如何对一颗星体进行详细观测？

还是转自我在知乎的回答，顺便这里也存个档。

作者：haibaraemily
链接：https://www.zhihu.com/question/51358694/answer/126833026

首先声明一下，这个话题是实在是有点大，我不认为以我目前的专业水平可以提纲挈领地全面概括，不过是管中窥豹地给出一些我所了解的方面。

其次要说明的一点是，我们目前所说的“对一颗星体进行详细观测”，其实不过是太阳系内八大行星以及部分小行星、矮行星和卫星，更详细的说其实不过就是月球、水星、金星、火星（及其两个卫星）、木星（及几个主要卫星）、土星（及几个主要卫星），小行星带和柯伊伯带的几个主要小行星和矮行星。而太阳系内的其他星体以及系外几乎所有星体，基本还谈不上“详细观测”。




【裸眼和望远镜观测时代】

部分星体的距离、质量、体积、运转周期、速度以及地表形态，这些精度不是特别高的基本参数和特征在地基光学望远镜时代甚至裸眼观测时代就已经有了很不错的观测和描绘，比如对16XX年间人们就已经能够通过天文观测精确测定火星自转为24小时40分钟，能比较精确的测定火星到太阳和地球的距离，火星的质量和大小，还绘制了火星表面特征的手绘图像（月球更近就更不用说了）。

↓1877年火星大冲时期，意大利布雷拉天文台台长乔凡尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli ）使用一架直径25厘米的望远镜观测了火星，并绘制了精细的火星地图（这句抄了 @刘博洋 童鞋的原话）

（https://atmospheres.research.ltu.se/index.php/2016/02/08/exploration-of-mars-and-schiaparellis-canals-episode/）

此后随着天文望远镜性能的不断提高观测精度也有提升。1880s年代光谱学和摄影测量技术的发展，能够让人们通过地基天文望远镜探知星体上的某些元素（主要是水）并能获得星体的影像。

但总体来说，探测器时代开始之前，基本还是谈不上行星科学和对星体的详细观测的。


【探测器时代】

直到1960s年代，美苏深空探测的军备竞赛拉开了序幕，然后两国以不计成本不怕失败的大无畏精神卯足劲儿发了十几年探测器（和着陆器），才真正让我们开始对月球火星金星木星等几个星体有了详细观测和认知。从此，探测器成为详细观测行星的主要工具（但地基望远镜和空间望远镜依然是不可或缺的重要补充）。不同的行星观测量是探测器搭载的不同仪器的观测结果，所以实际上每个探测器只要仔细看下搭载了哪些有效载荷就知道它预计能获得哪些观测成果了。

1. 重力

行星表面重力数据基本都是通过探测器轨道跟踪数据的多普勒效应反演获得，少部分会搭载专门的重力仪（关键词gravity, gravimeter, radio Doppler）。因为行星不同地方的重力是直接影响探测器轨道位置的，同时，通过探测器轨道数据获得的更精细的行星表面重力数据也可以反哺探测器定轨，让之后的探测器能够更精密的定轨。

↓ 美国GRAIL探测器获取的月球自由空气重力异常（这篇文章发表的时候还是420阶，后来又有更新）左半边是远月面，右半边是近月面。(Zuber et al., 2013, Science)

那么没有全球覆盖的多普勒跟踪数据的星体（主要是一些小行星）怎么办？答案是：没办法获得精确的重力信息，但可以通过地形数据来大致估计，原理是：已知总质量，然后假设这个星体是均质的（比较小的小行星啊卫星啊不太可能经历熔融分化，所以均质的可能性比较高），然后利用地形DEM来估计表面每个点的重力值。



2 地形（形状、体积）

行星表面精确的地形起伏是通过激光高度计获得的，也就是说这个探测器只要搭载了测高仪，就能测地形（关键词laser, altimeter, Ranging）。探测原理极其简单粗暴：就是打光到星体表面然后接收回波信号通过计算就可以获得星下点的高程值，探测器轨道能够全球覆盖的话就能获得全球的高程值，然后通过平差啊内插啊之类的数据处理方法可以获得全球格网数字地形数据（DEM）。有了地形DEM我们就可以1) 无比精确的知道这个星体的形状和体积（有3D打印机的话你都能自己做一个模型），2) 结合影像数据（仅仅是影像数据的话由于光照等因素有时会有识别上的多解性）分析地表起伏形态，3) 进行岩石圈应力应变等的定量分析，4)重力分析，5)地壳厚度分析等等等等。

