太陽系的宇宙塵埃從何而來?

我們在日出或日落時所看到的輝光其實是宇宙塵埃引起的效果。幾十年來,天文學家一直認為這些塵埃來自小行星,但現在他們不那麼確定了。
一開始,丹麥技術大學的約翰·雷夫·約根森並沒有想要徹底改變科學界對宇宙塵埃的理解。

太陽系的宇宙塵埃從何而來?

一項新研究稱,太陽系的塵埃可能來自火星系統,而不是通常認為的小行星帶。

事實上,這位天體物理學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個攝像頭,希望以此來統計那些因體積太小而無法被望遠鏡探測到的小行星的數量。

太陽系的宇宙塵埃從何而來?

朱諾號木星探測器

朱諾號是圍繞木星運轉的太空探測器,於2011年8月5日發射,預計將於2021年至2022年結束觀測任務,以受控方式墜入木星大氣層。令約根森意外的是,朱諾號相機所探測到的顆粒要比小行星小得多,只有不到80微米寬,甚至比人類頭發的直徑還小。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逕庭。

通常而言,思考模式的轉換是一種顯著的轉變:從宗教世界觀到理性主義世界觀;從一個以地球為中心的宇宙到一個以太陽為中心的宇宙;但有時,這種轉換開始於像灰塵一樣微小的東西。如果約根森和他的研究團隊是正確的,他們的發現可能就會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果,並面對許多專家的質疑,其中一位便是皇后樂隊的首席吉他手布賴恩·梅,後者曾在2007年提交了一份與這些塵埃有關的博士論文。

太陽系的宇宙塵埃從何而來?

事實上,你可能無意中已經見過了這些塵埃,或者至少見過它們所產生的效果:日出前或日落後,地平線上會發散出奇特的圓錐形光芒。波斯詩人、天文學家奧馬爾·海亞姆在1132年的《魯拜集》(Rubaiyat)中曾提及所謂的「假黎明」,可能就是指這種現象,但其更恰當的稱呼應該是「黃道光」。到了20世紀80年代,科學家藉助能夠測量紅外輻射的衛星發現,這些光來自於圍繞太陽旋轉的帶狀粒子。他們認為,這些粒子可能來自小行星,是它們在進入內太陽系時所釋放出的塵埃。「衛星揭示了黃道塵雲的結構,」美國佛羅里達大學的天文學家斯坦利·德莫特說,「模型顯示,它們與小行星之間的碰撞有關。」德莫特是最早提出黃道塵埃帶起源於小行星的科學家之一,

最近的研究填補了該理論的其他空白,包括彗星的貢獻,但與此同時,這些研究也鞏固了一種解釋,即這些天體將塵埃帶入了內太陽系。約根森教授表示,他的研究團隊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,約根森的團隊設計了朱諾號四台跟蹤相機中的一台,可以拍攝任何出現在多個圖像中的天體,並追蹤其速度。當朱諾號在火星附近飛行時,這台相機啟動;之後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」。然後,在飛往木星的途中,朱諾號再次經過火星。「我們對火星和地球之間的區域進行了兩次測量,」約根森說,「這些測量一直持續到木星。這是我們第一次能夠進行這樣的測量。」

在最初的三個星期里,當探測器穿過研究團隊預計會看到小行星的區域時,卻什麼也沒有發現。然後,突然之間,出現了很多東西。這一發現發表於今年3月份的《地球物理研究雜誌》(Journal of Geophysical Research)。隨後,約根森在NASA的一份聲明中將該發現描述為就像「有人在窗外抖動沾滿灰塵的桌布」。

太陽系的宇宙塵埃從何而來?

過了一段時間之後,研究人員才明白自己看到的是什麼;約根森甚至一度擔心相機拍到的條紋是燃料泄漏的跡象。然而,當計算出這些物體的大小和速度後,他們發現了更令人吃驚的事情:這些物體其實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1.6萬公里)後「釋放」出來的。這些塵埃粒子的速度和大小都與構成黃道帶的塵埃相對應。由於塵埃粒子的移動速度極快(每秒5到40公里),幾乎不可能被相機捕捉到,因此研究人員通過它們所呈現的沖擊力來進行測量;從太陽能電池板上掉落的碎片移動得較慢,因此更容易成像。

研究人員並沒有在地球附近發現塵埃,而當朱諾號進入木星的引力場時,這些粒子再次消失了。只有當朱諾號靠近火星時,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。「起初,我們對自己的數據持懷疑態度,」約根森說,「但無論我們如何轉換,我們都找不到其他選項,只能認為這些塵埃肯定來自火星系統。」

