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发现访谈:行星科学家艾伦·斯特恩

行星是人类探索的下一个明显前沿

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今年夏天,一项探测冥王星和柯伊伯带的探测器将开始建造。行星科学家艾伦·斯特恩,科罗拉多州博尔德市西南研究所的主任,是该任务的首席研究员。他还是一名获得许可的商业飞行员,曾是航天飞机任务专家的最终入围者。斯特恩致力于研究太阳系的边界,从水星内部可能围绕太阳运行的神秘小行星带,到已知行星之外遥远的奥尔特云(所有彗星的来源),都留下了他的足迹。

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你曾认为冥王星任务不会发生吗?

S

在1990年代,丹·戈尔登担任美国国家航空航天局(NASA)局长期间,我有很多疑虑,因为NASA反复取消了冥王星任务,尽管科学界一直认为这是首要任务,对于理解我们的太阳系至关重要。现在我相当确信它会发生。

冥王星是行星吗?

S:当然是行星。行星的普遍定义非常简单:它是一个围绕其恒星运行的星体,并且必须足够大,能够在自身引力作用下变为球形,但又不能太大,以至于其中心发生氢聚变。如果物体太大并发生聚变,我们称之为恒星。如果它太小,自身引力不足以使其变为球形,我们称之为岩石。冥王星的大小大约是太空中在引力作用下会变为球形的最小物体尺寸的10倍,因此它完全符合条件。

我们为什么要到那里去?

S:部分原因是我们应该去,因为探索是人类的组成部分。除此之外,我们还应该去,因为事实证明冥王星处于四个关键科学主题的交汇点,这些主题将使我们更好地理解我们的太阳系。一个主题是冥王星是巨大的海王星外天体群,即柯伊伯带中第一个被发现的。这些天体是太阳系中一个以前未知的部分——我称之为太阳系第三区的一部分。这个第三区正在形成一个非常大的行星,但有些东西——我们不知道是什么——阻止了这个过程。取而代之的是一系列微型行星。这意味着在这个区域,我们可以找到在形成过程中被冻结的行星胚胎。这为我们提供了一个了解过去的窗口。这是第二个主题。

第三个主题是冥王星及其卫星卡戎,卡戎大小是冥王星的一半,它们构成了一个双行星系统。我们认为双行星在银河系中很常见,就像我们知道双星在银河系中很常见一样,我们甚至已经开始发现双小行星。“新视野”号冥王星任务将是首次对双天体的探测任务,将帮助我们理解从地球月球的起源到双星之间质量转移的物理学等一切。

最后,冥王星拥有令人惊叹的大气层,它像彗星一样迅速逃逸,但规模是行星级的。结果,由于与塑造地球大气层早期演化以及很可能塑造火星和金星大气层相同的过程,这颗行星在数十亿年间体积缩小了。我们从未到访过发生这种快速逃逸的行星。通过前往冥王星,我们有机会用真实数据来锚定地球大气层早期演化的模型。

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如果人们去了冥王星并站在其表面,会看到什么?

S:地表明亮,覆盖着一层新鲜的粉红色雪。人们通常认为冥王星上会很黑,因为它离太阳太远了,但实际上它大约和地球黄昏时一样明亮,光线充足,你可以轻松地读书并看到周围发生的一切。在冥王星的卡戎一侧,你会看到天空中有一个巨大的老月亮,看起来比地球月亮宽10倍,亮2倍。你可能会在冥王星上看到山脉。你肯定会看到陨石坑。可能还有火山和间歇泉。你会不时地看到大气现象,如雾、云或霾。如果你待得足够久,你会看到下雪。

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太阳系的第三区是怎样的?

S:柯伊伯带区域,我称之为第三区,因为它位于岩石质行星和巨行星之外,是一个奇异的边疆。它点缀着超过10万颗微型冰冻世界。根据现有数据,我们怀疑大部分由岩石和冰以及大量的有机分子组成。似乎有数千个这些天体拥有卫星。有些甚至可能偶尔会形成大气层。而最新消息是,柯伊伯带之王,第三区之王——冥王星,其冰冷的地壳下甚至可能存在海洋!

我们太阳系边缘还有多少尚未发现的?

