从小行星到蟹状星云

7月11日，日本宇宙航空研究开发机构在新闻发布会上表示，“隼鸟2号”小行星探测器今年第二次降落在小行星“龙宫”上

地球是人类唯一的家园，家园之外的空间，人们称之为“太空”。但太空实在是一个过于广阔的概念，从传统意义来说，地面100公里以外的空间都可以称之为太空，而距离地球越远，人类所面临的未知也就越多。在太阳系以内，人类尚可通过公里来计算距离，在太阳系之外，则动辄是以光年来计数了。在太阳系的范围内，人类希望理解地球生命的起源，寻找其他生命的痕迹；在更加广阔的范围，人类就要面对一个更加无常的宇宙，通过拼凑各种线索，试图理解宇宙本身。

2019年7月10日，“隼鸟2号”（Hayabusa 2）探测器完成了一次历史性的任务。在小行星“龙宫”（Ryugu）附近工作了将近半年时间之后，它终于第二次降落在“龙宫”表面，并成功地从之前4月5日制造的人工撞击坑中采集到了“龙宫”表面之下的物质样本，这是人类第一次采集到小行星表面以下的物质。按照计划，“隼鸟2号”将会在2020年12月携带着这些珍贵的样本返回地球。

此前，“隼鸟2号”在“龙宫”上方引爆炸药，让一个2公斤重的铜制撞击物射向“龙宫”，在其表面制造了一个人工撞击坑。确认撞击成功之后，地球上的科学家操纵“隼鸟2号”回到撞击坑上方，然后将它转为自动工作模式。“隼鸟2号”先是向撞击坑发射了一个钽制造的“子弹”，用以清理撞击坑中的碎石块，随后第二次降落到“龙宫”表面，收集了撞击坑内的物质，随后它即将开始返回地球的旅程。

“隼鸟2号”已经收集到了“龙宫”表面的岩石样本，但是人们更感兴趣的显然是其内部物质。在几十亿年的时间里，“龙宫”可能一直保持着太阳系形成初期的状态，而在表面的保护之下，它的内部是否含有制造出地球原始生命的有机物也就尤其令人关心。“隼鸟2号”的这次采集，有如在一个时间机器中取出了数十亿年前的标本，其中有可能蕴含着生命的奥秘。

相比“龙宫”，距离地球更远的火星也带来了新消息。2019年6月，在火星盖尔撞击坑附近进行探测的“好奇号”火星车在火星大气中探测到了亿分之二点一的甲烷成分。此前“好奇号”也曾多次探测到火星大气中的甲烷，还发现了甲烷含量随着季节出现的微弱变化，但是这次探测到的甲烷含量之高创下了新的纪录。

以地球作对比，微生物的活动可能产生甲烷。因此寻找火星生命，大气中的甲烷含量是一个重要指标。问题在于除了微生物的活动之外，一些地质活动，诸如水和岩石之间的相互作用也有可能产生甲烷，之后通过黏土的缝隙进入火星大气。“好奇号”只能通过自身携带的仪器探测到甲烷的存在，却无法追踪其来源。想要寻找火星生命的踪迹，人们只能寄希望于在未来登上火星表面的人类探测器甚至人类宇航员，进行更加细致的探测。

太阳系之外，在更广阔的宇宙空间里，人类无法进行实地探测，就更无从寻找所谓生命的痕迹了（除非有类似于人类的文明主动与人类取得联系）。随着人类发现了越来越多的地外行星，寻找和探测与太阳系类似的系统，和太阳系进行比较，成为了一项有趣的工作。人们发现在太阳系之外，还存在着各种各样奇异的世界，这可以开拓我们的思路。一组天文学家正利用美国航空航天局的哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）和斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）观察一个大约100光年之外的星系，而且利用灵敏的仪器第一次探测出了太阳系外一颗行星的大气成分。

距离地球100光年的红矮星“GJ 3470”质量大约只有太阳的一半，而更令科学家感兴趣的是在2012年发现的一颗围绕它运转的行星“GJ 3470 b”。这个具有岩石内核的行星质量大约是地球的12.6倍。通过仪器分析这颗行星飞临恒星时所反射恒星光线的光谱，就有可能了解它的大气成分。科学家们发现在这颗行星的岩石内核之外，其大气层的主要成分是氢气和氦气——这与太阳的大气成分类似。

通过探测上百光年之外的行星的大气成分，人们有可能了解行星的形成过程。“GJ 3470 b”的形成过程可能与人们此前想象的完全不同。人们之前猜测，距离恒星如此之近的行星可能是通过重力作用不断增大，逐渐从星系的外围转移到了距离恒星更近的位置。由此估计，在行星大气层中应该含有大量的碳、氧等重元素，形成大量的水蒸气和甲烷等气体。但“GJ 3470 b”的大气层却是由纯净的轻元素构成，由此形成新的理论：在恒星形成的初期，可能就是在距离恒星极近的位置通过引力作用汇集了石块和冰，形成了行星的岩石内核，而后通过引力逐渐汇集了附近稀薄的大气——这样的行星形成过程，与太阳系内的行星形成大相径庭。

更深的秘密来自于更深远的宇宙。中日合作的研究项目“ASgamma”在海拔4300米的西藏羊八井地区进行。科学家们设置了一个由将近600个闪烁探测器组成的宇宙射线探测阵列。为了避免干扰，科学家们把这些主要由水组成的闪烁探测器埋在地下几米的位置，通过闪烁信号进行宇宙观测。来自宇宙的高能伽马射线在到达地球时，可能与大气层中的粒子发生碰撞，产生出“粒子雨”到达地面，进而被阵列探测到。科学家们通过分析探测信号，就可以重新构建出宇宙射线的来源和能量。

2019年7月，ASgamma项目的科学家们宣布，探测到了具有450TeV能量的高能伽马射线，这是人类至今为止观测到的具有最高能量的光子，这些光子的来源则指向了距离地球大约6500光年的蟹状星云。数据显示，2014年2月到2017年5月期间，这个探测阵列共探测到24次来自蟹状星云的伽马射线，能量分布从100TeV至450TeV。有一些理论模型可以解释宇宙中可能产生出如此高能量的光子，但真正观测到这样的伽马射线，让人们明白理论所预测的“逆康普顿散射”（Inverse Compton Scattering）效应在宇宙确实会发生。这样的机制让蟹状星云中高速旋转的脉冲星成为了银河系里最强大的粒子加速器。

由近及远，人类所面临的未知各有不同。相比于浩瀚宇宙，人类就像是一个跃跃欲试走出襁褓的孩子，试图寻找同伴，也试图理解自己的所在。人类科学探索的目标远非几代人能够实现，有些问题或许永远都没有答案。但每一点对于宇宙和自身更深入的理解，所带给人类的震撼和喜悦都是深刻和独特的，这也是对人类科学探索的最大奖赏。

（本文写作参考了《科学》杂志和美国航空航天局的相关报道） 甲烷隼鸟科学龙宫天文蟹状星云太阳系太空小行星光年地球质量