月合金星

假如在东北地区看的话,就是月掩金星了。

可惜我在成都。

并且上午中午阴天,错过了月合金星的最佳时机。

不管怎样,云开后补一张吧,毕竟白天拍金星并不那么容易。

羲和探日

“羲和号”,中国首颗太阳探测卫星,于2021年10月14日成功发射升空,并顺利进入平均高度517公里的太阳同步轨道,标志着中国进入空间探日时代。我们来聊一聊,这颗划时代的科学技术试验卫星做什么,怎么做,以及一些相关的科技巧思。

“羲和号”的正式全称,是“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”。它通过分析光谱的方法,研究和太阳爆发相关的科学问题。

——跑个题,“太阳爆发”不是太阳变成红巨星的世界末日,更不是超新星式的“太阳爆炸”(我们的太阳没有那个贵命),而是体现在太阳大气层的黑子、耀斑、日珥、日冕物质抛射等表层活动。这些太阳活动,读者们在一生中都经历过几十回乃至几百回,不要恐慌。

比如刚刚过去的10月28日,太阳朝向地球一侧爆发了一次X1级耀斑,在太阳大气层中产生了一次等离子体“井喷”。此次耀斑爆发还造成了一次日冕物质抛射,直冲地球而来,并于11月1日抵达地球,为世界各个高磁纬地区带来极光。

回到正题上来,“羲和号”通过分析太阳的Hα波段附近的光谱,来研究太阳爆发时的大气动力学过程和物理机制。

Hα指的氢(H)的最引人注目的(α)那条谱线,它的波长是656.281nm,是颜色深红的可见光。Hα标志着氢原子电子从第三能级到第二能级的跃迁。还不太了解能级跃迁的读者不需要对此感到头痛,只要知道Hα指示氢等离子体的大量存在就可以了。

如果只是一条干净利落的656.281nm谱线,那就是生活单调乏味的氢,也没什么可研究的。而在活跃的太阳表面,由于太阳大气的高速运动,这条谱线就会发生变化。

如何变化呢?老朋友“多普勒效应”登场。我们走在路上,有时会遇到救护车拉着警笛飞驰而过。当它擦身而过时,我们会留意到,它的警笛声忽然降调了,原本唱的“so-mi-so-mi”,忽然变成了“mi-do-mi-do”。这就是多普勒效应:当波源运动时,在其运动方向接收到的波长会变短(频率会升高),在背向其运动方向上,接收到的波长会变长(频率会降低)。

为了形象速记,我们也可以说,“多普勒效应”就是“运动的物体把它前方的波形挤压得更致密,后方拉伸得更稀疏”。

光也是一种波,所以光也会有多普勒效应。那么,为何救护车的音调变化很容易感知,而我们对着红灯冲过去时,却不能把低频的红灯看成高频的绿灯呢?因为声音是一种低速波,和车速量级相差不多,救护车随便跑跑,就能造成人耳可察的频率变化。而光的速度极高,它的波形就不能轻易“挤压”到人眼可辨了。

但是,放到太阳活动这么剧烈的事件中,再加上专业设备,有些事就不那么难了。太阳活动造成的大气起伏能够被“羲和号”携带的光谱分析仪器侦测到。当氢等离子体从太阳表面升起时,它朝向地球扑来,多普勒效应会使光谱升频。如果“羲和号”瞄着这个位置看的话,就会看到Hα谱线右移,比如,跑到了656.30nm。用这个频率差,就可以推算出这一坨物质喷发的速率。反之依然,可以通过谱线的左移量推知物质的沉降速率。

“羲和号”的科学仪器由南京大学负责建设。南京大学说,“羲和号”可以察觉0.0025nm的波长变化。在Hα波段折算一下就是:如果氢等离子体在太阳表面升降的速率大于1.14km/s,它造成的谱线移动就可以被察觉。

当然,太阳是个球体(各位置朝向地球的速度分量有差异),在不停地自转(太阳球面左侧在不停奔向地球,右侧在不断远离地球),并且不同纬度的自转速度还不一样。这些因素都会在最终的运算过程中考虑进去,以免得到荒谬的结果。

为了得到黑子或耀斑的细节数据,“羲和号”可以盯着日面上一个极小的区域看。视野越小,对防震防抖的要求越高。为了让科学仪器可以静下心来工作,“羲和号”使用了磁浮技术,让驱动平台和科学仪器在工作时暂时分离。这样,驱动平台里的机械设备工作时,就不会抖到正在专心看太阳的科学仪器模块了。这也是“羲和号”全名中“双超”的由来:超高指向精度、超高稳定度。

“羲和号”运行在距地517km的太阳同步轨道上。这个轨道穿越南北极,位于晨昏线附近的上空,始终能够看到太阳。为了确保它不会因地球公转而被地球遮蔽,这个轨道以每年逆时针360°(北半球视角)的速度缓缓进动。

