最近，一则新闻《我国科研人员首次观测到电磁波动态传播》出现在各大科技媒体上，其核心内容是：“太阳日冕的特殊结构以及行星等大型天体可作为电磁信号放大器，或可实现星际间通讯或者能量传输。相关研究成果发表在《自然·通讯》上。”

猛一看，大家会惊呼：《三体》诚不我欺！弹拨太阳发送广播莫非马上要变成现实了？

实际上，这是对论文的错误解读。找来《自然·通讯》上的原始论文，说的内容其实是：“特定形状的太阳冕洞能够使磁流动力波聚焦，类似的效应应可在具有磁场的行星、其他恒星或星系找到。该透镜过程可用于冕震学的研究。”

这里的要点有四个：

1. 被影响的是磁流体动力波（简称磁流波），不是电磁波。磁流波以等离子体作为介质，和不需要介质的电磁波不是一回事。在这项研究里，磁流波没有离开日冕。
2. 是聚焦，不是放大。这项研究里，磁流波从太阳耀斑开始扩散，途径一个冕洞后，部分磁流波发生聚焦，焦点处的波幅比扩散期的大，但远小于耀斑源头的波幅。
3. 只有特定形状与密度的冕洞可以观察到这种透镜效应。在这项研究里，聚焦发生在冕洞的一个月牙形湾区。
4. 该现象的潜在应用是对冕震学的研究，也就是对日冕内发生的震动的研究，而非用于星际通讯或者能量传输，因为磁流波未能离开日冕，并且没有放大原始信号。

要点总结完毕，接下来，我们详细梳理一下：

这项研究早在2022年就已提交，使用的是2011年的观测数据（感叹：要在科学前沿做出新发现，真的太难太难了）。具体的观测事件是这样的： 2011年2月24日，日地关系观测台B星（STEREO-B）观测到太阳表面一处耀斑爆发。这颗卫星当时运行在尾随地球约95°的环日轨道上，所以它看到的是当时太阳的背面。从地球方向看过去，则能够看到这个耀斑激荡出的磁流波（等离子体受磁场影响表现出的波），就像海底火山激发的海啸波浪一样，从太阳边缘出现，缓缓绕到正面来。对磁流波的后续观测，由运行在地球身边的太阳动力学观测台（SDO）所完成。

磁流波以耀斑为中心向外扩散的途中，经过了一个形状不规则的冕洞（日冕上的较冷、较稀薄的磁场开放区域）。通过分析SDO的观测数据，中国研究人员发现，在这个冕洞的一个月牙形开口的湾区，磁流波的“波浪”前沿（波前）发生了过去从未观测过的现象：原本外凸的波前呈现出内凹，最后聚焦在一个点上，就像光/电磁波通过透镜聚焦一样。

——顺便说说，原始论文中常常以光/电磁波通过透镜打比方，或许是报道解读出现偏差的原因。

研究人员认为，冕洞里的磁场由单一极性主导，并且物质比冕洞周围更稀薄，这里的阿尔文速度（衡量磁流波的一个速度）较高，当磁流波离开冕洞后，就朝向阿尔文速度较低的区域偏折。通过数学模拟，研究人员重现了磁流波聚焦的现象。

总而言之，这项研究的内容是日冕内物质的运动现象，并未讨论它对电磁波（包括光）的影响，研究并未涉及通讯或能量传输的话题。

作为写科普文章的人，最怕的评论就是“不明觉厉”——写这样评论的人可能以为自己在夸奖作者，但这句话实则是一句严厉的批评。如今有些科普文的取向，确实渐渐往“我并不想你懂，只要你知道我是干这行的很懂很牛不能瞎评论就行”靠拢了，这就是失了本心。

我有几个好友群，成员有文有理，大部分根本不做科普这一行。每写好一篇科普文章，我就请大家试读。理的方向，固然是要看看有没有基本事实层面的错误；但文的方面更加重要，要看有没有脱离群众的、让读者“不明觉厉”的艰深表达。有一位朋友笑言，这是拿她充当了白居易的“老妪”。

