太阳系的宇宙尘埃从何而来？

    一项新研究称，太阳系的尘埃可能来自火星系统，而不是通常认为的小行星带。

 

    我们在日出或日落时所看到的辉光其实是宇宙尘埃引起的效果。几十年来，天文学家一直认为这些尘埃来自小行星，但现在他们不那么确定了。

 

    一开始，丹麦技术大学的约翰·雷夫·约根森并没有想要彻底改变科学界对宇宙尘埃的理解。事实上，这位天体物理学家甚至没想着寻找这些尘埃。2011年，他说服美国国家航空航天局（NASA）的合作者为朱诺号（Juno）探测器添加第4个摄像头，希望以此来统计那些因体积太小而无法被望远镜探测到的小行星的数量。

 

    朱诺号是围绕木星运转的太空探测器，于2011年8月5日发射，预计将于2021年至2022年结束观测任务，以受控方式坠入木星大气层。令约根森意外的是，朱诺号相机所探测到的颗粒要比小行星小得多，只有不到80微米宽，甚至比人类头发的直径还小。更奇怪的是这些尘埃的起源。这些微小的颗粒似乎来自火星，这与我们对宇宙尘埃的了解大相径庭。

    通常而言，思考模式的转换是一种显著的转变：从宗教世界观到理性主义世界观；从一个以地球为中心的宇宙到一个以太阳为中心的宇宙；但有时，这种转换开始于像灰尘一样微小的东西。如果约根森和他的研究团队是正确的，他们的发现可能就会颠覆我们对太阳系的理解。但首先，他们必须弄清楚四十年来各种相互矛盾的研究结果，并面对许多专家的质疑，其中一位便是皇后乐队的首席吉他手布赖恩·梅，后者曾在2007年提交了一份与这些尘埃有关的博士论文。

 

    事实上，你可能无意中已经见过了这些尘埃，或者至少见过它们所产生的效果：日出前或日落后，地平线上会发散出奇特的圆锥形光芒。波斯诗人、天文学家奥马尔·海亚姆在1132年的《鲁拜集》（Rubaiyat）中曾提及所谓的“假黎明”，可能就是指这种现象，但其更恰当的称呼应该是“黄道光”。到了20世纪80年代，科学家借助能够测量红外辐射的卫星发现，这些光来自于围绕太阳旋转的带状粒子。他们认为，这些粒子可能来自小行星，是它们在进入内太阳系时所释放出的尘埃。“卫星揭示了黄道尘云的结构，”美国佛罗里达大学的天文学家斯坦利·德莫特说，“模型显示，它们与小行星之间的碰撞有关。”德莫特是最早提出黄道尘埃带起源于小行星的科学家之一，

 

    最近的研究填补了该理论的其他空白，包括彗星的贡献，但与此同时，这些研究也巩固了一种解释，即这些天体将尘埃带入了内太阳系。约根森教授表示，他的研究团队很意外地颠覆了这种解释，“这完全是偶然的，我们原本在寻找别的东西”。

 

在寻找更小的小行星的过程中，约根森的团队设计了朱诺号四台跟踪相机中的一台，可以拍摄任何出现在多个图像中的天体，并追踪其速度。当朱诺号在火星附近飞行时，这台相机启动；之后朱诺号再次飞近地球，以获得逃离地球引力所需的速度，这种操作被称为“引力助推”或“引力弹弓效应”。然后，在飞往木星的途中，朱诺号再次经过火星。“我们对火星和地球之间的区域进行了两次测量，”约根森说，“这些测量一直持续到木星。这是我们第一次能够进行这样的测量。”

 

    在最初的三个星期里，当探测器穿过研究团队预计会看到小行星的区域时，却什么也没有发现。然后，突然之间，出现了很多东西。这一发现发表于今年3月份的《地球物理研究杂志》（Journal of Geophysical Research）。随后，约根森在NASA的一份声明中将该发现描述为就像“有人在窗外抖动沾满灰尘的桌布”。

 

    过了一段时间之后，研究人员才明白自己看到的是什么；约根森甚至一度担心相机拍到的条纹是燃料泄漏的迹象。然而，当计算出这些物体的大小和速度后，他们发现了更令人吃惊的事情：这些物体其实是朱诺号太阳能电池板的微小碎片，是受到尘埃颗粒高速撞击（每小时1.6万公里）后“释放”出来的。这些尘埃粒子的速度和大小都与构成黄道带的尘埃相对应。由于尘埃粒子的移动速度极快（每秒5到40公里），几乎不可能被相机捕捉到，因此研究人员通过它们所呈现的冲击力来进行测量；从太阳能电池板上掉落的碎片移动得较慢，因此更容易成像。

 

    研究人员并没有在地球附近发现尘埃，而当朱诺号进入木星的引力场时，这些粒子再次消失了。只有当朱诺号靠近火星时，尘埃颗粒才多起来。这些尘埃接近圆形的轨道模式也与火星轨道非常吻合。“起初，我们对自己的数据持怀疑态度，”约根森说，“但无论我们如何转换，我们都找不到其他选项，只能认为这些尘埃肯定来自火星系统。”

 

