Beyond the Visible: Infrared Astronomy & The Mysteries Of The Universe With Dr. Gary Melnick
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在本期讨论中，我们与加里·梅尔尼克博士探讨了天体物理学和天文学的广阔世界。梅尔尼克博士是天体物理学中心首席研究员，也是SPHEREx科学团队成员。天体物理学中心成立于1973年，是哈佛大学和史密森学会之间持续合作的结晶，旨在探索人类对宇宙本质未解的一些最根本的问题。梅尔尼克博士的红外观测如何推动基础物理学和地球物理学领域的创新和发现？当我们超越人眼能力的极限去观察时会发生什么？加入我们，了解更多……本期内容涵盖：地球大气层如何过滤红外光，以及我们能够观察到这种障碍之外的事物时会发生什么；什么是远红外天文学，梅尔尼克博士如何帮助发展这项技术；为了观测遥远的天体，望远镜必须放置在地球上方；SPHEREx任务的三个主要主题。本期节目也可在Apple Podcasts收听：http://apple.co/30PvU9 使用Ekster升级您的钱包！获得您应得的时尚智能钱包——同时还能省钱！结账时使用优惠券代码FINDINGGENIUS，或通过此独家链接立即购买：ekster.com?sca_ref=4822922.DtoeXHFUmQ5 更智能、更纤薄、更好。不要错过！</context> <raw_text>0 您正在收听理查德·雅各布斯主持的《好问题播客》。我们的目标是让每位嘉宾都惊呼：“嗯，这是一个好问题。我不知道答案。”因为当这种情况发生时，这意味着您，听众，

可能会受到启发，在采访之外学习更多知识，并提出您自己伟大的问题，从而获得新的见解。在这个播客中，我们涵盖了历史和当代人类学、比较宗教和历史。欢迎，让我们开始吧。

您好，这里是理查德·雅各布斯主持的《发现天才播客》。今天的嘉宾是加里·米尔尼克。他在天体物理学中心工作，该中心与哈佛大学和史密森学会合作。他被称为首席研究员。他从事亚毫米波天文学研究。所以我们将讨论他正在进行的一些项目。欢迎，加里。下午好。是的。如果您能简单介绍一下您的背景，您在担任这个职位之前有什么兴趣？然后我们将讨论您目前的工作。

好的，这要追溯到很久以前。我70岁出头，所以我是60年代太空计划的孩子，这让我对太空总体以及天文学特别感兴趣。我在康奈尔大学完成了本科和研究生学习。

分别学习物理学和天文学，并于1980年来到天体物理学中心。在我读研究生期间，我对需要在无法从地面观测到的波长进行观测的问题产生了兴趣，特别是需要红外和远红外仪器的观测。

我们的眼睛对光敏感。我将用我们在红外天文学中使用的单位来表示。我们的眼睛对大约0.4到0.7微米之间的光敏感。对于那些了解4000到7000埃的人来说。但用微米作为单位，我作为研究生感兴趣的问题需要达到……

50到200微米之间。同样，我们的眼睛对0.4到0.7敏感，所以这远远超出了我们眼睛所能看到的范围。但有一个问题，问题是地球大气层会阻挡这些波长的红外光，这意味着如果您想进行远红外研究，您需要至少到达大气层以上99%的高度。

在70年代，这得益于美国宇航局研制的一套非常独特且巧妙的飞机，其中望远镜安装在飞机侧面，可以让您向上看。这些飞机的飞行高度约为4万英尺或更高，高于地球水汽的约99%，而水汽是主要的吸收剂。

那是我职业生涯早期非常富有成效的时期，因为这是一个以前由于这些困难而没有得到

充分研究的波长范围。那时我对远红外天文学的兴趣真正扎根，因为几乎每次我们进行观测时，都会发现新的东西。这是一个如此原始的领域。哇。来到CFA后，我继续进行机载天文学研究，但将兴趣转向了星载天文学，并

自来到天体物理学中心以来，一直参与一系列由美国宇航局资助，并由美国宇航局或欧洲航天局领导的任务。这里有一个快速的问题。最低的地球轨道望远镜可能是什么？它可以位于大气层的上层吗？我的意思是，它能有多低，才能使大部分水蒸气消失？

