你可能不知道的火星往事

飞蠓 2020-07-2517:05:50 1 824 views

你可能不知道的火星往事

2020年7月23日12时41分,中国第一次用本国火箭向火星发射了一颗名为“天问1号”的探测器。火星,这颗红色的行星再一次变成了“热词”,关于它有不少逸闻趣事,下面我就简单介绍一些。

①火星为什么叫“火星”?

你可能不知道的火星往事

20年前,我在一个小型天文馆里当义务讲解员,当时经常有参观者,特别是小朋友,会问我:火星为什么叫火星?是因为它上面全是火吗?当然不是,不过这个话题说起来就长了。

在古代中国,火星一开始并不叫火星,而是叫“荧惑”,据说这是因为它荧荧似火,而行踪又捉摸不定,令人迷惑。到了西汉时期,五行学说成熟之后,人们用“金木水火土”来命名天上的五星(《史记·天官书》中说“天有五星,地有五行”),荧惑分到的五行角色为“火”,这之后才逐渐叫它“火星”。除此之外,它还有别的叫法,例如“赤星”、“悬息”、“天理”、“进贼”等等,多数记载在谶纬书和占星术文献中,并未流行起来。

在西方,火星用古罗马战神马尔斯(Mars)的名字命名,原因是它的红色外观让人联想到战场上的血泊。希伯来语里叫它“红色星球”,而在阿拉伯和古波斯,它被叫做“火焰”星。

实际上,在古代中国,早期文献中火星指的是心宿二,这是一颗红色的超巨星,位于天蝎座,是全天第14亮的恒星。《诗经·国风·豳风·七月》里有“七月流火,九月授衣”、“七月流火,八月萑苇”等句,这里的“火”指的就是心宿二,而不是我们现在所熟知的“火星”,当然更不是形容天气炎热得像着了火。

②火星和近代天文学

要说起哥白尼的日心说,那真是无人不知无人不晓。它被认为是近代天文学的开端,也被视为科学与宗教分道扬镳的第一步。不过抛开宗教压制学术自由的大背景不谈,我们得承认,由于哥白尼自己的一些认识错误,他提出的宇宙模型与实际观测结果误差还是比较大的,并没比他要批判的托勒密宇宙体系高明多少。

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第谷建在汶岛的观天堡

丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1546-1601)立志解决这个谁对谁错的问题,于是他在厄勒海峡里的汶岛(Ven island,曾属于丹麦,后归属瑞典)建立了两个天文台,使用他亲自设计监造的大型古典天文仪器观测星空,积累了大量观测资料。1596年他离开了汶岛,并在临终前把观测资料留给了自己的新助手——约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler,1571 – 1630)。

开普勒利用第谷遗留的天文观测数据研究了火星的运动,发现无论是托勒密、哥白尼,用他们的宇宙模型计算出的火星位置与第谷实测的数据都存在系统性的误差(托勒密的误差是+5°,哥白尼的误差是-4°)。

开普勒首先利用火星位置实测数据研究了地球轨道问题,发现把哥白尼体系中地球轨道的偏心量减少一半,即可把哥白尼体系中的火星位置误差最大值缩小到约0.5°(即30’,读作30角分,相当于月面直径大小)。这个误差是以地心为参考系的,如果换算到日心参考系,则与实测位置的误差为8′。开普勒相信这不是第谷的观测误差,而是火星轨道的假设有问题。

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第谷的火星位置观测记录

在1605年,经过几十次尝试之后,开普勒最终确定,火星的轨道并不是托勒密、哥白尼和第谷等人所坚信的圆形,而是椭圆形,太阳就位于火星椭圆轨道的一个焦点上。在这种理论前提下,开普勒计算出的火星位置观测误差只有2′(相当于月面直径的1/15,接近人肉眼观测的精度极限)。这个预测结果的精度前所未有,困惑了人类数千年的火星诡异视运动问题,被开普勒一举征服。

后来开普勒说,“上天给我们一位像第谷这样精通的观测者,应该感谢神灵的这个恩赐。如果是我们假说上的错误,我们便应竭尽全力去发现天体运动的真正规律,这8角分是不允许忽略的,它改变了整个的天文学体系。”

或许他更应该感谢火星。

③火星卫星是怎么发现的?