    这一发现意义重大，部分原因在于这是科学家首次能够测量这些尘埃颗粒在太空中的分布。与朱诺号巨大的太阳能电池板相比，目前专门的尘埃收集器在尺寸上十分有限，因此对稀疏的颗粒集合不够敏感，它们通常统计的是更丰富、更小的星际尘埃颗粒，而不是朱诺号探测到的行星际颗粒。该发现也可能改变科学界对黄道光来源的共识。约根森的团队开发了一个计算机模型来预测这片尘云所反射的光线。NASA戈达德太空飞行中心的磁力计研究员杰克·康纳尼是约根森这项研究的共同作者，他表示，这个模型提供了“一种确定性的证据，即我们确切地知道这些颗粒在太阳系中是如何运行的，以及它们起源于何处。”

 

    无可否认，仍有一些重大问题尚未得到解决。正如约根森及其合著者所指出的，最主要的一个问题是：宇宙尘埃究竟是如何到达那里的？众所周知，火星是一个尘土飞扬的星球，尘暴也十分常见，但这些尘土必须摆脱火星引力才能完全离开火星，科学家还没有确定这种情况发生的确切机制。研究作者推测，这些尘埃颗粒很可能来自火星的两颗卫星，因为它们的引力较弱。

 

    不过，许多太空尘埃专家仍然不认同约根森的尘埃假说，其中就有布赖恩·梅，他在20世纪70年代开始研究这一课题，但此时他也成为了皇后乐队的吉他手，作为天体物理学家的职业生涯被打断。布赖恩·梅在2007年回归天体物理学研究，在攻读博士学位期间专注于黄道带尘埃颗粒的速度。他在丹麦科学网站Videnskab的一份简短声明中指出：“有一个假说认为，地球上所见的黄道光的精细结构是由于小行星带中某些小行星家族成员之间的碰撞导致的。朱诺号的这些数据并没有严重挑战这一假说。”

 

    另一些专家则认为该研究确实有可取之处，但也看到了其中的不足。德莫特质疑这项研究没有考虑灰尘的形态。NASA科学家彼得·波科尔尼说：“我们知道黄道云存在一个离散的结构，任何模型都必须对这种结构与其来源之间的对应关系进行解释，但我没看出来。”他对这些数据表示赞赏，称其是“一个重要的库，将在未来几年继续为学界服务”，但他并不信服约根森的阐述。

 

    波科尔尼指出，朱诺号是平的，单向的太阳能电池板无法接收到来自垂直或背后方向的尘埃颗粒，这意味着它无法获取完整的复杂尘埃环境；他还认为，研究作者未能将他们的模型与现有模型进行比较。“在没有任何正式模型的情况下，我现在只能猜测，但我看不出火星或其附近产生的尘埃能够解释各种与尘埃相关的现象，”波科尔尼说，“我也不知道有什么机制可以产生维持黄道带尘埃云目前形状所需的大量尘埃，或者维持其一小部分形状所需的尘埃。我们在火星上有漫游车，也有绕火星轨道运行的卫星，但都没有探测到任何能导致尘埃飞起的活动。”

 

    尽管波科尔尼仍持怀疑态度，但他承认，如果有证据支持，约根森的理论将改变这一领域。他写道：“我完全支持新的革命性想法，因为那将推动该领域和人类向前发展，但每一项发现都需要经过科学界的充分论证和仔细审查。如果约根森博士的发现是正确的，我会感到无比激动。这将代表我们领域一个重大的思考模式改变。但目前，我个人还没有办法将火星尘埃纳入理论，至少目前没有。”

 

    对于约根森而言，他认为一些差异可以用新的数据来源来解释，他也承认，当一种新理论与根深蒂固的理解相矛盾时，对其产生抗拒是很自然的。他说：“过去40年来的一个共识是，这些尘埃来自小行星带。但我们必须记住，这个观点源自于地球上的望远镜或环绕地球轨道的卫星所获得的测量结果。我们第一个了走出去，对小行星带是否存在尘埃进行了实际验证。我们惹恼了很多人。”

 

    不过，即使是批评者，也看到了这些发现对未来探测器应该如何配置的意义。为了减轻重量，NASA为一些探测器——比如计划今年秋天发射的露西号（Lucy）探测器——配备了尽可能薄的太阳能电池板和其他设备。但考虑到朱诺号探测到的尘埃颗粒的大小和速度，这可能是一个错误的策略。约根森表示，这些探测器需要的是“一件防弹背心”。

 

    德莫特认为，从这个意义上说，这些发现“绝对是一个范式转变”。波科尔尼表示赞同，他说：“我非常赞同约根森的结论。所有人都想把航天器造得尽可能轻，以节省仪器费用，因此在每一项空间任务中，评估适当的防护和减轻损害的方案都是必不可少的一部分。未来任务中将采用更大、更好的太阳能电池阵，届时肯定要考虑到太阳系中高速尘埃粒子的撞击，这种撞击非常频繁，难以避免。”

 

    约根森认为，使用恒星追踪相机来评估尘埃的位置，有朝一日或许能为探索适合居住的系外行星开辟新的可能性。直到最近，科学家在探测支持生命的气体方面一直进展不顺，因为他们认为尘埃云的范围会阻碍探测。今年2月，阿联酋首枚火星探测器“希望号”（Al-Amal）抵达火星。目前，约根森的团队正忙于从该探测器的恒星追踪相机上收集新数据，并与早些时候NASA的一个木星任务中收集到的数据进行比较。与此同时，约根森也欢迎研究者对其提出的范式转变加以批评。“（这种转变）必须具有挑战性，”他在谈到其他研究者的意见时说，“否则，就没有乐趣了。”