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太阳系的未解之谜 太阳为什么有磁性

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发表于 2016-10-19 22:05:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
 太阳系是我们人类诞生的星系,至今为止,人类发射的探测器据说是已经飞出太阳系边缘了,我们不断探索太阳系的秘密,揭开太阳系的未解之谜,但是人们往往都只能待在地球表面过着平凡的生活,何时我们才能飞出太阳系,走向深空呢? 我们对太阳系已经有很多了解,但实际上却有更多的不了解。


  太阳系其他地方有生命吗?


  为什么生命会在地球上兴旺?有一个简单“配方”:找一个岩石世界,给它加点水,再把它放进太阳周围的可居住地带(那里距离太阳不太远也不太近,因此那里的天体上不太冷也不太热,从而天体表面存在液态水,也就可能支持生命存在或居住)。

太阳系的五大未解之谜 太阳为什么有磁性

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  正是这些温和的条件保持着液态水在地球上的存在,所以我们假定这些也是生命出现的先决条件,而这看来还有助于解释:为什么我们一直未能在太阳系其他地方发现生命?然而,如果“可居住地带”理论只是天方夜谭,那么会怎样呢?

  先来看火星。液态水看来很可能曾经在火星上流动,甚至有间接证据(上图)表明今天的火星上依然存在液态水。在布满岩石的火星表面,美国宇航局的“好奇号”火星车发现了疑似被盐水冲刷出的水道和沟槽。或许,我们对此不应该很惊讶――常规计算结果,把火星放进了太阳系可居住地带的外沿。这是否意味着火星上曾经有过生命,或者至今仍有生命存在?这依然悬而未决。
  不过,最近我们发现了一些证据:在一些不应该有水的地方,反而水波荡漾。

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我们一直猜测,木星的卫星欧罗巴(木卫二)拥有地下海洋。而哈勃空间望远镜2015年证实,在木星的另一颗卫星――加尼美得(木卫三)的冰地壳下面,隐藏着一个盐水海洋。而且,过去10年来一直在环绕土星的美国宇航局“卡西尼号”空间探测器,也发现了土星的多颗冰冻卫星地下存在海洋的迹象,其中包括米玛斯(土卫一)和恩克拉多斯(土卫二)。“卡西尼号”甚至在2015年10月穿越了距离恩克拉多斯南极仅50千米的一条羽流,目的是检测是否存在微量氢。在地球上,氢是地热喷口的一个主要标志。目前,科学家仍在等待对这次探测的分析结果。

  “卡西尼号”在恩克拉多斯羽流中的发现,对于可居住地带理论有些颠覆:这种羽流中包含二氧化硅。而要得到二氧化硅,唯一的途径是:让几乎达到沸点的液态水,与岩石在极高温度下接触。这进一步表明,恩克拉多斯地热活跃,它的地下海洋底部很可能存在地热喷口。如果的确如此,那就太诱人了。许多科学家相信,生命始于地球上的类似环境。如此看来,在太阳系中我们认为不可能存在生命的一些地方,其实有可能存在生命。

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  是什么力量在加热这些“冰球”(冰卫星)的内部?以恩克拉多斯为例。在另一颗土卫――狄俄涅(土卫四)环绕土星一圈的时间里,恩克拉多斯正好环绕土星两圈。在它们的轨道中,这两颗土卫时而在相同位置相互靠近,这增加了对恩克拉多斯内核的引力挤压,从而加热了恩克拉多斯内核。
  这种类型的“潮汐加热”,在太阳系和太阳系以外可能都很常见,其意义之重大不言而喻,尤其是对在其他恒星-行星系统中寻找生命来说更是如此。在这些系统中,多颗行星的大气层中被探测到了水。
  如此看来,可居住地带理论完全有可能不再说得通。反而,我们或许应该认为可居住世界更像是水果蛋糕中的葡萄干――它们(葡萄干也好,可居住天体也好)可能随机浮现于任何地方。

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  太阳为什么有磁性?


