好奇心日报

好奇驱动你的世界

打开
文化
  • 纽约时报
  • NASA
  • 木星
  • 木卫二
  • 磁场
  • 美国
  • Margaret Kivelson

玛格丽特·基韦森即将 90 岁,她是探测外星冰下海洋的第一人

她和她的团队在过去 40 年改变了 NASA 寻找外星海洋存在迹象的方式

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

洛杉矶电 — 空间物理学家玛格丽特·基韦森(Margaret Kivelson)和她的团队压根没想到会接收到这样的数据。

那是在 1996 年 12 月,伽利略号宇宙飞船(Galileo)刚刚掠过冰层覆盖之下的木卫二。传回地球的数据显示,这颗卫星周围可能存在磁场。按理说,木卫二应该没有磁场,可是探测结果有目共睹,就连这个磁场的方向也与众不同。

回忆起刚收到数据时的情形时,她表示:“结果出乎我们的意料。真是太棒了。”

后来,针对木星众多卫星的研究又给了科学家一连串惊喜,但此次发现意义最为重大。只不过对基韦森博士的团队而言,这本来是一次再普通不过的任务。

传回异常数据的磁强计由基韦森博士和她的团队共同设计。磁强计的作用是测量木星巨大的磁场,以及各个卫星引起的磁场变化。除了空间物理学家,很少会有人会对他们的研究结果感兴趣,按理基韦森博士设计的仪器也根本不会改变太空探索的进程。

但他们却做到了。很快,基韦森博士的团队就发现了第一片外星冰下盐水海洋。

1979 年,旅行者号探测器拍摄到的木星和它的两颗卫星:木卫一(左)和木卫二。图片版权:NASA/JPL

基韦森博士是加州大学洛杉矶分校空间物理学荣誉教授,这个月就将年满 90 岁了。40 年来,美国航空航天局(NASA)几乎每次探测小行星带以外空间的重大任务都有她的参与。她风趣幽默,尽管科研成果斐然,但一直虚怀若谷。

她的团队改变了磁强计在太空探索中的作用,使它成了重要的测量工具。他们完善了探测外星海洋的技术,使外太阳系成了搜寻宜居场所的热点区域。

最近,基韦森博士还参与研制了“木卫二快帆”任务(Europa Clipper)所需的等离子探测仪。“木卫二快帆”是 NASA 计划开展的外太阳系探测行动,旨在研究拥有海洋的木星卫星是否宜居,飞船计划最早于 2022 年发射。她的工作是测定海洋的深度、盐度,以及表面冰层的厚度,从而判断卫星上是否可能存在生命。

而这一切都要从伽利略号飞越木星卫星说起。事实证明,神秘的木卫二是一颗不同寻常的星球。

“我们提出了许多错误的假设,”基韦森博士说道。不过在第一次近飞探测许多年后,他们终于找到了答案。

哈佛大学与氢气

1960 年代的基韦森博士。她说:“物理学家用原子弹和雷达拯救了世界。突然间,人们发现物理学不仅是一门重要的基础学科,也具有实际应用价值。”图片版权:via Dr. Margaret Kivelson

基韦森博士在纽约出生,父亲是一名内科医生,母亲则是一名老师。她从小就擅长数学,朋友们都亲切地称她为“玛吉”(Margy)。

“我喜欢数学,”她承认道,“我觉得数学很简单,不过大多数人都不这么认为。”

高中毕业后,她被哈佛大学录取,但当时哈佛并不招收女生,而是把她们归在拉德克利夫学院(Radcliffe College)名下。这所学院没有自己的教学团队,哈佛的教授上完课后会穿过食堂,来到拉德克利夫学院再给女生重复讲一遍课。基韦森博士回忆说:“那时候,女生是不能进入哈佛课堂的。”

她就是在哈佛喜欢上了物理,因为物理使数学有了用武之地,让公式演算有了实际意义。

她表示:“我很幸运,刚开始学习物理时,物理学是最热门的学科。那时候第二次世界大战刚刚结束,物理学家用原子弹和雷达拯救了世界。突然间,人们发现物理学不仅是一门重要的基础学科,也具有实际应用价值。”

