世界不思議

運氣來了沒辦法,去探測水星的信使號,卻偶然發現金星上的秘密!

哲學家尼古拉斯·雷舍爾曾寫道:科學發現往往不是基於某種精心設計的研究計畫,而是通過某種純粹的運氣。對於約翰·霍普金斯應用物理實驗室(APL)的一組研究人員來說,這一說法顯得非常真實。最初是為了確保美國宇航局(NASA)水星表面、空間環境、地球化學和測距航天器信使號上的儀器正常工作而進行的演習,後來演變成了一個長達10年的傳奇。


導致了一個與任務目標行星水星無關的偶然發現:關於金星及其大氣層。其研究現在發表在《自然天文學》期刊上,信使號偶然收集的數據顯示,在金星表面約30英里處,氮濃度突然上升,表明金星的大氣並不像預期那樣均勻混合,這一發現顛覆了人們幾十年來對金星大氣層的理解。故事始於2007年6月,當時信使號在金星上空第二次飛越,然後轉向水星。


任務儀器團隊利用這個機會測試設備,並在大約六個月後真正的表演開始之前收集了數據。研究團隊成員中有約翰·霍普金斯應用物理實驗室的核物理學家大衛·勞倫斯(David Lawrence),他是信使號中子譜儀的儀器科學家,該中子譜儀探測宇宙射線與行星大氣層或表面分子碰撞而釋放到太空中的中子,其目標是找到中子的跡象,這些中子來自水分子中的氫原子,這些分子被懷疑(後來被證實)凍結在水星兩極的隕石坑陰影中。

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然而,在金星上空,勞倫斯只是想收集一些數據來驗證儀器是否正常運行,初步檢查顯示它是有效的,並將數據提交到表格中。但在2010年,勞倫斯重新審視了這些測量結果,這次是與約翰·霍普金斯應用物理實驗室另一位核物理學家帕特里克·佩普洛夫斯基(Patrick Peplowski)一起進行。儘管向金星發送了50年的探測器任務,包括13個大氣探測器或著陸器,但關於金星大氣中的氮濃度,特別是在地表30至60英里之間的氮濃度,仍然存在很大的不確定性。幸運的信使號和科學家這讓佩普洛夫斯基和勞倫斯感到困惑,因為氮是漂浮在金星大氣中的第二大豐度分子,僅次於二氧化碳。不確定性不一定只存在於信使號儀器中,它可能存在於整個星球上。然而,1962年的一項研究中:中子光譜學可以幫助確定金星大氣中的氮濃度。與碳和氧不同,氮相當善於清除鬆散的中子,而碳和氧是最差的。因此,在金星上,儀器探測到的中子數量應該取決於大氣中氮的含量,幸運的是“信使號”恰好收集了這些信息。

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研究進行了計算機模擬,將地球60英里厚的大氣層,分成不同的波段,在這些波段中,可以操縱氮濃度,並真實地模擬有多少中子將流向上面的航天器。當模型與信使號的數據進行比較時,發現最好的匹配是:大氣氮佔體積的5%,大約是大氣中測量到較低體積的1.5倍。所有中子都來自地表上方約35至60英里的區域,這正是存在最大不確定性的區域,這在很大程度上是幸運的。為什麼氮在海拔較高的地方增加,目前還不清楚。


其發現讓很多人感到驚訝,但這並不是因為人們被驚呆了。許多科學家似乎對這是值得研究的事情感到驚訝,高層大氣中的氮濃度,比低層大氣中氮濃度高的想法,超出了人們的思考範圍。以前在試圖獲得資金來完成這項研究時曾陷入過這種僵局,這個項目三次被拒絕資金,因為它被認為是死胡同。而研究人員需要的數據讓他們對結果充滿信心,並推動研究越過終點線。


幸運的是來自APL的科學家傑克·威爾遜(Jack Wilson),他只是碰巧正在為一個無關項目分析相同的Messenger數據。研究團隊在2016年的一次會議上提交了初步結果後,俄羅斯聯邦航天局引用了他們在Venera-D任務中研究金星大氣層和表面的工作。目前,美國宇航局發現計畫正在考慮的兩個任務提案-DaVinci+和Veritas,這兩個提案都包括APL科學家在,也旨在更詳細地研究金星的大氣層。


這一新結果強調了研究人員在得出有關大氣數據的結論時需要謹慎,特別是在其他太陽系對行星大氣興趣日益濃厚的情況下。研究人員仍在瞭解有關金星及其大氣層的基本情況,金星也是我們的隔壁鄰居。科學家們能對數百或數千光年外的系外行星大氣層充滿信心,這一點值得質疑。得出嚴謹和令人信服的結論需要大量數據,但是,獲得這些數據有時可能只需要一點好運氣。


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