进入5月，天气渐热，2012年的几大天象也将依次拉开序幕，其中排在最前面的，就是即将如期拉开序幕的华南日环食！

2010年1月15日，威海日环食。“天之文”版友Nafiy拍摄。

日食的形成原理，想必大家都已经知道了，无非就是月亮运行到太阳和地球之间，我们便看到月亮像一个黑色剪影，挡在太阳的前面。那么，日环食又是什么呢？顾名思义，日环食就是月亮把太阳的中间部分全部遮挡，只剩下外面一圈金边一般的日环。当然，想让月亮恰好把太阳的中间部分遮住，就需要观测者、月亮和太阳几乎处在同一条直线上才行。满足这一条件的区域被称为环食带，在地图上是一条宽300多千米的长条状区域。

5月21日环食的环食带从我国的华南地区经过，覆盖广西、广东、福建和台湾等地，包括深圳、广州、香港、澳门、厦门、福州和台北在内的许多大城市，都能在5月21日清晨看到太阳变成一个金环（前提是天气条件允许，阴天看不到太阳肯定不行……）。

以环食带内的厦门为例：5月21日，日食将从5点08分开始，只不过此时，太阳还没升起，所以那天的日出将是带食而出，一轮缺了口的太阳将从地平线上升起；精华的环食阶段将从6点08分开始，持续4分15秒，到6点12分结束，此时金环将出现在东方地平线上10度的低空；环食阶段结束之后，月球剪影将缓慢移出日面，直到7点21分完全复圆。

5月21日6点10分，厦门日环食模拟图。

而在环食带以外，很可惜，看不到环食，不过全国大部分地区都能看到程度不一的偏食——越靠近环食带，太阳被月亮遮挡的区域就越大，越远就越小。以北京市区为例，日偏食将从5:31分开始，到7点42分结束，其中6点33分食甚，也就是月球遮挡太阳程度最大的时刻。在北京市区，月亮大约会遮挡太阳直径的60%。

5月21日6点33分，北京日偏食模拟图。

由于跟太阳和月亮处在不同的几何位置，不同地点日食发生的时刻和太阳被月亮遮挡的程度都不相同。各地的具体预报，可以点击查询各省市县的521日食预报，也可以更直观地在谷歌地图上点击自己的位置来查询日食预报。

如果你那里可以看见日环食，那么恭喜你，开始祈求晴天吧~~ 如果你跟我一样，处在环食带以外，而又不想错过日环食这么神奇的天象，那就赶紧开始准备行程，安排一趟华南之旅吧~~

“陪你去看流星雨，落在这地球上，让你的泪落在我肩膀。”

《流星花园》里的歌词是浪漫的，可是，在我们残酷的故事里，流星穿过了大气，变成了陨石，并且还那么不凑巧地砸中了你。但请深信，面对这样的情况，每一位围观群众都会愿意，让不幸的你的泪，落在他们的肩膀！

本文首发于果壳网（guokr.com）自然控主题站《我们可能被陨石砸中吗？》

万物生长靠太阳，万物的毁灭也取决于太阳。

金融危机的阴影之下，人人自危。未雨绸缪的人们纷纷为未来做起打算。总有人比普通人看得更远些。现在就有这样的科学家，其目光超越了一时的汇率起伏和股票涨跌，投向了“太阳系遭遇灾变后，人类向何处去”这样的远景。

太阳变得狂暴

太阳虽然不是宇宙的中心，但它却是对我们最重要的恒星。它给地球带来光和热，既是光明的来源，也是生命的源泉。太阳是地球生命最主要的能量来源。除了核能、地热、潮汐能以外，人类所有的能源都直接或间接地取自太阳。即便是这样一颗母亲般慈祥的恒星，也会因生老病死的自然规律变得越来越狂暴。现在每隔十年一次的太阳黑子活动期只是干扰全球的无线电信号、令航空和通讯不便而已。在遥远的将来，它的咆哮将撕毁地球生命脆弱的保护层——磁层与臭氧层。届时太阳对人类造成的损伤可就不是皮肤癌这么简单了。

虽然现在太阳尚在温和而有节制地发光发热，但再过50亿年，太阳将开始慢慢转变成一颗膨胀的红巨星。它的外层气体将会不断膨胀。70亿年后，太阳的体积和亮度达到最大值，那时，太阳的外壳将会吞没整个地球。未来的地球人如何避免被太阳烤焦的命运？

这不是科幻片中的假设，而是恒星生老病死的客观规律。在距今40亿年后，太阳的亮度将增加11%，与之对应的是地球陆地温度平均上升到大约50摄氏度（相当于现在沙漠中的最高气温）。海洋因温度升高，海水会慢慢蒸发掉。可以想象，不少植物和动物将很难适应这种温室环境，不过一些被称作古生菌的单细胞有机体将会幸存下来。稍后不久，一旦水蒸汽进入大气层，太阳发出的紫外线将导致水分子分裂，构成生命细胞所需的氢将会慢慢泄漏到太空中。

