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欧阳自远：向太阳系的星辰大海挺进

2022-07-27 12:22阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1505637245

作者：欧阳自远
　　出品：新浪科技《科学大家》 墨子沙龙
　　欧阳自远：中国科学院院士、发展中国家科学院院士和国际宇航科学院院士，我国陨石学与天体化学领域的开创者。现任中国科学院地球化学研究所研究员，国家天文台高级顾问。
　　1993年以来，主要从事中国月球与深空探测的近期目标与长远规划的制订，设计我国首次月球探测的科学目标与载荷配置和第二、三期月球探测的方案与科学目标，是中国探月工程的首任首席科学家，现为月球探测领导小组高级顾问。
　　欧阳自远院士长期从事陨石学、月球科学、地球与行星科学研究60多年，成果获国家科学大会奖、国家自然科学奖和科技进步奖多项、贵州省最高科学技术奖，中科院自然科学一等奖和科技进步一等奖、工信部科技进步特等奖、国家科技进步特等奖等。
　　（内容整理自墨子沙龙“向太阳系的星辰大海挺进”活动）
　　谢谢主持人的介绍，感谢墨子沙龙的邀请，很荣幸能参加墨子沙龙的活动。我今天要讲的题目是向太阳系的星辰大海挺进。

　　大家看到这个题目可能觉得不对，我们现在总是说要向宇宙进军，要揭开宇宙的奥秘，要进行星际的探测，但我还要是老老实实地说，现在人类的能力和水平只能向太阳系的星辰大海挺进。我大约分五部分，来介绍这里面的内容。
　　前言
　　
人类自古以来深受神权影响，当时在欧洲最流行的地心学说，说的是所有的天体都围绕着地球转。太阳是绕着地球转东出西落，整个宇宙都是绕着地球转，地球是中心，这也符合上帝创世的传说。


　　1543年，哥白尼提出了日心学说，即太阳系的这些行星，都受太阳控制，一方面自转，一方面绕着太阳公转。这是一个革命性的发现，也带来了科学的蓬勃发展，让我们从此对整个太阳系的认识走向了一条正确的道路。
　　日心说被证实后，大家就要研究整个宇宙尺寸、历史等。从哥白尼以来的500来年，经过科学家们的不懈的努力，我们认为宇宙在大约138亿年前有一次大爆炸，形成了千千万万个星系，而现在宇宙可见的半径大概有460亿光年。


　　宇宙的年龄大约138亿年，宇宙大爆炸形成了千千万万个星系。宇宙可见半径为460亿光年。宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物构成的统一体。
　　宇宙形成了千千万个星系，我们居住的星系叫银河系，中国古代叫天河。银河系只是宇宙千千万个星系当中的一个，直径大约有十万光年，也是非常庞大而浩瀚的。

　　一条天河上面有很多星星，“天上的星星亮晶晶”。因为天上的星星自己可以发光，所以才能被看到。银河系里有那么多星星，我们的太阳是千千万个星星当中的一个，现在已经知道银河系里大概有2000亿个“太阳”，我们的太阳是其中一个，在银河系的一个悬臂上。这2000亿个“太阳”中，每个“太阳”都管了一串行星。我们所在的地球，也只是太阳系管辖的八大行星之一。银河系里的“太阳”，哪个“太阳”比较大，带的行星可能就会比较多。在银河系里2000亿个“太阳”里，我们所在的太阳系是银河系里面普普通通的一个。所以即使以银河系的尺度来看，我们都是沧海一粟，所以以人类现在的探测能力，只能探测到太阳系。

　　1977年，美国发射了两个探测器，叫旅行者一号和旅行者二号。到今天飞了44年，这44年一直以第三宇宙速度，每一秒钟飞16公里，这速度看起来很快，但44年飞了多远呢？就在下图中弓形激波旁边，蓝色三角形显示的位置。而太阳系到底有多大呢？地球跟太阳的距离是1亿5000万公里，我们把它叫做一个天文单位，太阳系管辖的范围有10万个到20万个天文单位，即15万亿到30万亿公里。那旅行者一号二号飞到哪了？只飞了260亿公里。