最近在B站看了个视频，讲核酸检测原理的，我认为讲得挺好，学过DNA双螺旋结构的应该能明白，就分享给一个好友群了。但还是有好友反映：看不懂！

为了帮大家看懂，也把这个当作一次锤炼文笔的机会，我写了一篇这样的简版检测原理：

一、让采集来的样本核酸按照指数关系增殖复制（只是核酸，不会形成病毒，不用担心），只要复制30个周期，1个就会变成10亿个，足够发出可以检测到的荧光了。

二、荧光怎么来的？

①在试剂里有一种核酸序列，是按照病毒的基因序列事先排好的，它们专门去找新冠病毒的一段局部核酸序列，和它“结婚”。这种核酸序列叫做“荧光探针”。

②荧光探针的一头装了个“开灯”分子团，另一头装了个“关灯”分子团，探针整体完整的时候，“关灯”分子团会抑制“开灯”分子团。不管是和病毒核酸结合了的探针（完整的已婚者）还是没结合的探针（完整的单身汉），都不会发光。

③聚合反应看到核酸单链，就想把它补全成DNA双螺旋，就像拉拉链一样。拉拉链的过程中，如果撞到已经和探针结婚的那一段，就会把“开灯”和“关灯”分子团都当作异物拆下来，【分别】丢掉，也就是说，已婚的探针会遭遇一次剃头修脚事件。未婚的探针因为没有附着在拉链上，所以不受影响。

④被拆下来的“开灯”分子团脱离了“关灯”分子团的制约，发光信号就会被检测到。如果荧光信号很强，就说明管里有大量的剃头修脚事件，也就是说样本里有许多核酸序列被探针拥抱，这管样品就是阳性的了。

这样讲解之后，听众反映：稍微明白了些，但③④这最后两段还是看不懂！

于是我又换了个行文方式，也换了个比喻，重写内容如下：

在试剂盒里，预先排好了许许多多核酸序列。

这种序列称为“探针”，它们是按照早已测定的病毒核酸特征序列设计的，能与病毒核酸序列结合，并且只能和病毒核酸序列结合。

或者这么说吧：就像灰姑娘的水晶鞋，长短凸凹，都是按照灰姑娘的脚来设计的，全城只有灰姑娘的脚穿得上。

水晶鞋上附着有一对分子团，一头可以发光，一头用来熄灯。

当它们完整地挂在鞋上时，就不会发光。

一旦被拆下来，离开熄灯分子团的约束，发光分子团就亮了。

咱们可以把它们想成是服装店里衣服上的那个防盗报警扣。

病毒核酸灰姑娘穿上水晶鞋时，因为报警扣整体完整，所以它还是不发光。

病毒核酸灰姑娘穿上鞋还不够，还要把全身衣服补齐。在这个过程中，它会把水晶鞋上的防盗报警扣随手扯下来。

这时防盗报警扣就激活了，警灯乱闪，鞭炮齐鸣。

假如周围的核酸环境是健康的，没有病毒灰姑娘来穿鞋，没有报警机会，“水晶鞋”就会一直安安静静地躺在货架上，一声不吭。

这样写之后，大家终于说，看明白了。但另一位则说，比喻虽然到位了，一篇完整的文章还是应该回到正理上去，要不，大家记住的就只是灰姑娘和水晶鞋，对应不到具体事件。

我觉得很在理，就补充了这样一段：

所以，核酸检测的过程，就是人类“钓鱼执法”诱骗病毒核酸穿上带报警器的水晶鞋的过程。在病毒核酸的每个复制周期里，都发生着这样的一系列事件：

（第一代由RNA逆转录而来的）双链DNA打开成两条单链→其中一条单链局部和探针配对（灰姑娘穿上水晶鞋）→两条单链各自聚合成双链，拆除荧光基团（补齐全身衣服，撕掉报警器）→荧光基团脱离探针，发光可被检测。

这样，第一代DNA一变二、二变四地复制30个周期之后，就可以增长到10亿倍，这么多灰姑娘坐在一起撕报警器，场面是很宏大的。这个一片荧光的场面就叫做“核酸阳性”。

而在健康的核酸样本里，就只发生黑体字标注的部分，检测现场会显得很冷清，这就是“核酸阴性”。

天文界最近的大热点，莫过于“鸽王”——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）——终于迎来了飞向太空的准确日子，2021年12月22日（这次是真的吗）。这架太空望远镜于1996年立项时，目标是2007年上天。然而它命运多舛，经历了不断的拖延、追加经费、乃至几乎流产等一系列折腾，活活拖了14年。现在它（好像）真要出发了，怎不令人心潮澎湃？