他们可以在几乎没有干扰的情况下从太空进行观测。对。它不能太低，否则大气阻力会导致任何绕地球运行的物体由于与大气的摩擦而导致轨道衰减。

我会猜测，但你知道，我认为你需要高于大约100公里或更高，才能使太空任务持续数月甚至更长时间，而不会导致轨道衰减。例如，我直接参与的两个任务，包括一个一周多前发射的任务，位于大约

650公里，最近一个位于地球上方675公里。现在，有一些所谓的亚轨道任务。这些任务不绕地球运行，但美国宇航局确实有一个项目，资助通过非常大的氦气球发射望远镜

。这些气球从南极洲发射，可以达到大约30公里的高度。它们没有以轨道速度运行。它们移动缓慢，因为它们被风携带。但是

它们在减少大气干扰方面提供了近太空环境，而无需发射工具或长期任务的成本。这些气球飞行通常持续几周。非常好。那么，您现在正在进行的一些，我不知道，对您来说真正有趣的项目是什么？目前我参与最多的项目是一个名为SPHEREC的项目。

它最近上了新闻。它于3月11日晚上发射，所以没过多久。我是这个任务的三个科学负责人之一。有三个科学负责人，因为有三个主要的科学主题推动了这个任务的设计。我参与了一个最近被选中的任务。这个……

是一个气球项目，我们希望它能在2029年底或2030年初飞行。好的，我的意思是，目前的，你知道，SPHEREX，它是什么？它寻找什么？以及，你知道，任务的目标？该任务的三个主要科学目标是

宇宙学、星系的演化以及我们所知的地球和行星是如何围绕其他恒星形成并获得生命关键成分的。这是该任务的三个主要主题。我可以根据您的需要详细解释每一个主题。是的，让我们逐一讲解。这听起来不错。请开始吧。好的。好的。

宇宙学，好吧，让我先退一步说，为了实现如此多样化的观测目标，正如我刚才提到的，SPHEREC将对天球上的每一个位置进行光谱观测。我们处于一个轨道上，它将扫过天空上的一个环带，一条

横跨整个天空的带状区域，并且它将每分每秒都这样做。一个轨道大约97分钟。因此，在97分钟内，我们进行一次扫描，对整个天空进行一次狭窄的扫描。在六个月的时间里，我们将获得光谱

大约在0.75微米之间。再次回忆一下，我们的眼睛工作到大约0.7微米。所以它大致从我们眼睛停止的地方开始，一直到5微米。我稍后会解释为什么这很重要。但我们在这个狭窄的带状区域内扫过这个天球。随着地球绕太阳运行，我们每六个月就会覆盖整个天空。当我们……

穿过银河系时，我们每次轨道都会这样做，我们将进行我们所谓的ISIS调查。这与地球和其他行星如何获得海洋这个问题有关。当我们在这个围绕天球的旅行中离开银河系时，我们进行宇宙学研究。然后当我们到达帽子的

轨道中，我们每天的每次轨道都会覆盖它。因此，我们在轨道的南北极附近获得了非常深入的积分。我们研究了宇宙时间尺度上的星系演化。所以让我从宇宙学开始。宇宙学项目是集成的

旨在回答这个问题，我将使用《华盛顿邮报》的说法，是什么让宇宙大爆炸“爆炸”？我们有一个宇宙模型，就像一部倒放的电影。我们知道，我们已经知道近100年了，宇宙一直在膨胀。

因此，如果你问自己早期发生了什么，你就会倒放这部电影。当你这样做时，你很快就会看到类似于反向爆炸的视觉图像。当你这样做时，你会到达大爆炸附近的一个时间点，那时整个宇宙都被撕裂了。

非常非常小。非常小，我的意思是亚原子大小。我们观察到的宇宙中的一切都在这个亚原子直径内，这对于我们所有人来说都很难想象。但是我们没有，在那个非常非常早期的时期起作用的能量几乎

是我们未知的。它们处于我们无法在地球上的任何实验室中探测到的能量范围。因此，我们必须以宇宙为师。SPHEREC在宇宙学方面的目标是试图限制驱动大爆炸的物理学。是什么