　　1977年发射的“旅行者1号、2号”，飞行44年到达距离地球260亿千米（~174天文单位），到达太阳系半径的千分之一。
　　我们太阳系的邻居，正式名称叫半人马座阿尔法，中国人叫它比邻星，天涯若比邻的意思。太阳跟比邻星的距离，有15万亿到30万亿公里。那么旅行者一号、二号只飞了太阳系半径的千分之一。所以假如从地球上发射探测器，以现在人类的技术水平，大概要三万年才能够飞出太阳系到半人马座，比邻星管辖的范围。所以以现在的能力，我们根本出不去。
　　旅行者一号、二号是国际上非常有名的探测器，他们开始以为路上一定能够碰见外星人，所以录了一些光盘，一边飞一边放出来，向外星人问好。另外挑了一些非常好听的乐曲，比如我们中国的“高山流水”也被挑进去了，希望外星人喜欢我们地球人类的音乐。但飞了40多年了，现在还在太阳系里头。
　　下图在太阳的旁边的是八大行星，太阳系外面还有更浩瀚的奥尔特云，要飞三万年才能飞到。太阳系有八大行星，而我们去年才去火星，所以我们现在人类的探测只是行星际之间的探测，还要几十年才慢慢地飞过这八大行星，还要上千年、上万年，才能飞出太阳系。所以我老老实实地说，我们人类现在深空探测的任务，就是要探测行星际空间的太阳系。

　　太阳系的半径10-20万天文单位，15-30万亿千米，大约2—3光年。飞行器以第三宇宙速度飞行（16.7km/s），至少需要3.2万年才能飞出太阳系的边界。
　　这几十年以来，科学家们也想，银河系里2000亿个太阳，应该也会有另外一个地球，也会有外星人和高度发展的文明？所以这几十年以来，科学家们发射了一系列太空望远镜。我们去不了，但是望远镜可以看见，就可以去寻找，有没有哪个“太阳”的哪颗行星像我们的地球，它的大小、与太阳的距离跟我们差不多，有没有可能培养出物种，甚至出现智慧生物，建立高度的文明。

　　科学家抱着极大的期望，发射了那么多的太空望远镜，著名的有哈勃望远镜、开普勒望远镜等等。经过这几十年的努力，在银河系里找到了700到800个比较像地球的行星。那上面是不是有外星人呢？这虽然引起了科学家极大的兴趣，但是很遗憾，距离地球太遥远了，无法进行探测。比如开普勒找到了地球的一个表兄弟，或者叫“2.0版”的地球——开普勒186f。它离我们地球有500光年。也就是我们用望远镜看到它的形貌，是他500年前的情况，光从它那儿传到地球要经过500年的时间。


　　Kepler-186f距离地球~500光年（对应于明朝中期）；有些类地行星相距1800光年（对应于汉末三国时期）
　　我们现在人类的技术飞一个光年大概要一万年，光每秒钟30万公里，而我们的探测器一秒钟十六七公里，速度差的太远了。俄罗斯有一位科学家齐奥尔科夫斯基（1857—1935），他的墓志铭上说，“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。开始，他们将小心翼翼地穿出大气层，然后便去征服太阳系”。应该说，从他逝世到现在80多年了，他的预言是非常正确的。1957年，苏联发射了第一个人造地球卫星，宣布了人类空间时代的到来。令人更没有想到的是，1958年美国和苏联两个超级大国去探测月球，实现了人类飞离地球、开展深空探测、去月球探测的梦想。紧接着， 1960年苏联发射了火星一号探测器，美苏又去探测火星。我们的每一步都相差他们大概半个世纪。

　　更没有想到，1961年苏联加加林上天，而我们的杨利伟同志是在2005年上天。发展更快的是美国。1969年，阿姆斯特朗搭载美国的探测器着陆在月球上，实现了人类第一次着陆。有两位航天员，一个是阿姆斯特朗，一个是奥尔德林。阿姆斯特朗说，“这对我个人来说是一小步，而对人类来说是一大步”。而我们国家是一位后来者，但我们要加快步伐，有自信一定要实现月球探测、太阳系的探测。