到了大二时,男女生就不再分开上课了。在辉煌的原子时代,物理教授已经没有时间把同一堂课重复两遍。基韦森博士说:“先给 10 名女生上一小时的课,然后再对 400 名男生重复一遍,简直太荒唐了。”

但这并不是说,哈佛女生的境遇突然有了好转。基韦森博士刚开始念物理研究生时,她是班上唯一的女生。

1955 年,她加入了兰德公司(RAND Corporation)。这家公司为美国国防部提供研究服务,包括研发核武器。她被要求研究氢气在相当于 100 万倍大气压力下的方程表达式。

她解释说:“有两种情况下氢气会受到这样的压力,一是在氢弹里,二是在木星中心。”

1967 年,凭借在理论物理学以及后来在天体科学方面的专业背景,她加入了加州大学洛杉矶分校。有了在兰德公司的经验,她成了校内外的木星专家。基韦森博士开展的理论研究和她提出的基本思想让她在空间物理领域声名远播。

1964 年,基韦森博士在美国国防部的一次科学研讨会上。图片版权:via Dr. Margaret Kivelson

实践研究

1979 年,旅行者号探测器接近木星后,科学家在旧金山召开了美国地球物理学联合大会(American Geophysical Union),讨论木卫一为何会在它和木星之间产生百万安培的电流。

弗兰·巴格纳尔博士(Dr. Fran Bagenal)是科罗拉多大学(University of Colorado)行星科学的荣誉教授,她回忆起那场大讨论时说:“这个身材矮小的女子不是旅行者号团队的正式成员,只是在写写论文、研究这个课题而已。她步入会场,走上讲台,把话筒往下拉了拉,以便让大家听清她讲的话。而她的演讲震撼了全场。”

“结果表明,她说的是正确的,”巴格纳尔博士补充道,“她的结论不容置疑,她对自己的专业精通得很。”

NASA 宣布伽利略号将前往木星执行任务时,基韦森博士博士做了充分准备,提议在探测器上安装一台磁强计。

她表示:“我那时对木星的磁场和粒子环境非常着迷。”

随着课题申报截止日期的临近,她连续几周都会工作到午夜。而当磁强计项目被选中后,她回忆说:“我们开了香槟庆祝,大家都很激动。”

左起:伽利略号宇宙飞船;亚特兰蒂斯号太空船载着伽利略号从开普卡纳维拉尔发射升空;伽利略号在发射 6 小时后与亚特兰蒂斯号分离。图片版权:JSC/NASA
2016 年,朱诺号宇宙飞船进入木星轨道后拍摄的木星画面。图片版权:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstäd/Seán Doran

1995 年,伽利略号进入了木星轨道。基韦森博士和她的团队有了第一个重大发现:木星最大的卫星木卫三拥有内部磁场。

卡萝尔·帕蒂博士(Dr. Carol Paty)是俄勒冈大学的地球科学副教授。她解释说,木卫三又小又寒冷,人们都觉得凭借它的化学元素、热力学环境和内部结构不可能产生自己的磁场。

她说:“这一发现重塑了科学家对行星内部运作方式的理解。”

后来,伽利略号又对木卫二进行了一系列探测。

据地质学家猜测,这颗由冰层覆盖的卫星曾经有一片冰下海洋,但他们不确定海洋是否依旧存在、会不会很久以前就结了冰。要不是伽利略号磁强计传回了奇怪的数据,这个问题至今还是个谜。

数据的异常让基韦森博士和她的团队困惑不已,他们设想了好几种可能,其中一种是木卫二的磁场是由木星感应产生的。

“这和机场里金属探测器的原理是一样的,”加州大学洛杉矶分校地球物理学家克里尚·库拉纳(Dr. Krishan Khurana)博士解释道。他也参与发现了木卫二上的海洋。

当你穿过安检门时,金属探测器会产生高频磁波。假如你口袋里有一把钥匙,钥匙内部就会产生涡电流,继而产生自己的磁场,反过来引发探测器产生蜂鸣。

同理,这种感应也可能存在于木星和它的卫星间:木卫二穿过木星的磁场时,电流也穿过了卫星地表下的某种导体,产生了一个微型磁场,反过来又影响了木星的磁场。于是它就触发了伽利略号这个金属探测器。

