探天利器

　　2015年7月14日，十多年的立项准备，九年多的长途飞行，50亿公里的漫漫旅程，新视野探测器拜访了冥王星，迄今为止，这是人类*伟大的征途。回望地球，地球只是一个微不足道的蓝点，我们就生活在这个蓝点上。在这里，所有的老人和孩子，所有的凡夫和伟人，所有的战争与和平，所有的民主和独裁都在这个蓝点上。这如同一粒尘埃的蓝点上发生的一切，我们称之为苍穹之下。而那浩瀚的星空中，还有无数个这样的世界，它们连同更多炽热的恒星一起被我们称为苍穹之上。
　　仰望星空，关注苍穹之上才能引领人类的文明，《苍穹之上》系列图书并非科学时代对人文精神的感叹，它是全波天文时代人类对宇宙的新认识。这充满趣味的科普，它的主旨就是要引领着科学时代的少年飞入未来的星空。

 

　　从人类能够使用双脚站立起来那一天起，人们就开始观察星空的变化，于是就产生了*古老的科学，天文学。只有当望远镜出现之后，天文学才真正称得上是科学。
　　探测太阳系空间，带回太空物质是一种手段，撞击彗星也是一种手段。发射探测器作为一种手段，仅仅能在太阳系这样的近距离有效，对于浩瀚的星空，更好的探测方法是望远镜。
　　来自遥远宇宙的信息并不仅仅是电磁波中的可见光，还有电磁波的其他波段，还有中微子和引力波，因此不仅有光学望远镜，还出现了伽马射线望远镜、X射线望远镜、紫外线望远镜、红外望远镜、射电望远镜、中微子望远镜等等。在它们之中，大规模应用的是射电望远镜，它可以组成阵列，得到更好的观测效果。
　　各种各样的探测器，基于不同的原理工作，成为了观测大气层的望远镜，这些所谓的望远镜是人们观测宇宙的另类眼睛。

　　戴铭珏，笔名北辰；
　　专业的天文科普从业者，国家国防科工委特约撰稿人，主创航天天文科普和相关的科幻小说。对天文科普有着十五年的创作实践，重视科普写作视角和题材的选定以及文字中所需要的艺术表现，擅长使用多种手法把晦涩难懂的物理知识变成有趣的内容，从而有利于读者的理解。深刻地了解中国的科普现状，科普艺术性的开拓者和求索者。

01 智慧一号—比汽车还慢的月球探测器／／001
02 新视野，开拓太阳系的边疆／／008
03 “起源号”的起源和归宿／／020
04 有去有回的星尘探测器／／026
05 隼鸟探测器——摇摇晃晃的不死鸟／／036
06 人间大炮打彗星／／046
07 黎明号的黑暗和黎明／／052
08 非凡的卡西尼土星探测器／／058
09 望远镜的故事／／066
10 世界上口径**的天文望远镜／／074
11 中国**的天文望远镜睁开眼睛／／084
12 索菲亚空中天文台开始登场／／092
13 哈勃望远镜，一台永生的发现机器 ／／102
14 哈勃望远镜为新视野导航／／108
15 斯皮策望远镜要改行／／114
16 保卫地球的哨兵望远镜／／120
17 寻找宇宙隐身人，杀鸡要用宰牛刀／／126
18 全波天文观测仪器——望远镜家族的另类成员／／134
19 观测地球大气层的望远镜／／148
20 天文学家呼唤引力波／／154
21 欧洲强子对撞机——霍金与西格斯的一场豪赌／／166