“羲和号”选在2021年升空,也是个很好的时机。抛开项目进度的客观事实不谈,这个时间很配合太阳活动周期。假如它在2018年上天,工作3年,这期间正是两个太阳周期之间的低谷,太阳波平如镜,安静如鸡,就不好看了。现在它上去,正赶上太阳活动的爬坡期(预计2025年能到高峰),会收获许多成果。

“羲和号”是中国空间探日计划的先锋官,它填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白,提高恒星物理研究能力,对空间科学探测及卫星技术发展有重要意义。

拉格朗日点

随着中国航天事业的发展,我们开发出越来越多的太空新玩法。一个“新”词汇频频被提到,它就是“拉格朗日点”。比如,“鹊桥号”中继卫星在地月系的拉格朗日点附近运行,提供月球背面和地球的通信服务。那么,拉格朗日点是什么呢?让我们一起来了解。

以地球和太阳为例:在地球轨道面的哪个位置放个小天体,可以使它围绕太阳公转时,与太阳、地球的相对位置保持不变呢?

这实际上是一个三体问题。三体问题是个不可精确求解的问题,但是如果限定条件比较严格,例如:在同一个平面上,第三个天体的质量小到可忽略不计,就还是可以求得几个特解的。1767年,欧拉求出这个问题的三个特解。1772年,拉格朗日又算出另外两个。这五个特解在公转轨道附近所对应的位置,叫做“拉格朗日点”,分别编号为L1、L2、L3、L4、L5。

拉格朗日点示意·图源NASA

这五个数不是随意编的,每个数字对应一个唯一的位置。以太阳和地球为例:

L1在日地之间的连线上,并且距离地球更近些。

L2在日地的连线延长线上,在地球一侧,或者说,在地球阴影方向。

L3在地日的连线延长线上,在太阳一侧,地球的对面,和太阳的距离基本等于日地距离。

L4和日地成等边三角形,引领着地球运行。

L5和日地成等边三角形,跟随着地球运行。

可以看出,L1、L2一个在地球轨道内侧,一个在外侧,如果不考虑地球的话,内圈的应该跑得比地球快,外圈的应该跑得比地球快才对。不过,这里有个“如果”。地球引力会对L1的小天体说“等等我!”对L2的小天体,则是喊“跟紧些,别掉队!”

结果,虽然距太阳有远有近,L1、地球、L2却以同样的角速度奔跑在黄道面上。L1的小天体永远悬停于地球的白昼一方,L2的小天体则始终逗留在黑夜的那一面。这真是太好玩了。

人们根据拉格朗日点的特性,为特殊性质的太空探测设计了一些量身定制的方案。

L1在日地之间,所以研究太阳的探测器就放置在这里,它们距离地球150万公里左右,在月球轨道以外,永远不会掉进地球或月球的阴影,可以持续观测太阳。太阳及日光层探测仪(SOHO)就被部署在这里。中国的嫦娥五号轨道器完成登月任务后,由于项目进展顺利,推进剂充足,所以加个班,飞到日地L1这里开展了一些太阳探测任务。

L2在地球阴影方向,距离地球也是150万公里左右。虽然这里的地球不能完全遮挡太阳,但还是消光不少。而且,这里位于地球的磁层尾部,太阳风的干扰也较低。这个位置应该做一些静静欣赏夜空的事情。向宇宙超深空凝望、探测宇宙大爆炸余辉的一些任务,就适合在此进行。威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)就被安排在这里。顺便说一句,前者任务早已完成,光荣退役。后者是航天界著名的鸽王,说是2007年就升空的,结果一直拖到今天,还在地面上。据说2021年10月底即将上天了,但因为火箭整流罩出了点问题,可能还会继续鸽下去。

地月系的L2,也是个有趣的所在。开头说过,“鹊桥号”就在这里工作。根据L2的定义,它始终在月球的背面一方,同步跟随月球绕地运行。这样,它就可以把月球背面“嫦娥四号”的信息传到地面上来。你可能会说:不对呀!如果地球上看不到“嫦娥四号”,那么也应该看不到“鹊桥号”才对,它又如何中继呢?问得好。其实,拉格朗日点只是数学里的特解,而在现实世界里,并不是稳定平衡点,“鹊桥号”并不是一动不动地停在地月L2那里——那样就真的看不到地球了——而是围着L2画圈圈,地球始终能接收到它的信号。

目前还没有哪些航天器在L3工作。这里和地球之间隔着太阳,即使获得信息也发不过来,而且,这个位置十分难以保持稳定。身边没有地球罩着,面前还时不时窜过一个金星,对轨道干扰相当严重。但这里是科幻小说作者钟情的地方,常常在这里描绘一个“反地球”。

L4和L5也有永昼的特点,而且这两个点的稳定性容易维持,也很适合研究太阳,但它们和地球距离太远(等于日地距离),并且研究太阳的工作有个L1基本够用了,目前还没有开发它们的急迫需要。如果真要用到它们,L5比L4更有价值,因为这里位于太阳自转的上游,当太阳风暴爆发时,L5可以比地球提前四天知道,为地球发来预警。

