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那个埋葬在月球上的男人 今天90岁生日

2018-04-28   米币网

  来源:永结无情游相期邈云汉 公众号

  编者按:

  今天(4月28日)是美国著名地质学家,小天体研究专家尤金·舒梅克诞辰90周年纪念日。

  通过这篇文章,纪念这位伟大的研究者!

  出品:科普中国

  制作:haibaraemily

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  1928年4月28日,90年前的今天,尤金·舒梅克(Eugene Shoemaker)诞生于美国加州洛杉矶。

  他是一名伟大的天文学家,是行星科学这门新兴学科的开拓者和奠基人之一。

  他也是唯一一个埋葬在地球以外天体上的人类。

  然而,这个未来天文学家的青少年时代,却和天文没有一毛钱关系。

  他本是一个为地质而生的人。

  小学四年级的他就开始参加学校和博物馆的地质培训,还提前学习了高中的地质相关课程。他对收集矿石非常着迷,高一暑假还去当了宝石工匠的学徒……

  这种走火入魔的架势让作为教育工作者的爹妈非常忧虑:这孩子莫不是连大学都不想上了,去当个职业宝石工匠吧!

  并没有。

  尤金不仅想上大学,而且还是个有理想有追求的学霸:非加州理工不去。

  1944年,16岁的尤金如愿入读加州理工大学,然后继续开挂,用人家一个本科的时间把本硕学位都搞定了:19岁大学毕业,20岁硕士毕业,研究方向是新墨西哥北部的前寒武纪变质岩

  这样的青年才俊,刚一毕业就毫无悬念地进入了美国地质调查局(USGS),这是美国做地质考察和绘制各种地图的机构。

  当然, 彼时刚20岁的尤金不会想到,此后终其一生他都会和这个机构有着割舍不断的羁绊。

  只不过,这么根正苗红的地质学背景出身,尤金本应该在地质学,或者更准确地说,在岩石学的路上发足狂奔,怎么奔着奔着就成天文学家了呢?

  乍看起来挺不可思议的,但细细想来,其实一步一步又是那么自然而然。这一切还得从尤金童鞋的第一份工作说起。

  1948年,美国地质调查局(USGS)分配给尤金的第一份工作,是让他去搜寻科罗拉多州和犹他州的铀矿。铀是一种放射性元素,也是也是各国制造核武器的重要材料。

  找铀的工作延续了好几年,其间尤金还开始在普林斯顿攻读博士学位,打算继续研究变质岩石学老本行,然而这个计划没能实现…因为当时人们发现被侵蚀的火山口附近经常有含铀沉积物富集。

  于是,东家USGS大手一挥:你去研究一下火山过程吧。于是尤金童鞋只好收拾行囊,跑去了位于亚利桑那州北部的一个叫做Hopi Buttes的火山地带,在这里,尤金童鞋邂逅了他的宿命之地——巴林杰陨石坑(Barringer Crater,也叫Meteor Crater)

  不过巴林杰陨石坑,那时候还不叫陨石坑,因为那时候大多数人都不相信这是陨石撞击形成的,毕竟凭空想象地球曾经被天外来客撞出那么大一个坑,这一下子确实挺难接受的,而把这些凹陷当做火山喷发的遗迹就容易接受多了。

  学霸尤金童鞋对这个起源有争议的碗状洼地产生了巨大的兴趣,他利用自己扎实的地质学和岩石学经验,以及出色的绘画功底,对巴林杰陨石坑一带地质情况和地层结构进行了详细的考察

考察巴林杰陨石坑底部的尤金童鞋。来源:USGS考察巴林杰陨石坑底部的尤金童鞋。来源:USGS

  感受一下他在1956-1958年间绘制的地质图

巴林杰陨石坑周边的地质情况。来源:USGS报告巴林杰陨石坑周边的地质情况。来源:USGS报告

  另一方面,随着冷战时期的需求从铀转移到另一种核反应元素钚,USGS又大手一挥让尤金转而去研究内华达州的核爆破坑,而这份新工作给了尤金绝好的契机来对比巴林杰陨石坑和和爆破坑

  ↓他在前人工作的基础上进一步确认了巴林杰陨石坑和核爆产生的坑确实非常相似,也就是说这样的碗状凹陷更像是剧烈的冲击作用由外而内引起的,而非火山喷发。

这是尤金童鞋绘制的巴林杰陨石坑剖面结构图,中央的竖线是钻孔采样的地方。来源:USGS报告这是尤金童鞋绘制的巴林杰陨石坑剖面结构图,中央的竖线是钻孔采样的地方。来源:USGS报告

