作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2015/3/18 8:48:08
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冥王星“兄妹”
聚焦太阳系天文学研究中唯一的同胞团队

 

在过去25年里,他们的事业与冥王星科学研究不断交集,从帮助发现矮行星大气层到描绘第一批详细地图,揭开矮行星地貌的神秘面纱。

LeslieYoung和Eliot Young在 Sommers Bausch天文台。图片来源:Barry Gutierrez

在美国科罗拉多博尔德的一间备用会议室里,行星学家Leslie Young和Eliot Young在为一名研究生进行测试,以便为其即将到来的考试作准备。他们在十分认真地履行职责,在涉及有关冥王星和海卫一的问题时,他们时常打断学生的回答。

Leslie针对这些遥远天体的光反射进行了技术评论。然后,Eliot注意到冥王星和海卫一在太阳系早期的起始非常相似,之后按不同的路径开始发育。“这是一个经典的先天和后天的案例。它们是‘同胞’。”他说。

他们也是如此。Leslie和Eliot是一位宇宙学家的孩子,他们对矮行星有着共同的兴趣。“他们是太阳系中唯一的兄妹团队。”美国宇航局(NASA)新地平线项目首席研究员、行星学家Alan Stern说。

Young兄妹和其他冥王星研究人将在未来数月努力推动该项目发展。宇宙飞船携带的望远镜已经开始捕捉冥王星的模糊图像。当新地平线探测器在7月14日到达距离冥王星12500公里的范围内时,它将提供有关该星球的冰冻表面的首个特写,以及回答有关太阳系外围进化主要问题的最佳机会。

低空飞行标志着二人在个人和专业领域中的一个重大里程碑式突破,他们目前供职于西南研究中心。在过去25年里,他们的事业与冥王星科学研究不断交集,从帮助发现矮行星大气层到描绘第一批详细地图,揭开了矮行星地貌的神秘面纱。Eliot说:“过去几十年,我们已经知道了许多有关冥王星是如何工作的理论,我们最终验证这些想法是否正确。”

家庭轨迹

Eliot和Leslie在马萨诸塞州长大,家庭生活主要以他们的父亲、麻省理工学院(MIT)传奇研究员Larry Young为中心。Larry主要研究失重状态的生物学效应,尽管从未进入宇宙,但他曾在航天飞机中接受过飞行训练。Eliot、Leslie 和弟弟Robert有时会跟来访的宇航员玩游戏。

Larry还十分热爱滑雪,同时也研究滑雪损伤。在冬季的周末,他们一家会驱车赶往新罕布什尔州。一路都充满了各种智力游戏和数学讨论。Larry对自己两个年长的孩子从事科学事业并不感到惊讶,但他没想到他们同时选择研究太阳系另一端的同一颗行星。

Eliot首先被冥王星吸引。上世纪80年代末,作为MIT的一名研究生,他与从事机载天文项目设备制造的Jim Elliot和Ted Dunham共事,而这些项目也包括冥王星研究。但很快,比他小3岁的妹妹也随之开始研究这颗矮行星。一天,她来到Eliot的办公室,给他看自己编写的计算机编码。尽管她还是哈佛大学的一名本科生,Elliot仍被其成果所打动,并愿意为她提供一份软件方面的工作。

MIT团队主要利用恒星掩星研究遥远世界。通过测量光线变暗的程度,行星学家能确定被阻碍天体的大小。而且,通过分辨光线是突然或逐渐变暗,研究人员能推断该天体是否拥有大气层。冥王星很小(约为月球大小的2/3),而且距离遥远(与太阳的距离是日地距离的30~50倍),因此天文学家需要使用他们能想到的每个创意技术梳理信息。

天空观察

1988年6月的一个夜晚,该MIT团队的几位成员从夏威夷火奴鲁鲁起飞,乘坐柯伊伯机载天文台进行科学观测。当时天文学家怀疑冥王星有一个大气层,但没有人能证实。

尽管Leslie还没毕业,但她也登上飞机帮助进行测量工作。她清楚地记得当看到恒星光线逐渐变暗时的兴奋之情,冥王星大气层最终现身。同一次掩星的陆基测量结果也支持了该发现,这在当时轰动一时。当Robert询问是否应该修改教科书时,“我告诉他这非常对。”她说。