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开普勒式望远镜原理图

就在开普勒研究火星运动数据的时候,他的好朋友伽利略正在摆弄一堆玻璃镜片,并且制造了可用于观测天体的天文望远镜。开普勒得知消息后,也开始研究光学,并提出了一种新型的望远镜设计方案,即用凸透镜做目镜,取代伽利略式望远镜中的凹透镜目镜。这样做的好处有两个,第一,望远镜目视视场变大了,用起来更舒服;二,天文学家可以在望远镜物镜焦点处放上动丝测微器,从而能够对天体进行高精度的位置测量。此后的大多数望远镜都接受了开普勒的建议,并且越做越大,直到成为一种庞大的精密仪器。

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美国海军天文台装备的660毫米口径的大折射望远镜

1873年,位于华盛顿DC的美国海军天文台安装了一台当时世界上最大的折射望远镜,它的口径是66厘米(26英寸),其制作人是著名的光学大师艾尔温·克拉克(Alvan Clark)。一个名叫阿萨夫·霍尔(Asaph Hall,1829-1907)的美国天文学家从1875年开始用这架望远镜进行天文观测工作。1877年是火星大冲年(这里的“冲”是日语汉字,意思是“对着”。太阳-地球-行星大致呈一条直线,且太阳和行星位于地球两侧,这时行星和太阳的相对关系叫做“冲日”,冲日时行星距离地球非常近,大冲就是指行星同时处于冲日位置和近日点,此时行星距离地球的距离最近),正是从地面观测火星的最佳时机,霍尔准备用天文台里的66厘米望远镜寻找火星的卫星——如果有的话。

在这之前人们知道地球有一颗卫星,木星有四颗,而土星有八颗,至于水星、金星和火星,则没有发现它们的卫星。但从开普勒开始,人们一直猜测火星是有卫星的,因此很多天文学家都尝试去寻找它,例如霍尔之前约100年的时候,大天文学家威廉·赫歇耳就做过这方面的努力,但不幸以失败告终。

霍尔从1877年8月开始系统地从外向内搜索火星附近的星空,但一无所获,到8月10日,他已经搜索到非常接近火星表面的地方,火星的红色光芒甚至都要开始干扰他的搜寻工作了,于是他打算放弃。这天吃饭的时候,他沮丧地把这个糟糕的消息告诉妻子安吉莉娜(Angeline,娘家姓是Stickney),安吉莉娜安慰他说,再试试,或许就能发现了。受到妻子鼓励的霍尔振作精神,又做了一把努力。

8月11日凌晨2时30分,霍尔在目镜中看到火星北边稍偏一些的地方有一个微弱的光点。他还没来得及确认这到底是什么东东,天文台附近突然起雾了。更不幸的是,紧接着就是几天的多云天气。15日天气放晴,心急如焚的霍尔索性住到了天文台,但这天夜里他没有看到上次看到的那个小天体。16日,不死心的霍尔继续观测火星,这次运气很好,他再次找到了那个小天体,并且确认它正随着火星一起运动,显而易见,这就是火星的卫星。18日凌晨,霍尔在火星附近又发现了一颗卫星,这颗卫星距离火星的距离更近。

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火卫一(福波斯)

火星被发现有两颗卫星的消息轰动了全世界,为火卫命名的建议信纷至沓来。其中罂国伊顿公学的科学老师亨利·马丹(Henry G. Madan)建议把这两颗卫星分别取名为福波斯(Phobos,即火卫一,霍尔8月18日发现的那颗)和戴莫斯(Deimos,即火卫二,霍尔8月11日发现的那颗),在荷马史诗中,福波斯和戴莫斯是战神阿瑞斯(也就是古罗马战神马尔斯)和美神阿佛洛狄忒(在古罗马中叫维纳斯)生出来的两个儿子,霍尔采纳他的意见。

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火卫一(戴莫斯)

福波斯和戴莫斯距离火星实在太近了,前者绕火星一周只需要7小时39分钟,而后者稍长一些,也不过30个小时,我们知道火星自转周期是24小时37分钟,所以在火星上看福波斯,会发现它是从西方升起从东方落下。这两颗卫星形状不规则,像两个马铃薯,由于已经被火星的潮汐力锁定,所以它们永远都是同一面朝向火星。