科幻小说或漫画也比较钟情L4和L5,因为它们离地球比较远,位置稳定,能攻能守,是星际殖民题材的常用故事背景。《机动战士高达》更是把L1-L5全都用上,分成七个SIDE,各种博弈,对拉格朗日点算是非常痴迷了。

太阳系的醉汉——火星

家燕(Hirundo rustica)的分布·图源IUCN red list

一到秋天,家燕就从欧洲纷纷启程。它们飞越地中海,穿过撒哈拉,一路飞往中非南非的温暖地带。

南北1800公里的撒哈拉沙漠,对于任何候鸟都是个严峻考验。这里干燥炎热,没吃没喝。即使燕子以时速40公里不停地飞,也要两天两夜才能见到南方的草原。每年春秋两季,一来一回,都会有许多燕子被撒哈拉沙漠永远留下。

费赞(Fezzan)岩画里的长颈鹿·图源维基百科·摄影师Rudolf Baumann

撒哈拉并非从来如此面目狰狞,从各地散布的岩画内容来看,一万年前,这里还是水草丰美之地,野水牛、长颈鹿、河马、鳄鱼徜徉其间。对于铭刻在候鸟基因和世代传授的行为而言,一万年太短。即使面前横亘着一望无际的大沙漠,燕子还是视若绿洲,勇猛向前。

撒哈拉沙漠的演化,其实是个天文现象。一万年前,地球的近日点还在北半球的夏季,那时的地轴倾角也比较大,北半球面朝太阳时,可以对得很“正”。这样,北半球的夏季比现在要热得多。北非大陆上,热空气迅猛上升,把附近大西洋的水汽抽调过来,形成强大的季风,带来丰沛的降水。而现在,近日点挪到了北半球的冬季,地轴倾角也在逐年减小,撒哈拉地区的夏天有点凉快(原来变成沙漠是因为冷啊),大西洋的水汽再也爬不上来了。

读者可能要忧心忡忡了:原来地轴倾角在减小啊!我还以为它一直稳在23.5°呢!地球越转越正,将来四季消失了,如何是好?

不用怕,地轴倾角不会一直减下去。到了公元11300年左右,它又会开始持续增大。大约每41040年,地轴倾角会在22°到24.5°之间完成一个振荡周期。

也就是说,地球的自转倾角只轻微地减了不到1°,撒哈拉湿地就变成了撒哈拉沙漠。

如果有一颗行星,自转倾角的变化量是两位数,又当如何?这样的行星,在太阳系里确实存在,并且只有一颗,它就是我们最近的话题大热门:火星。

火星的自转倾角非常混沌,它目前的数值是25.19°,给人造成一种“和地球差不多嘛!是个宜居的候选”的错觉。其实,火星倾角可以在13°到40°之间来回变化(一说,是0°到60°),周期在几百万到2千万年之间。

火星的倾角变化之大,在太阳系里独一无二。听起来匪夷所思,仔细分析就觉得很对。

行星自转倾角的稳定性,一是看自身天赋,二是靠亲友帮扶。木、土、天王、海王四颗大行星,本身就硕大无朋,滴溜溜圆转如意,在角动量守恒定律的加持下,它们的自转轴十分稳定。地球有月球陪着,相比地球来说,月球是一颗巨大的卫星,可以有效地扶定地球的自转倾角。水星和金星虽然没有卫星,却离太阳很近,来自太阳的潮汐力,可以把它们的姿态牢牢稳住。

唯有火星,个头又小,转得又慢,离太阳又远,仅有的两颗卫星小如花生米,根本扶不住它。更悲催的是,它身边就是肥胖的木星,时不时路过扯一把。在各色天体的摄动下,它的自转东倒西歪,成了太阳系行星中唯一的醉汉。

过大或过小的自转倾角,会带来截然不同的行星气候。当自转倾角极小时,火星姿态很正,赤道和两极温差很大,热量持续从赤道向两极扩散,类似地球上的台风会相当频繁,两极的冰圈分布比较稳定。当自转倾角很大时,火星的南极北极交替朝向太阳,极昼极夜的范围大而且漫长。每个火星年,南北半球各被冰区覆盖一次。假如火星上有生命,在高倾角模式下,它们一定会集中生长在赤道附近,不然就要有极强的迁徙能力,冬季到来时,能从冰区迅速撤离。

阿拉伯高地西部的风成沉积岩·图源NASA

火星倾角的变化使它在两种极端气候之间摇摆不定。火星轨道相机(MOC)的这张照片里,几十层清晰的风成沉积岩,表明在火星的历史上,经历过循环往复的气候变化。

如前所说,火星的倾角变化周期十分漫长,以几百万到千万年计。假如在火星上有生命的话,它们就不能像横穿撒哈拉的燕子这样——忍个几万年就熬过去了——而是必须进化,才能跟上气候变化的步伐。并且,这里的生命进化会非常折腾:好不容易从低倾角模式进化到高倾角模式,又要再“进化”回去了——可是,究竟是进化还是退化呢?这会是一个有趣的问题。