是什么物理定律使得我们今天观察到的宇宙在这个非常早期的时期得以产生。让我明确一点早期。我们说的是

大爆炸开始后一万亿分之一万亿分之一秒。所以这是零点，然后是大爆炸开始后一秒钟后的32个零。我们认为宇宙在这个短暂的时期内经历了非常快速的演化

膨胀，这被称为暴胀。在这个暴胀时期，它赋予了宇宙许多特征，我们今天观察到了这些特征。因此，SPHEREC旨在利用大型星系调查

来尝试确定一个问题，是单个场驱动了暴胀，还是多个能量场驱动了暴胀？在3万英尺的高度，这就是该任务宇宙学部分的目标。星系演化的历史是该任务的另一个目标，我们正在试图限制暴胀

星系如何在高红移下演化。为此，

我们将利用在轨道两极获得的具有非常高信噪比的数据，因为我们在每次轨道上都会对这些区域进行采样。我们将观察高红移星系发出的总光，实际上是在许多红移上，以寻找早期宇宙中恒星形成的演化。

在我们继续之前，我个人已经为《发现天才播客》资助了四年半的时间，这导致了2700多次对临床医生、研究人员、科学家、首席执行官和其他致力于推进科学、改善我们的生活和世界的杰出人士的采访。尽管这个播客每月有超过10万次的下载量，但我们需要你们的帮助才能覆盖全球数十万甚至更多的人。请访问findinggeniuspodcast.com并点击“支持我们”。我们有三个级别的会员资格，每月从

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我们走得太远了。我想问你一些关于这些方面的问题，太远了。大爆炸，我们处于什么时间框架？我的意思是，我知道它，你知道，它在过去，但你认为我们能看到多远？我们什么时候会遇到像墙一样的，理论上的极限？是因为不确定性原理，我们无法看到某个点之外吗？好吧，对。我们认为，目前指导我们的模型和理论表明，这段暴胀时期确实

确立了我们当前可观测宇宙的许多特征，所有这些都发生在大爆炸开始后那最初的一小部分时间内，即大爆炸开始后一秒钟后的0.32个零。这可能接近我们所能达到的最远距离。存在量子力学极限

不确定性原理和普朗克时间表明，我们不太可能在大爆炸开始后不到0.40或42个零的一秒钟内研究宇宙……

时间开始后。但我们感兴趣的所有活动都发生在大爆炸后大约10^-42秒到10^-32秒之间。据我所知，这就是我们所能研究的最远距离。但如果

考虑到关于那最初时刻发生的事情仍然存在许多未知数，这将是一项巨大的成就。好的。然后，好吧，我不知道，我们确实知道在那最初时刻发生了什么？好吧，我们认为发生的事情是……

宇宙经历了超光速膨胀，然后在大爆炸后10^-32秒后减速。让我们认为这发生的原因是我们的几件事。

其中一个是，您可能听说过这些任务，这些任务是壮观的塞萨斯，可以追溯到大约1990年，它们测量了所谓的宇宙微波背景。这是宇宙在38万年时的图像。这张图像显示了一些非常 remarkable 的东西。

它表明，宇宙的温度变化非常微小，在您在天球上看到的任意两点之间，大约为十万分之一。如果您停下来思考一下，这是一个 remarkable 的发现，因为如果您站在地球上，朝一个方向看，并测量宇宙微波背景的温度，

然后您朝另一个方向看180度，并测量宇宙背景的温度。它们在十万分之一的范围内一致。然而，来自这两个相反方向的光……

已经传播了宇宙的年龄。因此，除非它们在宇宙的开始时非常接近，否则它们不可能相互沟通，说让我们保持相同的温度。

所以这就是让人们认为发生了暴胀或类似暴胀的原因之一。另一个是……在另一个方向上，速度不会降低感知光速，使其小于C吗？不。

光速在所有方向上都是恒定的。所以这解释不了。我的意思是，由于地球和太阳系的运动，多普勒运动等，存在一些小的影响。但是如果宇宙正在向我所有方向膨胀，并且有光从同一方向射向我，为什么它不会有较低的感知速度？因为同样，它在膨胀的同时也向我靠近。不。

不，当你说不同的速度时。对不起，感知速度较低，因为，你知道，假设我在高速公路上开车。前面有一辆车，它正在播放音乐，而且它开得比我快。是的，它开得比我快一点。你知道，它正在骑宇宙。它在膨胀。音乐传回给我。音乐到达我的感知速度不会降低吗？因为它现在是它的一个组成部分？你知道，它在移动。不。