↓ 美国LRO探测器上搭载的激光高度计LOLA（ Lunar Orbiter Laser Altimeter）获取的地形图，参考面为平均半径
（https://www.wikiwand.com/en/Topography_of_the_Moon）


3 地貌形态

主要通过探测器搭载的相机拍摄的影像获得（关键词camera, imaging），如月球LRO探测器搭载的LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera) 相机，火星的 Mars Reconnaissance Orbiter探测器搭载的HiRISE（High Resolution Imaging Science Experiment）相机，当然，天文望远镜（哈勃等）和着陆器（如好奇号火星车）获取的影像也是非常重要的补充，通过这些影像，我们可以获得星体表面形态的直观印象，还可以结合高程、重力等其他数据进行地质研究。

↓ LROC拍摄的月球影像

↓ 月球Clementine号UVVIS 750nm波段全球拼接影像图
（http://astrogeology.usgs.gov/search/map/Moon/Clementine/UVVIS/Lunar_Clementine_UVVIS_750nm_Global_Mosaic_118m_v2）


4 表面年龄

4.1 相对年龄
通过影像数据（配合地形数据）是别的撞击坑进行撞击坑统计定年，基本原理是撞击坑密度高的表面比撞击坑密度低的表面要古老，从而建立不同区域之间相对年龄的前后关系。定年精度取决于影像分辨率。


4.2 绝对年龄
对星体表面不同区域的实际岩石样本进行放射性元素定年获得绝对年龄作为某个区域地表的绝对年龄，以此作为相对年龄的定标，只有有了绝对年龄的定标之后，相对年龄和绝对年龄的定量关系才能真正确立起来，遗憾的是目前只有月球能够做到。其他星体全部都是假设和月球有相似的撞击通量然后做的类比估计，所以对火星之类比较近的星体可靠性尚可，较远的星体可靠性并没有保证。

↓  月球阿波罗采样地点和绝对年龄定标 (Stöffler et al., 2006)


5. 内部构造

体积较大的固态行星和小行星矮行星卫星（包括地球）由于形成后不久的热分异会分化成层，也就是形成类似地球的地壳地幔地核这样的层状结构（其实不止这么多层啦），那么一个星体有没有分化成层？有多少层？每层是固态还是液态？每层的密度和深度是多少？每层的主要成分有哪些？这就是内部构造研究要解决的问题。

5.1 粗略的内部构造认知
目前我们对天体内部构造主要通过一些基本观测量来推测，主要包括：密度（通过总质量和总体积计算得）、惯量矩（通过低阶重力场计算得）和其他辅助信息（热、磁、成分等）（详情回复关键词“木卫三”，见《如何看待NASA证实太阳系最大卫星木卫三确有海洋这篇报道？》）

↓ 木卫二和木卫三的内部结构示意图，在没有地震数据的情况下我们已经可以推测出这么多这么多了~


5.2 壳层厚度
通过重力场数据和对地壳密度的合理估计下计算获得，数据、原理和算法都比较完善了，基本上，重力场数据完备的星体地壳厚度分布和布格重力异常分布都是直接一起给出的。

↓ GRAIL重力数据计算的月壳厚度，可以看到几个大型撞击坑/盆地内的月壳厚度几乎为零，也就是说月表以下不深处就是月幔，甚至有些地方撞击过程很可能已经把月幔物质撞出表面了

（http://public.media.smithsonianmag.com/legacy_blog/GRAIL-Moon-crustal-thickness.jpg）

5.3 地表以下浅层构造

地表以下浅层构造可以借助测地雷达观测，如月球LRO的MiniRF，火星MRO的SHARAD，但由于目前对其他星体地表下未知物质的传导率信息并不了解，所以主要还是以探测水冰为主。


(https://www.wikiwand.com/en/Mars_Reconnaissance_Orbiter)



5.4 精细的内部构造


而更精细的内部构造只有通过地震观测（等我有空写个吧），地球内部构造就主要依赖于地震波的观测，但这在行星上目前也不太现实，因为你必须得先去那个星体上装一个地震仪……目前只有月球上阿波罗着陆阶段放过几个月震仪，而且全部位于月球正面，所以能够反映的内部构造情况比较有限（各国一直都琢磨着要去背面装个月震仪来完善月震网来着）