行星的面纱——大气

大气,天体的面纱。它遮挡人类的视线,隐藏天体的秘密。不过有时,它透露的秘密,比它掩盖的还要多。

在天文学的懵懂时代,人类认知的宇宙还挺小。那时,我们对自己在宇宙中的位置还相当满意。后来,人类的自信心遭到接二连三的打击。地球先被拉下了宇宙中心的宝座,太阳也只是组成银河系的像素之一,银河系在宇宙中更是沧海一粟。

面对浩瀚的宇宙,我们倍感孤独。群居生物的习性发作,总想找个伴,至少,知道他们存在也好。随着科技的进步,人类开始探索系外行星,还特别在意处于宜居带、有大气的那些。

因为,对于生命来说,大气非常重要。

多亏大气的庇护,地球才没有变成月亮那样的麻子。每年的那几个日子,我们可以手牵手去看流星雨,而不是猫在地下掩体里躲避陨石袭击。

不管是去看流星雨还是躲避陨石,首先“我们”得存在。生命的物质运输需要流体才能完成。有了大气,行星表面就有了留住液体的条件,否则,任何液体都会即刻沸腾。对于碳基生命来说,大气更是物质循环的必要一环。

白天,大气能阻挡热量长驱直入。夜晚,它又能延缓热量散失,使行星的昼夜温差不至于太离谱。当整个星球热量分布不均时,它还能帮着搅匀一下。一到台风季,就是地球大气在喊:“吾疾贫富不均,今为汝均之!”台风确实是个灾害,然而,从此再也没有台风,则是灾难

如何发现其他行星的大气呢?

1761年,米哈伊尔·罗蒙诺索夫观测金星凌日时发现,当金星刚刚接触太阳边缘时,它周围有一圈模糊发亮的圆环。他由此判断金星存在大气。

金星跑在地球内圈,可以借助太阳发现它的大气。那么,对于地球外圈的,该求谁帮忙呢?我们可以利用掩星的机会。当行星穿越于地球和遥远恒星之间时,那颗恒星的星光通过行星大气,亮度和光谱都会发生改变。这样,我们不但可以知道这颗行星有无大气,甚至还能知道它大气的成分。20世纪80年代,人们借助掩星,就初步认识了冥王星大气,远远早于“新视野号”亲临现场拍下的这张著名的照片。

随着科技的提高,现在对大气光谱的分析已不限于可见光,而可以覆盖很宽的电磁波谱。微波、红外、紫外、X射线直到γ射线,都可以做到了。最近,“金星大气可能含有磷化氢”的论点(此事尚在争议中,2021年4月19日刚刚更番),就是基于对远红外至微波波段的频谱分析得到的发现。

对于系外行星也可以用类似的方法。比如一颗系外行星公转时能局部遮掩中心恒星,那么,它从恒星前面经过时,就会带来光谱变化,只是由于极其遥远的距离,这种变化十分微弱,测量误差比较大。有一些辅助手段可以修正数据:当这颗行星运行到对侧时,它贡献的是反射光谱,和遮掩恒星时的吸收光谱两相对照,综合分析,数据就会可靠得多。

行星大气的成分,由原始吸积和后期演化共同决定。在原始星云中最丰富而且不太重的元素,是氢氦(作为恒星的原料)和碳氮氧(作为中型恒星的矿渣)。所以,氢、氦这些宇宙中压倒多数的气体,以及氮气、甲烷、氨气、水、二氧化碳这些化学性质较稳定的分子,成了行星大气成分列表上的常客,非常单调,十分合理。氧气不会构成行星的原始大气,因为它太活泼了,会被其他元素迅速娶光。地球上的氧气是以蓝藻为代表的老前辈们一代代淘换的结果,向它们致敬。

行星需要满足一些条件,才能持续拥有大气——顺便说说,对于略具规模的天体,完全没有大气是不可能的,本文所说“没有大气”是个直观简洁表达。

  • 首先,要想留住大气,行星必须够胖。大气是被行星引力拴住的,气体粒子只要不超出行星表面的逃逸速度,就只能老老实实地跟着。
  • 其次,拥有大气的行星一般不太热。高温意味着气体粒子运动得快,超过逃逸速度,也就一去不回头了。
  • 第三,重粒子比轻粒子更容易留下来。在同样温度下(平均动能相同),氢比氧速度快三倍,逃逸的机会大得多。
  • 最后,如果行星自带较强磁场,那么它就可以防御高能粒子的轰击,或者把轰击产生的离子导回行星,从而防止大气流失。

拿这些小规则,在太阳系里做做应用题:

水星非常小,离太阳极近,所以头两个条件它都满足不了,就留不住大气层。它有个很强的磁场,却只是螳臂当车。它也算有一丁点“大气”,还不是它自己的,而是从太阳袭来的太阳风,混合着从表面逐渐剥离气化的岩石,综合压强一纳帕(10⁻⁹Pa,地球大气压的百万亿分之一),这个数量级就等于没有大气。