不过这只是一个假设,并无定论。木卫二也可能本身就存在一个奇特的磁场,正好与木星的相反。

1998 年,伽利略号拍摄的木卫二彩色增强图像。木卫二的表面由冰层覆盖,布满了裂痕。图片版权:NASA/JPL-Caltech/SETI Institute

由于木星的地磁赤道相对地理赤道倾斜了 10 度,所以木卫二有时在它的上方,有时在它的下方。磁强计团队需要的是木卫二处于地磁赤道另一侧时的数据。

如果木卫二的磁场改变了方向,那就意味着磁场是由木星引起的,继而说明卫星内部存在某种导体。而唯一可能的导体就是冰下盐水海洋。

基韦森博士提议,让伽利略号以特定的角度飞越木卫二。对一架资源有限、分分秒秒都无比珍贵的探测器而言,这是个不小的提议。但她得到了批准,伽利略号在 2000 年 1 月飞越卫星时得到的数据也印证了团队的预测:木卫二上确实存在大片海洋。

休斯顿月球与行星研究所(Lunar and Planetary Institute)主任路易丝·普罗克特博士(Dr. Louise Prockter)表示:“这是行星科学领域的一大发现,它引发了一场革命。”

罗伯特·帕帕拉尔多博士(Dr. Robert Pappalardo)参与了 NASA 即将开展的“木卫二快帆”任务。他认为这一发现不仅关系到木卫二,也关系到了整个太阳系。

“在被冰层覆盖的星球上,这一发现确实改变了海洋存在的可能性。很快,我们就从‘可能有’发展到了‘几乎肯定会有’,紧接着开始问‘哪里还会有?’我们的观念转变得太快了,要知道,当初‘海洋世界’这个词还根本不存在。多亏了玛吉的基础研究,现在它成了一个研究课题。”

为下一堆问题做好准备

最近的一个星期三,基韦森博士和几位加州大学洛杉矶分校的师生一起外出聚餐。她的这个传统已经延续了几十年了。

然而,基韦森博士还没有完全揭开木星的秘密。

除了为即将发射的“木卫二快帆”任务开展研究外,她还参与设计了欧洲航天局计划 2022 年发射的木星冰月探测器(Jupiter Icy Moons Explorer)。她本人则专注于研究困扰科学家多年的木星磁层问题,有关等离子体从木卫一向外扩散时产生的神秘加热现象。

每天她仍会来办公室工作,周三晚还会组织加州大学洛杉矶分校的研究生和老师一起聚餐。她的这个传统已经延续了 33 年了。

大家会在聚餐时分享自己目前的研究,一起讨论空间物理学的最新进展。人们的评价或许尖锐犀利,但并不会引发激烈争执。面对投射在白色屏幕上的方程式和模型,在座的听众会花上几个小时分析找茬。受到质疑时,主讲人会挂起黑板,用粉笔写下一个个指数幂、余弦符号和希腊字母。

一旦桌上的笔记本电脑无法提供满意的答案,科学家们会冲回办公室,翻出 50 年前的教科书来证明自己的观点。提出异议的同时,大家也不失幽默,他们一边工作,一边还会分发巧克力。

最近一次聚会时,研究生史蒂夫·汤姆林森(Steve Tomlinson)介绍了自己对日冕抛射物质结构的研究,结果受到了 9 名物理学家不间断的质疑。

基韦森博士提出的异议是最多、最尖锐的。她让汤姆林森继续深入思考,引导他进一步阐释自己的研究成果。

“看起来你有一大堆问题要解决,”基韦森博士总结道。经过一个小时的质疑,她对结果颇为满意,正准备着聆听下一位同行的演讲。


翻译:熊猫译社 智竑

题图及文内图片(未标注)版权:Jenna Schoenefeld for The New York Times

© 2018 THE NEW YORK TIMES

  • 纽约时报
  • NASA
  • 木星
  • 木卫二
  • 磁场
  • 美国
  • Margaret Kivelson