S:简单来说——很多。柯伊伯带可能散布着数百甚至数千颗像冥王星这样的冰矮行星。美国宇航局已经探索了所有四颗岩石行星和所有四颗巨行星。但是,我们将其归类为太阳系行星的天体数量可能接近9000而不是9个,而且我们根本还没有探索过数量最多的天体类别——柯伊伯带的冰矮行星。更远的地方,在柯伊伯带之外,是奥尔特云,距离我们1000倍远。奥尔特云由巨行星形成期间和之后从其周围区域抛出的天体组成。在奥尔特云中可能存在大型行星,它们在早期木星、土星、天王星和海王星争霸时被太阳系抛出。

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在冥王星以外的区域,会不会有像木星或土星那么大的天体?

S:不会有像木星或土星那么大的天体,因为木星和其他巨行星不可能抛出那么大的天体,但肯定会有少数地球和火星大小的天体。在奥尔特云中可能会有数百个冥王星大小的天体,以及一些

地球或火星大小的天体。

我们如何找到它们?

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S

你必须去寻找!实际上,以我们今天的技术,奥尔特云中的任何物体都太暗了,无法看到。例如,美国宇航局的斯皮策空间望远镜于八月发射

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,可以观测到距离几百个天文单位 [

一个天文单位是9600万英里——从

地球到

阳的距离]

的冥王星大小的物体,斯皮策可以探测到距离大约1000个天文单位的地球大小的行星。然而,奥尔特云距离在10,000到100,000个天文单位之间。所以奥尔特云的勘测将是未来一代的项目。

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研究冥王星和其他这些天体能告诉我们关于地球形成和历史的什么吗?

S:是的,可以。地月系统形成的标准模型是一个巨大的、火星大小的物体撞击地球,并甩出物质,这些物质在轨道上聚合形成了月球。冥王星-卡戎系统是太阳系中我们认为以行星规模发生这种情况的唯一其他地方。通过研究像冥王星-卡戎这样的系统,我们将更好地理解地月系统是如何形成的。

冥王星之后,太阳系中你还想探索哪里?

S:我想看到机器人再次前往天王星和海王星。我想看到对柯伊伯带的进一步机器人探索,尤其想看到人类再次认真探索月球,然后前往小行星和火星。

什么是祝融星(vulcanoids)?

S:祝融星是假设存在的一群小行星,它们可能像太阳系内部的一个迷你柯伊伯带一样,在水星轨道内部环绕太阳。然而,由于温度很高,它们预计是岩石质的,而不是冰质的。尽管尚未探测到此类轨道上的任何天体,但有充分理由期待它们可能存在。例如,水星表面严重受损,许多撞击它的弹体可能就是祝融星。问题是它们是否还有剩余,或者是否都消失了。我们真的不知道,因为即使是现代技术,探测这些天体也是一个非常非常困难的观测问题。最简单的方法是从太空观测,但这非常昂贵。从地面观测极其困难,因为必须在黄昏的天空中寻找微弱的光点。我们的团队采取了一种中间方法,使用高空飞机,可以飞到平流层上层,那里的天空要暗得多,从而更容易探测到祝融星。我们尚未完成搜索,所以我还不能告诉你是否存在祝融星。敬请期待!

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你曾坐在WB-57或F/A-18大黄蜂战斗机等高性能飞机的后座,进行这些祝融星的勘测以及其他小行星、流星和彗星的研究。在F-18飞机上工作真的有科学上的好处吗,还是仅仅因为乐趣?

S:两者皆有。我必须说,支付这些研究费用的拨款是通过同行评审小组审查的,每六份提案中就会淘汰五份。如果这纯粹是为了我在战斗机后座享受时光,它在同行评审小组中撑不过10分钟。

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我的同事丹尼尔·杜尔达和我发现了一种从喷气机上进行某些类型天文学研究的方法,这是地面无法做到的。你可以在太空中进行这些研究,但这便宜1000倍,比使用美国宇航局通常飞行的那种大型飞机便宜10倍。而对于我们正在探索的特定领域,我们使用的喷气机足以胜任。

作为飞行员,你有没有想控制飞机的冲动?