　　当代的太阳系探测：月球探测是起点，火星探测是热点，小行星探测是亮点，行星际穿越探测是难点！
　　月球探测是起点
　　深空探测指的不是绕着地球的卫星、空间站等，这些不属于深空探测，而属于近空探测，因为它离地球太近了，四五百公里距离。而深空探测的最低限度要到月亮，38万公里，所以月球探测是起点。在1957年，苏联发射了第一个人造地球卫星，引起了全球的震撼，这是空间时代到来的标志。
　　而1957年，我刚刚大学毕业不久，学校分配我去考副博士研究生。我们国家要工业化，一定要找到资源和能源，而工业化最重要的是铁和铜。但1957年的时候，我们年轻的共和国成立也还不到十年，百废待兴、一穷二白。我们当时没有能力发射地球卫星，更没有能力冲出地球，进入太阳系的空间。即使在这个时候，我们国家也很有远见地成立了很多庞大的、航天相关的公司和集团，比如后来的中国航天科技集团、中国航天科工集团，以及中国电子科技集团等。一个个集团的相继成立，说明国家下定决心一定要发展高技术。
　　我们国家的大方向抓得非常对。在1970年我们也发射了第一颗人造地球卫星，可以发射导弹、火箭、卫星，慢慢也可以发射飞船了。我们逐步加快速度，去追赶那些航天大国。
　　首先要解决探月技术问题，这是个根本，解决别人对中国人能力的质疑。但是去月球干什么？月亮上有什么科学问题？探索月球对人类究竟有多大的意义？这些问题都要进行严肃的讨论。
　　我发现当时没人论证、准备这些问题，在这种情况下，我就说那我来考虑一下。我是学地质的，对地球比较了解。地球、火星等八大行星都是太阳系的兄弟姐妹，是一个家族的。在了解了地球之后，就可以基本知道他的兄弟姐妹有哪些基因。虽然他们每个人生存的环境、地位不一样，每个人的个性也有不同，火星是这样，金星是另外一个样子，而水星又有一番样貌。但是我有地球科学的基础，再了解一些其他几颗行星，就能够知道到月球上该干什么，到火星上该干什么，能得到什么。
　　所以当时，我想应该怎么下手去做呢？最后找到了一个办法，从太阳系的起源开始考虑。太阳系是在银河系里面的一团星云慢慢地运动凝聚起来，最后形成了八大行星和整个太阳系。太阳系可能只是第一代，第二代甚至第三代星云，并不是最早形成的。宇宙有138亿年的历史，而太阳是50亿年以前诞生的。四周的尘埃、气体，都绕着太阳转，而如今这些尘埃气体呢？太阳年轻的时候火力很盛，而且温度很高，把星云里面的那些尘埃颗粒，都给融了。融掉以后，它们慢慢的在不同的轨道聚集起来，形成了现在的八大行星。

　　太阳系的形成过程。球粒陨石是形成太阳系的原始物料。
　　所以我找到了形成太阳系最原始的东西，这个东西叫什么呢？叫球粒陨石。太阳系在星云里把这些尘埃都融了，然后慢慢冷下去，这些像水珠一样的东西慢慢结晶出来，在显微镜下可以看到一个个的小球。这些是组成地球等行星的原始物料。我要从根本上看看它们是些什么东西，有什么成分，是怎么形成的。有了这一步，好了，最后八大行星都是由这些东西组成的。

　　我也测出了那些球粒陨石的年龄，大约是46亿年。在45.5亿年或者45.6亿年前，地球才开始从胚胎慢慢演化。这些东西组成现在行星。另外还有一些更小的碎块，也慢慢汇集起来，就在太阳系里面分布着大大小小的多极，我们叫做小行星。这些球粒陨石碎块聚集起来后，因为含有很多放射性元素而产生很高热量，小行星被融化了。类似炼钢炉里，重的物质往下沉，轻的往上浮。我们的地球、月球也经历了这样的过程。

　　46--45.5亿年，太阳系行星形成
　　结果所有的小行星、月球、地球，它们的核心部分叫铁镍核心，是比较沉的物质，沉在化铁炉的底部，而上面的炉渣全是石头。所以，每一个小行星、卫星、行星，都经过这样的分异，把这些天体变成好多层。假如一个小行星被撞碎，它的核心部分形成的陨石就是我们后来找到的铁陨石；靠外侧的部分，有石头、有钢铁形成了石铁陨石；最外面只有石头的部分，形成了无球粒陨石。

　　所以我就开始研究降落在中国的各种类型陨石。一种就是铁陨石，这种铁陨石的结构剖开后有一种花纹，这种花纹，是现在的冶金学家做不出来的。因为它的炉子是100万年一度、经历上亿年的冷却，最后凝固成为合金。这是天然炼出来的合金，人类无法仿制，这是铁陨石的特点。



　　陨石是空间探测研究进门的一个很重要对象。从1958年，我就开始研究我们天上掉下来的各种各样的陨石。最有名的就是1976年，吉林降落了一次陨石雨，那是球粒陨石，是最原始的陨石，也是世界上规模最大的。着陆的时候，它通过大气层高速冲进来，一大块碎成了三个大火球，往最前冲，最后很多碎块噼里啪啦地掉在地上，降落在吉林市的北郊，分布面积大概500平方公里。当时国家组队，我带队去考察吉林陨石，发表了100多篇论文。

　　之后我就慢慢做各种各样陨石的研究，开始了解月球、地球、火星最原始的物质是什么。后来这些物质融化再改变，会变成什么样子，它的历史我也可以大概知道。不用去月球，如果有一个小天体撞在月亮上砸了一个大坑，那些石头就会被粉碎后抛出来，当然99.9%要降回到月亮上去，但总有一些逃离了月亮引力，在太阳系里面乱飞，有机会掉到地球上来。

　　现在人类已经找到了大概400多块从月亮上掉下来的月球的岩石，300块从火星上掉下来的岩石。同样的方法，我可以研究月球、研究火星。大家

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