我們在日出或日落時(shí)所看到的輝光其實(shí)是宇宙塵埃引起的效果。幾十年來，天文學(xué)家一直認(rèn)為這些塵埃來自小行星，但現(xiàn)在他們不那么確定了。
一開始，丹麥技術(shù)大學(xué)的約翰?雷夫?約根森并沒有想要徹底改變科學(xué)界對宇宙塵埃的理解。事實(shí)上，這位天體物理學(xué)家甚至沒想著尋找這些塵埃。2011 年，他說服美國國家航空航天局（NASA）的合作者為朱諾號（Juno）探測器添加第 4 個(gè)攝像頭，希望以此來統(tǒng)計(jì)那些因體積太小而無法被望遠(yuǎn)鏡探測到的小行星的數(shù)量。
▲ 朱諾號木星探測器
朱諾號是圍繞木星運(yùn)轉(zhuǎn)的太空探測器，于 2011 年 8 月 5 日發(fā)射，預(yù)計(jì)將于 2021 年至 2022 年結(jié)束觀測任務(wù)，以受控方式墜入木星大氣層。令約根森意外的是，朱諾號相機(jī)所探測到的顆粒要比小行星塵埃小得多，只有不到 80 微米寬，甚至比人類頭發(fā)的直徑還小。更奇怪的是這些塵埃的起源。這些微小的顆粒似乎來自火星，這與我們對宇宙塵埃的了解大相徑庭。
通常而言，思考模式的轉(zhuǎn)換是一種顯著的轉(zhuǎn)變，但有時(shí)，這種轉(zhuǎn)換開始于像灰塵一樣微小的東西。如果約根森和他的研究團(tuán)隊(duì)是正確的，他們的發(fā)現(xiàn)可能就會(huì)顛覆我們對太陽系的理解。但首先，他們必須弄清楚四十年來各種相互矛盾的研究結(jié)果，并面對許多專家的質(zhì)疑，其中一位便是皇后樂隊(duì)的首席吉他手布萊恩?梅，后者曾在 2007 年提交了一份與這些塵埃有關(guān)的博士論文。
事實(shí)上，你可能無意中已經(jīng)見過了這些塵埃，或者至少見過它們所產(chǎn)生的效果：日出前或日落后，地平線上會(huì)發(fā)散出奇特的圓錐形光芒。
波斯詩人、天文學(xué)家奧馬爾?海亞姆在 1132 年的《魯拜集》（Rubaiyat）中曾提及所謂的“假黎明”，可能就是指這種現(xiàn)象，但其更恰當(dāng)?shù)姆Q呼應(yīng)該是“黃道光”。到了 20 世紀(jì) 80 年代，科學(xué)家借助能夠測量紅外輻射的衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，這些光來自于圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的帶狀粒子。他們認(rèn)為，這些粒子可能來自小行星，是它們在進(jìn)入內(nèi)太陽系時(shí)所釋放出的塵埃?！靶l(wèi)星揭示了黃道塵云的結(jié)構(gòu)，”美國佛羅里達(dá)大學(xué)的天文學(xué)家斯坦利?德莫特說，“模型顯示，它們與小行星之間的碰撞有關(guān)?！?span id="odvonjz" class="accentTextColor"> 德莫特是最早提出黃道塵埃帶起源于小行星的科學(xué)家之一。
最近的研究填補(bǔ)了該理論的其他空白，包括彗星的貢獻(xiàn)，但與此同時(shí)，這些研究也鞏固了一種解釋，即這些天體將塵埃帶入了內(nèi)太陽系。約根森教授表示，他的研究團(tuán)隊(duì)很意外地顛覆了這種解釋，“這完全是偶然的，我們原本在尋找別的東西”。
在尋找更小的小行星的過程中，約根森的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了朱諾號四臺(tái)跟蹤相機(jī)中的一臺(tái)，可以拍攝任何出現(xiàn)在多個(gè)圖像中的天體，并追蹤其速度。當(dāng)朱諾號在火星附近飛行時(shí)，這臺(tái)相機(jī)啟動(dòng)；之后朱諾號再次飛近地球，以獲得逃離地球引力所需的速度，這種操作被稱為“引力助推”或“引力彈弓效應(yīng)”。然后，在飛往木星的途中，朱諾號再次經(jīng)過火星?！拔覀儗鹦呛偷厍蛑g的區(qū)域進(jìn)行了兩次測量，”約根森說，“這些測量一直持續(xù)到木星。這是我們第一次能夠進(jìn)行這樣的測量?！?/p>
