量需求。

  说完集成电路,再说说大家离不开的另一样东西:无线网络。无线局域网(WLAN,粗略来说Wi-Fi和它是一回事)的标准是1997年发布的,但其核心技术之一却是由天文学家在1977年提出的。由于电磁波性质的限制,射电望远镜的清晰度要比光学望远镜的差得多。比如,对于同等口径的望远镜,射电望远镜的解析能力要比光学望远镜差百万倍这个量级。尽管射电天文学家们不断制造更大的望远镜,但毕竟口径的提升是受到工程能力和环境的限制的,因此他们不得不寻找其他方法。1977年,以荷兰天文学家哈梅克(J. Hamaker)为首的小组发明了一种方法,可以利用干涉技术优化射电数据。后来,工程师们发现,这一技术可以大大提高无线网络的可靠性和加快传输速度。如今我们所用的无线局域网的标准(IEEE 802.11),其一部分核心专利就是这一原本用于射电天文学的技术。

  这年头,数码相机和可拍照手机已经变得十分常见,它们的影像传感器大多使用CCD。CCD即感光耦合元件(Charge-coupled Device),发明于1969年。首先用上CCD的,除了军方以外,还有天文学家,因为CCD的量子效率(即将光子转换为信号的效率)远胜于传统底片,加上CCD可以实时读出图像而无需经过繁琐的化学处理过程,天文学家们在70年代末期就开始将许多望远镜上的照相底片替换为灵敏度更高的CCD。在80年代,来自天文学家的需求一定程度上刺激了工程师们不断设计和制造更大、更灵敏也更稳定的CCD芯片。到了90年代中后期,装备CCD的家用数码相机开始变得流行,如今使用传统底片的相机已经几乎从市场上绝迹。从某种角度来说,天文学家们“不经意间”协助促成了家用数码相机的普及。

  在CCD刚刚发明的年代,除了天文学家们还在用现在看起来老掉牙的照相底片外,还有另外一件事情看起来也很“老掉牙”:坐飞机几乎和坐公交一样简单,无需证件,无需安检(只有0.5%的人需要搜查),买票直接上飞机。但在70年代初,随着劫机和恐怖活动的愈加频繁,登机手续开始逐渐变得严格。1972年12月,美国联邦航空管理局要求各航空公司在一个月内实现对乘客行李的全面搜查。这时,派上用场的是刚刚应用不久的X射线光电成像技术,这可以让工作人员实时“透视”乘客的行李,而这一技术最初主要是为了美国第一颗X射线天文卫星——1970年发射的“乌呼鲁”——研发的。更后来,搜寻炸弹和毒品的气相色谱质谱仪也被广泛装备在大、中型民航机场。第一台实际使用的气相色谱质谱仪是1968年制造的,但这类仪器能在如今变得如此便携、高效和可靠,离不开70年代“海盗”系列项目的强力推动——两艘“海盗”号飞船是人类第一批成功软着陆火星表面并开展探测的无人飞船,工程师们制造出了轻巧的气相色谱质谱仪安装在飞船着陆器上,以便科学家们能更深入地研究火星表面的环境,确定其是否具备生命存活的条件。

  以上,我只是列举了几个和普通人关系最密切的例子。实际上,类似的例子实在不胜枚举,我还可以继续简单地往下说——比如,天文学家们测定恒星温度的技术,被用来研制非接触式体温测量仪,并在“非典”时期大派用场;用于研制“海盗”号着陆器降落伞的材料,经改良后用于制造性能更好、寿命更长的汽车轮胎;装备在载人飞船返回舱上的隔热材料,被用来改善防火门的性能;用于空间站的某种薄膜,被用于制作防划痕的太阳眼镜,而另一种用于过滤宇航员生活用水的过滤器,则被广泛用于过滤家庭用水;用于分配哈勃太空望远镜观测时间的软件,经改良后用于医院的病历管理;用于在海量天文数据中自动检测星系的算法,现在被用来协助进行某些医学检查。至于在其他专业领域——尤其是医学领域——进一步施展拳脚的技术,则更是多得数不完:太空毯、核磁共振技术、飞机除冰、污染物检测及防控、建筑物探伤、探矿、净室、生物制药、生物及医学影像处理及增强,肿瘤探测和治疗……

  前人栽树,后人乘凉。撇开那些深奥的哲学命题不谈,某种意义上来说,如果不是这些前辈们探索中获得的“副产品”,我们或许还要等上几十年或者更长时间才能用上ThinkPad Carbon和iPhone呢。当然或许有人会说,那我们如果当初定向研究集成电路和无线增强技术,那不一样也会得到笔记本电脑和手机么。然而,科学发现从来就不尽然是“种瓜得瓜”的过程,更经常的是“种瓜得豆”。无数的历史故事告诉我们:科学大发现往往不是定向研究能做出来的。对宇宙的探索更是要求前所未有的高精度和高可靠性,需要许多领域、甚至不同国度的科学家和工程师通力协作才能完成。但科学和赌博有点像:风险越大,收获越多。不入虎穴,焉得虎子。《阿甘正传》里有句很经典的台词:“生活就像一盒巧克力,你永远不知道你会拿到哪一颗。”正是这种“漫无目标”但却“寻根究底”的好奇心,让我们在50万年内从点燃第一堆篝火到现在人人能揣着智能手机到处自拍。我们感谢先辈们孜孜不倦的探索;而我们的子孙也终将感谢我们。从这个角度来看,大刘那句话——“航天是生命本能,不需要问有什么用”——是不是就变得可以理解了呢?

致谢

感谢 @广林星云 和 @Steed的围脖 的审读和意见。

参考资料

Fein (2009), From cell phones to computers, technology from NASA's space program continues to touch everyday life.

Gardiner (2013), Off With Your Shoes: A Brief History of Airport Security.

Ginzberg (1976), Economic impact of large public programs: the NASA Experience. Olympus Publishing Company.

Hamaker et al. (1977), Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry, J. Opt. Soc. Am. 67, 1122.

NASA (1976). Spinoff. Washington, DC: U.S. Government Printing Office.

NASA (1991). Spinoff. Washington, DC: U.S. Government Printing Office.

NASA (2000). Spinoff. Washington, DC: U.S. Government Printing Office.

National Research Council (2010), New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics. Washington, DC: The National Academies Press.

作者:叶泉志博士 资料存档:中国彗星与流星资讯网