趁著日全食 NASA這次玩了個大的
出品：科普中國
製作：中國科學院光電研究院 黃宛寧
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
中國有句老話：“紙上得來終覺淺 絕知此事要躬行，”
要想利用8月21日這次千載難逢的日全食機會讓學生們體驗到天文學的獨特魅力，最好的辦法就是讓他們全都參與到觀測中去！
所以，NASA啟動了龐大的日食氣球計劃。
專案團隊大合影
8月21日，來自美國大學和高中的57個團隊將在全美境內超過30處同時實施高空氣球發放，發放地點橫貫整個日食觀測的最佳路徑，從俄勒岡州到南卡羅萊納，利用高空氣球從臨近空間觀測日食，並將影片和影象傳送到NASA的網站。
臨近空間是什麼？
臨近空間通常指高度20-100km左右的地球空間。
在2004年美國召開的“空軍太空戰區臨近空間峰會”上，來自美國國防部、其它政府部門、工業界和學術界的大約100位代表一致同意將“臨近空間”大致定義為距地面20km（65000英尺）至100km的區域；其後，在美國空軍釋出的臨近空間研究報告以及世界各國的相關學術論文和國際會議上，也都進一步確認或認可了這種定義。
從臨近空間拍攝的日全食影片和照片極其稀有，令人神往。
日全食是罕見的具有巨大影響力的天文現象，北美洲的上一次日全食要追溯到1979年。
高空氣球觀測日食專案，將從一個獨特的視角，以一種歎為觀止的方式吸引公眾的目光。
而之前僅在2012年在澳大利亞有過一次臨近空間日食觀測，但是，還從來沒有人對日全食進行臨近空間的現場直播，當然，也沒有橫跨整個北美洲的聯網直播。
本專案遍佈全美的高空氣球發放地點
從地面，太空邊緣和國際空間站觀測日全食的對比圖
NASA這次準備怎麼“玩”？
下面用一張圖來說明NASA的日食氣球專案的全部內容：
該專案的參與者是57個來自全美各大高校及高中的高空氣球團隊，氣球將會在8月21日，日食當天同步發放至30.5km高空，在日食現象結束之後升空到頂爆裂。
專案由蒙大拿空間基金進行組織和計劃，並得到了許多其他空間基金財團的資助。
HAB任務剖面：發放-上升-氣球爆裂-降落傘減速下降-回收
通用載荷系統
日食氣球專案的通用載荷系統由上圖的ABCD四部分組成：
A—切割器：根據需要，執行切斷連線載荷與氣球的繩索的指令。
切割器是高空科學氣球系統中的常規裝置，切斷載荷與氣球的繩索之後，意味著飛行試驗的終止，氣球會因為失去配重而迅速上升膨脹，短時間內就會爆炸；而下面的載荷則依靠降落傘的緩衝返回地面。
B—跟蹤載荷：攜帶一個NAL銥星衛星調變解調器和GPS接收機，使FAA（聯邦航空管理局）和地面站能夠對氣球和載荷進行實時的跟蹤。
C—靜態拍照載荷：使用Raspberry Pi相機和900Mhz的調變解調器，可以將照片傳輸至地面站，也可以與載荷進行指令通訊。
D—攝像載荷：利用一個Raspberry Pi相機攝像，並透過一個5.8Ghz的Ubiquiti公司的調變解調器將高畫質影片回傳到地面站。
E—地面站：在跟蹤氣球飛行狀態的同時，地面測控站收集來自氣球的準實時高畫質影片流，並上傳到網路上。地面站也允許使用者接收照片，併發送指令給靜態拍照載荷。
影片和影象傳輸至地面站計算機以後，被直接推送上線，任何可以上網的地方，使用手機，電腦還是其他終端都可以看到日食的線上影片。大家可以在stream eclipse.live網站線上觀看從臨近空間高度拍攝的日食盛況。
NASA為什麼要開展如此龐大的計劃呢？