在《圣经》记载的传说中，诺亚一家得到神谕，建造巨舟保全了人类和所有的动物代表。未来的人类如果面临这样的天地巨变，也将在科技的“神谕”下，把地球改造成一艘方舟，载着所有生灵逃离火海。如果我们的后代或者我们之后的其他智能生命形式想幸存下来，他们必须移居到其他地方。但是他们要移民到哪里呢？而且怎样才能移居到那里呢？

移动地球

一种可能的方法将是利用火箭移居到其他行星上。假设届时地球人仍像现在一样多。再假设那时运载能力最大的载人航天器仍是航天飞机（每次载6人）。然而要运走67亿人，大约要发射10亿架次航天飞机。即使每天发射1000架航天飞机，也需要2700年才能将所有地球人运往太空。人们到达新驻地后，生活方面又会遇到麻烦。移居到其他行星需要将这些行星地球化，才能为地球移民提供生活所需的食品、水和氧气。既然如此，我们为什么不能像蜗牛一样，带着地球家园一道移民呢？

为了躲过太阳爆发的灾难，圣克鲁兹加州大学的格雷格·劳林和他的同事丹·柯里肯斯基，以及密歇根大学的天文学家佛瑞德·亚当三人为地球选择了一个最终目的地。那是一条围绕太阳的轨道，该轨道与太阳的距离是地球现在的轨道与太阳之间的距离的1.5倍，相当于现在的火星轨道。当太阳在几十亿年后进入红巨星阶段，它的亮度将是现在的2.2倍，那时该轨道处获得的阳光大约跟地球现在获得的阳光一样。将地球移到该轨道上，大约需要将地球的轨道能量增加30%。他们表示，通过改变遥远太阳系的冰体的轨道，让它们从地球附近经过，将它们的一些轨道能量转移给地球，可以实现推动地球的目的。

这有点儿像多米诺骨牌，通过小质量的彗星或小行星的引力拖曳，“四两拨千斤”地移动地球。轻微的引力拖拽方法是，让飞船飞到那颗天体附近，利用引力使它偏离原来的运行轨道。也可通过在彗核上钻孔，让一部分冰体喷射出来，把彗星体向相反方向推进。

这种方法也存在很大风险，因为小天体们必须从距离地球表面仅10000公里的地方飞过才能对地球产生可观的拖曳力。这些天体可能比6500万年前杀死恐龙的那颗小天体更大，因此一个小小的“偏差”就有可能会酿成大错。劳林和他的同事们对待这个问题非常严肃，他们在论文中警告说：“直径是100公里的天体以宇宙速度与地球相撞，将使大部分生物圈绝种，至少细菌级别的生物都会灭绝。这并不是夸大其词。”

地球可能自动远离太阳

但也有对地球将随着太阳一同消亡的观点提出了质疑。英国Sussex大学的几位天文物理学家认为上述观点忽视了太阳在氢气烧光消亡时会失去大部分重量，其对地球的引力也将随之显著减弱这一重要的因素，地球因此不会成为太阳的“殉葬品”。

这些天文物理学家指出，太阳几近消亡时其体积会极剧扩张，但地球不会被吸入太阳内部，因为地球的运转轨道也将随着太阳体积的扩张而远离太阳中心。

【图片出处：http://wikiwalls.blogspot.com】

上述天文物理学家之一、罗伯特-史密斯博士表示，太阳将在大约77亿年之后体积增大到现在的120倍，同时将距其最近的金星和水星吞没，但人类居住的地球却可以逃脱这一劫难，因为地球距离太阳更远。

史密斯博士称，太阳最终将由一个巨大的红色星体变成一个体积极小的白色星球，直径仅1万英里。他说：“地球不会随太阳的消亡而在太空中消失，但那时地球是否还是今天的样子现在还是个未知数。”

小贴士：怎么预测太阳的寿命？

松鼠可能认为松树林是永恒的，但永恒的概念往往与观察者的寿命有关。虽然恒星的寿命从几百万年到数十亿年不等，远远超出现存人类社会的历史长度。但宇宙中恒星的数量实在太多，总有一些恒星分别处于老、中、青、幼年时期。通过观察形形色色的处于不同演化阶段的恒星，天文学家有把握估计，像太阳这种大小和光谱型的恒星还有多少寿数。

宇宙的焰火

比起太阳衰亡引发的人类灾难外，还有一种由“太阳”引发的灾难，它的来势更加凶猛。这是那些遥远且巨大的“太阳”发威导致的。

与太阳温吞水式的衰老相比，大质量恒星的塌缩要比次贷危机来得更快。如果某个恒星的内核质量堪与太阳相比，那么在强大引力作用下，一秒钟就可以从地球的大小坍缩为半径10公里大小。最后它将以接近光的速度崩塌，原子都被压碎，原子核外的电子被压入原子核，正负电荷抵消，恒星的残骸以一种中性不带电的中子状态存在。在这一过程中，垂死的恒星将回光返照般地释放存于原子内部的能量，其光辉将令一亿个太阳相形见绌。这就是超新星爆发，宇宙中最辉煌的焰火。