为什么詹姆斯·韦伯望远镜如此能鸽呢？它去太空做什么？我们来聊聊。

先说说“詹姆斯·韦伯”这个名字。詹姆斯·韦伯（James Webb）是NASA的第二任局长。他主持过的最著名的项目，就是“阿波罗”登月计划。他在任期间，NASA完成了不下75次发射，其中有美国最初的太空环境研究、载人航天和行星际探索任务。

为了表述方便，下文提到“韦伯望远镜”、“韦伯”、“望远镜”或其他足以识别身份的名称时，指的都是本文的主角，詹姆斯·韦伯太空望远镜。

为什么韦伯望远镜成了“鸽王”？暂且按下不表，我们先说说它上天去做什么。了解它的任务和工作方法之后，这个问题也就有了答案。

韦伯望远镜最初的名字是“下一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope），“下一代”是相对哈勃太空望远镜而言的。它的官方定位是哈勃继任者，主要任务是要比哈勃看到更深更远的宇宙深空，追溯宇宙在132亿年以前、刚刚形成初代恒星和星系时的婴儿期相貌。它的观测结果，将为宇宙的早期演化史提供重要数据。

光的传播需要时间。我们看到的总是1纳秒前的屏幕、1秒前的月亮、500秒前的太阳、102个月前的天狼星、1340年前的猎户座大星云、250万年前的仙女座大星系。视线越远，看到的景象就越古老。所以，韦伯望远镜的原理很“简单”：使劲往远处看就是了。

可是，宇宙空间在不断地膨胀。初代恒星的星光，出发时还是紫外线和可见光，百亿年后到达地球时，已经被宇宙膨胀抻成了橙红色光和红外线。当研究近处孕育的新恒星时，能从星云尘埃中跑出来报信的，也是波长较长、衍射能力较强的红外线。所以，韦伯在0.6~28微米的波段工作，对应的色彩是橙至红外。

我们眉头一皱，发现事情不那么简单了。

地球大气层对于红外线只能做到半透明，还不是信号变弱的问题，而是几个波段根本不予放行。从时空尽头远道而来的红外线，本已奄奄一息，经过大气过滤后，更是缺斤少两。另外，凡有热处就有红外辐射，温暖的地球大气，本身就是巨大的红外干扰源。因而，在地面上无法研究宇宙最深处传来的红外线。那些强大的地面望远镜，如中国“天眼”FAST、甚大天线阵VLA，在建的欧洲极大望远镜E-ELT，都不适合做这方面的研究。

怎么办？浮出大气层，到太空中去！哈勃望远镜的轨道够不够？不但不够而且很不合适。哈勃在540公里的高度绕地飞行，这里依然有稀薄的大气，并且无法逃避红外烘烤——当飞到白昼区时，如果扭头不看太阳，就躲不开地球那张明晃晃的大脸——被照亮的望远镜本身也会制造红外辐射干扰。哈勃不太在意这个，是因为它主要工作在紫外和可见光波段。

所以，韦伯望远镜的最终选址，是日地拉格朗日点L2。如果读者不熟悉这个词，只需要知道它是个有趣的位置：在这里的小天体，比地球离太阳远，却能和地球以相同周期绕日公转。L2处于地球轨道外围，距地150万公里（地月距离的4倍）。这里没有大气，并且太阳、地球、月球这些干扰源都在同一方向，只要把这个方向挡住，就能够心无旁骛地静听宇宙深处传来的第一声婴啼。

确切地说，韦伯望远镜并非固定在L2上，而是围着L2画圈飘荡（原理不重要，在此不赘）。为了把各个可能角度的阳光遮挡严实，韦伯望远镜配备了一个巨型遮光罩。它大致是个菱形大风筝形状，长径21米，短径14米，面积堪比一个网球场。这个遮光罩共有五层镀铝（前两层掺杂硅）的聚酰亚胺膜，每层膜薄如办公用的透明胶带，并且互相分离。