1.提供公眾參與度：日全食是罕見並且有巨大影響力的事件。日食氣球專案處於特殊觀測的高度—臨近空間，在日食發生的時候，可以用這種令人驚歎的教育方式吸引公眾的目光。
2.鍛鍊團隊協作能力：這個專案為參與專案的幾百名學生提供了一個千載難逢的學習機會。
3.拓展合作渠道：透過該專案的執行，已經發展了一些聯邦機構的長期合作伙伴和贊助商，並且將繼續深入合作。
專案關鍵時間節點：
1.日食持續時間：東部時間2017年8月21日下1:17（俄勒岡州海岸）到下午2:47（南卡羅萊納海岸）。
2.高空球上升速度一般在6m/s，到達30km高度的時間為1.38小時(乳膠式高空氣球的爆裂高度可以超過30km，所以該專案中使用切割器在30km高度統一終止試驗)。
3.專案主要時間節點：
2016年7月，工作組製造完成通用載荷。
2016學術年，訓練，練習，測試和頭腦風暴。
2017年7月，所有參與的團隊，組織演練。
2017年8月21日，日全食發生。
挑戰的樂趣：
從太空邊緣上傳實時影片和影象到網路的通用載荷已經由一個高空氣球的學術團隊完成。但是從美國大陸上空開展組網飛行，把實時影片流傳到NASA網站存在一些小挑戰。
這些挑戰為參與其中的學生提供千載難逢的訓練機會，這對學生團隊來說是振奮人心且意義非凡的。
這些挑戰包括創造一個高空氣球的球載下行鏈路系統，能夠進行影片流的實時播放，團結國內眾多導師和學生，獲得工業合作者和贊助商的認可，並且獲得必要的媒體認可，以便於線上影片能在NASA官網播出。
實驗內容：
除了常規相機載荷將提供準實時的地球上月亮的陰影和黑化的太陽的圖片，團隊還將視情況決定是否飛行第二組載荷。
NASA網站上屆時也可以看到每個團隊第二組載荷的資訊和影象。第二組載荷飛行將與NOAA（國家海洋和大氣管理局）和NSF（美國國家科學基金會）合作，屆時會發放100個探空球來收集對我們環境有影響的日食的重要科學資料。
經費：
由NASA科學任務委員會為主載荷提供資金，大約每個氣球系統（NASA基金號NNX16AB84G）3700美元，個別的團隊花費，比如差旅費，學生人員費和氦氣費用則由當地的NASA空間基金委員會支援。
本次專案的主角高空氣球究竟是何方神聖呢？
本專案中使用的高空氣球英文簡稱為HAB，與我們在高空科學探索中使用的大型超薄聚乙烯材料氣球不同（為了區別二者的不同，後者我們通常叫做高空科學氣球）。
HAB使用的是乳膠氣球，這在氣象探空氣球中很常用，它可以攜帶各類小型載荷達到臨近空間。這種氣球內部充填氦氣或者氫氣，隨著高度的上升，氣球會隨之膨脹，直至升限，氣球爆裂。
HAB的任務目標通常與載荷有關，每個載荷對應特定的目標。
HAB氣球系統中必須包含一個降落傘，雷達角反射器（增加HAB系統的雷達反射面，便於地面空管雷達的追蹤監控），和通訊追蹤器。
高空科學氣球系統（超薄聚乙烯材料氣球）
HAB系統（從上而下分別是：乳膠球，任務載荷，降落傘，角反射器）
HAB是如此的迷人，因為它可以讓你快速低成本地探訪太空！也因此，有些人叫它“窮人的太空專案”。
每天，人們都在全世界各地發放HAB。
高空氣球飛行高度參照圖
在美國，國家氣象服務中心每天會在遍佈全美的氣象站和機場發放2次HAB氣球來測量大氣特性，以幫助他們進行氣象預報，如果有極端天氣，他們將在特殊地點發放第3次HAB氣球來增加預報模型的精度。
業餘HAB愛好者的記錄:（這裡所指的都是乳膠球，最終都會膨脹爆裂）
可以看出，成本低廉的高空氣球還是可以做很多事情的。