  在综合了亲身考察和几十年来科学家们对陨石坑起源的各种理论的基础上,尤金在1959年向USGS提交了一份题为《巴林杰陨石坑的撞击机制》的报告

  在这份报告中,尤金认为巴林杰陨石坑并不是火山喷发造成的,而是“一颗速度高达15千米/秒的陨石撞击地表形成的”。

尤金在报告中认为的巴林杰陨石坑形成过程。虽然从现在看来,这个撞击机制尚有不足之处,但在当时却是开拓性的。来源:USGS报告尤金在报告中认为的巴林杰陨石坑形成过程。虽然从现在看来,这个撞击机制尚有不足之处,但在当时却是开拓性的。来源:USGS报告

  也是在差不多时候,尤金和另外两名地质学家在巴林杰陨石坑的岩石中首次发现了天然的柯石英(coesite),这是一种在高压下才可能形成的二氧化硅形态,所以不太可能出现在火山口,这一成果发表于1960年的《科学》杂志,尤金是第二作者。这一发现成为了证明巴林杰陨石坑更可能是陨石撞击形成的重要证据之一

  不过,这里我们要强调的是,以现代地质学的角度来,无论是从形态、地质特征判断,还是柯石英的发现,这些依然只是判定地球陨石坑的重要参考,还有其他一些重要证据那时尚未被提出

  总之,尤金童鞋以巴林杰陨石坑的地质研究为课题完成了博士论文,于1960年获得了普林斯顿大学的博士学位。

  从少年时代起,尤金就对月球充满了憧憬。当20多岁的尤金在巴林杰陨石坑考察的无数个夜晚,他不止一次看着头上的月亮,想着月球上密密麻麻的凹陷和可能和地球上的陨石坑一样,也是撞击形成的。

  后来我们都知道了,那些确实也都是陨石坑。

陨石坑密布的月球表面。来源:NASA陨石坑密布的月球表面。来源:NASA

  那时候的尤金就坚信,月球表面和地球表面有很多相似之处,等待地质学家去探索。因此,探索月球绝不仅仅是宇航员和天文学家的工作,地质学家才能更好地揭开这个天体表面的奥秘。他希望有一天能成为宇航员,能成为亲自踏上月球的土地,亲自在月球上进行地质考察的人

  而且他并不仅仅是想想。

  1956-1972年,尤金为自己的月球梦做了四件事。

  第一件,他开创性地用地质学的理论和方法来研究月球上的地层结构,通过望远镜拍摄的月球表面照片,分析了月球哥白尼撞击坑的地层形成时间,绘制了详细的地质地图,并以此重建了月球表面的地质历史。而在这之前,人们都是通过物理或者天文的方法来研究月球历史的。可以说,这是地质学融入天文学研究最早的尝试之一,从此,地质学家从天文学家手中分走了行星地质学这一片天地。

  第二件,他在美国地质调查局(USGS)创建了天文地质学中心(Astrogeology Science Center)并被任命为首席科学家。自此,USGS不再仅仅局限于地球,而是囊括了整个太阳系所有固态天体的地质学研究和地图绘制工作。这个机构至今仍是行星地质学领域最重要最活跃的结构之一。

USGS天文地质学中心官网(https://astrogeology.usgs.gov/)USGS天文地质学中心官网(https://astrogeology.usgs.gov/)

  第三件,他深度参与了美国航空航天局(NASA)早期的两大探月项目:游骑兵号系列任务(Ranger)和测量者号(Surveyor)系列任务。那是人类对月球表面的细节几乎一无所知的年代,为了拍摄到月球表面的高清照片,游骑兵7-9号选择通过撞击月球表面来“尽可能地接近月球”。这些高清照片大大提升了人类对月球表面状况的认识,在此基础上,测量者1号无人探测器实现了美国在月球表面的第一次软着陆(虽然比苏联晚了4个月)。

(左)游骑兵7号传回的第一张月球表面高清照片;(右)测量者1号着陆器拍摄的月球表面。来源:NASA(左)游骑兵7号传回的第一张月球表面高清照片;(右)测量者1号着陆器拍摄的月球表面。来源:NASA

  第四件,他深度参与NASA的阿波罗登月计划,并负责培训阿波罗计划的宇航员们。本来尤金自己也是有机会登上月球的,然而这个梦想在1963年被打破了:尤金被诊断出患上了阿狄森氏症,这种病会影响患者的运动机能。