　　从人类能够使用双脚站立起来那一天起，人们就开始观察星空，于是就产生了*古老的科学——天文学。天文学诞生之后，在上万年的时间内，几乎没有变化，人们的所谓研究范畴无非就是把星象与人间的事件联系在一起。只有在望远镜出现之后，天文学才真正称得上是科学。尤其是进入20世纪，一系列天文学的发现，让人们的视线进入到浩瀚的宇宙空间，技术的进步让一大批星际探测器进入太空，近距离观测研究太阳系天体。
　　20世纪60年代，美国阿波罗飞船登月，庞大的火箭才促成登月之举，离子推进引擎出现之后，也给再次探测月球带来了可能，在这一系列新的探月潮流中，智慧一号开创了一种新的方式，智慧一号把太阳能电池板的光能转化为电能后，用这些电能把惰性气体原子电离，然后高速向后喷出，由此产生向前的动力。
　　比智慧一号更进一步的是新视野探测器，这个探测器原来设想使用太阳帆到达*遥远的冥王星，*终没能使用太阳帆，它所使用的能量是放射性同位素发电机，燃料是二氧化钚，它在2006年踏上十年的漫漫征途，它探测的不仅仅是冥王星，还有太阳系遥远边疆的柯伊伯带天体。
　　新视野没能使用太阳帆远航，那是因为我们对太阳帆的驱动原理还缺乏认识，能驱动太阳帆前进的是太阳粒子，太阳粒子是太阳风的主要成分，为了能够得到*纯净的太阳粒子，起源号探测器在太阳和地球的引力平衡点，也就是拉格朗日点蹲守三年，收集太阳粒子，并把收集到的粒子带回地球。把外太空的物质带回地球似乎成为一种潮流，星辰号也是一个这样的探测器，它带回地球的是怀尔德2号彗星上的物质。日本的隼鸟探测器带回的是小行星上的物质。相比能够安全返回地球的起源号与星辰号，隼鸟探测器就历经了太多的磨难。
　　探测太阳系空间，带回太空物质是一种手段，撞击彗星也是一种手段，于是我们又看到了人间大炮打彗星这种场面，其实那是一场演习，目的是练好本领准备击碎撞击地球的外来天体。太阳近距离的行星都迎来了探测器，小行星也迎来了探测器，黎明号已经开始探测两颗较大的小行星谷神星和灶神星，大行星土星也迎来了个头**的卡西尼探测器，它成为土星的卫星，探测土星这个庞大的家族。
　　发射探测器，仅仅能在太阳系这样的近距离有效，对于遥远的浩瀚星空，更好的探测方法是望远镜。伽利略望远镜和开普勒望远镜，都没有取得大发展，得到大发展的是牛顿式望远镜，这是种反射式望远镜。当代的大型望远镜基本都是反射式，而且使用多个镜片组合成一个大镜片，在这方面，凯克望远镜是大口径望远镜的先驱者，它的建造涉及到光学自适应技术、光学干涉技术等，其他大型望远镜也普遍使用了这些技术，中国的郭守敬望远镜也是这种新思路的产品。
　　不管是古代还是现代，天文台都建造在高处，这是因为高处可以克服大气抖动，获得更好的成像效果，于是，搭载在飞机上的空中天文台出现了。要想获得更好的效果，*好是飞出地球大气层，把望远镜放置到太空，哈勃望远镜和斯皮策望远镜就是这样的杰出代表。至于哨兵望远镜要放置在太空，仅仅是为了在特别的角度观测小行星。
　　来自遥远宇宙的信息并不仅仅是电磁波中的可见光，还有电磁波的其他波段，这是一个全波天文学的时代，所以不仅有光学望远镜，还出现了伽马射线望远镜、X射线望远镜、紫外线望远镜、红外望远镜、射电望远镜等，在它们之中，大规模应用的是射电望远镜，它可以组成阵列，得到更好的观测效果。
　　除了电磁波之外，来自宇宙的信息还有中微子和引力波，它们是大规模天体活动的产物。在南极，就建有探测中微子的望远镜，下一代的引力波探测器也将飞上太空，虽然它们并不需要镜片，甚至不成像，但也被称为望远镜。其实它们是各种各样的探测器，基于不同的原理工作，比如，观测大气层，就能得到伽马射线的消息，于是就出现了观测大气层的望远镜，这些所谓的望远镜是人们观测宇宙的另类眼睛。
　　探测器让我们获得的是对宇宙天体的个体认识，各种望远镜让我们得到的是对宇宙的普遍认识，人们已经知道，庞大的宇宙与微观世界紧密相连，于是又建立了强子对撞机，强子对撞机能够让人们获得对宇宙的终极认识。