  1859年9月2日,从一次太阳大爆发中发出的极大量物质和磁力袭击地球。极光点亮2/3的地球天空。指南针乱跳。随着幽灵电流在整个电线网络中喘振(也称浪涌),全球电报系统陷入瘫痪。
  这一现象被称为太阳风暴,也称“卡灵顿事件”,因为英国天文爱好者卡灵顿观测了这次太阳风暴。对当时大多数人来说,这次太阳爆发不过是一场壮观的彩光秀。但要是如此大规模的太阳风暴发生在今天,那就必将是一场大灾难,这是由于我们对电磁技术的依赖。人造卫星可能被烧毁,卫星通信和定位系统随之被毁,变压器可能被烧毁,多个国家将发生大面积停电,公共运输将中止。美国国家科学院2008年估计,仅仅一次卡灵顿事件就会对美国造成2万亿美元的经济损失。

  从那时起,多国开始密切关注太空天气。要想让我们免遭太阳风暴重创,关键是要弄清复杂多变的太阳磁场。从可见光来看,太阳似乎一成不变。但通过紫外光观察,不同的画面立即浮现:在几天、几周、几月或几年时间里,太阳表面的黑暗区域――冕洞来来去去。这些“洞洞”的直径可达地球直径的50倍。
  太阳磁场正是从冕洞延伸到太阳系中的。由冕洞释放的、来自太阳大气层――日冕的气体,成为了太阳风。麻烦是,我们无法预测冕洞何时出现在何处,以及何时爆发。简言之,我们不了解太阳的磁周期怎样运作。

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  我们已经知道的是,太阳大约11年爆发一次(但爆发的大小程度不同),目前我们处在太阳爆发的下降阶段。不过,我们知道的仅此而已。除了对炽热等离子体翻卷的一些模糊猜测外,太阳究竟怎样产生磁性依然是一大奥秘。欧洲空间局的“太阳轨道器”可能将打破僵局。如果能按计划在2018年成功发射升空,“太阳轨道器”就会飞到太阳附近,比水星距离太阳还近。“太阳轨道器”将搭载包括磁强计在内的10种探测仪器,对太阳进行前所未有的详尽探测。它将测量与冕洞有关的磁场。要想破解太阳的“磁场发电机”之谜,帮助现代文明免遭1859年那样的太阳强风暴,“太阳轨道器”很可能将成为一个关键。


  金星究竟怎么了?


  金星有时候被称为地球的孪生兄弟,这仅从大小而言,但这两者实际上差别很大。早期人们以为金星有海洋,还可能有生命。这种猜测并非全无道理:金星与地球大小相仿,组成相似,得到的阳光总量也差不多。从理论上说,金星也处在太阳系可居住地带以内。那么,金星为什么会沦为一颗“地狱行星”――表面温度为什么会高得那么“离谱”?

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  我们还不完全清楚这个问题的答案。这看似奇怪,毕竟从太空探测时代开始,我们已经发射了许多艘金星探测器。然而,我们在窥探金星方面的种种尝试,全部被不透明的金星硫酸云挫败――早期的金星探测器无法穿透这些云。在我们发射的金星表面登陆探测器中,只有不到一半在这趟征途中活下来,其余的则都因金星大气层产生的高压而崩溃。少数几个幸存者也没能坚持多久,它们对金星的所有探测结果加起来,甚至还不如地球上的望远镜一天之内对金星的探测结果多。

  这些金星登陆器,向我们揭示了一个暗淡、荒凉的金星表面。硫酸雨无时无刻不在击打这片荒原,黏糊糊的风无时无刻不在扫荡这片废土。金星上的风速由时间决定――黎明和黄昏时分风速快,超高温下的白天则风速慢。就算令人窒息、大部分由二氧化碳组成的金星云杀不死你,金星表面的超高温――能熔化铅的460℃,也肯定会要你命。
  这些恐怖场景,对金星的困境给出了标准解释:金星距离太阳过于近了那么一点。这导致金星表面原有过的任何水,都被蒸发进了很稠密、捕捉了很多热量的金星大气层,造成失控的温室效应和今天金星地狱一般的环境。

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  可是,欧空局“金星快车”飞行器对金星的观测结果,却对上述理论提出了质疑。
  2007年,“金星快车”发现金星上空有氢和氧离子,它们是行星水的遗存。肇因是太阳风――太阳发出的带电粒子流。太阳风经常直接穿透对它来说微不足道的金星磁场,由此激发的等离子体爆发把金星大气层大块大块地撕掉。

  在这种经常性的攻击下,金星怎么可能维持大气层的存在,更不要说如此稠密的大气层了!一种推测是,要为金星大气层“负责”的,很可能是由金星表面火山释放的硫和二氧化碳。然而,我们至今未在金星表面发现活跃的火山活动。但有关金星表面存在活跃火山活动的证据正在不断堆积。“金星快车”发现,大约80%的金星表面都覆盖了火山岩屑流,其中一些岩屑流的年龄只有几万年(从天文学意义上说,这算是很年轻或最近的)。