培训期间穿着宇航服的尤金。来源:USGS培训期间穿着宇航服的尤金。来源:USGS

  虽然不能亲身踏上月球的土地,但尤金“让地质学家探测月球”的愿望并没有停止。这个登月梦最终由另一位地质学家哈里森·施密特代为实现了。事实上,哈里森·施密特也是登上月球的12名宇航员中唯一一名科学家。

  1972年,哈里森·施密特和另外两名宇航员一同,乘阿波罗17号踏上了月球表面,并完成了包括月球岩石采样在内的多项月面实验任务。

正在采集月球岩石样本的哈里森·施密特。来源:NASA正在采集月球岩石样本的哈里森·施密特。来源:NASA

  尤金所做的这一切,让地质学从此成为行星探测中不可缺少的重要学科,也让NASA和USGS自此建立起了紧密的合作关系

  事实上,尤金对月球的热忱一直持续到他的职业生涯晚期,1994年NASA发射的克莱门汀号月球探测器的研究团队中也有尤金的身影。

  在对地球和月球陨石坑的深入研究之后,尤金的好奇心自然而然地转向了太阳系中那些“陨石坑的肇事者们”——小行星和彗星。

  于是他的目标又一步一步从离地球最近的近地小行星,慢慢拓展到木星和土星的卫星,然后又拓展到彗星。

太阳系各天体的位置关系,没有按照比例。来源:维基太阳系各天体的位置关系,没有按照比例。来源:维基

  最开始的几年,他用加州帕洛马山天文台的0.46米口径施密特望远镜搜寻近地小行星的一个分支——阿波罗族(Apollo)小行星(近地小行星是一类轨道和我们所熟知的小行星带有交叉的一类小行星)。

 小行星带(位于火星和木星之间)和近地小行星(Apollo、Aten和Amor族)的位置。来源:维基 小行星带(位于火星和木星之间)和近地小行星(Apollo、Aten和Amor族)的位置。来源:维基

  不久,旅行者号发射,当1979-1981年间旅行者1号和2号先后飞掠木星和土星系统,传回了大量木土星卫星表面的照片时,尤金又成为最早深入研究木卫一的火山、木卫三、木卫四以及土星几个主要卫星表面的陨石坑形态和统计分布的行星地质学家之一

 (左)旅行者号拍摄的木卫一上的火山;(右)旅行者号拍摄的木卫四表面因为陨石撞击形成的巨大的多环盆地。来源:NASA (左)旅行者号拍摄的木卫一上的火山;(右)旅行者号拍摄的木卫四表面因为陨石撞击形成的巨大的多环盆地。来源:NASA

  1980年,当尤金开始搜寻彗星的时候,他后半生里最重要的工作伙伴出现了,事实上她已经来到尤金童鞋身边多时——那就是尤金的妻子卡罗琳

  尤金与卡罗琳相识于1950年,尤金作为加州理工时期室友的伴郎,认识了新郎的妹妹卡罗琳,那年尤金22岁,卡罗琳21岁。

  卡罗琳是标准的“文科妹子”,有历史、政治和文学的本硕学位。她不仅从小对理科没有任何兴趣,而且觉得地质这种东西简直不能更无聊了……然而,多年后的卡罗琳在回忆这段往事时表示:“听尤金讲地质让我发现原来地质学是一门这么有趣和激动人心的学科!

  两人在维持了一年笔友关系之后结婚,婚后生育了两女一子,卡罗琳成为家庭主妇。

  然而,当三个孩子陆续长大成人离开家之后,卡罗琳不想再做家庭主妇了。为了缓解“空巢综合征”,51岁的卡罗琳开始学习天文学并和尤金一起搜寻小行星和彗星。

  大器晚成的卡罗琳最终成为了一名伟大的职业天文学家,她一生参与发现了32颗彗星,800多颗小行星。

  尤金和卡罗琳一直共同工作到尤金去世。

  他们活成了爱情最美好的样子:携手风雨,死生知己

  而彼时,他们即将共同迎来一生中最闪耀的时刻

尤金和卡罗琳在帕洛马山天文台。来源:USGS尤金和卡罗琳在帕洛马山天文台。来源:USGS

  1993年3月24日,舒梅克夫妇和大卫·列文一同在帕洛马山天文台观测到了木星周围一些奇怪的碎片。

  随后的轨道计算显示,这些碎片都是同一颗彗星被木星巨大的潮汐作用撕裂的碎片,这颗彗星以三位发现者的姓氏命名为舒梅克-列文9号彗星

 国际天文学联合会(IAU)公报对这颗彗星发现的公示,卡罗琳是第一发现者。来源:IAU 国际天文学联合会(IAU)公报对这颗彗星发现的公示,卡罗琳是第一发现者。来源:IAU