在这些宇宙微波背景测量中存在所谓的偶极效应。但我所说的内容考虑到了这一点，并提出了一个问题，即宇宙独立于我们的运动发生了什么？在这些测量中可以处理我们运动的影响。当它们被处理后，你就会发现每个方向测量的温度

每个方向都大致相同。正如我所说，唯一能解释它的方法是，如果所有这些区域在宇宙早期都相互接触。另一件指向宇宙早期快速膨胀的事情是宇宙的平坦性。我们没有测量到

宇宙中任何明显的曲率，这说明了宇宙的大小。为了获得一个几乎没有测量到曲率的宇宙大小，也需要宇宙早期发生这种指数膨胀。所以这些都是我们试图检验的东西。目前这些都是理论。没有证据表明这个暴胀时期发生了，除非它

使大爆炸图景变得合理。因此，SPHEREX任务的目标之一是帮助限制在这个暴胀时期发生了什么

要么加强它发生的理论，要么以某种方式使它变得复杂，这可能会使它不太可能是解释我们在宇宙微波背景中看到的温度一致性的真正解释。现在暴胀的程度与暴胀时期相比如何？

正如我所说，在这个最初的10^-32秒内，宇宙的膨胀速度超过了光速。在这个短暂的暴胀时期之后，宇宙，我差点要说，一直在减速。它的膨胀速度低于光速。根据测量结果，它的膨胀速度约为每秒70公里/秒差距，这相当

低于光速。因此，暴胀时期和暴胀后期的差异是巨大的。好的。好的。那么，你知道，让我们回到你正在做的其他工作。那么，我希望通过这个，我想你说的，对天空进行六个月的检查，能获得什么？它是在同一空间区域进行观测，还是会在很大区域内进行光栅扫描，或者是什么？它将每六个月对整个天空进行光栅扫描。

在我们的基线两年任务中，我们将用我们的望远镜绘制天空。在我们的基线两年任务中，我们将至少四次观测天空中的每一个位置。我应该补充一点，因为我实际上是领导SPHEREX任务的这一方面，即第三个目标，即发展

确定生命关键成分（如水、二氧化碳、一氧化碳）在恒星之间的云层中存在的多少。

这些云层是新的恒星和行星形成的地方，也是大约45亿年前我们的太阳系形成的地方。特别是，我们正在研究这些生命关键成分有多少

作为冰幔存在于小的星际尘埃颗粒上。事实证明，SpherX覆盖的波长范围非常有利于寻找这些分子在星际尘埃颗粒上的冰中的指纹。这些具有非常独特的吸收特征，我们可以用SpherX检测到，并且

我们想要做的是评估星际介质中水冰等物质的丰度和分布。

因为它是在星际介质中的物质坍缩形成恒星。在试图了解地球如何变得适宜居住、像地球这样的行星如何获得海洋方面。几年前，我领导了一个美国宇航局的任务，寻找星际介质中的气态水。

我们在银河系中几乎每个我们观察到的地方都发现了气态水。

但数量不如我们最初预期的那么多。我们为此困惑了很长时间，直到我们意识到，丰度较低的最可能原因是，在这些恒星之间的云层内部，可能存在一个非常大的水冰库。这将解释很多事情，基本上，

就我们的太阳系如何被海王星以外区域的大量冰体所填充而言。它解释了为什么会有大量的水蒸气从彗星中散发出来，并在彗星绕太阳运行时形成彗星的尾巴，也许最重要的是，地球是如何运行的

获得它的海洋。因此，我们将使用SPHEREC观测银河系（我们的家园星系）中近1000万条视线，目的是评估以水冰形式存在的水有多少，以及观察

CO冰和CO2冰。再说一次，当我提到这些冰时，我指的是星际尘埃颗粒顶部的非常薄的冰层。为了让大家了解大小，这些星际尘埃颗粒的大小与

香烟烟雾中的颗粒差不多。如果您将它们放在星际介质中的显微镜下，我们相信您会看到，这些非常小的尘埃颗粒中的每一个，在大多数地方，很可能都有冰层。哦，

你认为这些星际物质发生了什么？例如，它会被吸入恒星的形成吗？例如，它会被吸入开始、结束吗？或者，你知道，它如何在这些天体上变成水？它会发生什么？对。非常好的问题。

