哲學(xué)家尼古拉斯·雷舍爾曾寫道：科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往不是基于某種精心設(shè)計(jì)的研究計(jì)劃，而是通過(guò)某種純粹的運(yùn)氣。對(duì)于約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)的一組研究人員來(lái)說(shuō)，這一說(shuō)法顯得非常真實(shí)。

最初是為了確保美國(guó)宇航局（NASA）水星表面、空間環(huán)境、地球化學(xué)和測(cè)距航天器信使號(hào)上的儀器正常工作而進(jìn)行的演習(xí)，后來(lái)演變成了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)10年的傳奇。

導(dǎo)致了一個(gè)與任務(wù)目標(biāo)行星水星無(wú)關(guān)的偶然發(fā)現(xiàn)：關(guān)于金星及其大氣層。其研究現(xiàn)在發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上，信使號(hào)偶然收集的數(shù)據(jù)顯示，在金星表面約30英里處，氮濃度突然上升，表明金星的大氣并不像預(yù)期那樣均勻混合，這一發(fā)現(xiàn)顛覆了人們幾十年來(lái)對(duì)金星大氣層的理解。故事始于2007年6月，當(dāng)時(shí)信使號(hào)在金星上空第二次飛越，然后轉(zhuǎn)向水星。

任務(wù)儀器團(tuán)隊(duì)利用這個(gè)機(jī)會(huì)測(cè)試設(shè)備，并在大約六個(gè)月后真正的表演開(kāi)始之前收集了數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)成員中有約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的核物理學(xué)家大衛(wèi)·勞倫斯(David Lawrence)，他是信使號(hào)中子譜儀的儀器科學(xué)家，該中子譜儀探測(cè)宇宙射線與行星大氣層或表面分子碰撞而釋放到太空中的中子，其目標(biāo)是找到中子的跡象，這些中子來(lái)自水分子中的氫原子，這些分子被懷疑(后來(lái)被證實(shí))凍結(jié)在水星兩極的隕石坑陰影中。

然而，在金星上空，勞倫斯只是想收集一些數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證儀器是否正常運(yùn)行，初步檢查顯示它是有效的，并將數(shù)據(jù)提交到表格中。但在2010年，勞倫斯重新審視了這些測(cè)量結(jié)果，這次是與約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室另一位核物理學(xué)家帕特里克·佩普洛夫斯基(Patrick Peplowski)一起進(jìn)行。盡管向金星發(fā)送了50年的探測(cè)器任務(wù)，包括13個(gè)大氣探測(cè)器或著陸器，但關(guān)于金星大氣中的氮濃度，特別是在地表30至60英里之間的氮濃度，仍然存在很大的不確定性。

幸運(yùn)的信使號(hào)和科學(xué)家

這讓佩普洛夫斯基和勞倫斯感到困惑，因?yàn)榈瞧≡诮鹦谴髿庵械牡诙筘S度分子，僅次于二氧化碳。不確定性不一定只存在于信使號(hào)儀器中，它可能存在于整個(gè)星球上。然而，1962年的一項(xiàng)研究中：中子光譜學(xué)可以幫助確定金星大氣中的氮濃度。與碳和氧不同，氮相當(dāng)善于清除松散的中子，而碳和氧是最差的。因此，在金星上，儀器探測(cè)到的中子數(shù)量應(yīng)該取決于大氣中氮的含量，幸運(yùn)的是“信使號(hào)”恰好收集了這些信息。

研究進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，將地球60英里厚的大氣層，分成不同的波段，在這些波段中，可以操縱氮濃度，并真實(shí)地模擬有多少中子將流向上面的航天器。當(dāng)模型與信使號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)最好的匹配是：大氣氮占體積的5%，大約是大氣中測(cè)量到較低體積的1.5倍。所有中子都來(lái)自地表上方約35至60英里的區(qū)域，這正是存在最大不確定性的區(qū)域，這在很大程度上是幸運(yùn)的。為什么氮在海拔較高的地方增加，目前還不清楚。

其發(fā)現(xiàn)讓很多人感到驚訝，但這并不是因?yàn)槿藗儽惑@呆了。許多科學(xué)家似乎對(duì)這是值得研究的事情感到驚訝，高層大氣中的氮濃度，比低層大氣中氮濃度高的想法，超出了人們的思考范圍。以前在試圖獲得資金來(lái)完成這項(xiàng)研究時(shí)曾陷入過(guò)這種僵局，這個(gè)項(xiàng)目三次被拒絕資金，因?yàn)樗徽J(rèn)為是死胡同。而研究人員需要的數(shù)據(jù)讓他們對(duì)結(jié)果充滿信心，并推動(dòng)研究越過(guò)終點(diǎn)線。

幸運(yùn)的是來(lái)自APL的科學(xué)家杰克·威爾遜(Jack Wilson)，他只是碰巧正在為一個(gè)無(wú)關(guān)項(xiàng)目分析相同的Messenger數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)在2016年的一次會(huì)議上提交了初步結(jié)果后，俄羅斯聯(lián)邦航天局引用了他們?cè)赩enera-D任務(wù)中研究金星大氣層和表面的工作。目前，美國(guó)宇航局發(fā)現(xiàn)計(jì)劃正在考慮的兩個(gè)任務(wù)提案-DaVinci+和Veritas，這兩個(gè)提案都包括APL科學(xué)家在，也旨在更詳細(xì)地研究金星的大氣層。

這一新結(jié)果強(qiáng)調(diào)了研究人員在得出有關(guān)大氣數(shù)據(jù)的結(jié)論時(shí)需要謹(jǐn)慎，特別是在其他太陽(yáng)系對(duì)行星大氣興趣日益濃厚的情況下。研究人員仍在了解有關(guān)金星及其大氣層的基本情況，金星也是我們的隔壁鄰居。科學(xué)家們能對(duì)數(shù)百或數(shù)千光年外的系外行星大氣層充滿信心，這一點(diǎn)值得質(zhì)疑。得出嚴(yán)謹(jǐn)和令人信服的結(jié)論需要大量數(shù)據(jù)，但是，獲得這些數(shù)據(jù)有時(shí)可能只需要一點(diǎn)好運(yùn)氣。

博科園｜研究/來(lái)自：約翰·霍普金斯大學(xué)

參考期刊《自然天文學(xué)》

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