有趣的是,早在1726年,罂国作家乔纳森·斯威夫特就在其小说《格列佛游记》第三部中虚拟了一个空中岛国拉普塔(Laputa),并称拉普塔人发现火星有两颗卫星,距离火星分别为火星直径的3倍和5倍,而霍尔发现的真实的火星卫星距离火星分别是火星直径的1.4倍和3.5倍,看上去差别不大。无独有偶,髪国作家伏尔泰也在1750年创作的文学作品中描写过火星的两颗卫星。现在认为斯威夫特是受开普勒猜想的影响,而伏尔泰则是受了斯威夫特的影响。为了纪念这两个胆大敢想的大作家,戴莫斯上有个两个撞击坑分别用他俩的姓氏命名。

④火星运河和星际大战

1877年可以称得上是火星年。这不仅仅是因为这一年火星大冲,更重要的是这一年围绕火星取得了很多有趣的发现。火星运河就是其中之一。

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斯基亚帕雷利绘制的火星地图

这年8月,一直致力于研究火星地貌的意大利天文学家乔凡尼·V·斯基亚帕雷利(1835-1910年)利用火星大冲的机会再次详细观察了火星表面,除了他已经很熟悉的亮区(被认为是陆地)和暗区(被认为是海洋、湖泊),他还发现了一些暗淡的纹路,斯基亚帕雷利用意大利语将其命名为“canali”,意思是“水道”,不料罂国媒体在报道他的新发现时,将这个词直译为“canals”,隐含了“运河”的意思。这可了不得了,公众立刻就从“运河”这个词脑补出正在火星上战天斗地、辛勤劳作的火星人,火星上有人的消息也不胫而走。越来越多的人在此后的火星冲日期间孜孜不倦地观察火星表面,他们发现的火星运河越来越多,也越来越复杂、神秘。

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洛威尔

阔佬+天文爱好者帕西瓦尔·L·洛威尔(Percival Lawrence Lowell,1855-1916年)就是其中之一,他出身于美国东部名城波士顿的一个富豪家庭,1893年读过髪国天文科普作家弗拉马利翁的著作《火星》之后,对火星运河着了迷,于是于1894年在美国亚利桑那州旗杆镇(Flagstaff)兴建了一个私人天文台,先是装备了一台46厘米口径的折射望远镜,1896年又增加了一台61厘米直径的折射镜,他花了15年时间来观测和研究火星,并且写了三本专著来描述自己的发现。他描绘了火星上的几百个暗条纹,并把“运河”交汇处的暗点解释成“绿洲”,他还把火星上亮区和暗区的季节性变化解释成农作物的生长和收割。总之,在他的笔下,火星上存在一种高级的智慧生物,那里的生活欣欣向荣。

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洛威尔天文台现状

把火星人这个概念推向高潮的,应该说是罂国科幻作家赫伯特·G·威尔斯(Herbert G. Wells)。1898年他开始在杂志上连载自己的科幻小说《世界大战》(The War of the Worlds,又译为《宇宙战争》、《星际战争》、《世界之战》等),书中描绘了19世纪末期一群火星人入侵地球的故事。1938年10月万圣节这天,美国哥伦比亚广播公司把这部小说改编成一部广播剧,为了增加播出效果,他们把故事背景设定在美国,把它伪装成正常的新闻节目,然后让播音员插播了在新泽西州格罗弗磨坊发现奇怪陨石降落的突发新闻,并宣布火星人正在进攻美国。尽管电台很快就声明这是虚构的节目,但成百上千没听清楚的美国人立刻互相打电话警告,或者仓皇逃离家园。

那么火星上究竟有没有所谓的运河?其实19世纪末的一些天文学家对此就表示了怀疑,例如以目光敏锐著称的天文学家巴纳德就报告说他从未在火星上发现什么运河,发现了火星卫星的霍尔也做了类似的表述。对于火星人是否存在的问题,天文学家们也很快找到了否定性证据,他们通过光谱研究发现,火星上极其干燥,并且空气也极为稀薄,看上去并不能支撑火星人的生存。当然这个问题最终解决,还是要靠20世纪下半叶人类发射的各式各样的火星探测器。

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探测器拍摄的火星照片

关于从1960年开始的火星探测行动,接下来我将专门写一篇文章来回顾,敬请期待。

飞蠓

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    • avatar 怀疑探索者 0

      学习了。谢谢。