這一發現意義重大,部分原因在於這是科學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,它們通常統計的是更豐富、更小的星際塵埃顆粒,而不是朱諾號探測到的行星際顆粒。該發現也可能改變科學界對黃道光來源的共識。約根森的團隊開發了一個計算機模型來預測這片塵雲所反射的光線。NASA戈達德太空飛行中心的磁力計研究員傑克·康納尼是約根森這項研究的共同作者,他表示,這個模型提供了「一種確定性的證據,即我們確切地知道這些顆粒在太陽系中是如何運行的,以及它們起源於何處。」

無可否認,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,最主要的一個問題是:宇宙塵埃究竟是如何到達那里的?眾所周知,火星是一個塵土飛揚的星球,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,科學家還沒有確定這種情況發生的確切機制。研究作者推測,這些塵埃顆粒很可能來自火星的兩顆衛星,因為它們的引力較弱。

不過,許多太空塵埃專家仍然不認同約根森的塵埃假說,其中就有布賴恩·梅,他在20世紀70年代開始研究這一課題,但此時他也成為了皇后樂隊的吉他手,作為天體物理學家的職業生涯被打斷。布賴恩·梅在2007年回歸天體物理學研究,在攻讀博士學位期間專注於黃道帶塵埃顆粒的速度。他在丹麥科學網站Videnskab的一份簡短聲明中指出:「有一個假說認為,地球上所見的黃道光的精細結構是由於小行星帶中某些小行星家族成員之間的碰撞導致的。朱諾號的這些數據並沒有嚴重挑戰這一假說。」

太陽系的宇宙塵埃從何而來?

另一些專家則認為該研究確實有可取之處,但也看到了其中的不足。德莫特質疑這項研究沒有考慮灰塵的形態。NASA科學家彼得·波科爾尼說:「我們知道黃道雲存在一個離散的結構,任何模型都必須對這種結構與其來源之間的對應關系進行解釋,但我沒看出來。」他對這些數據表示贊賞,稱其是「一個重要的庫,將在未來幾年繼續為學界服務」,但他並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後方向的塵埃顆粒,這意味著它無法獲取完整的復雜塵埃環境;他還認為,研究作者未能將他們的模型與現有模型進行比較。「在沒有任何正式模型的情況下,我現在只能猜測,但我看不出火星或其附近產生的塵埃能夠解釋各種與塵埃相關的現象,」波科爾尼說,「我也不知道有什麼機制可以產生維持黃道帶塵埃雲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。我們在火星上有漫遊車,也有繞火星軌道運行的衛星,但都沒有探測到任何能導致塵埃飛起的活動。」

盡管波科爾尼仍持懷疑態度,但他承認,如果有證據支持,約根森的理論將改變這一領域。他寫道:「我完全支持新的革命性想法,因為那將推動該領域和人類向前發展,但每一項發現都需要經過科學界的充分論證和仔細審查。如果約根森博士的發現是正確的,我會感到無比激動。這將代表我們領域一個重大的思考模式改變。但目前,我個人還沒有辦法將火星塵埃納入理論,至少目前沒有。」

對於約根森而言,他認為一些差異可以用新的數據來源來解釋,他也承認,當一種新理論與根深蒂固的理解相矛盾時,對其產生抗拒是很自然的。他說:「過去40年來的一個共識是,這些塵埃來自小行星帶。但我們必須記住,這個觀點源自於地球上的望遠鏡或環繞地球軌道的衛星所獲得的測量結果。我們第一個了走出去,對小行星帶是否存在塵埃進行了實際驗證。我們惹惱了很多人。」

不過,即使是批評者,也看到了這些發現對未來探測器應該如何配置的意義。為了減輕重量,NASA為一些探測器——比如計劃今年秋天發射的露西號(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,這可能是一個錯誤的策略。約根森表示,這些探測器需要的是「一件防彈背心」。

德莫特認為,從這個意義上說,這些發現「絕對是一個範式轉變」。波科爾尼表示贊同,他說:「我非常贊同約根森的結論。所有人都想把太空飛行器造得盡可能輕,以節省儀器費用,因此在每一項空間任務中,評估適當的防護和減輕損害的方案都是必不可少的一部分。未來任務中將採用更大、更好的太陽能電池陣,屆時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。」

約根森認為,使用恆星追蹤相機來評估塵埃的位置,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,科學家在探測支持生命的氣體方面一直進展不順,因為他們認為塵埃雲的范圍會阻礙探測。今年2月,阿聯首枚火星探測器「希望號」(Al-Amal)抵達火星。目前,約根森的團隊正忙於從該探測器的恆星追蹤相機上收集新數據,並與早些時候NASA的一個木星任務中收集到的數據進行比較。與此同時,約根森也歡迎研究者對其提出的範式轉變加以批評。「(這種轉變)必須具有挑戰性,」他在談到其他研究者的意見時說,「否則,就沒有樂趣了。」

來源:cnBeta