文字创造出来的科普艺术
科普就是把复杂的知识通过简单的讲解让公众知道，文字科普是*简单、*原始的科普方式，它易于被公众接受和理解。科普面临着软与硬的问题，包含知识点较多的科普，科学概念较多，技术含量很高，这是硬科普，也叫做专业科普，因为太专业的内容很难被解说得简单易懂。而那些知识含量较少的科普，可以叫做软科普，由于贴近我们的日常认识，就容易被公众接受，或者说能被完全理解。
在评价科普作品是否成功的时候，我们一般只评价它是否易于被公众理解，而忽视了科普的软与硬的问题。毫无疑问，在这种评价中，那些生物和地理科普就很容易占到便宜，而那些物理相关的科普就很难获得认可。在物理相关的科普中，包含太多的概念，不了解这些概念，就读不懂科普。尤其是青少年，他们还没接触过那些抽象的物理概念，自然很难读得懂，这种情况在天文学科普中尤其突出。
古老的天文学是观测星象的学科，并把观测到的星象与人间事务联系在一起。当代的天文学，完全依靠观测技术的进步，大量的耗资庞大的观测设备出现了，它们形形色色、原理各异。它们的观测成就丰富了天文理论，导致天文物理知识大爆炸似的增长。这些物理知识很难被公众理解，这对天文科普提出了挑战。
《苍穹之上》天文科普丛书解决了这个问题，本丛书对新知识、新发现进行了趣味的选取，并在此基础上进行艺术的重新构造之后，打磨出一套图文并茂科普作品。不仅选题具有趣味性，在写作方法上也别出心裁，采用比喻、拟人、自述等多种写作手法，文风各异，把所述的内容变得浅显、有趣、易懂，让文字的科普作品充满了艺术性。这既不是科幻的艺术性，也不是童话式的艺术性，而是面对着大量艰深物理概念的艺术描述。
本丛书不是对天文科学知识进行简单的系统描述，它跟当前科普市场上的所有科普都不一样，这是艺术的科普，真正体现了科普的艺术性，这是消耗大量时间和精力的产物。
本套丛书重点反映的是*近十几年，尤其是*近几年的天文新发现。为了配合书中的文字讲解，搭配了大量的图片，这些图片或者来源于美国国家航空航天局，或者来源于欧洲航天局，特向这两个机构表示致敬，还有一些系统原理图片是作者自己绘制的。