S:每次飞行都会。有时我们甚至有机会。但任务不是让天文学家飞行;而是用我们带来的设备实现特定的观测目标。

你为什么专注于太阳系中小型、不起眼的天体?为什么不是像火星这样的大型项目?

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S:较小的天体就是大型项目!了解我们太阳系的结构是一个相当重要的项目。发现水星轨道内部是否存在小行星带,找出彗星是否对地球生命的形成至关重要,执行对最后一个行星冥王星的首次任务——我认为这些都是重要的项目。冥王星或彗星不如木星大,并不意味着它们在科学上不重要——事实上,情况往往恰恰相反。有时伟大的事物以小巧的姿态出现。

但是,说实话,公众对彗星或柯伊伯带并不那么感兴趣。大多数人甚至从未听说过祝融星。

S:我想你对祝融星的看法是对的,但有很多东西人们从未听说过,最终却变得非常重要。六百年前,大多数人从未听说过北美洲。作为研究人员,并不意味着你要追随公众的喜好,因为公众的兴趣通常滞后于科学理解。作为研究探索者,我们的责任是摸清情况,而不是为了研究方向进行一场人气竞赛。

关于天文学,每个人都应该知道但却不知道的最重要的事情是什么?

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S:我想说的是,太空中几乎所有事物是多么古老。几乎所有的星系、恒星、行星都有数十亿年的历史——比帕特农神庙古老一百万倍,比活过的最长寿的人类古老数千万倍。对我来说,这确实将日常生活中发生的大量事情或新闻置于一个宏大的视角中。无论你年龄多大,它都会让你感到年轻。而且——也许这是最好的部分——它让你意识到我们这个“昨天才诞生”的物种,竟然敢于认为自己能理解宇宙,这多么大胆!

我们正在学习哪些关于彗星的知识?

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S:彗星在它们对地球生态系统在地质时间上造成的危害方面非常重要,而且它们是我们所拥有的构成太阳系的原始物质的最佳样本。我们知道彗星在地球形成后轰击了地球,它们为年轻的行星带来了大量的水和更复杂的物质。虽然我个人对此持保留态度,但彗星完全有可能确实将生命带到了地球——微孢子或来自生命已经进化的其他系统的一些东西。除非我们带回样本,否则我们不会知道。

许多从事无人太空项目的研究人员对投入载人任务的巨额资金持异议。你两边都做过。你的看法是什么?

S:美国宇航局的载人探索计划在1960年代和1970年代早期确实做出了历史性甚至史诗般的成就,但从那以后就一直受到束缚。我们有能力做更多的事情,进行真正的月球和小行星地质实地勘探,以及火星实地考察。然而,在过去的三十年里,我们却仅仅限于乘坐航天飞机往返近地轨道,以及一个绕圈运行的空间站,种植植物,拍摄天气照片。我希望这种情况能很快改变。

我们为什么不做得更多呢?

S:缺乏政治意愿,这非常不幸。我认为人类骨子里是真正的探险家。行星是人类探索的下一个显而易见的前沿。我们没有理由不让大量的人在月球上生活和工作,进行小行星的地质研究,并为火星铺平道路。技术已经成熟。

你不担心危险吗?

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S:我当然担心,但危险是真正探索不可或缺的一部分。如果你曾经接触过航空航天器,你就知道人类在这些大型机器中可能会受伤。500年前的探险家也面临着类似的问题:乘坐摇摇晃晃的船只,任由风摆布,航行到未知的土地是否太危险?但看看那些大胆的探索给世界带来了怎样的改变。要在21世纪成为一个伟大的国家,美国需要探索太空前沿。如果我们选择这条道路,它将漫长而艰难——是的,也很危险。但18、19、20世纪,这个伟大国家所面临的挑战也是如此。我们应该通过勇敢的人类和先进的机器人,对月球和行星的探索做出持久的承诺。我们应该激励世界,我们应该再次创造历史。这是美国非常擅长的事情。

如果你能在太阳系中任何地方待一周,你会去哪里?

S:我想花一周时间探索海王星的巨大卫星“海卫一”(Triton)。海王星系统是科学家的乐园。海卫一似乎地质活动非常活跃,仿佛明天就不存在了,尽管那里的温度仅比绝对零度高40度。能在海卫一上进行实地操作将超出我最狂野的想象。

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