多层分离是有道理的：假如只有一层，不论它有多厚，即使镀上反光材料，阳面的残留热量还是会传导到阴面，变成红外干扰。而在多层膜之间，热量只能通过辐射传递，最终呈指数衰减。测试数据表明，遮光罩的阳面接受300千瓦的辐射功率时，阴面只有23毫瓦的输出。这样的性能，足以让望远镜稳在-220℃以下安心工作。

观测点选好了，太阳光挡上了。解决了信号干扰问题，还有其他问题等着。

作为“下一代”望远镜，韦伯看到的图像要和哈勃一样锐利，但它看的是波长更长的红外线，所以它需要一个更大的镜面才能胜任。想想那些射电望远镜或镜阵，个个都是巨锅，正因为它们侦测的波长更长。

韦伯望远镜有一个直径6.5米的主镜，相比之下，哈勃的主镜直径只有2.4米。韦伯的主镜面积25.4平方米，是哈勃的6.25倍。这面巨镜的性能相当卓越：在2微米的红外波段，韦伯的分辨力可达0.1角秒，相当于站在80公里外看一个乒乓球。它能看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体，是人类肉眼观测极限的100亿倍。

有趣的是，韦伯的大镜子竟然比哈勃的还要轻（625公斤：1000公斤）。这里又有高科技了：韦伯的镜板是金属铍，而哈勃用的是玻璃。铍是第四号元素，密度只有水的1.85倍。它够轻，够硬，在望远镜所在的极冷环境下，形状比玻璃的还稳定。美中不足是它颜色灰暗，反射率不佳，所以人们在铍镜面上镀了一层0.1微米厚的金，世界重归完美。

最后，我们该如何把直径6.5米的主镜面、外加一个网球场大小的遮光罩送上太空呢？只有层层折叠后塞进火箭，到了太空再展开。韦伯的主镜不是铍板一块，而是由18面正六边形小镜拼接成的。为了使展开后的主镜精准对焦，每块小镜的微调系统要求5纳米的步进精度。展开遮光罩是个更加复杂的任务，需要大约7000个零件协同工作，才能把5层薄膜展开、铺平、绷紧、隔离。

回顾一下，到此为止，目标→问题→解决方案依次是：

回溯时间、观测深空天体→宇宙膨胀使信号变成红外线→那就观测红外线→①地面上无法观测→去拉格朗日点，加遮光罩→②波长太长→加大镜面→镜面太重→用金属铍→铍颜色太灰→镀金→③个头太大→分块折叠、上天展开。

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1671年，牛顿研究光的折射时发现，棱镜可以把一束阳光发散为一道彩带。他第一次使用“光谱”（Spectrum）来描述这种色彩排列，还把它划分为赤橙黄绿蓝靛紫七种颜色，来和音乐、日月五星、一周的天数搭建神秘的关系——嗯，牛顿是个狂热的神学家，他研究物理学这门副业，是想找到全知全能的上帝设计宇宙时留下的密码。

牛顿的颜色划分其实并没有什么实用意义，对色彩的感觉和定义，随每个人的生理能力和语言文化的差异，各有不同。光谱，这个当代天文物理学的重要利器，被闲置了一个多世纪。

1802年，沃拉斯顿在太阳光谱里留意到5条暗线，但他只是记了下来，并表示“嗯，有点意思，像是分隔颜色的界线，恐怕三言两语说不清。”

1814年，光谱终于迎来了它的时代。这一年，27岁的夫琅禾费制造了世界上第一台分光仪，独立地再次发现了太阳光谱里的这些暗线。夫琅禾费的分光仪在当时清晰无比，他标记的暗线，达574条之多！

夫琅禾费不仅标记了这些暗线（从现在起，我们称之为“谱线”），还做了进一步研究。他把分光仪指向天狼星和其他一些亮星，从中观察到了相似却有差异的谱线。他由此排除了“这些暗线是地球大气造成”的可能性，因为，假如谱线源自地球大气，那么，各个恒星（包括太阳）的星光穿过相同的地球大气，谱线就应该特征相同。他进一步推断说，这些谱线来自恒星，携带了恒星本身的信息。在那个时代——没有任何前人理论可供参考，而他的发现只能靠后人解释——得到这样的正确结论，是很惊人的。无怪乎这些暗线被称为“夫琅禾费线”了。