在最初的三個(gè)星期里，當(dāng)探測器穿過研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)會(huì)看到小行星的區(qū)域時(shí)，卻什么也沒有發(fā)現(xiàn)。然后，突然之間，出現(xiàn)了很多東西。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于今年 3 月份的《地球物理研究雜志》（Journal of Geophysical Research）。隨后，約根森在 NASA 的一份聲明中將該發(fā)現(xiàn)描述為就像“有人在窗外抖動(dòng)沾滿灰塵的桌布”。
過了一段時(shí)間之后，研究人員才明白自己看到的是什么；約根森甚至一度擔(dān)心相機(jī)拍到的條紋是燃料泄漏的跡象。然而，當(dāng)計(jì)算出這些物體的大小和速度后，他們發(fā)現(xiàn)了更令人吃驚的事情：這些物體其實(shí)是朱諾號太陽能電池板的微小碎片，是受到塵埃顆粒高速撞擊（每小時(shí) 1.6 萬公里）后“釋放”出來的。這些塵埃粒子的速度和大小都與構(gòu)成黃道帶的塵埃相對應(yīng)。由于塵埃粒子的移動(dòng)速度極快（每秒 5 到 40 公里），幾乎不可能被相機(jī)捕捉到，因此研究人員通過它們所呈現(xiàn)的沖擊力來進(jìn)行測量；從太陽能電池板上掉落的碎片移動(dòng)得較慢，因此更容易成像。
研究人員并沒有在地球附近發(fā)現(xiàn)塵埃，而當(dāng)朱諾號進(jìn)入木星的引力場時(shí)，這些粒子再次消失了。只有當(dāng)朱諾號靠近火星時(shí)，塵埃顆粒才多起來。這些塵埃接近圓形的軌道模式也與火星軌道非常吻合?！捌鸪酰覀儗ψ约旱臄?shù)據(jù)持懷疑態(tài)度，”約根森說，“但無論我們?nèi)绾无D(zhuǎn)換，我們都找不到其他選項(xiàng)，只能認(rèn)為這些塵?？隙▉碜曰鹦窍到y(tǒng)?！?/p>
這一發(fā)現(xiàn)意義重大，部分原因在于這是科學(xué)家首次能夠測量這些塵埃顆粒在太空中的分布。與朱諾號巨大的太陽能電池板相比，目前專門的塵埃收集器在尺寸上十分有限，因此對稀疏的顆粒集合不夠敏感，它們通常統(tǒng)計(jì)的是更豐富、更小的星際塵埃顆粒，而不是朱諾號探測到的行星際顆粒。該發(fā)現(xiàn)也可能改變科學(xué)界對黃道光來源的共識。約根森的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型來預(yù)測這片塵云所反射的光線。NASA 戈達(dá)德太空飛行中心的磁力計(jì)研究員杰克?康納尼是約根森這項(xiàng)研究的共同作者，他表示，這個(gè)模型提供了“一種確定性的證據(jù)，即我們確切地知道這些顆粒在太陽系中是如何運(yùn)行的，以及它們起源于何處?！?/p>
無可否認(rèn)，仍有一些重大問題尚未得到解決。正如約根森及其合著者所指出的，最主要的一個(gè)問題是：宇宙塵埃究竟是如何到達(dá)那里的？眾所周知，火星是一個(gè)塵土飛揚(yáng)的星球，塵暴也十分常見，但這些塵土必須擺脫火星引力才能完全離開火星，科學(xué)家還沒有確定這種情況發(fā)生的確切機(jī)制。研究作者推測，這些塵埃顆粒很可能來自火星的兩顆衛(wèi)星，因?yàn)樗鼈兊囊^弱。
不過，許多太空塵埃專家仍然不認(rèn)同約根森的塵埃假說，其中就有布萊恩?梅，他在 20 世紀(jì) 70 年代開始研究這一課題，但此時(shí)他也成為了皇后樂隊(duì)的吉他手，作為天體物理學(xué)家的職業(yè)生涯被打斷。布賴恩?梅在 2007 年回歸天體物理學(xué)研究，在攻讀博士學(xué)位期間專注于黃道帶塵埃顆粒的速度。他在丹麥科學(xué)網(wǎng)站 Videnskab 的一份簡短聲明中指出：“有一個(gè)假說認(rèn)為，地球上所見的黃道光的精細(xì)結(jié)構(gòu)是由于小行星帶中某些小行星家族成員之間的碰撞導(dǎo)致的。朱諾號的這些數(shù)據(jù)并沒有嚴(yán)重挑戰(zhàn)這一假說?！?/p>
另一些專家則認(rèn)為該研究確實(shí)有可取之處，但也看到了其中的不足。德莫特質(zhì)疑這項(xiàng)研究沒有考慮灰塵的形態(tài)。NASA 科學(xué)家彼得?波科爾尼說：“我們知道黃道云存在一個(gè)離散的結(jié)構(gòu)，任何模型都必須對這種結(jié)構(gòu)與其來源之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行解釋，但我沒看出來?！彼麑@些數(shù)據(jù)表示贊賞，稱其是“一個(gè)重要的庫，將在未來幾年繼續(xù)為學(xué)界服務(wù)”，但他并不信服約根森的闡述。