【图片出处：维基百科。Supernova remnant N 63A lies within a clumpy region of gas and dust in the Large Magellanic Cloud.】
太阳质量较小，不会有这般绚烂的结局。但在太阳系侧身其间的银河系里，确有一些具备成为超新星潜质的恒星。这样的超新星爆发，会给地球带来怎样的灾难呢？1885年在仙女座星云附近发现了一颗超新星。据测定，它在6天的时间里发出的光相当于太阳在100万年里的发光总量。好在这颗超新星离我们有一二百万光年之邀，强烈的光线到地球已经变得非常微弱。

2004年12月27日，人马座方向的一颗中子星突然爆炸，短短0.2秒内，其释放出的伽马射线相当于太阳25万年里发出能量的总和！

参与中日合作研究该爆发事件的天文学家宫崎敦史博士说：“这次爆炸发生的地点离地球足够远，就像在别人家的后院，假如发生在隔壁，那人类的麻烦就大了。”天文学家指出，如果离地球在10光年以内，这样强度的爆炸足以毁灭地球上所有物种。

好在超新星爆发是有预兆的。我们可以通过不间断的天文观测，检测可能爆发的红巨星（离地球较近的那些）的变化，提前采取应变措施，如蛰伏于地下隐蔽所或向太空迁徙。

超新星也不完全是生命的终结者。它在爆发时释放的射线会使被辐射的生物加速变异过程。变异有好有坏，不良变异被自然淘汰，好的变异一代代遗传下来，更具生命力和竞争力的全新物种也就诞生了。天文学家在银河系中发现过不少超新星残骸，它们在遥远的地质年代都发生过惊天动地的爆发，而且其辐射必然曾波及地球。这或许可以解释在生命进化史上多次的物种灭绝和新物种爆发式增长。人类只希望，自己不会像那些不幸的远祖一样，成为被超新星爆发所淘汰的一群。

当然，亿万年太久，只争朝夕。科学家可以把以上这些灾变的应对方法当作锻炼头脑的“思想实验”，普通人们则更要立足当下，先把脆弱的地球保护好再说。否则等不到太阳发飚的那一天，人类已经因环境恶化或核战争自绝于地球襁褓中了。

Francis Reddy　文　Shea　编译

一旦发射，詹姆斯・韦布空间望远镜将会以地面天文台无法企及的详尽程度来探测遥远的星系、恒星托儿所以及太阳系外行星的大气。

　　在南美洲北部的法属圭亚那坐落着欧洲空间局（ESA）的发射中心，一枚“阿丽亚娜”5ECA型火箭正在那里等待指令飞上蓝天。它的载荷是比先前所建造的最大的空间天文台还要更为巨大的美国宇航局（NASA）的詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）。把网球场大小的JWST塞入火箭的整流罩与其说是个工程难题倒不如说是在“折纸”。但JWST的信条就和它精湛的设计一样直接：向世人展示哈勃空间望远镜（HST）所不能的实力。

[图片说明]：NASA的技术人员正在为JWST的6块镜面做低温测试的准备。版权：NASA/MSFC。

　　虽然点火升空的这一幕将发生在几年之后，但JWST的真实性对于NASA的三个航天中心来说却正在变得日益显著。2009年，技术人员拆除了NASA约翰逊航天中心巨大的热真空检测室里用来模拟太阳的灯――从“阿波罗”计划开始它们就一直被安装在这里。2010年1月，NASA马歇尔航天中心的工程师开始测试JWST主镜的6块拼接镜面。在NASA领导JWST和HST计划的戈达德航天中心，其庞大的洁净室20年来第一次没有了与HST有关的测试和支撑设备。

　　到2009年底，NASA已经完成了JWST的18块拼接镜面，所有的飞行仪器也基本完成。虽然还有大量的工作要做，但JWST的主体已经成形。

从威尔逊山到JWST

　　对于地面天文台而言，其望远镜口径从HST主镜的大小（2.4米）到JWST主镜的大小（6.5米）用了将近60年。前者是美国威尔逊山上著名的2.5米望远镜，埃德温・哈勃（Edwin Hubble）在20世纪20年代就是用这架望远镜发现了宇宙膨胀；后者则是苏联于1975年建成的6米望远镜。如果一切都按计划进行，JWST将仅用40%的时间在太空中完成这一飞跃。

　　JWST是NASA、ESA以及加拿大空间局之间的国际合作项目，它会探索一系列的天文学问题。和HST不同，JWST会围绕日地系统的第二拉格朗日点（L2）运动，在那里太阳和地球的引力相等。L2位于日地连线地球一端的外侧，距离地球151万千米。