　　02
　　新视野，
　　开拓太阳系的边疆

　　新视野踏上征程
　　2006年1月，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，又一个探测器飞往了太空，这是美国的“新视野”，承载“新视野”启程的是“阿特拉斯”三级运载火箭，它的速度可达13千米每秒，这样的速度让它在几个小时之后就越过了月球轨道，而当年的阿波罗登月飞船却花费了3天的时间。
　　“新视野”的样子像是一台洗衣机，大小也如同一台洗衣机，质量是416千克。踏上征途之后，它的电子系统将会处于休眠状态，这样可以节省能量，它所使用的能量是放射性同位素发电机，燃料是二氧化钚，这并不是新的能量系统，早在20世纪60年代就已经使用了。让人们关注的不是这些，让人们关注的是“新视野”的意义。
　　这是首个飞往冥王星的探测器，它的目的地是远离太阳40多亿天文单位的冥王星，还有比冥王星更远处的柯伊伯带天体，那里被称为地狱，那里也是太阳系的边疆。为了这次远征，“新视野”计划酝酿了十几年，在这十几年的时间内，它多次面临夭折。
　　从冥王星－柯伊伯快车到新视野
　　在20世纪90年代，美国航空航天局（NASA）制定了一个名为“冥王星－柯伊伯快车”的计划，来探测冥王星及其卫星卡戎和柯伊伯带天体。这个探测器计划于2004年12月18日发射，2012年12月24日与冥王星相遇。此计划无疑有极大的科学价值，如果能够实施，将会大大增加我们对太阳系边缘的了解。
　　但是，随着深入调研，此计划的预算增长了两倍，达到8亿美元。NASA同时还希望进行探测木卫欧罗巴的计划，另外，两次火星登陆的失败也令NASA雪上加霜。2000年 9月13日，NASA宣布停止冥王星-柯伊伯计划。这遭到了很多天文学家的激烈反对，它们坚持要让探测冥王星计划再次上马，美国的行星学会发动了“拯救冥王星计划”运动。
　　行星学会鼓动科学家们，还有那些热衷于太空探索的人们，通过传媒、网络，散发万张明信片、书信等各种形式让大众及国会议员们了解探索冥王星和柯伊伯带的重要意义，敦促美国国会提出议案要求航天局重新做出考虑。
　　人们的努力没有白费，*后美国航空航天局于2000年12月20日发表了声明，他们将不采用原计划，而是向世界范围内征集新的计划，并在大学、实验室等研究机构以及航空公司之间竞标，看谁的计划能够用*少的支出完成冥王星－柯伊伯之旅；而且还提出了比较苛刻的要求，提出的方案必须具有两个特点：一是要在2015年前飞抵冥王星，另一个是花费金额不能超过5亿美元，公开征集截止日期是2001年3月19日。
　　公开地由航天局之外的研究小组参与太空计划的竞标，这在美国航空航天局历史上还是首次。
　　还是行星学会，开始了为这个任务的奋斗，他们自己掏出400万美元，用于研制太阳帆，试图用太阳帆为动力来实现冥王星的探测。这种利用太阳能的方式是利用太阳光子来驱动一个巨大的帆板，就像风吹轮船的风帆那样。这个风帆是用非常薄的材料制作的，当来自太阳的光子击打在这层薄膜上的时候，它就可以推动飞船前进了，这种方式中的动力系统就是太阳帆。利用太阳帆，可以很容易地使探测器的速度达到90千米每小时，使之能在数年时间里，飞到太阳系以外的空间。但是，有关太阳帆的研究却不是一帆风顺的，它的研制过程中遇到了很多意想不到的难题，直到现在，太阳帆还是没有通过正式试验。
　　与此同时，还有很多机构提出了其他方案。*后让NASA认可的是“新视野”计划，“新视野”计划的全名是“新视野-拓荒边疆”，又被译成“新地平线”。“新视野”飞船还肩负着其他科学使命，它要探测的目标还有柯伊伯带天体。
　　“新视野”的整个费用预计是4亿8千8百万美元，包括超过8千万的预算性储备，预计在2016年到达冥王星，这满足了航天局苛刻的要求。而且“新视野”还将携带更多的仪器，发回比原来的快车计划多十倍的观测数据。
　　这个计划是由一个临时组成的机构来完成设计的，它的主持者是西南研究所，其他成员来自二十多个大学和研究机构。*终这个项目就由美国霍普金斯大学应用物理实验室负责建造。
　　从“冥王星－柯伊伯快车”到“新视野”，让这次探测使命经历了一次生死的考验，幸运的是，美国的行星学会挽救了它，使这个计划得以继续下去。
　　历尽磨难的“新视野”
　　就跟当初的冥王星－柯伊伯快车的命运一样，浴火重生的“新视野”也不是一帆风顺的，它的命运也是历尽坎坷。2002年2月份，布什政府的2003财年预算中取消了拨给“新视野”计划的1亿2千2百万美元拨款，这让“新视野”再次遭受到严重打击，但是，探测冥王星的机会二百年才能有一次，过了这个时间，冥王星上将会到处是寒冰，不利于科学探测。
　　又是美国行星协会再一次拯救了这个计划。他们在写给美国国会的声明中指出，1433年，当郑和的航队即将启程探险那未知的大西洋时，明英宗朱祁镇却将他们召回了——从而中国也就失去了在哥伦布数十年前发现美洲新大陆的机会；而今天，在21世纪，我们是否又要由于目光短浅而失去另一次探索新疆界的良机？
　　不仅是行星协会，还是其他的科学组织，都又重新把目光投到这个问题上，*后，美国国会终于通过了决议，支持探测冥王星以及柯伊伯带的“新视野”计划，要求政府继续提供资金资助，至此，坎坷的冥王星探测计划似乎该一路顺风地走下去了。但在2004年，它的命运再一次面临着严峻的考验。