夫琅禾费线的重大意义之一，是它锚定了色彩的位置，给色彩赋予了精确的刻度。从这时起，对包括可见光在内的电磁波谱，就可以定量研究了。这一点，我们后面会提到。

夫琅禾费标记这些恒星谱线时，能做出进一步解释的两位主角还没上场。本生才3岁，基尔霍夫还未出生。到了1859年，这两位科学家基于其他一些科学家的零星实验结果，并对照焰色反应的特征谱线，总结出“发射光谱”和“吸收光谱”的概念，对夫琅禾费线的产生机制做出首次系统性的解释。1913年，玻尔更是通过解释氢原子谱线，打开了量子理论的大门。

我们毕竟是来介绍恒星光谱及应用的，不是写科学发展史的，所以，我们就跳过逐层揭示真相的过程，直接用现代的语言来说说事情的本质吧。

原子核周围的电子，有若干个“限定高度的轨道”——这是个打比方的说法，严格称“能级”，但大家不妨先按人造卫星轨道去理解——比如，离地200公里算第一轨道，再高些就是离地300公里的第二轨道，350公里的第三轨道……电子不限于在第一轨道活动，只要它能量够高，就可以到第二、第三这些高轨道去看看。但奇异之处在于，它去更高轨道时，并不会200、201、202、203……这样逐次爬升，而是腾地一声，瞬移到300或者350。甚至，它从200到350时，也并不需要途经300。所以我们刚才说“限定高度的轨道”，限定规则就是，除了这些轨道高度之外，不允许电子存在于任何中间高度。

另外，电子从200公里向300公里转移时，必须精确充值100公里的能量。如果它获得99公里，那么我们前面说过，299公里的轨道不许存在，所以它过不去。先充99备着，等凑够100如何？不行，能量必须一次花完，不许存着。如果来的能量是101公里呢？能不能充100公里，找零1公里？抱歉，也不行。这就是量子世界的奇妙规矩。

比方打完，接下来用认真的术语，应该不难理解了。太阳核心是个炽热而拥挤纷乱的核电站，光子从这里出发，挣扎十几万年爬到表面，各种波长的都有，本来是个连续的光谱。但它们飞向太空时，就必须穿越太阳大气。如果有一个波长656.28纳米的光子撞到了氢原子，它携带的能量，刚好可以让一个第二能级的电子跃迁到第三能级，那这个光子就被氢原子吸收了，而其他波长的，由于电子跃迁时不储蓄、不找零，就可以自如通过。如果我们在这个氢原子身后架起分光仪，就会看到656.28纳米处的红光区出现一条暗线。

太阳大气中不只有氢，还有种种其他元素。在各种原子核的身边，电子所处的能级、它们各自想去的能级、各自需要充值的光子能量，也有多种可能。于是，当一份连续光谱冲出太阳大气之后，就会被截留下许许多多特定波长的光子，夫琅禾费线也就出现了。

反过来想，如果检查太阳谱线，和各种元素的特征谱线一一对照，就可以知道太阳大气的化学成分。事实上，氦元素就是在1868年观测太阳光谱时发现的，而它在地球上被发现，则是27年后的事了。起初人们甚至以为，它只在太阳上存在，所以起了个Helium的名字（太阳神Helios），旧译氜。这个汉字造得很忠实啊，可惜弃用了。

我们再来重温夫琅禾费的发现，去分析各个恒星的光谱，就会得到和他当年一致的结论：光谱携带着恒星的信息。恒星的质量、年龄都不同，温度、亮度、色彩和大气成分也就有了差异，并体现在它的光谱上。例如，温度极高的青壮年热星发出高能的蓝光，它在蓝端的光度分配比较多，并且作为燃料的氢线浓重；而濒临死亡的恒星，高光度就集中在红端，氢线极其微弱，作为炉渣的碳线则较发达。

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“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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。