酷炫動圖(三十):天文篇

2021-01-15 果殼網

是時候探索太空了!

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拖走小行星

原理:這張示意圖來自NASA的小行星探測項目(ARM),它演示的是探測器「拖走」小行星的過程:探測器(右側)先在小行星(左側)上抓取一塊巨石,在探測器飛離小行星後,進入月球軌道前,探測器和巨石的引力(圖中以綠色示意)使小行星略微偏離原有的軌道——這被稱作「引力牽引」。用這種方法,只要足夠有耐心,就可以將可能撞擊地球的小行星拖到安全的軌道上去。

ARM項目計劃在2021年發射一顆小行星探測衛星,該衛星將在小行星上抓取一塊幾頓重的巨石,然後飛到月地之間的拉格朗日點,再從地球上使用獵戶號飛船派人上去勘探(更多閱讀:抓取太空巖石,偏移小行星軌道)。

在NASA經費捉襟見肘的今天,這個聲勢浩大的項目為什麼能活得這麼滋潤呢?主要還是這項目有幾個噱頭讓美國的納稅人覺得還不錯:

1.危險小行星的軌道變軌。防止重蹈恐龍的覆轍,沒有超人,也要拯救全人類。

2.為載人登陸火星做準備。畢竟這是獵戶號飛船和空間發射系統的一次載人實戰,通過它,人們離火星種土豆的夢想又近了一步。

3.小行星礦藏勘探。對,就是EVE等一眾科幻作品裡的經典情節。美國土豪們表示:公司都已經準備好了,就差小行星了。(更多閱讀:去小行星採礦)

錄製者:NASA

磁暴

原理:圖中顯示的是2015年3月17日範艾倫探測器在範艾倫輻射帶中探測到的一次磁暴。太陽突然將大量物質從日冕中拋出來(日冕物質拋射,CME),由此造成的「衝擊波」(行星際激波)在到達地磁場後形成了這次磁暴。

在圖中,圍繞著地球的像麵包圈一樣的東西是範艾倫輻射帶,不同顏色代表了不同的粒子密度。這裡儲存了大量的帶電粒子,它們都是地球磁場從太陽風中捕獲來的。而高速繞地球旋轉的黃色區域就是由範艾倫探測器探測到的磁暴形成的高能電子帶,高能電子帶時隔五天兩次掃過探測器,讓我們得以窺視磁暴的秘密。

雖然地球磁場保護我們免受狂暴的太陽風直接襲擊,但是這兩個套在地球周圍的輻射帶也成為了衛星和航天員離開的地球的一道鬼門關。為了給航天員和衛星提供更好的安全支持,NASA於2012年發射的一對衛星(也就是範艾倫探測器),專門用來探測範艾倫輻射帶。這次磁暴的記錄,也使人們獲得了非常珍貴的研究數據。

在研究之外,磁暴對人們的生活也有不少影響,最直接的就是通訊衛星受損,電視、廣播、遠洋電話會受到影響。在磁暴期間,坐飛機接受的輻射劑量也會明顯增加(差不多相當於做一次胸透)。而磁暴對家裡蹲們最大的威脅則是斷電。1989年的磁暴讓加拿大的魁北克省發生9個小時的電力故障,之後進行了11個月的電力管制才恢復正常。

1995年開始,人類已經有衛星對太陽進行全天候的觀測,可以準確的對磁暴進行預警(帶電粒子的速度遠小於光速),所以我們可以在高能來襲前做好準備。

當然,高能粒子和地球磁場、大氣的相互作用也為我們帶來了絢麗的極光。(更多閱讀:為什麼極光會有不同的顏色?)

 換個角度,從國際空間站上看看極光。原視頻來自:NASA

錄製者:NASA

誰在看太陽?

原理:圖中這個模糊的大白球就是太陽,上面的黑點是黑子。這太陽怎麼看都算不上拍得好,不過它還真有些來頭:這是好奇號火星車的「右眼」(桅杆上的主照相機(MastCam)之一)從火星上拍到的圖像。好奇號的「右眼」是一臺100mm焦距的相機,圖中只是截取了原始照片的一部分,所以解析度不高。左圖只進行了坐標修正,使太陽的北極指向上方,右圖則對黑子進行了「高亮」處理,使黑子更加明顯。

圖片來自:mars.nasa.gov

拍攝時,火星與地球在太陽的兩側。從地球上看,這顆太陽黑子正好轉到太陽背面。而這顆大黑子活動劇烈,並引發了強烈的日冕物質拋射。幸好,拋射的方向並沒有正對地球和火星,地球和火星上的衛星都沒有受到影響。

當然,要想得知太陽背面有沒有會威脅到地球的大黑子,靠好奇號來觀測顯然是不夠的。很多探測器都都會用它們的「眼睛」看著太陽。比如說,我們有日地關係天文臺(STEREO),這是2006年發射的兩顆太陽探測衛星,運行在太陽軌道上,一顆比地球公轉略快(Ahead,簡稱A),一顆比地球公轉略慢(Behind,簡稱B),這樣兩顆衛星逐步與地球拉開距離,我們就可以多個角度觀測太陽了。2014年10月1日之後,STEREO-B曾一度與地球失聯,而在2016年8月16日,我們再次收到了它的信號。

STEREO兩個衛星與地球、太陽的位置關係(​2016年9月7日),圖片來自:stereo-ssc.nascom.nasa.gov

下面這個動圖是2016年9月7日的太陽極紫外圖像,由地球方向和STEREO-A的觀測數據組合而成,STEREO-B目前還沒有新的觀測數據傳回來。極紫外是指波長在10~121nm的紫外線,這個波段包括了氫和鐵的多條發射線。研究不同元素、不同能級的譜線,我們就可以了解到太陽表面不同深度的信息。

圖片來自:stereo.gsfc.nasa.gov

錄製者:NASA

飛過去了!