　　在这个位置上，宇航员是无法对其进行维修的，因此JWST必须一战成功。为此，NASA发展出了新的技术和测试程序来确保每一个部件、每一次组装、搭载仪器以及望远镜结构都能在极端空间环境中正常运转。

[图片说明]：技术人员在对6块JWST的镜面进行检查，之后它们将被送到NASA的马歇尔航天中心进行两次低温测试。版权：NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given。

　　JWST团队中没有人会忘记HST主镜上存在的几乎断送整架望远镜的瑕疵，直到宇航员为在轨的HST安装了缩焦镜之后问题才得以解决。因此NASA计划在真空室里以工作温度从主镜到全部仪器对JWST的所有光路进行整体测试。这也正是技术人员拆除约翰逊航天中心巨大检测室中太阳模拟灯的原因。他们的测试程序会从HST的差错中吸取教训，不再会单单由一组测试来下结论。

　　当完全展开之后，JWST的18块六边形镀金拼接镜面会构成有效直径6.5米的主镜。这使得JWST的集光面积达到了HST的6倍多。通过分析获得的图像，计算机软件会控制安装在拼接镜面后面的触动器来微调主镜的整个形状。

　　通过远离任何热源以及一个网球场大小的太阳伞所提供的永久阴影，JWST及其所搭载的仪器会被动冷却到它们-233℃的工作温度。在抵达L2大约6个月之后，JWST就将开始其为期5年的科学使命。如果运气好，它的寿命可以延长到10年。

直击红外

　　1989年天文学家们便开始讨论HST的继任者，当时甚至距离HST的发射还有整整一年。到20世纪90年代中期，他们已经确定了这架空间望远镜的规格，要求它具有4米或者更大的主镜并且对红外波段进行优化。

　　那么为什么要针对比可见光波长还要更长的红外波段呢？HST已经为天文学家提供了前所未见的最年轻星系的动人影像，但它可以回溯的时间仍然有限。这些遥远的目标不仅小而暗，同时宇宙的膨胀还会拉伸并且红移它们所发出的辐射。星系的距离越远，它的红移就越大。

　　例如，一个红移为1的星系（它所发出光的频率移动了100%），它的距离将近80亿光年，我们看到的它正处于宇宙的年龄尚不足其今天137亿年一半的地方。更形象地说，从目前的宇宙遥看一个红移为1的星系就相当于一个70岁的人看到他/她30岁的样子。从这个意义上讲，在宇宙中远望就等效于时间旅行。

[图片说明]：这是用来整体测试JWST光学元件和太阳防护罩的模拟器。版权：NASA/GSFC。

　　天文学家有一个巧妙的办法可以快速地估计星系的红移。波长91纳米（1纳米=1/1,000,000,000米）的紫外光具有足够的能量可以剥离氢原子的电子。结果是，整个宇宙中散布的氢就可以吸收掉这一波长以及更短波长的辐射。因此，通过在不同的滤光片下来看同一个星系，天文学家就能借由寻找该星系在哪个波长上消失了来估计出它的红移和距离。

　　在红移3.5附近，宇宙的膨胀会把这一“星系隐去”特征推出紫外进入可见光波段。在这一距离上，类太阳恒星所发出的光则被红移到了红外波段。而到了红移7.5处，“星系隐去”特征本身就位于了红外波段。

　　深入红外波段还使得JWST特立于未来十年天文学家想建造的大型地面设备。因为从波长1.7微米（1微米=1/1,000,000米）开始所有的地面望远镜甚至是HST都会向外发出辐射。加之大气本身的辐射几乎阻断了绝大部分的红外波段，当你进入波长大于5微米的波段时，JWST比起地面上相同大小的望远镜要好上一百万倍。而JWST上的中红外设备会进一步加大这一优势，赋予它波长到28.5微米的观测灵敏度。

追寻星系

　　从2002年宇航员在HST上安装了高新巡天相机开始，天文学家已经用它和星系隐去技术测量了红移在3到6之间的大约6,000个星系。2005年，光谱测量确认了哈勃超深空区（HUDF）――HST花了11天的时间“盯”着南天相对较空的区域所拍摄的图像――中的一个隐去星系红移为6.7，对应的宇宙年龄只有8亿年。如果还是用人来形容的话，相当于一个70岁的人看到他/她4岁时的样子。

　　这一说法其实非常的恰当，因为近距星系和遥远星系相比几乎没有相似之处。在20世纪20年代，埃德温・哈勃对星系的研究发现近距星系中差不多一半是和我们银河系类似的旋涡星系。另外40%是椭圆星系，其余的10%是不规则星系或者是并合中的星系。

　　根据HST20世纪90年代的巡天观测，到红移为1时，有关的统计结果就会变得乱七八糟。在这个距离上，宇宙所包含的旋涡星系和椭圆星系不足近距的一半，而不规则星系和并合星系的数量则是近距的5倍多。HST所看到的许多最遥远的星系不仅小而且暗弱，形状上也不规则，表明我们今天所看到的星系是由大量矮星系碰撞并合而形成的。