  对金星过去的更多了解,有助于我们在其他恒星周围寻找类似地球世界的过程中,排除像金星那样没希望的目标。我们或许还将查明,地球是否也将面临像金星那样的厄运。有一种理论认为,大约20亿年后,随着太阳衰老和逐渐升温,地球气候将变得像金星一样。不过,就算真的这样,20亿年也太过久远,我们完全不必杞人忧天。

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  但一些过于未雨绸缪的人担忧:如果上述理论是错的,如果地球现在就处在可居住地带边缘(言下之意是,地球可能会移出可居住地带),而不是像大多数人以为的那样正好处在可居住地带中间;如果某些未知变量在相对短期内就会让地球面临很大的危机,那该怎么办?有人说,一颗类地行星上的水全部流失到太空的可能性是存在的。不过,这毕竟只是猜测,而且是未经证实、颇为耸人听闻的猜测。但诸如此类的问题,已经促成一系列重返金星的计划。人们希望查明,金星是否早就注定会变成一颗不支持生命的“废星”?

  但就算在今天,有一个问题仍然悬而未决。在金星如炼狱一般的表面上空70千米处,天气堪称和煦,阳光和水分充足,气温气压与地球相似。因此,有人推测那里可能有生命(例如微生物)。但真的这样吗?要想得到答案,就需要某种大气层船艇。美国一家航天巨头公司已在设计自动膨胀型太空飞机,它将在金星大气层中上下巡游一年时间,嗅探生命迹象。美国宇航局喷气动力实验室则有一个更具野心的设想:用一种震荡式飞艇,把科学家送至金星大气层中,由此还可完成测试火星任务。
  总而言之,金星和地球或许算不上孪生兄弟,但它们之间真的还是有太多相似之处。

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  土星内部是什么?


  在五彩缤纷的云环下面,土星是一个谜团。我们对众多土星卫星(简称土卫)的了解,比我们对土星这颗巨行星本身的了解还多。有关土星内部情况的一些耐人寻味的线索,实际上加深了“土星内部是怎样的”这个奥秘。

  位于土星环中的引力指纹,表明有土星直径那么宽的飓风海啸在土星赤道冲刺,从而暗示了令人惊讶的土星内部结构――位于土星表面下数千千米处的巨大液态漩涡,以及一个被深埋在土星中央的光球(或许是由更奇异物质组成的球)。

  1980年,美国宇航局第一艘“旅行者号”飞行器发现土星环中翻动着螺旋波,它们就像漩涡星系的悬臂。这些大多由土卫们的引力造成的螺旋波,多数向外辐射,但也有一些向内辐射。科学家推测,向内辐射的螺旋波是土星内部震荡的结果。根据传统理论,土星是一个均衡的液态球,是由氢和氦组成的均匀混合体。理论上,这样的混合体可能震荡,形成在赤道附近冲刺的波。这些全球波中之一的波谷和波峰的引力起伏,就可能足以形成土星环上方的螺旋波。

  然而,基于“旅行者号”获得的有限的探测数据,没有人能够确定上述传统理论是否正确。于是,一些科学家开始研究“卡西尼号”自2004年以来采集的土星系统数据。他们在土星内环中发现了多种螺旋波,从而支持了传统理论的基本理念:巨大的波确实在绕着土星冲刺。可是,别的现象用传统理论就解释不通了。   按照传统理论,如果土星只是一个简单的液态球,那么每条波的波速就应该由波峰数量固定。三峰波的传播速度会比双峰波慢,以此类推。科学家以为能看到各种类型的螺旋波个例,其中每一种螺旋波都以特有的速度冲刺。然而,他们发现的三种不同的三臂波,都以仅仅略微不同的速度穿行。此外,他们还发现了两种不同的双臂波。这让他们感觉很奇怪。

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  最简单的解释,就是土星有一个很大的固态内核,它以自己的方式震荡,扰动上方的液体波。虽然这符合有关行星形成的传统理论,但需要某些微调才能产生这些特异波。也有科学家提出另一种解释,即在土星的一个层次中,氢-氦混合物的行为不同。在某个时点,氢分子和氦分子应该分解成独立的原子,这会让氢-氦混合物相对透明,从而产生一个振动方式特异的发光球。如果真是这样,螺旋波就可能告诉我们在这些压力下的物质发生了什么情况。但使用现有的计算机,是无法模拟这些情况的。