金星的质量很接近地球,而且它的大气成分主要是较重的二氧化碳,所以它能保留相当浓密的大气。但它离太阳还是近了些,并且自身没有磁场。所以太阳风能够深入金星大气层,不断带走较轻的成分。分析太阳风吹离的尾端发现,其中氢氧比率接近2:1,符合水的分子式,这意味着金星正在持续脱水。

地球在太阳系里是最大的岩质行星,离太阳不远不近,氮气和氧气都是相当重的分子。除此之外,地球还有个磁场,把自己妥妥罩住。所以,地球大气相当稳定。

火星质量只有地球的十分之一,曾经有个磁场却早已失去,所以它的大气层被太阳风逐渐剥离。幸好它离太阳较远,气温较低,还能保住大气中的二氧化碳,而它曾经拥有的海洋,就大部分消失在太空中了。

小行星带的成员们个子都太小,而且还不够冷,都留不住大气层。

木星土星天王星海王星这四颗巨行星的个头,再加上它们和太阳的距离优势,毫无疑问可以留住大气,不管是甲烷、氨气、水,还是最轻的氦气氢气,统统不成问题。木星更是有一个无与伦比的强大磁场,吃得那么胖还练就了金钟罩铁布衫,实在是霸道极了。

冥王星(我们依然爱它)虽然个头很小,但它距离太阳极远,温度极低,还是能保有少许氮气的。由于冥王星的轨道很扁,氮气在远日点会大量凝固坠地,它的大气很可能随季节变化。“新视野号”2015年掠过时,它的大气压是一帕(地球大气压的十万分之一),比水星还要争气多了。

按照这个套路看下去,太阳系的绝大多数天体都不令人意外。只有一颗比较另类,就是土卫六。它拥有浓重的大气层,氮气为主,甲烷为辅,表面大气压是地球上的1.5倍!提起它来,人们就忍不住要拿木卫三对比:“木卫三没有大气,你凭什么有?”太阳系这两颗最大的卫星质量相若,都运行在离太阳较远的寒冷轨道上。所不同者,木卫三离太阳近一点,却有木星的大磁场罩着。土卫六离太阳远一些,土星的磁场却很弱。对比一番,各擅胜场。所以,为何土卫六能拥有浓重的大气层,或者换个问题,为什么木卫三保不住大气层,目前仍然众说纷纭。

反过来想,当我们看到系外行星具有大气,并且知道其成分,那么它的基本面貌也可以倒推。例如,大气成分有大量氢氦的,必定质量极大,离主星远的会比较稳定,反之则会被主星迅速扒光(如“热木星”HD209458b)。大气成分中,重原子占优的,则很可能是岩质。为防止大气凝固,它离主星不会太远。由于温度较高,它多半质量大,或有磁场护体。另外,只要行星拥有足够的大气,它的表面就会比较光洁,不会千疮百孔,即使撞伤,也能风化修复。

质量大到足以被探测的系外行星,假如没有大气,又会是什么样子呢?首先,它必然是类地行星。其次,它一定离主星极近(可与测得的行星轨道印证),这样才能被剥离大气。第三,它很可能已被主星潮汐锁定。

战神之子——火星的卫星

火卫一(Phobos,图源NASA)

1610年7月底,伽利略用他自制的望远镜隐约看到了土星环。虽然并不确知土星两侧的模糊光斑是什么,他还是给同行们写信,以易位构词的加密方式,谨慎地锁定这一新发现的归属。信中,他把“Altissimum planetam tergeminum observavi”(拉丁语:“我看到最高那颗行星由三部分构成”)打乱重组,代之以一串天书:

Smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras.

收到信的人,就有开普勒。他对这条暗语反复推敲,结果是:

Salve umbistineum geminatum Martia proles.

拉丁语:致意!狂怒的双胞胎,战神火星之子。

开普勒尝试往火星方向破译,并非偶然。1610年上半年,伽利略发现了木星的四颗最大卫星。开普勒从那时就开始猜想:地球有一颗卫星,木星有四颗,那么火星介于其间,卫星应有两颗?

开普勒没能拆解伽利略的字谜,语法也有问题(umbistineum就不是个合乎语法的拉丁词汇),并且,从今天的科学认知来看,他的卫星递增猜想也没有道理。可是,冥冥之中,作为“天空立法者”,似乎他说什么,大自然就得长成这样子。1877年8月,阿萨夫·霍尔在美国海军天文台,陆续发现了火星的两颗卫星——“狂怒的双胞胎,战神火星之子”。

(开普勒把伽利略另一条暗语错解为“木星上有个红点,依数学路径移动”,大自然只好遵命,在木星表面布置了大红斑。)

过了百十来年,又出了一则定量的神预言:1726年,乔纳森·斯威夫特在《格列佛游记》中描写了飞行岛“拉普达”(对,就是宫崎骏《天空之城》的致敬式同名“拉普达”),那里的岛民科技先进,他们发现了火星有两颗卫星,分别以10小时和21.5小时的周期环绕火星运行。

火卫一和火卫二的实际公转周期分别是7.66小时和30.31小时。数量级算是对了,是吧?