[图片说明]：NASA戈达德航天中心洁净室的全景照片，通过网络摄像头可以观看其中身着白大褂的工作人员测试JWST部件的过程。版权：NASA/GSFC/Chris Gunn。

　　2009年天文学家使用HST的大视场照相机3把红移极限又往前推进了一步（详见《天文爱好者》2010年第8期《宇宙黎明时分的星系》）。他们在HUDF中发现了红移在7到8之间的隐去星系。此外他们还发现了几个红移可能高达10的星系。如果被证实，我们所看到这些星系正处于宇宙诞生之后不到5亿年的时期。

　　这一佐证将来自JWST，它可以探测红移到20（大爆炸之后1.8亿年）甚至更高的早期宇宙。在这个距离上，所见的宇宙就相当于70岁的人看到他/她11个月蹒跚学步时的样子。JWST在那里所发现的任何一个矮星系都是新生的。

　　JWST的另一创新是微快门，它可以使得JWST同时获得数百个星系的光谱。在JWST近红外摄谱仪中，四个邮票大小的阵列包含了近25万个微型电机快门，其中的每一个都可以由磁性开启和关闭。有了数千个星系光谱在手，天文学家就能够了解星系的类型以及化学组成随红移的变化，由此就能回答一些有关星系是如何形成的问题。

超级恒星

　　JWST还会探测遥远星系中爆发的恒星。这些超新星十分明亮，即使在遥远的距离上也能被看到。它们可以作为暗能量强有力的探测器，而暗能量则被视作是驱动宇宙加速膨胀的原因。JWST所具备的灵敏度可以观测到红移在15左右的单个超新星，不过它们可能十分罕见、难以寻找。在建的大型地面望远镜也许可以帮助JWST寻找合适的目标。

　　宇宙膨胀的另一个结果是，我们会看到高红移处的宇宙在以低速运转。例如，一颗近距超新星通常只要花几天的时间就能达到亮度峰值，然后再花几个月的时间淡去。但是一颗出现在红移为10处的超新星会花一个月的时间来达到亮度峰值，然后花数年的时间来变暗。为此你需要一个寿命较长的探测任务以及耐心。

[图片说明]：JWST上搭载的近红外摄谱仪中将使用几十万个微快门（上图），每一个可独立开启和关闭的微快门只有几根头发丝的宽度（下图）。版权：NASA。

　　天文学家相信第一代恒星具有至少100个太阳质量，所发出的光亮要超过太阳数百万倍，在爆发成为超新星之前仅能存活几百万年。虽然JWST也许能捕捉到一个这样的罕见爆发，但它却具有足够的灵敏度来定位这些恒星的聚合体。第一代恒星是否会形成星团？或者第一代恒星是否会抑制近邻的恒星形成？我们都还不知道。

　　最近有研究提出，一种新奇的恒星可能会进入JWST的视野中。这些恒星所包含的大部分是暗物质，这些神秘的物质构成了宇宙物质的大多数。

　　一些理论认为暗物质是由迄今未知的亚原子粒子所组成的，当这样的两个粒子碰撞时就会发生湮灭，释放出大量的能量。而这一暗物质粒子的相互湮灭可以为恒星演化的新阶段提供能源。

　　计算发现，这些暗物质星（简称“暗星”）的质量可以达到100,000～10,000,000个太阳质量，直径则可以达到日地距离的100倍。一旦湮灭过程耗尽了其核心的暗物质，“暗星”就会转变成一颗燃烧核燃料的普通大质量恒星。它们最终会坍缩成黑洞――也许就此形成了今天在每个大型星系中心所发现的超大质量黑洞的种子。这是一个惊人的预言，如果“暗星”真的存在，那将是非常奇妙的。

抽丝剥茧

　　在更为靠近我们的地方，JWST的红外灵敏度还将使得它能探测恒星和行星形成的多尘场所。像猎户星云这样的正在形成恒星的造星工厂都位于在尘埃云之后，虽然看上去很美，但却隐藏了其中正在发生的事情。HST已经分辨出了最终可能会形成行星的含尘星周盘，但是JWST的红外观测能力和更高的分辨率将能穿透这些尘埃茧，使得天文学家可以一窥其中的产星过程。

　　JWST上所有的成像设备都包含了星冕仪，它可以遮挡中央恒星所发出的光进而来观测其附近暗弱的天体。2004年，HST使用这一技术在可见光波段首次拍摄了亮星北落师门周围的区域。图像显示了一个围绕北落师门的尘埃环。有天文学家认为，在北落师门和这个环内边缘之间有一颗行星正在通过引力扰动这个环，并由此预言了这颗行星的位置。2008年这个小组使用HST直接拍摄到了这颗行星北落师门b。