  最奇怪的是,一些螺旋波以与土星自转速度几乎相同的速度绕行。一种解释是,土星上存在永久性的山峰和山谷。但如果土星是液态的,那就相当于发现了固定在海面上的山。除非物理定律在土星上被推翻,否则固定在海面上的山就不是一个合理的解释。科学家还发现土星外环中存在扰动,他们对此提出的带有推测性的解释是:土星内部存在巨大漩涡,那里的密度低于周围液体,施加的引力也要小些。这会在土星引力场中造成凹陷,从而能解释那些令人困惑的螺旋波。科学家正在创建模型来模拟土星内部情况,由此查明这种解释是否合理。

  “卡西尼号”任务将在2017年结束。届时,这艘飞行器将潜入土星。不幸的是,根本等不到探索土星奇迹,“卡西尼号”就会被烧毁。但是,在此途中这艘飞行器将近距离环绕土星6次,由此可能将告诉我们有关土星引力的更多信息。如果运气好的话,这还可能有助于揭示这颗巨行星的内部状况。


  彗星怎样分裂又合并?


  对一些彗星来说,解体并非难事。科学家2016年6月宣布,他们的新研究表明,一些周期性彗星(在不到200年里就环绕太阳一圈的彗星)或许会经常性一分为二,接着又在路途中重新合二为一。事实上,对彗星演化历程来说,这可能是一种重复过程。

  科学家这次研究了多颗彗星,重点是一颗呈橡皮鸭形状的彗星――67P/丘留莫夫-格拉西梅,简称67P。探测器拍摄的67P图像显示,这颗彗星有两道裂缝,其中每一道的长度都大于100米。这两道裂缝位于彗星颈部。

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  为了重建67P的过往历史,科学家采用了数学模型。在这些模型中,67P的自旋速率被从现在的大约每12小时一圈加速到每7~9小时一圈。模型显示,自旋速率的增加会引起更大压力,形成两道与67P颈部裂痕相似的裂痕,并且就连裂痕位置也一样。正因为这样的自旋分析准确预测了这些裂痕的位置,所以科学家现在对一些彗星可能怎样随时间推移而演化有了新的认识。
  经常被称为“脏雪球”的彗星,是由冰、岩石和尘埃组成的。67P是双裂片彗星,即它的两大部分由细颈部连接。科学家推测,有多个因素可能引起彗核自旋加快。例如,在近距离经过太阳或木星期间,像67P这样的彗星可能会被太阳或木星的引力扭转,导致彗星要么向上自旋,要么向下自旋。自旋还可能受周期性彗星的“放气”影响。所谓“放气”,是指像二氧化碳和氨之类的含冰化合物从冰冻状态直接转化成气态,并且从彗星表面逃逸。

  数学模型的运转显示,如果67P的自旋被增加到每一圈不到7小时,彗星头部就会突然脱离。但彗星头部和躯体并不会彼此真正分离,而是开始相互环绕。几周、几天甚至仅仅几小时后,它们就会在一次缓慢地碰撞中合在一起,产生一个新的彗核架构。在彗星的整个生命周期里,这个模式可能会不断重演。

  双裂片彗星可能并非罕见。在被天文学家高像素拍摄的7颗彗星中,包括67P和哈雷彗星在内的5颗都是双裂片的。科学家对双裂片彗星的研究表明,它们的双裂片体积比率都很相近,这意味着它们很可能都经历过和67P一样的分裂―合并周期。

  67P是在1969年被发现的。欧空局的“罗塞塔”飞行器2014年造访过它。67P有一侧的宽度是大约4千米,它每6.5年环绕太阳一圈。科学家发现,受放气事件及近距离经过木星时被改变轨道影响,67P的自旋速率会狂乱变化。

  为了了解彗星-太阳互动会怎样影响67P自旋周期在过去的演化,科学家对67P进行了100次“克隆”,它们分别代表回溯到5000年前、处于不同状况下的67P。之所以选择5000年,是因为它是像67P这样的“木星家族彗星”的大约寿命。这些彗星的轨道不仅受太阳引力影响,也受太阳系中最大的行星――气态巨行星木星的引力牵制。
  像67P这样的周期性彗星,被认为发源于柯伊伯带。所谓的柯伊伯带,是指位于海王星轨道外的一片巨大区域,那里是数十亿颗彗星及含冰卫星的家园。科学家猜测,双裂片彗星的重复分裂-合并,可能导致它们中的一部分被剥蚀过于严重,所以这些彗星无法在40亿年前前往内太阳系的征程中存活下来,因为在当时的太阳系中,由小行星、卫星和原行星发起的碰撞司空见惯。

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