恒星及其周围的行星的形成是由于引力。因此，这些云层具有内部运动，但偶尔会有一些区域的密度高于周围区域。在这些区域中，引力更大。在许多情况下……

它开始坍缩。引力将所有这些物质拉向中心点，并且

在中心，你会形成恒星，但没有被拉入恒星的物质具有一定的角动量，并将开始围绕新形成的恒星运行，并且正是这些物质形成了围绕该恒星运行的行星。现在，如果，我的意思是，引力不会区分气体和尘埃，

因此，它会将覆盖着冰的尘埃以及这些分子云中的气体一起拉入。如果由于密度而使类似的物质聚集在一起，并在某个时刻喷出像彗星一样的东西？这有可能吗？好吧，我的意思是，这是一个非常动态的过程。但总的来说，引力……

会将大部分质量保留在新形成的恒星中心以及恒星周围的圆盘中，行星会在该圆盘中聚集。哈勃拍摄了许多非常美丽的图像，这些图像被称为原行星盘。这些是嵌入式的新形成的恒星，称为原恒星，周围

周围可以看到厚厚的尘埃和气体圆盘。如果这些尘埃上有冰，那么它就是将这些新形成的行星赋予挥发性物质（如水、CO和CO2）的天然储层。所以你不认为物质有可能聚集在一起，然后是，我不知道是否是由形成恒星的自转速度决定的，如果它有任何……

你知道，如果它到达某个点，你知道，物质确实在旋转的物质绕行中逃逸，并进入太空，也许是彗星的形式。在形成过程中，物质有可能在某个时刻被喷射出来吗？好吧，我们确实看到了来自新形成恒星两极的物质喷流。所以答案绝对是肯定的。它不是一个均匀的内流事件。

形成恒星和行星，物质会流出。但当这种情况消退时，净效应是，足够的物质保留在新形成恒星周围的圆盘中，以形成多个行星。我们现在知道银河系中有数千个系统，周围有轨道行星。

像开普勒任务和最近的美国宇航局TESS任务已经明确地表明，其他恒星周围的行星非常普遍。所以我描述的这个引力坍缩、恒星形成和行星形成的过程不可能是一组非常偶然或概率低的事件。大自然告诉我们，

导致行星形成的物理学是简单的，我敢说，也是普遍的。这能否被认为是级联反应，就像形成太阳系一样？是的，据我了解，太阳占我们太阳系质量的99%。那么会发生什么呢？太阳是否会形成一个围绕它的圆盘，然后这个圆盘会，比如说，凝聚成水星，

这将创造一个围绕它的圆盘，然后形成金星，然后是地球，依此类推。像太阳系一样，从恒星开始，行星会缓慢地向外形成，还是它们会如何形成？很清楚的是，行星或多或少是同时形成的。也就是说……

引力将成为整个圆盘的驱动力，行星将在距离恒星不同半径的这个圆盘物质中形成，多个行星将形成。现在，它们确实会相互影响。你可以有一些行星比其他行星长得更快，就像木星比火星长得更快，这些行星会影响

系统中其他行星的轨道。因此，你在其他恒星周围得到了相当多样化的太阳系结构。我的意思是，有些恒星，我们知道它们的木星在水星的轨道内，如果它类似于我们的太阳系。因此，这个

多行星形成的过程并不为人所知。但我们知道的一件事是，这是一个非常多样化的过程。至少最初，它可能有点混乱。好的，很好。我还有很多问题想问你，但我们时间不多了。人们可以在哪里了解你在这三个项目上的工作，以及，你知道，你与你一起工作的人正在进行的其他项目？

我会建议人们访问我们的项目网站，如果您访问谷歌并搜索SPHEREX和加州理工学院，您

您将看到我们的项目网站，目前该网站不包含任何结果，因为我们刚刚发射。在接下来的大约30天内，我们将检查轨道上的天文台，并为数据采集的开始做准备，这大约会在4月20日左右。但目前，您会看到任务目标的描述。

您会看到天文台建造过程中的图像库。希望现在有一些关于SPHEREX在轨道上发射和部署的图像。但将来，我相信一旦数据到位，我们就会发布结果。好的。很好。加里，非常感谢你来到播客并解释这些非常复杂的事情。而且，你知道，我认为你很擅长解释它。所以非常感谢你来到这里。我很荣幸。

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