　　JWST也许可以分辨出北落师门环中小到日地距离10倍的细节，这有可能会揭示出其他的行星。对于其他的近距盘系统，例如织女星，JWST还将做相同的事情。

　　HST和斯皮策空间望远镜都对凌星的热类木星大气进行了探测。热类木星是极为靠近其宿主恒星的太阳系外气态巨行星，它们有时候会从地球和其宿主恒星间经过，造成凌星。JWST则将发现更小的外星行星，例如围绕低温红矮星、仅几倍于地球质量的超级地球。使用星冕仪直接成像以及通过凌星对大气进行测量，JWST将成为一个外星行星巡天以及了解行星系统形成的强有力工具。

　　以上仅仅是JWST将要回答的一小部分科学问题。在发射前一年，全世界的天文学家将提交观测目标和计划。和HST的运作方式一样，一个科学小组会评估这些提案并为其中最好的安排观测时间。NASA希望天文学家们能创新性地使用这架空间望远镜。暗物质星，奇特的地外行星，新生的星系，没有人知道JWST最终会给我们带来些什么意想不到的惊喜。

（本文已刊载于《天文爱好者》杂志2011年第2期）

[Astronomy 2010年10月]

Richard A. Kerr　文　Shea　编译

为了寻找火星上的生命迹象，美国宇航局（NASA）选择了矿物丰富但却神秘的盖尔环形山作为价值25亿美元的“好奇”号火星车的着陆地点。自20世纪70年代以来，“好奇”号是NASA第一个搜寻火星上曾经宜居甚至目前仍有生命迹象的真正天体生物学任务。行星科学家们正在为这一有史以来最具有科学能力的火星车重返火星而感到兴奋，但许多人也在为它发愁。他们担心NASA正在把“好奇”号送往一个被地质学谜题所包围的地点。

美国的行星科学界在着陆地点的选择中扮演了核心的角色。通过一次次的研讨会和投票，60个候选着陆地点缩减成了1个（参见《为火星探测寻找最佳着陆地点》和《下一代火星车在哪着陆？》）。但是到2011年春，开放和认同走到了尽头。许多的参与者以他们的专长固守自己的最爱。面对巨大的分歧，“好奇”号的头头脑脑们决定不再靠公开投票来决定究竟哪个着陆地点值得花这25亿美元。

[图片说明]：“好奇”号火星车在火星上工作的概念图。版权：NASA/JPL-Caltech。

相反，一个由“好奇”号最高层主管和科学家组成的小组进行了闭门会商。他们意见一致地向NASA主管科学任务的副局长爱德华・韦勒（Edward Weiler）推荐了盖尔环形山。2011年7月下旬，韦勒最终决定把“好奇”号送往那里。盖尔环形山直径155千米，其中包含了5,000米高的沉积堆。每个人都同意这个沉积堆在地质学上很吸引人，但没有人知道它是如何形成的。很显然它拥有各种各样的水蚀矿物，但它们是如何到那里的仍不清楚。盖尔环形山的诸多古怪和神秘令许多行星科学家充满了形形色色的不安。

但是一些科学家认为盖尔环形山的地质学和矿物学多样性会是一个加分点。一旦“好奇”号抵达盖尔环形山，他们虽然不知道故事会如何展开，但一定会有很多内容可供阅读。

漫漫长路

行星科学家们长期以来就一直关注着盖尔环形山。十年前它就是受青睐的火星车探测目标，因为它有一个层状沉积堆。它的最底层可能是在火星早期盖尔环形山中拥有一个湖泊时形成的。早期有水存在――生命的必要条件――以及由层状沉积给出的清晰地质记录使得盖尔环形山成为了2003年发射的“勇气”号和“机遇”号火星车着陆地点的领跑者。

不过，在这场更早的角逐中，盖尔环形山和火星车的工程限制相冲突。任务工程师们只能保证火星车着陆在火星表面一个100千米长的窄着陆椭圆中。对于盖尔环形山而言，这个着陆椭圆超过了它的山壁，使得它退出了竞争。于是，NASA在科学家们的建议下把“勇气”号送往了被认为是古代湖床的古谢夫环形山，结果那里却是一直极为干燥的、在天体生物学上乏味的熔岩地带。

多亏了一些新兴技术，盖尔环形山来了一次绝地反击。工程师们已经精调运送“好奇”号的载具，而不再是像子弹一样冲入火星大气。这一进步最终使得“好奇”号的着陆椭圆缩小到21千米长、14千米宽，为它在盖尔环形山山壁和沉积堆之间的环形山底着陆提供了充足的空间。

[图片说明]：盖尔环形山以及“好奇”号的打算着陆的地点（椭圆形内）。版权：NASA/JPL-Caltech/ASU/UA。

在盖尔环形山被选中后，行星科学家们更加审慎地对它进行了勘测。在2006年6月召开的第一次着陆地点选择公开研讨会上，盖尔环形山就被贴上了至今都尚未被撼动的“神秘”标签。即便是它的拥护者也对它有不少的疑虑。于是有科学家表示，这是只此一次、价值几十亿美元的任务，但对于它将被送往的目的地是如何形成的却有着严重的问题。