　　这一年，美国重新制定了未来几十年的太空探测计划，把太空探索的目光集中到了月球上，在未来几十年内，美国要加紧准备登陆月球，为此需要花费大量的金钱，一大批空间探测项目因此被再次否决。但是，“新视野”计划*终还是获得了资金资助，美国霍普金斯大学应用物理实验室负责继续实施“新视野”计划。
　　2005年，因为航天飞机不能正常使用，再加上资金困难，NASA再一次砍掉了一些太空计划，就连备受瞩目的木星冰月亮计划也被再一次推迟，但是，“新视野”计划并没有被推迟，它依然在按照原计划进行。
　　从冥王星－柯伊伯快车，到现在还在试验的太阳帆飞船，到正在实施的“新视野”，探测冥王星遥远边疆的计划经历了太多磨难。
　　新视野的老任务
　　“新视野”飞船计划在2006年1月发射，一年后，在飞越木星期间，“新视野”还可以对木星和它的卫星系统和它的极光、大气、磁层进行探测。然后借助木星引力，加速到每小时7万千米，直飞冥王星。在此后的漫漫征途中，“新视野”将进入暂时休眠状态，关闭不必要的仪器来降低仪器损坏的可能性且大大减少开销，它也不时向地球发回一些信号，并在一年中被唤醒50天，以供地面控制人员检查飞船状况，为其飞临冥王星做*后的准备。
　　在接近冥王星一年之前，它将被唤醒，并开始对冥王星和卡戎进行测量。当飞船距两星还有16万千米时，照相机就可以开始绘制**批地图。以后的三个月里，它将不断地拍摄照片，进行光谱测量。如果那时候冥王星的大气是冻结的，“新视野”还能够观测到季节的变化。
　　在和冥王星相遇的半天时间里，飞船将探测冥王星大气层发出的紫外线辐射，并分别在绿、蓝、红和对甲烷霜敏感的特殊波段绘制清晰的地图。它还将绘制近红外光谱图，来为我们揭示冥王星和卡戎的地表组成，以及各个组成的分布和温度。在距离*近的半小时之内，飞船将拍摄*为清晰的冥王星和卡戎“特写”，*清晰时能分辨冥王星上达60米的地貌！
　　即使当飞船飞离冥王星和卡戎后，还有很多工作有待完成。回视冥王星和卡戎*为阴暗的部分，是观察冥王星大气中的雾，以及辨认冥王星和卡戎表面是否平坦的*好方法。同时它也将回视太阳和地球的无线电波发射器，测量当太阳和地球落入两星的大气层中时所接受到的日光和电波的变化情况。
　　这些使命并不复杂，它仅仅是“新视野”使命的一部分，是到达冥王星之后必须要做的事情，它还有更加复杂的任务，它要解开那遥远边疆的许多秘密，首先，它要探测柯伊伯带天体的秘密。
　　1951年， 美国天文学家柯伊伯提出，太阳系起源于一片星云中，首先形成的是太阳，残余物质形成了围绕太阳的星云盘。星云盘物质由于引力不稳定而迅速集聚成大行星，其余物质则形成了一些小天体，它们位于太阳系的边缘，这就是柯伊伯带，它位于冥王星轨道之外。1992年，他的预言被证实了。这一年，一颗柯伊伯天体出现在天文学家的望远镜里，它在遥远的冥王星以外，距太阳44天文单位处。
　　现在，已经发现的柯伊伯天体超过一千多颗，人们据此认为，冥王星和它的卫星也都是柯伊伯天体，只不过冥王星的反光率太高了，才使当初的发现者轻易找到了它。柯伊伯带有太多的问题需要解决，如果我们对那里的了解不够的话，就很难说了解了太阳系，所以，“新视野”的另一个任务是要探测柯伊伯天体。毫无疑问，“新视野”的行程一定会给我们带来更多有关这个家族的发现。
　　新视野的新任务
　　这也仅仅是“新视野”计划前几年所需要承担的任务，就在这两年，有关太阳系遥远的边疆不断地出现新的发现，这又将成为“新视野”的新任务。
　　原来，人们一直以为冥王星只有一颗卫星，那就是卡戎，但是，2005年11月，科学家发现，冥王星还有另外两颗卫星，它们俩质量较小，距离冥王星的轨道也太远，而且是逆行轨道。这两颗新卫星的发现无疑加大了新视野的任务，它需要关心的不是两颗天体，而是四颗。所以，等它到达那里的时候，科学家会给它增加新的任务。
　　新视野的新任务还不仅如此，有关柯伊伯带不断地传出来新的信息。2003年，塞德娜又横空出世，它是在柯伊伯带发现的**天体，但是，这个纪录很快又被打破，2005年7月29日，美国科学家又发现了太阳系一颗大天体，大小相当于冥王星的1.5倍。它也处于柯伊伯带，距太阳的距离是冥王星的3倍，暂时被命名为2003UB313。更多的人要让它坐上第十大行星的宝座，它是否有这样的资格，引得人们对太阳系边疆的极大兴趣。
　　事情仅仅过去了五个月，12月，在那遥远的地带，科学家再次发现了一个奇异的天体，它比冥王星略小，位于距离太阳58个天文单位的地方，从来不会近到50天文单位，因为它的轨道基本是正圆形。这让科学家大惑不解，这么远的距离，它的轨道应该是椭圆的。令人疑惑的还不仅如此，它的轨道倾角也很大，跟太阳系的盘面有47度的交角，这两个特征向我们固有的太阳系形成理论提出了严峻的考验。
　　近年来发现的这些特别的太阳系天体都位于柯伊伯带，毫无疑问，“新视野”在完成冥王星的探测计划之后，就会把它们列入研究对象，“新视野”在那遥远的地方，比我们在地球上研究那里具有更好的条件，当“新视野”探测完成冥王星和卡戎之后，它将会被重新定位，继续前行，飞向几个具有代表意义或者是容易接近的柯伊伯带天体，根据当时的具体情况决定目标，而探测过程也类似冥王星。“新视野”注定要大大开拓人们对太阳系认识的视野，这就是“新视野”计划的内涵。