波科爾尼指出，朱諾號是平的，單向的太陽能電池板無法接收到來自垂直或背后方向的塵埃顆粒，這意味著它無法獲取完整的復(fù)雜塵埃環(huán)境；他還認(rèn)為，研究作者未能將他們的模型與現(xiàn)有模型進(jìn)行比較?！霸跊]有任何正式模型的情況下，我現(xiàn)在只能猜測，但我看不出火星或其附近產(chǎn)生的塵埃能夠解釋各種與塵埃相關(guān)的現(xiàn)象，”波科爾尼說，“我也不知道有什么機(jī)制可以產(chǎn)生維持黃道帶塵埃云目前形狀所需的大量塵埃，或者維持其一小部分形狀所需的塵埃。我們在火星上有漫游車，也有繞火星軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，但都沒有探測到任何能導(dǎo)致塵埃飛起的活動(dòng)?！?/p>
盡管波科爾尼仍持懷疑態(tài)度，但他承認(rèn)，如果有證據(jù)支持，約根森的理論將改變這一領(lǐng)域。他寫道：“我完全支持新的革命性想法，因?yàn)槟菍⑼苿?dòng)該領(lǐng)域和人類向前發(fā)展，但每一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都需要經(jīng)過科學(xué)界的充分論證和仔細(xì)審查。如果約根森博士的發(fā)現(xiàn)是正確的，我會(huì)感到無比激動(dòng)。這將代表我們領(lǐng)域一個(gè)重大的思考模式改變。但目前，我個(gè)人還沒有辦法將火星塵埃納入理論，至少目前沒有。”
對于約根森而言，他認(rèn)為一些差異可以用新的數(shù)據(jù)來源來解釋，他也承認(rèn)，當(dāng)一種新理論與根深蒂固的理解相矛盾時(shí)，對其產(chǎn)生抗拒是很自然的。他說：“過去 40 年來的一個(gè)共識是，這些塵埃來自小行星帶。但我們必須記住，這個(gè)觀點(diǎn)源自于地球上的望遠(yuǎn)鏡或環(huán)繞地球軌道的衛(wèi)星所獲得的測量結(jié)果。我們第一個(gè)走了出去，對小行星帶是否存在塵埃進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。我們?nèi)菒懒撕芏嗳??！?/p>
不過，即使是批評者，也看到了這些發(fā)現(xiàn)對未來探測器應(yīng)該如何配置的意義。為了減輕重量，NASA 為一些探測器 —— 比如計(jì)劃今年秋天發(fā)射的露西號（Lucy）探測器 —— 配備了盡可能薄的太陽能電池板和其他設(shè)備。但考慮到朱諾號探測到的塵埃顆粒的大小和速度，這可能是一個(gè)錯(cuò)誤的策略。約根森表示，這些探測器需要的是“一件防彈背心”。
德莫特認(rèn)為，從這個(gè)意義上說，這些發(fā)現(xiàn)“絕對是一個(gè)范式轉(zhuǎn)變”。波科爾尼表示贊同，他說：“我非常贊同約根森的結(jié)論。所有人都想把航天器造得盡可能輕，以節(jié)省儀器費(fèi)用，因此在每一項(xiàng)空間任務(wù)中，評估適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和減輕損害的方案都是必不可少的一部分。未來任務(wù)中將采用更大、更好的太陽能電池陣，屆時(shí)肯定要考慮到太陽系中高速塵埃粒子的撞擊，這種撞擊非常頻繁，難以避免?！?/p>
約根森認(rèn)為，使用恒星追蹤相機(jī)來評估塵埃的位置，有朝一日或許能為探索適合居住的系外行星開辟新的可能性。直到最近，科學(xué)家在探測支持生命的氣體方面一直進(jìn)展不順，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為塵埃云的范圍會(huì)阻礙探測。今年 2 月，阿聯(lián)酋首枚火星探測器“希望號”（Al-Amal）抵達(dá)火星。目前，約根森的團(tuán)隊(duì)正忙于從該探測器的恒星追蹤相機(jī)上收集新數(shù)據(jù)，并與早些時(shí)候 NASA 的一個(gè)木星任務(wù)中收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。與此同時(shí)，約根森也歡迎研究者對其提出的范式轉(zhuǎn)變加以批評?！埃ㄟ@種轉(zhuǎn)變）必須具有挑戰(zhàn)性，”他在談到其他研究者的意見時(shí)說，“否則，就沒有樂趣了。”
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