米歇尔·塔勒(Michelle Thaller)
#2506 - Michelle Thaller
Guests: Michelle Thaller
In-depth read · Key ideas, reasoning, and examples, organized by topic.
§01开场:天文讲座与宇宙尺度难题
本期节目以轻松的闲聊开场。一位发言者讲到自己这周努力向高中生解释黑洞,并提到最近在威斯康星州肖尔伍德的男士俱乐部(Men's Club)做了一场天文讲座,俱乐部成员得知其要来上这档播客,都十分兴奋。随后对话转向这位发言者的公众科普工作。其在 NASA 的职业生涯大部分时间担任科学发言人,出镜 NASA 视频并主持发射活动;到目前为止很少以个人身份做 YouTube 内容,不过正在考虑开始做一些。
第一条科学线索是尺度。讨论尝试了此前讲座中用过的一个比喻:如果太阳只有一页文字中字母“i”上那个点那么大,那么银河系会比地球还大。文字稿在细节上有些摇摆:有一处把这个比喻表述为银河系“有地球那么大”,还短暂地把地球和太阳弄混,最后才确定以太阳作为参照的那个点。随后给出了一些辅助数字:按体积计算,太阳里能装下超过一百万个地球;太阳直径约 80 万英里;一光年,即光在一年中走过的距离,约为 6 万亿英里。
这些数字的意义恰恰在于它们不足以让人真正理解。专业人士习惯了这些术语和数字,但讨论坚持认为,他们的直觉并不比任何人更好:
没有人能真正想象出一个星系是什么样子。
詹姆斯·韦布空间望远镜被视为纠正这一点的手段。它的图像捕捉到数十亿个星系,这些星系看起来是一团团雾蒙蒙的星光,恒星多得无法逐一分辨。讨论认为,照片是直接证据,“不是你可以争论的东西”。
§02光污染、失落的惊奇感,以及我们由星尘构成
有人简短地说,NASA 最好的部分是那些认为这份工作是世界上最好的事情的人们之间的喜悦、团队合作和同伴情谊。之后对话转向光污染。城市和电力被描述为好东西。即便如此,失去经常仰望星空的机会被称为一种“巨大的损害”。讨论认为,当人们只在手机图片里或度假时才看到夜空,就会失去那份惊奇感,尽管头顶的银河是“任何人类所见过的最壮观的东西”。人们变得对每晚都在头顶上方的事物不屑一顾。一位发言者呼吁更多人远离城市,去看看“我们正在太空中飞行”,并指出不需要望远镜或双筒望远镜。
接着,对话认为人类是仰望时所见之物的一部分,而非与之分离。依据是来源中所述的核合成:我们身体中的铝、铁、氧、碳、磷以及其他元素,都是由核聚变锻造出来的。
你知道,宇宙中唯一能制造原子的地方,就是恒星的内部。
由此,讨论称天体物理学讲述的是“你的鼻尖,字面意义上的”故事。参与者把这一观点与歌词“我们是星尘……我们是金子”以及“得让自己回到花园”联系起来。他们还指出,人类对宇宙的这种细致理解在人类历史上是近期才有的,而詹姆斯·韦布望远镜又将其推进了一步。
§03早期星系、缺乏想象力的命名与土星六边形
韦布观测到的早期星系被提及,因为它们似乎形成得太早,令研究者困惑。一位发言者提到几周前刚就此做过一场讲座。讨论并没有解释它们为何形成得这么早,而是转到它们的名字“小红点”,作为天文学命名朴素直白的一个例子。木星大红斑是另一个例子:这场风暴被描述为有地球的三倍大、风速达每小时 400 英里,却仍被称为“红斑”。
给出的解释与命名程序有关。发现小行星的人有权为它命名,彗星则以发现者命名。其他任何天体都要经过一个国际委员会,所以大多数天体最终只有目录编号,这些编号被形容为“基本上就是电话号码”。
土星极地的六边形(曾被短暂误说成在木星上)得到了更详细的讨论。它被描述为环绕极地的一股六边形急流,风速极快,宽约两个地球。由于土星的气体非常冷,“气体中几乎没有摩擦”。讨论特别提到卡西尼号拍摄的一张风暴眼图像,图中可见阳光在高达数百英里的云层上闪烁,并强调“我们去过那里。我们飞越了那场风暴”。
提出的机制是急流环流中形成的驻波,在去除热量和摩擦后便产生六边形形状。这被比作地球急流中持久存在的模式,这些模式使一周后的天气看起来与今天很相似。这一解释附带了明确的限定:“我不是大气专家,但我所知道的就是这些”;所给的证据是,在类似土星的条件下对高速急流进行的计算机模拟能够再现这种形状。
§04土卫六、“蜻蜓”号与苏联的金星着陆
土星被描述为“就在我们的邻里”,尽管到达那里既困难又缓慢。下一个话题是 NASA 计划中的土卫六任务,讨论希望它在 2028 年左右发射,需要六七年才能抵达。土卫六被描述为拥有浓厚的大气,表面气压略高于录音室内的气压,温度接近零下 300 度,有大量有机分子,并有证据表明地表以下存在液态水。因此它被称为可能“对生命友好”的地方之一。
这项任务名为“蜻蜓”(Dragonfly),被描述为一架携带化学实验室、用于寻找生命存在条件的大型八旋翼无人机。由于它能飞行,可以在不止一个地点采样。土卫六有雨、河流以及大小堪比五大湖的开阔湖泊。这些湖泊不是水,而是液态天然气,讨论中将其确定为甲烷。对话回顾道,卡西尼任务的一个探测器已经在土卫六着陆,进行了测量,并“最终被冻死了”。其中一些读数被形容为就生命存在的可能性而言“耐人寻味”,但没有给出具体内容。