所以,火卫上许多特征地形的命名,除了发现者、研究者之外,还有开普勒、斯威夫特、《格列佛游记》里的人物、景点,向这些歪打正着泄露天机的大神们致敬。

月球和两颗火卫在同一距离的大小对比

许多人听到“卫星”,会想起月球或者木星身边那四个大家伙。而这两颗火卫,却能带来严重的心理落差。它们小得可怜:火卫一平均直径22.5千米,火卫二12.4千米。给大家一个快速直观的印象:月球上的哥白尼环形山,直径就有93千米呢。它们太小太轻了,无法靠自身重力坍缩成一个球体。所以,与其说这是两颗卫星,还不如说是两座山、两块大石头。

在地球上体重70公斤的人,到了火卫一表面,会觉得自己只剩40克,真是身轻如燕。火卫二的重力更弱,它表面的逃逸速度仅有每秒5.6米。假如在这里办运动会,只能安排举重、棋牌、电竞这些斯文项目,而体操、田径之类的,一个用力过猛,运动员就消失在茫茫太空,损失太惨重了。

不仅个头奇小,这两颗卫星还非常暗淡。照到上面的太阳光,它们只能反射7%(对比:月球13%,火星15%)。

把这么小、这么暗的物体放到火星的距离上,还能被发现,真是很了不起。这里面并非全靠好运气。首先,霍尔使用的设备,是当时世界上口径最大的66厘米折射望远镜;其次,他开始观测的日子,距火星大冲(9月2日)不到一个月。霍尔发现火卫二当天(8月12日),火星到地球只有0.4个日地距离,随后几天,火星离地球越来越近,有充分的时间来核实,他看到的微弱光点是陪伴火星运动的。

火卫二(Deimos,图源NASA)

火卫一的英文名叫做Phobos,火卫二叫Deimos。在希腊神话里,他们是战神阿瑞斯和爱神阿佛洛狄忒(罗马神话称为玛尔斯和维纳斯)所生的一对双胞胎,象征畏惧和恐怖,常常紧随其父,出现在战场上。

这两颗卫星距离火星非常非常近:火卫一的轨道半长轴只有2.76个火星半径,火卫二相对较远,但也仅有6.92个。再各自扣除一个火星半径,以得到它们相对火星表面的飞行高度,就更是在和火星跳贴面舞了。对比一下:地月之间的空间,最宽时可以并排摆下其它七大行星呢(114个火星半径)!

于是,从火星上看,两颗卫星的视觉效果,尤其火卫一,会让地球人很不习惯。

首先,火卫一自西向东的公转速度超越了火星的自转。这样,在火星上,就会看到一枚土豆从西方冉冉升起,以极易察觉的速度,在西沉的群星中逆流而上,划过长空,4小时15分钟后沉入东方地平线。每个火星日,它大约西升东落两次。

(其实我们的月球、以及太阳系的绝大多数卫星,都是从西向东公转的,只是它们跑得太慢,追不上主星的自转,所以从主星表面看起来,像是东升西落。)

火卫二稍微“正常”些,它还是东升西落的。但它也在努力向东追赶火星的自转,所以它的东升西落,在匆匆旋转的星空衬托下,显得格外悠长。每2.7个火星日,它才会出没一次。比起火卫一来,它又小又远,从火星上看,只是一颗较大较亮的星,轻易意识不到这是个“月亮”。

火卫一每0.32天完成一次朔望,火卫二则每1.26天一次。不管从那颗“月亮”来算,火星上的“月”都太短,没什么历法意义。

其次,和火卫的公转轨道比起来,火星的半径就不可忽略了。火卫一在(火星)地平线附近时,距离明显比它过中天时更远。动笔画一画可以求得,它在地平线附近时,距离观察者大约2.57个火星半径,而它过中天时,则只有1.76个。地平线附近的火卫一的张角(0.14°),只有它过中天时(0.2°)的70%左右,这个区别,对于火星表面观察者来说,相当明显。

相比而言,由于地月之间的极远距离,我们留意不到月球的这个视觉差异。甚至,还因为建筑的烘托,反而觉得地平线附近的月球更大些。

第三,两颗卫星在赤道面附近低飞,由于行星球面的遮掩,在火星的高纬度地区,无法看到这两颗卫星。70.4°以上的极地看不到火卫一,82.7°以上瞧不见火卫二。

最后,火卫一特别容易走进火星的巨大阴影里,这时,朝向夜面的低纬度地区,全都能看到这场“月全食”,几乎每晚都有。与之相对的是,两颗火卫的尺寸都不能完全遮挡太阳,“日全食”是不可能发生的。火卫一还能勉强称“环食”,火卫二就只能叫做“凌日”了。