能够在盖尔环形山中形成层状沉积堆的机制在火星早期很普遍。没有人确切知道它是在对生命有利的湖泊中冲刷形成的，或者只不过是尘埃、火山灰、撞击残骸在一个干燥而杳无生息的环形山中的堆积。

因此，未知的诱惑和普遍存在的现象使得盖尔环形山在第一份由举手投票给出的着陆地点排行榜上名列第六。但是在头五名中有三个环形山显露出了更为清晰的曾经拥有湖泊的迹象。例如，埃伯斯沃尔德环形山具有一个令人惊奇的和地球类似的三角洲，那里曾经有水流入并出现沉积，是唯长期有湖才能形成的特征。

早些时候，盖尔环形山还牵扯进了另一场争议。在着陆地点研讨会上，地质学家提出地形学是过去宜居环境的指示器，而光谱学家则强调水蚀矿物的重要性，它们可以通过其特有的光谱颜色而被找到。科学家们注意到，即便埃伯斯沃尔德环形山拥有湖泊，其存在的时间也只有几万年。而另一方面，像莫尔斯山谷这样的地点其古代地壳岩石中富含粘土，暗示那里的岩石在水中浸泡了数百万年。这对于生命而言显然更具有吸引力。由此莫尔斯山谷排名第四，而另一个粘土地点则荣登榜首。

华美的救赎

地质学和光谱学的争论一直延续到了第二次以及第三次着陆地点选择研讨会上。但在那个时候盖尔环形山和这些其他的环形山已经出了名。火星快车探测器上的分光仪首次在莫尔斯山谷这样的地点发现了水蚀矿物的信号，它们50%以上的表面为粘土覆盖。但之后NASA火星勘测轨道飞行器上空间分辨率更高的分光仪则发现在这些公认的环形山湖泊中粘土的丰度并没那么高。

在2008年9月召开的第三次研讨会上，新的光谱数据把具有层状沉积的环形山地点推进了前三甲，而埃伯斯沃尔德环形山则以标志性的三角洲位列第一。莫尔斯山谷和尼利・福萨凹槽紧随其后。地质学家对于它们的形成和演化仍然知之甚少，天体生物学家则认为古代河床和三角洲要远比地壳深处更有可能拥有古代火星生物留下的有机残骸。

[图片说明]：实验室中的“好奇”号火星车。版权：NASA/JPL-Caltech。

快刀斩乱麻

在第三次研讨会之后，“好奇”号任务的领导者遇到了一个问题。在科学家眼中着陆地点已经成为了苹果或者橙子。在任何的选择过程中，吃苹果的人很难和吃橙子的成为一路人。由于投票是对所有科学家开放的，举手投票并不特别具有代表性。因此“好奇”号的项目科学家希望投票进入淘汰环节，而不是仅仅列出每个地点的赞成和反对票。

但是在第四、五次研讨会之后情况依然如此，于是按照计划后续的讨论转成了由50或者60个“好奇”号团队成员参加的闭门会议。埃伯斯沃尔德环形山和盖尔环形山基本势均力敌。而在最终的四个地点中排名第三的霍尔登环形山因没有三角洲而无法证明它曾经拥有湖泊。对莫尔斯山谷所知甚少且缺乏地质学上的多样性，科学家们担心它会重蹈“机遇”号着陆点本初子午线平原的覆辙。另外，它还严重地受到了附近撞击事件的影响。科学家们害怕即便火星车去了那里也很难还原它的历史和全貌。

于是，对于“好奇”号的项目科学家、任务主管以及9个首席科学家而言，只剩下了埃伯斯沃尔德环形山和盖尔环形山。探测它们中的任何一个都是让人兴奋不已的，但最终盖尔环形山因其地质学和矿物学上的多样性而胜出。虽然埃伯斯沃尔德环形山拥有三角洲，但那也是它唯一拥有的东西。

与之形成对比的是，在盖尔环形山的沉积堆中其不同的矿物层至少记录下了火星上三种不同环境的来去演变。它的最上层保留下了在过去的几十亿年里火星最近一次转入干燥气候的信息。它虽然不如三角洲那么直接，也不清楚其确切的历史，但却一定值得慢慢地细细品味。

（本文已刊载于《太空探索》杂志2011年第11期）

[Science 2011年7月29日]

1月24日，瑞典、芬兰、挪威、冰岛等地的夜空被绚丽的绿光照亮，这是一天前太阳大规模爆发时喷出的带电粒子正面袭击地球而产生的极光现象。2012年，随着太阳活动渐入佳境，舞动的极光会越来越频繁地出现在中高纬度地区，你准备好去亲眼看看这美丽的极光了吗？

【太阳大规模爆发时,这一天在世界各地拍下的极光照片。上图拍摄地点分别为挪威Kvaløya,芬兰Muonio和瑞典Abisko国家公园 图/spaceweather.com】