金星则是对照案例。苏联被描述为唯一在金星上着陆过的国家,而且不止一次;在那里着陆被称为“难得要命”。给出的数字是:表面温度约 1000 度,气压与在海面以下约一英里处相近。着陆器拍摄的真实照片显示,在稠密的大气下,地貌被“压得平平的”,天上是带着黄色调的硫酸云,是“经典的地狱景象”。这些着陆器没有坚持多久。
§05系外行星:凌星探测与有机分子的初步迹象
太阳系各行星之间的多样性引出一个问题:其他地方的行星能否以完全不同的方式构成?答案是“绝对可以”。已知系外行星的数量每天都在变化,给出的数字约为 5000 颗。一位发言者把自己与这一领域的渊源追溯到大学时期,当时其研究导师大卫·莱瑟姆(David Latham)正试图寻找其他恒星周围存在行星的最初证据。行星又小又暗,只能反射星光。寻找它们被比作试图从 200 英里外看清探照灯旁的一只萤火虫。如今几乎每天都有新行星被发现,讨论预计很快每年会发现数千颗。
大多数系外行星都未被直接成像,因为它们“比一个像素还小”。它们是通过凌星发现的:行星从其恒星前方经过,造成“一次微小的日食”,挡住一点星光。讨论给出了一个证据标准:变暗必须重复出现三次,才能称之为行星,否则可能是恒星上的斑点或其他东西。穿过行星大气的星光还能让研究者探测其化学成分。一些大小和温度与地球相近的行星显示出存在水蒸气、二氧化碳和氧气的证据。
本节中限定最多的说法,来自詹姆斯·韦布空间望远镜前一年发布的一份新闻稿。它报告了可能存在有机分子的迹象,一些科学家认为这些分子或许有一天会与生命联系起来,类似于海洋世界中浮游生物可能释放出的物质。讨论称这一结果有争议,说“我们需要跟进”,并表示该信号目前还不够强。讨论也直接给出了相反立场:
然后,当然,其余的科学家说,数据还不够好。
给出的审慎解读是:它可能是一种有机碳基分子,但具体是什么仍未可知,建议是“敬请关注”。一位发言者补充说,自己从未想到,地球以外生命的第一份确凿化学证据可能来自另一颗恒星周围的行星,而不是火星或木星、土星的卫星。韦布及后续望远镜或许能让这成为可能。
§06光谱学与在太阳上发现氦
被问到穿过如此小的目标的光如何能被分析时,讨论解释了光谱学。讨论指出,大多数科学家打交道的与其说是美丽的图像,不如说是“小小的弯弯曲曲的线条”。光穿过光栅后被展开成彩虹,就像平克·弗洛伊德《月之暗面》专辑封面上的棱镜。仔细测量每种颜色到达的光量,就能揭示恒星的温度、自转速度,在某些情况下还能揭示星系的距离,以及逐个分子的化学成分。
每一种元素,碳、氮、氧,在彩虹中都有一个指纹。
水蒸气、二氧化碳和有机分子也有这样的指纹。这就是穿过系外行星大气过滤后的星光能够被解读的原因。一张图像展示了这一方法,图中是文字稿写作“Karena Nebula”(卡雷纳星云)的星云里一颗明亮的垂死恒星。
氦是历史上的例子。它以希腊太阳神赫利俄斯(Helios)命名,19 世纪后期人们让阳光穿过棱镜,发现了一种与任何已知化学物质都不匹配的图案,由此识别出氦。直到后来才在地球上找到它,存在于天然气中,也来自放射性衰变。讨论解释说,氦非常轻,会从地球逃逸。参与者查了日期,给出 1868 年,并将功劳归于一位法国天文学家,其名字在文字稿中写作“Pierre Jean-Saint”。他们赞叹 1868 年的人竟然能够弄明白这件事。
§07时间膨胀:引力、速度、GPS 卫星与宇航员
对话转向爱因斯坦关于时间的研究,时间约在 1908 年,距今已有 100 多年。讨论指出,物理学至今仍没有更好的框架。开头的问题是关于 GPS 卫星的。最初提出的速度约为每小时 2 万英里,后来被更正。讨论称,NASA 负责校准 GPS 卫星及其信号;如果不校正它们的时间差,一天之内定位就会偏差约 6 英里。
时间是可变的,取决于你运动得多快,也取决于你离地球表面有多远。
随后这一点被细化为你离一个大引力源有多远。引力效应被描述为在非常短的距离上就能测量到。时钟的精度足以在被抬高约两英尺后检测到时间流逝的不同。因此,一个站着的人,头和脚经历时间的速率略有不同。《星际穿越》中的黑洞是同一效应的极端版本,讨论强调这是用时钟测量出来的,“不是一种理论”。
两种效应方向相反,哪一种占上风取决于轨道。GPS 卫星处于中轨道,低于地球静止卫星。它们的速度先说约为每小时 9000 英里,后来又说 8000 英里,来源中前后不一致。它们的速度会让时钟变慢,但更大的效应来自它们与地球引力的距离,因此它们的时间比地面上的时间走得稍快。空间站上的宇航员离地球更近、移动更快,按讨论中的估算约为每小时 2 万英里,因此运动效应占主导。据称,在空间站待一年回来,人会比预期年轻约百分之一秒,“没什么大不了,但很容易测量”。对 GPS 而言,必须同时考虑这两种效应才能得到正确的位置。
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