  计算结果还显示:这些碎片将在1994年7月16日-24日之间陆续撞向木星

  哈勃望远镜于1994年5月17日拍摄的舒梅克-列文9号彗星的碎片,最大的一颗直径约有2千米。21块碎片像一串珍珠一样连成一线。两个月后,这些碎片依次撞向木星。来源:Hubblesite

  这是人类第一次亲眼目睹小天体(小行星和彗星等)撞上大天体的样子,也让人类从直观上相信确实会有陨石撞上行星这样的事发生,相信陨石撞击在整个太阳系天体表面的塑造过程中都起了至关重要的作用

  这次彗木相撞是全世界天文爱好者的一场盛会,也是无数孩子最早的天文启蒙。

  人类被撞击产生的巨大威力深深震撼:碎片中最大的一枚(编号为G,直径约2千米)在木星表面撞出了一个直径超过12000千米的“疤痕”,比地球还要大。

彗木撞击在当时的木星表面留下的“疤痕”(红色箭头处)。来源:NASA彗木撞击在当时的木星表面留下的“疤痕”(红色箭头处)。来源:NASA

  死别:君埋月上尘销骨,我寄人间雪满头

  1997年初,海尔·波普彗星回归,这是是舒梅克夫妇最后一颗共同观测的彗星。

  同年7月18日,舒梅克夫妇在澳大利亚考察撞击坑的路上遭遇车祸,尤金不治身亡。

  卡罗琳在车祸重伤后生还,一直工作到退休。

  为了纪念尤金,澳大利亚的舒梅克陨石坑、小行星舒梅克星,还有NASA于1996年发射的会合-舒梅克号探测器都是以尤金的姓氏命名的。

 (左)澳大利亚的舒梅克陨石坑;(右)会合-舒梅克号和它探测的小行星们(爱神星和梅西尔德星)的示意图。来源:维基 (左)澳大利亚的舒梅克陨石坑;(右)会合-舒梅克号和它探测的小行星们(爱神星和梅西尔德星)的示意图。来源:维基

  但最动人的纪念还是1998年1月7日NASA发射的月球探勘者号探测器,这颗探测器携带了一些尤金的骨灰来到了月球。

  月球探勘者号的主要目标之一,是在月球极区寻找水冰。极区的陨石坑作为天然的屏障,使得坑内有些地方永远不能被阳光照射到,这些地方被称为“永久阴影区”,这些永久阴影区里很可能就有水冰存在。

  因此,当任务快要结束时,这颗探测器撞在了南极一个直径50千米的陨石坑内坠毁,想通过撞击看看会不会观察到水冰气化产生的羽流。

  于是,尤金的一部分骨灰就这么永远埋葬在了月球南极,和月球的土地融为一体

  2001年,这个陨石坑被命名为舒梅克陨石坑,仿佛一块墓标

  他成为唯一一个埋葬在地球以外天体上的人。

  至此,尤金终于实现了少年时的登月梦。

月球南极的舒梅克陨石坑(红色箭头)。来源:维基月球南极的舒梅克陨石坑(红色箭头)。来源:维基

  而卡罗琳在观看了月球探勘者号发射之后表示:

  “我想,尤金绝对不会想到,他的骨灰会被送到月球上。他绝对会欣喜若狂的!”

  “以后每当我抬头看月亮,就会想到,尤金就在那里。

  除了舒梅克的骨灰,这颗探测器还携带了舒梅克的一生最美好的回忆:巴林杰陨石坑和海尔·波普彗星的照片还有一段为他的一生聚光的诗句,如此恰切,仿佛莎翁不是为思念罗密欧的朱丽叶,而是为纪念他的世人而写。

  And, when he shall die

  Take him and cut him out in little stars

  And he will make the face of heaven so fine

  That all the world will be in love with night

  And pay no worship to the garish sun。

  等他死了以后,

  你再把他带去,分散成无数的星星,

  把天空装饰得如此美丽,

  使全世界都恋爱着黑夜,

  不再崇拜炫目的太阳。

  ——莎士比亚《罗密欧与朱丽叶》朱生豪译本

  参考

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