原理:又雙叕有小行星從地球旁邊過去啦!圖中標出的這個移動的小點,就是2016年9月8日剛從地球身邊飛過的一顆小行星,名叫2016 RB1。它在9月5日由亞利桑那大學的一臺1.5米望遠鏡發現,直徑估計有7~16米,(車里雅賓斯克隕石在進入大氣層前直徑有18米),飛掠地球時距離地面只有4萬公裡,相當於地月距離的十分之一,這很可能是未來50年內距離地球最近的小行星了。小行星從南極上空平安飛過,既沒有砸到花花草草,也沒有影響到在天上飛的通訊和氣象衛星。

這些年,我們常常看到小行星飛掠地球的報導,但這並不是因為地球變得危險了,而是人類的觀測技術在提升。現在,人類建立起了全球多波段的小行星監測網,對人類有威脅的小行星可以及時發現並預警。

目前,並沒有確切記載的隕石砸死人事件(明史上記載了1490年慶陽隕石雨砸死數萬人,但是傷亡數字還有待考證)。隕石傷人事件倒是有幾起,車里雅賓斯克隕石一次就把受傷人數提升了幾個量級。一個人一生中被隕石擊中的概率約為70萬分之一,與其擔心被天外來石砸到,還不如過馬路時多留意來往車輛。

錄製者:NASA

羅塞塔的旅程

原理:經過了10年的飛行,歐空局的羅塞塔號探測器於2014年7月31日到達彗星67P,成為人類第一個環繞彗星飛行的探測器。在過去兩年中,人們的注意力更多被它帶的小弟——韭菜「菲萊」登陸器——吸引了,不過羅塞塔號也一直任勞任怨地完成著探測工作。動圖中顯示的就是羅塞塔號的飛行軌跡(註:在這裡只顯示了2014年8月至12月的部分,完整版視頻可以點這裡查看)。

萌萌的卡通形象讓人們愛上了羅塞塔和菲萊兄弟倆。圖片來自:ESA

羅塞塔飛行時間表

2014年7月31日飛船開始繪製彗星表面地圖,為菲萊著陸器選擇合適的地點。 2014年11月12日釋放菲萊後,羅塞塔號進行了一系列機動,並進入長期科學觀測軌道。 2015年2月和3月,飛船數次飛掠彗星。其中最近的一次引發了「安全模式」,飛船臨時遠離彗星進行調整。 2015年6月,再次收到了菲萊的信號,在之後的幾周裡羅塞塔探測器做了一系列機動試圖與菲萊建立聯繫但是沒有成功。 2015年8月前後,彗星經過近日點,活動加強,羅塞塔號與彗星保持100KM的距離飛行。飛過近日點後,羅塞塔號飛到1500KM的距離上對彗星向陽一面進行觀測,彗星活動減弱以後,探測器再次進入密近軌道。 2016年3月和4月,羅塞塔號對彗星背陰面做了同樣的觀測並進行了飛掠。 視頻結束於2016年8月9日,之後,羅塞塔號將逐步降低軌道高度,最終於9月30日落在彗星67P上。

(更多閱讀:永別了,「菲萊」! 以及賣萌無極限的羅塞塔黏土動畫)

錄製者:ESA

小小玉兔

原理:嫦娥3號和玉兔月球車不僅僅是國人關注的焦點,NASA也對嫦娥3號和玉兔進行了全程的「跟拍」。上面這張圖中標出的小小亮點就是月球勘測軌道飛行器(LRO)記錄下的嫦娥(白色箭頭)和玉兔(黃色箭頭)。這張圖來自LRO的窄角相機,雖然玉兔只有1.5米寬,小於該相機的解析度,但是因為玉兔的太陽能板很亮,還是會在照片中形成兩個像素的亮點,同時太陽斜射時產生的巨大的影子也將玉兔的位置和行走的軌跡標識出來。

看不清楚?下面這張是一個放大圖。玉兔(黃色箭頭)先向南行進了約30米,然後轉向西北,最終停在了距離嫦娥3號(藍色箭頭)17米遠的地方,在月球表面順時針走出了一個弧形的軌跡(白色箭頭),共走了114米。

好吧,也並不算清晰……圖片來自:NASA

嫦娥3號於2013年12月14日在月面軟著陸,次日,玉兔踏上月面。雖然在2014年1月玉兔的行走機構出現問題,之後一直沒有移動,但上面的科學儀器一直運行到2016年7月31日,為人們發回了珍貴的月球表面觀測資料。到目前為止,在天體物理資料庫ADS(The SAO/NASA Astrophysics Data System)中已經有了59篇關於玉兔的文章。隨著數據的逐步釋放,相信還會有更多科研成果出現。(當然,活躍在微博上的玉兔也格外動人,點這裡可以了解這個萌帳號背後的故事)

錄製者:NASA

(編輯:窗敲雨)

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