极光是什么？

来自太阳或地球磁层的高能带电粒子在地球磁场的引导下，从地球南北两极的高纬度地区闯入高层大气，导致大气中的分子或原子受到激发而电离发光，明亮时宛如光幕在夜空中舞动，蔚为壮观——这样的现象就被称为极光。

那么，如何才能够看到极光呢？简单来说就三条：1、必须处在一个较高的磁纬；2、地磁活动足够强；3、天气足够晴朗。

到哪里看极光？

极光的形成与地球磁场关系更大，因此在选择观赏极光的地区时，我们考虑的应该是磁纬，而不是一般意义上说的地理纬度。

地球的磁极和地理的南北极并不重合。目前，位于地球北半球的南磁极处在加拿大北部，位于南半球的北磁极也并不在南极点上。由此造成的结果就是，极光圈并不是以地理极点为圆心的同心圆，而是“歪着的”。对于相同的地理纬度来说，加拿大和美国等地的磁纬要比我们亚洲地区的磁纬更高一些。

毫无疑问，前往磁纬较高的地方可以有效提高看到极光的概率。就我国而言，当然是越靠北越容易看到极光。漠河确实是最容易看到极光的地区。

【我国部分城市和地区的磁纬】

然而，磁纬并不是越高越好的。和大部分人直觉相反，磁极附近反而看不到极光，这是因为极光总是在一定磁纬（大约67度）以下才会比较明显；磁纬67度以上地区虽然也有极光，但亮度较低，也就不易被肉眼觉察到。

可以说，磁纬60-65度的地方，极光最为常见。这样的地方包括：阿拉斯加中北部以及邻近的加拿大本土北部、格陵兰岛南部、冰岛以及俄罗斯北冰洋沿岸地区。

【欧洲、北美洲和南半球高磁纬地区几座主要城市的磁纬】

地磁活动与可见极光的范围

对于磁纬较低的地区来说，极光是难得一见的，有机会“看到”极光就已经很新鲜了。而对于磁纬在60-65度之间的地方来说，极光又显得太平常了，只要天气晴朗和足够黑暗，就能够看到极光。然而，那里平常出现的极光，并不像我们在照片上看到的那样变幻多端。真正能够像光幕一样在天空中舞动的明亮极光，只有在地磁活动较强时才可能出现。

地磁活动主要与太阳活动有关。目前，太阳活动正逐渐活跃，预计到2013年达到活动峰值，因此可以预计，未来两年内明亮的极光出现的频率会比较高，但具体到某年某月，有没有什么指标可以定义极光活动的强度呢？确实是有的，K指数和Kp指数就是其中之一。

K指数是单个地磁台用来描述每日每个3小时内的地磁扰动强度的指数，称为三小时指数或磁情指数。这是一种定量的分级指数，从0到9共分10级，数字越大表示地磁扰动越强。Kp指数则是地球总体的地磁活动水平，通常是由若干地磁台的K指数平均值估计出来的。

通常来说，Kp指数越强，代表着极光的可见范围越大。比如说，与北京同纬度的纽约，只要在Kp指数达到7的时候，就可能看到极光。由于上文介绍的“偏心”效应，北京在Kp指数达到9时也未必能看见极光。

【Kp值与欧亚地区的对应关系 图/noaa.gov】

（其他可见极光地区与Kp值的对应关系，请戳 北美地区 、 南北和太平洋东部地区 、 非洲、印度洋及大洋洲地区 ）

根据上面的对照表，如果在Kp指数大于7的时候去漠河，是不是就一定能看到极光呢？现有的科学水平可以让我们知道在未来一段时间内是否会发生地磁暴，但地磁暴到达某一级别的精确时间以及持续时长仍然是预报难题。如果你去到漠河的时候极光活动已经回落，那便不一定能看到极光。总之，“追极光”一定程度上要靠运气。

当然，大规模的极光活动与日冕物质抛射这种太阳活动是相关的。一般日冕物质抛射会首先被卫星观察到，而抛射物一般需要一两天的时间才能到达地球，因此大规模的极光活动是可以预报。（编者注：您可以关注本文作者个人网站上的 极光监测与预报页面 ，这一页面综合了各处的观测及预报信息。）

此外，到高磁纬地区欣赏极光应该尽量选择秋冬季节前往。这倒不是因为极光出现频率的问题，而是因为高磁纬地区夏季的极昼现象会影响对极光的观察，毕竟大多数极光还没有明亮到在大白天也能看到的程度。冬季长夜漫漫，会有更多的时间来守候美丽极光的出现。

机会总是留给有准备的人，提前安排行程，时刻关注太阳和地磁活动的预报，一旦时机成熟，抓起行囊出发吧！想在绚丽极光下星空漫步的朋友，心动不如行动喔！

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原文发表于 果壳网 自然控主题站 2012极光变频繁？请备上观光指南！