由于火卫们离得近,转得快,凌日几乎每天都在火星某处上演,而对于固定一处的观察者来说,只能等每火星年两次的“食季”。每个“食季”里,可以看到大约六次火卫一、及最多一次火卫二凌日。

火卫一凌日(图源NASA)

图为2013年8月20日,“好奇号”拍摄的火卫一凌日。我们“天问一号”的计划着陆地点在乌托邦平原南端,属于中低纬度,盼望它也能分享火卫凌日的奇观。

离主星极近,公转轨道极圆,所以毫无悬念地,这两颗火卫都已经被火星潮汐锁定,始终只以固定的半面朝向火星,就像我们的月球那样。但潮汐作用最终会毁掉火卫一:它正在逐渐缩小轨道,每百年朝火星下降两米。大约3千万到5千万年内,它会突破火星的洛希极限,解体化为星环,坠落火星。火卫二则被潮汐作用渐渐推远。

这两颗行星的起源尚在争议中,主要的假说有捕获、吸积和撞击。它们的低密度、低反照率等特征,很像附近小行星带里的C型、D型小行星,而它们非常规整的近圆轨道又不像是临时凑合的作品,有人认为它们最初可能是作为一个联体被捕获的,被潮汐力拆分后,各自到了现在的位置。对火卫一的热红外探测显示,它富含硅酸盐成分,和火星表面很相似,从这点看,很像是撞击的结果。也有人认为,过去可能有大量小天体环绕火星运行,甚至形成过较大的卫星,这两颗卫星是星环或卫星解体后的残留。

如果能登陆火卫,现场采集岩石土壤,相信能获得火卫起源的可靠证据。2011年11月,俄罗斯的“福布斯-土壤号”(Fobos-Grunt)原计划登陆火卫一、搜集土壤并返回。可惜这枚探测器变轨失败,最终坠毁在地球大气层。

和“福布斯-土壤号”一道坠毁的,还有我们的探测器。“萤火一号”搭车同往,不幸遇难。

匆匆十年弹指一挥,这次我们不搭车了,让“天问一号”自己飞。目前,“天问一号”在停泊轨道运行,远火点大约18个火星半径,近火点距离火星表面只有280千米(0.0826火星半径)。它走的是极地轨道,远则俯瞰火星火卫,近则穿行二者之间。除了预设的火星探测任务,它能否带来与火卫有关的惊喜,让我们拭目以待。

飘洋过海到隔壁

翻阅行星探测史时,会发现一些匪夷所思的数字。比如:

“信使号”(MESSENGER)2004年8月3日发射,2011年3月18日进入环绕水星飞行的轨道。历时6年7个月。

“新视野号”(New Horizons)2006年1月19日发射,2015年7月14日飞越冥王星,历时9年半。

水星是距离太阳最近的行星,跑在地球的内圈,即使和地球隔着太阳遥遥相对(所谓“上合”)时,最远也不过1.5个天文单位(AU,即日地平均距离)。而冥王星曾是最遥远的行星(至少,“新视野号”发射时,它还是呐),“新视野号”遇见冥王星时,已经离地球32AU了。

为什么跑到冥王星只用了9年半,而到水星却要超过6年半呢?是不是“信使号”项目组把科研经费A掉了?

其实,一切都出于无奈。水星的公转轨道位于太阳重力场的深处。探测器从地球出发,如果划一条简单弧线去水星,那么,与其说它前往水星,还不如说它在坠向太阳。打个比方:四楼阳台上,一个大汉手滑,丢下一个铅球,嚷着让二楼阳台的孩子接住,结果会怎样呢?

地球就是四楼的大汉,水星就是二楼的孩子。已经挣脱地球引力的探测器,再被质量巨大的太阳持续加速之后,表面重力加速度只有地球38%的水星根本抓不住它。

假如不考虑绕飞,而只是从表面掠过的话,项目就会容易得多。“水手10号”探测器(Mariner 10),1973年11月3日发射,只花了3个月(次年2月5日)就跑到水星身边了。但它跑得实在太快,无法入轨,最终围着太阳转了下去,和行星们平起平坐,级别还挺高呢。

其实拿“新视野号”来比较,并不太公平,对吧。“新视野号”也只是飞掠,倘若任务是绕冥飞行的话,就也要考虑抵达速度和刹车问题,不能跑太快。更公平的比较对象,是用了6年8个月落户土星的“卡西尼号”(Cassini)。

回到原题上来。那么,我们多装些推进剂,让探测器自己猛踩刹车,行不行?

