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#6 太空探索;科学展望与回顾

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#6 我们是否都应该生活在太空?

   

了解并尽可能延续自身存在的关键,蕴藏在我们自己的这颗星球之外的地方。早在数千年前,我们就对恒星产生了浓厚的兴趣。天文学被认为是人类最古老的科学,我们对夜空的研究可能早于石阵 – 已知最早的太阳观测装置。

如今,我们的太空观测技术更加先进。在 1964 年发现宇宙微波背景 (CMB) 之后,我们以不断提升的精度,研究了大爆炸之后的前 38 万年中的事件辐射:首先使用 COBE(宇宙背景探测者卫星),接着使用 WMPA(威尔金森微波各向异性探测器)卫星,最近则使用 2009 年发射的普朗克卫星。

远古的回响

普朗克花费四年时间在九个频带中以毫米波长为单位绘制天空图像,角分辨率小至 0.07 度。达到此分辨率后,CMB 图像精度已达到最高水平(图 1),尽管从已收集的数据中提取有用信息的过程将持续数年。

图 1. 通过普朗克看到的天空(版权所有:ESA/Planck Collaboration

为了达到这一不可超越的精度,普朗克仪器的传感器被冷却至 -273.6°C 以检测到 CMB 辐射在大约 3K ± 5µK 时微微发散。这些结果使我们能够计算出宇宙的年龄为 138 亿岁,并可完善我们对宇宙起源的观点。

普朗克可能已获得了 CMB 能够提供的所有信息,但是还有更多关于宇宙狂暴的青春期的信息等待我们去了解。詹姆斯·韦伯太空望远镜(韦伯)计划于 2021 年发射,它能够探测近红外和中红外波长,揭开之后 5 亿年的奥秘;再电离纪元,即第一颗恒星诞生导致星系形成时。随着时间的推移,距离的延伸,来自这些恒星的辐射已伸展,可见光波长转变为红光区域,而韦伯搭载的传感器专门探测这一区域的波长。韦伯还将在我们自己的太阳系中进行观测,寻找近地球问题的答案 - 只是一些普通的问题,例如行星的构成、生命的起源……

走向未来

宇宙的起源就聊到这里。那么未来会是什么样呢?科幻小说作家 Ray Bradbury 的小说系列《火星纪事》激励了几代天体物理学家,并且提出了人类可能在必要时殖民另一个星球的观念。我们对地球以外世界的天生好奇心,推动了旅行者号探测器新地平线号探测器,以及哈勃太空望远镜项目的发展,而这些项目正在收集可能对未来星际殖民者有价值的信息。哈勃最近发现木星的卫星 - 木卫二表面存在氯化钠沉积,这些沉积物可能源自能够生长微生物的次表层海洋。

旅行者 1 号和 2 号于 1977 年发射,现在运转正常,它们越过太阳系行星上空,完全摆脱了太阳的影响,从星际空间发来数据。  

新地平线号探测器紧随其后,仅距离旅行者号数十亿英里,为我们带来比以往更清晰的近地星体照片(图 2),以及有关太阳系边缘的柯伊伯带天体的新知识。

图 2. 从新地平线号探测器看到的木星和木卫一的组合图像。图片:NASA NASA

人类可能永远不会像新地平线号探测器一样遨游远方,但是正如 Bradbury 描写的,距离我们最近的火星可能会成为人类的目的地(图 3)。那里有令人着迷的可能性:是否有本土生命?人类能否在火星上生存?火星漫游者还在继续描绘行星表面,研究地质状况,寻找水源等重要资源。

图 3. 一位艺术家描绘的火星上的人类栖息地。来源:NASA

如果人类要前往火星,我们需要了解的不只是是否有水源。火星上 -63°C 的平均地表温度远远低于地球。同样重要的是,火星重力不到地球的 40%,因此也会对人产生影响。到达火星需要在太空中旅行约九个月,因此前往火星的载人任务应该会运用从国际空间站 (ISS) 上开展的实验中获得的太空生活和工作方面的知识。目前 ISS 项目包括 Bioscience-3 和 Tangolab Mission 11,这些项目研究微重力对人体血管系统和白细胞行为的影响。研究结果还将加深我们对心血管疾病原因的总体理解,使仅居住在地球上的人类受益。

商业力量

自 2012 年以来,商业运营商一直在为 ISS 运送新的实验和基本用品任务中承担部分负责。实际上,含 Bioscience-3 在内的一系列实验用品都是搭载在 SpaceX 航天器上运送的,其中包括猎鹰 9 号火箭和龙飞船。通过 NASA 商业航天员计划等倡议,低地球轨道往返运输实现商业化,预计可以使太空旅行的成本变得可以承受,从而开发出新的市场。除了 Elon Musk 的 SpaceX 之外,由其他著名亿万富翁创办的基于太空业务企业还包括 Jeff Bezos 的 Blue Origin 和 Sir Richard Branson 的 Virgin Orbit。Blue Origin 建议,可以有成百上千万的人在太空中生活和工作,利用当地的资源和能源,从而保护地球资源。Bezos 还在月球上发现商机,并于最近推出 Blue Moon lander(配备千兆位光通信装置)用于开展实验。

通过 SpaceX,马斯克的目标显然更为“外向”,它计划在我们的进化路线图中增加星际生活。Branson 也计划向所有人开放太空旅行

或许不可避免地,Branson 方面会将民用航天列入时间表,今年 5 月,他的维珍银河公司搬迁至世界上第一座为特定目的建造的航天发射中心(图 4),该中心已准备就绪,可以开始提供商业服务。

图 4. 位于新墨西哥州的美国航天港,首批太空旅游发射可能在这里进行。版权所有:维珍银河

然而,即使你不是亿万富翁,也可以将项目发射到太空中。现在有 CubeSat 等低成本皮米级卫星,该卫星起初是一项帮助大学学习和研究的倡议。由此,U(大学)型规格诞生,尺寸为 10cm x 10cm x 10cm,质量通常约为 1.0-1.33kg。U 级宇宙飞船可沿一根轴进行扩展,形成 1U、1.5U、2U、3U 等形状规格。尽管体积很小,但是 CubeSat 任务的成本可能超过 10 万美元,尽管 NASA 提出搭便车方案,允许入选任务搭载在火箭上发射,而作为交换必须提供项目结果报告。

商业组织 Interorbital Systems (IOS) 推出 TubeSat,这种私人卫星的尺寸与上述类似,以套件形式提供,可用于科学实验、摄影、动物跟踪或太空艺术等任务。套件中包含 Arduino 控制的电子元器件、太阳能电池和无线电收发器,用于双向通信。该套件只需 8000 美元,费用中包含极地低地球轨道发射。

虽然面向大众市场的太空旅行可以加深我们对一切的理解,但是也存在一些缺点。围绕地球旋转的太空垃圾会显著增多,其中大部分是缓慢下降的废弃宇宙飞船零部件。当以每小时数千英里的速度运动时,即使是一块涂料这么小的颗粒也会损坏运行中的卫星。

为了克服这一问题,减少轨道空间垃圾逐渐成为宇宙飞船的设计要求。皮米级卫星至少不会加剧这类问题:CubeSat 必须证明缓解合规性才能搭乘 NASA 火箭,而 IOS 则通过将 CubeSat 和 TubeSat 送入自衰减轨道来避免长期积累。

结论

看来在人类首次登月 50 年后,即使时间本身也不能阻止我们探索自己的家园以及可能到达的远方。我们可以开始将太空旅行视为一项旅游活动,而星际旅行也真正成为可能。

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1 Nov 2019, 6:41