↓ Apollo任务在月球上安置的几个月震仪，其中Apollo 11仅工作了三周就坏了，Apollo月震数据主要来自于12, 14, 15和16，Apollo 17处安置了一个重力仪，不过现在这几个月震仪貌似全部都停止工作了(Kawamura et al., 2015)。


6. 距离

激光测距，目前仅在月球（LLR，Lunar Laser Ranging）上有使用，月球上有五个棱镜（不过貌似有几个不能用了），原理一样简单粗暴：月球上安置棱镜，地球上的台站发射和接受雷达信号，直接观测结果是地月距离，长期观测还可以获得高精度或者时变的月球轨道信息，如更新引力常量G的值，月球自转参数，月球潮汐勒夫数等，也可间接作为月球内部结构和成分的参考。
(http://slideplayer.com/slide/4428191/)


7. 成分

7.1 采样分析
● 月球阿波罗的岩石采样返回样本
● 火星维京号着陆器的在地（in-situ）分析数据
● 火星近年几个着陆器的分析（勇气号机遇号好奇号）
● 小行星系川的隼鸟1号采样返回数据（但是量太少了）

7.2 陨石
但大部分陨石我们都不知道是来自哪个星球，以及来自那个星球的具体哪里（详情回复关键词“陨石”，见《那些陨石们都是来自哪里呀？》），所以大部分陨石参考价值目前还很有限。

7.3 光谱仪（各种波段）
不同波段的光谱数据可以反映不同的元素分布，如可见光和红外波段主要探测铁，伽马成像仪可以探测钍，等等。

↓ 月球Clementine号UVVIS波段探测的FeO分布图(Jolliff et al.,  2000)


↓  月球Lunar Prospector号的伽马射线光谱仪GRS获得的钍元素分布图(Jolliff et al.,  2000)

↓  印度月船1号Moon Mineralogy Mapper (M3)探测的元素分布，蓝色代表水，红色代表富铁的辉石
（https://www.wikiwand.com/en/Moon_Mineralogy_Mapper）

7.3 中子探测仪（主要探测水）
如Lunar Prospector的Neutron Spectrometer

7.4 测地雷达（主要探测水）
同5.3

7.5 等等等等


8. 温度

8.1 通过星体到太阳的距离和albedo（望远镜和探测器都可观测）计算大致的温度（亮的地方温度相对较低，暗的地方温度相对较高）

8.2 热红外仪和有热红外波段的多光谱探测仪
如伽利略号的Photopolarimeter-Radiometer (PPR)（Orton et al., 1996）


9. 其他
还有许许多多针对非常具体的探测目标的仪器，属于一看名字就知道干啥的，如

9.1 磁场 --> 磁力仪，如火星全球勘测者号（Mars Global Surveyor）的A magnetometer and electron reflectometer (MAG/ER)伽利略号的Magnetometer (MAG)

9.2 大气--> 气象传感仪，如火星早早期几个着陆器上搭载的气象仪就观测到了火星部分区域的气压、温度、风力等等

9.3 各种粒子探测，如Clementine号的Charged Particle Telescope (CPT)，Lunar Prospector的The Alpha Particle Spectrometer (APS)

9.4 太阳风、宇宙射线、辐射、宇宙尘埃探测等等等等，基本每样都是有对应的仪器负责观测


【复习时间】

以下是LRO探测器的主要有效载荷，这些有效载荷决定了LRO探测器能够告诉我们关于月球的哪些方面。
● CRaTER（Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation）：探测月球全球的辐射和生态环境
● Diviner（Diviner Lunar Radiometer Experiment）：探测月表的热辐射
● LAMP（Lyman-Alpha Mapping Project）：利用恒星和太阳系中的氢原子产生的紫外光来探测撞击坑内的永久阴影区，这些地方被认为是水冰可能存在的地方（这个我不懂，NASA给了个数据使用手册https://lunar.gsfc.nasa.gov/images/DataUsersWorkshop/LAMP.pdf）。
● LEND（Lunar Exploration Neutron Detector）：中子探测仪，探测地表下浅层水冰的存在
● LOLA （Lunar Orbiter Laser Altimeter）：地形测量
● LROC （Lunar Reconnaissance Orbiter Camera）：相机，分为广角相机WAC和窄角相机NAC
● Mini-RF（Miniature Radio Frequency radar）：通信和探测地下水冰的位置

【检测时间】
下面是Juno探测器的有效载荷，Juno探测器（如果载荷最终能正常工作并顺利传回数据的话）可以告诉我们关于木星哪些方面的信息呢？