在外太阳系地图上,冥王星仍是一个模糊的点,即便其他遥远行星已经十分清楚。NASA的航海者2号在1986年拜访了天王星,3年后它掠过海王星,但没有接近冥王星。除了这颗星球表面似乎大部分是冰而非岩石外,研究人员对那里知之甚少。冥王星还附有一颗卫星——冥卫一,该卫星是这颗矮行星的一半大小。

在编程技术的帮助下,Leslie得出了一系列重要发现,其中包括检测冥王星大气层中的甲烷,及其表面冰层中的氮。“如果有人问及我喜爱的颜色,我会说是2.15微米。”这是冥王星表面的冰冻氮吸收光的波长。

在随后的几年中,Leslie开发出电脑模型,描述冥王星的表面和大气层间如何相互影响。因为这颗矮行星的轨道是一个极为细长的椭圆形,到达其表面的阳光会随着冥王星年(约为248地球年)出现显著变化。当冥王星位于近日轨道时,甲烷、氮和其他冰会发生升华,并形成一个稀薄的大气层——约为地球大气层厚度的百万分之一。一些研究人员还表示,当冥王星远离太阳时,大气层中的气体将冻结,并滴到表面,尽管Leslie的最新模型显示,冥王星大气层从未完全消失。

冥王星表面

带领Leslie进入冥王星研究领域的大哥也获得了自己的成绩。Eliot致力于利用几何学一致性描绘冥王星表面图谱。1985~1990年,冥王星和冥卫一的轨道平面十分倾斜,以至从地球看来这两个天体定期从彼此前面通过,使得天文学家能观测到一系列相互的蚀。通过测量冥王星表面的黯淡情况,研究人员能计算出哪些区域是黑的、哪些区域是亮的,即所谓的星体反照率。

相关图谱远不够完美:“该分辨率就像一个戴深度近视镜的人喝醉后看月亮。”Eliot说。但它提供了有关冥王星可能外貌的首个真实认知。“这是令人兴奋的有关冥王星的基础信息。”西南研究所冥王星天文学家Marc Buie说。Buie与Eliot在绘制冥王星图谱方面存在竞争,但他表示,“Eliot提出的一些处理数据的方法,我100万年也想不出。”

自那时以来,哈勃太空望远镜正设法绘制更清晰的冥王星地表图像。到今年5月份,新地平线探测器将足够靠近冥王星,捕捉比哈勃更好的图像,而且那颗矮行星将最终变得清晰。在高分辨率照片中,科学家能够挑出小到纽约中央公园大小的湖泊。

或许其最著名的工作是地图绘制,但Eliot表示自己对冥王星科学最实用的贡献是模拟掩星光变曲线方法。他最开心的是技术和空间科学的结合。“我的内心可能仍是一个工程师。”他说。现就职于洛厄尔天文台的Dunham记得,Eliot在研究生时期就能自己制造电脑。

近年来,Eliot在冥王星方面花费的时间减少,并将更多精力投放于推动技术边界——让气球飞跃地球大气层进行行星观测。

Eliot和Leslie的母亲Jody Williams对他们的职业非常接近并不惊讶。在他们童年去往新罕布什尔州的旅行中,没有电视或干扰因素,Eliot和Leslie也能一起玩几个小时,依照共同规则建设小城镇和幻想世界。现在,Williams说:“每次Eliot遇到麻烦,他就会告诉Leslie,而她从未让他失望。”

目前,Eliot仍扮演着长兄的角色:他负责社交,是他们两个的发言人,也更为行星天文学家所熟知。Leslie则更低调,有时首先因为她是Eliot的妹妹受人注意。“他们知道我是Eliot的妹妹,而且他们认为我值得倾听。”她说。

但这对兄妹得意于他们的血缘关系。他们能够时常交流自己的观点,并进行讨论。“我们彼此更加了解。”Stern说。(张章)

《中国科学报》 (2015-03-18 第3版 国际)
 
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