真不行。即便是很“省油”的最终方案,推进剂依然占掉了探测器总质量的54%,再加燃料的话,就要换重型火箭才能升空。并且,推进剂容器和隔热系统(对于阳光炽烈的水星探测很重要!)全都要重新设计,项目组承受不了这个成本。在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的官网上,项目组答问时,非常老实地说:这个项目,推迟升空的话,就基本会被砍掉了……

推进剂对于“信使号”入轨后的科研工作也很宝贵。水星太小了,太阳太近太大了,在强烈的引力干扰下,绕飞水星需要大量燃料维持轨道。把推进剂留给科研探测,比花在路上值。

于是,“信使号”前往水星时,利用行星引力逐层降轨,走了极其迂回的一条道路,参与引力变轨的行星有地球、金星甚至水星自己。这个方案省油耗时。发射升空后,它飞掠了1次地球、2次金星、3次水星,到第4次遇见水星时,才算正式抵达。

2004年8月3日上天后,它先沿着近似地球轨道的椭圆兜了一圈,过了整整一个地球年,2005年8月2日,它再次和地球会合,并被地球引力甩向内圈。然后,它在地球和金星之间转了近3圈,期间2次飞掠金星。

第1次飞掠时,它把轨道调整为和金星公转周期同步。这样,经过整整一个金星年(225天),它们就可以在同一点再次相遇。

2007年6月5日,“信使号”第2次飞掠金星,并被丢往水星方向。它的轨道变成一个很扁的椭圆,近日点在水星轨道、远日点在金星轨道。

换言之,刚才说的四楼大汉丢铅球,现在挪到三楼丢了,二楼的小朋友感觉好了些。

不过,此时的“信使号”通过近日点(即水星轨道)时,秒速大约62.5千米,水星还是接不住(水星公转秒速39~59千米)。事实上,“信使号”升空后不到3年半(2008年1月14日),就已到过水星,只是这次刹不住车,喊声“嗨”就绝尘而去了。

怎么办呢?一次接不住,那就多见几次面,每次慢一点吧。为了和水星约会,“信使号”陆续做了5次深空变轨(DSM)。它耐心地围着太阳转了11圈半,期间遇到3次水星。每次见面,它都把速度降一点,把轨道缩一点。到第4次相会时,水星终于能够留住它了。

2011年3月18日,“信使号”正式进入环水轨道,成了水星的一颗人造卫星。此刻它离地球1.6亿千米,可是回顾来路,它已经绕日飞行了15.2圈,全程79亿千米,相当于从天王星走直线到太阳,再走直线去一趟“新视野号”遇见冥王星的位置。

咦?这么说,“信使号”走这么“慢”有情可原了。但是,它6年半走了一个天王星加一个冥王星,而“新视野号”花9年半才到冥王星,那么,是“新视野号”项目组A掉了科研经费?

其实也没有。“信使号”的6年半,一直在太阳附近高速运行,而“新视野号”则脸朝外飞,被太阳拖着后腿,越飞越慢。越过木星轨道后,速度已经降到每秒十几千米。只不过,在水星附近,飞到每秒四五十千米依然跳不出太阳的手心,而在木星以外,十几千米的秒速就足以冲出太阳系了。

“信使号”的轨迹,虽前无古人,却后有来者。2018年10月20日,欧洲空间局的“贝皮可伦坡号”(BepiColombo)绕水探测器发射升空,它也会采用“信使号”式的路径,眼睛瞅着别处,假装随便逛逛,飞掠1次地球、2次金星、6次水星、到第7次才入轨。一切顺利的话,它将在2025年11月2日入轨,全程耗时7年出头,比“信使号”还要多出5个月。

由于前往水星的路上节省了大量推进剂,“信使号”花了7个月完成既定探测项目后,又加班3年半,直到2015年4月30日才坠落水星。能在绕水轨道上坚持4年多,非常了不起。看似浪费时间的路径,还是很值得的。

空气阻力

总有人担心停在窗台上的小斑鸠会摔死,想把它接进来。这个担心并无必要。为了说明这一点,我根据标准的空气阻力公式,写个小程序产生几组数据。即使小鸟只会本能展翅下坠,掉到十米时,速度就满格了,每秒才六七米,相当于人掉到两米时的速度(何况尺寸越小还越抗摔——另一个故事)。白颊黑雁一出壳就能跳百余米的高崖,是有物理支撑的。

duckling = (1.8, 0.1 * 0.15, 0.08)
dove     = (2.3, 0.1 * 0.30, 0.15)
human    = (1.2, 0.4 * 1.75, 60)
vacuum   = (0, 1, 1)

(dragcoeff, S, m) = dove

airdens = 1.293
g = 9.8
G = m * g

height = 60
dt = 0.001

i = 0
v = 0
h = 0
while h < height:
    drag = 0.5 * dragcoeff * airdens * S * v**2

    if i % 100 == 0:
        print("%.3g, %.3g, %.3g, %0.2g" % (dt * i, h, v, drag / G))

    if (abs(drag / G - 1) < 1E-3):
        break

    v += (G - drag) / m * dt
    h += v * dt
    i += 1

越冬的家燕

昨天留意到,成都还有家燕!也许是留着没走,也许是从更北之地飞来的,觉得够暖和就停下了。不过,它们现在一定后悔了,连成都都下了雪。由于冻得炸毛,绒羽翻了上来,每只燕子都添了两道白肩膀,是夏天看不到的。 ​​

关于觅食问题:河面上还有飞虫,它们和淡色沙燕混在一起捉。

2021