最後，放送一組日食的精美圖片，預祝NASA的日食氣球專案圓滿成功！
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這組漂亮的天文照片可謂來之不易，其中有的照片是由在太空中執行任務的航天員拍攝所得;有的照片由美國國家航空航天局透過精密的儀器拍攝所得;還有的照片是透過太空中工作的衛星掃描而得。
NASA的Spitzer太空望遠鏡從仙后座Kappa拍攝到的粒子和宇宙塵埃碰撞形成的紅色衝擊波
從國際空間站上拍攝的夜間照片，一片漆黑的朝鮮和相鄰的中國，韓國形成了鮮明的對比
德國Jena蔡司天文館的一個新節目，展示了銀河系的生命旅途中無數個太陽的演變過程
哈薩克的Baikonur，俄羅斯“聯盟-U”的火箭推進器的上搭載著進步M-22M號貨運飛船
火星上的一個深約30米的隕石坑，它的四周形成了一個爆炸區域。因為運用了新的製作技術所以隕石坑看起來變
美國宇航局用先進星載熱發射和反射輻射儀對俄羅斯冬季奧運會舉辦城市索契進行了拍攝
使用了特殊濾波儀器的Cassini號探測器，飛行了2560000公里後，拍攝到了土星
土星看起來比月亮小了很多，這是因為月球在前面，這種情況稱之為掩星
一輪新月從地球上升起，這是日本宇航員Koichi Wakata在國際空間站上拍到的照片
這是第一張金星的照片，是由1974年的2月NASA的水手10號飛行器拍攝的
NASA釋出猴頭星雲絢麗照
NASA釋出一組由哈勃望遠鏡捕捉的猴頭星雲的絢麗圖片，紀念哈勃望遠鏡24歲“生日”。1990年4月25日，美國太空梭將“哈勃”望遠鏡送上太空軌道。
在宇宙中，我們總是會看到這些靜謐的藍色幕簾。
這些藍色的宇宙幕簾是所謂的反射星雲。它們的色調並非本身發出，而是反射光。只要是反射星雲，通常都是藍色的，而且它們附近肯定存在著明亮的新生星團。
反射星雲的形成機制和所謂的發射星雲不同。發射星雲通常是紅色的，它們的光是自己發出的。
具體來說，當被紫外線電離後的氫重新結合為中性原子時便會發出紅光，不過假如氫能夠一直保持中性，假如它們能夠和紫外線源——恆星保持足夠遠的距離，假如被電離的氫原子不夠多——星雲也會呈現藍色。
如果用紅外相機進行成像，星雲內部的結構便會展露無遺，比如下面這張圖，星雲中的新生星團清晰可見。星雲中還存在著不透光的區域，它們內部包裹著尚未完全成形的恆星胚胎。
假如把可見光影像和紅外影像結合在一起，我們便可以得到內容非常豐富的照片，比如下圖:
多種星雲壯觀景象
肉眼能看到像照片那美麗的天文影象嗎？
不能，很多朋友認為人眼是個很棒的相機，很遺憾，人眼是個非常差勁的相機，遠遠比市面上的民用相機要差得多，更別說和科研相機比了。定焦鏡頭，對焦速度一般，換高感模式要20分鐘，中心畫質與邊緣差很多。人眼的強大來自大腦視覺處理的強大，就好像IPHONE一樣，本身只是個垃圾手機鏡頭，但有強大的影象處理軟體做後期，就可以戰翻卡片相機了。
天文攝影主要依賴高感光和長曝光，人的眼睛顯然沒有長曝光功能，高感差不多相當於ISO25600的樣子，而且人的弱光視覺細胞只感受明暗，對色彩不敏感，所以是看不到顏色的，就算在望遠鏡上，也只能看到模糊的黑白影象。
天文照片的色彩是怎麼來的？
天文照片的色彩是可以直接照相得來的，普通的單反甚至卡片相機就可以呈現出色彩，並不一定需要後期。
但是在彩色相機的感光板上，每個畫素分成3原色接收，也就是每個畫素利用到的光線只是實際的1/3，其他色彩都被濾色板吸收了。
為了克服這個缺點，可以採用單色CCD進行感光。在單色CCD上，畫素沒有色彩劃分，只感受明暗，每個畫素是100%吸收光線。為了讓單色攝影也獲得色彩，就需要利用濾光片。
我們將天體發出的光線中強度最大的三個頻率定義為三原色，然後用窄帶濾波鏡對原始光線進行過濾，這樣每次曝光得到的光線都是隻表現單一波長光線的黑白照片。我們把3張黑白照片分別賦予紅黃藍原色，再疊加到一起，就得到了一張彩色照片。
當然實際做起來很複雜，比如高階赤道儀，導星儀，冷凍CCD，都是半專業器材了，拍攝的時候還有明場平場暗場做參考，一張照片需要很多張原始片合成，總之基本相當於半個科學實驗了。
還有最重要的，拍攝地點。美國有些地方不許開燈的。
天文照片的色彩是否是真實的色彩？
這是天文攝影中爭論最激烈的話題，實話說，不是。
由於窄帶濾波對波段的選擇是根據光線強度而非嚴格的色彩比例關係，而且最後合成時選定的也未必是三原色（更多考慮的是科學上的統一標準，最好是一看照片就知道天體的化學成分，科學界存在不同的濾色和PS標準，比如NASA色），因此與“實際”的自然色彩有差別是很正常的。另外，紅外段甚至紫外段光線的引入，也使得天體攝影的感光遠遠偏離可見光範圍，根本不是人能看到的顏色。
不過，很多人知道天文攝影色彩是後期PS合成的，就認為一切都是假的。這些朋友的標準說法是：“和肉眼看到的不一樣。”
其實，歸根結底，天文攝影是對肉眼的一種技術補償手段，你在地球上用肉眼根本就看不到這些天體的顏色，何來不一樣？
另外，由於大氣層，宇宙塵埃，還有引力透鏡等各種奇葩因素的存在，傳播到地球上的光線受到很多損失和歪曲，天文攝影的修正技術可以修正這些問題。
還有個BT的紅移問題，宇宙膨脹本身就會導致紅移，理論上所有照片都要調藍才是“真實”的色彩。特別是超新星爆發後產生的星雲，一部分高速向地球靠近，一部分高速遠離，一部分平行運動，結果就是明明星雲各部分的色彩是完全一樣的，但是你在固定一點上看到的色彩卻完全不同！
所謂自然的色彩應該是，我們坐宇宙飛船，飛到天體附近，這時光線幾乎沒有衰減，肉眼可以充分感受色彩，用IPHONE拍到的也是非常準確的色彩，可惜，暫時辦不到。
所以“我合成的這個照片就是實際的色彩，如果不是我輸你100億，請拿4光年外的現場照片為證”。
如果有空，我會從天文論壇轉幾個樣片來說明一下，不過還是先放一張我最喜歡的外國天文照片吧，就是普通相機拍的，你也能拍到。
2017.7.20
(2017-07-20)
沒想到，NASA也有“哭窮”的一天。
雷鋒網注意到4天前，在美國航天航空學會的一次推進器會議上，NASA（美國航空航天局）的載人專案負責人，Bill Gerstenmaier終於在公眾場合承認了一個事實——NASA可能沒有足夠的錢推進科研，以便最終將人類送上火星。
他當時的原話是：“我沒有辦法給出人類登上火星的時間，因為我們關於火星的預算增長只有區區2%，我們目前也沒有能夠讓人在火星表面生存的系統。同時，如何下降並且著陸到火星表面依舊是一個巨大的挑戰。”
NASA：我燒起錢來，自己都怕
雷鋒網就此也查詢了NASA 2016財年的具體預算，關於火星的探索主要分兩部分，第一部分歸屬於“行星科研（Planetary Science）”，預算額為13.6億美元，不足全年預算的10%。與此同時，NASA還將大量的資金投入到了“探索系統開發（Exploration Systems Development）”中，這其中就包括了未來可能擔負火星登入任務的SLS火箭，以及“獵戶座”太空艙。
SLS火箭（右一二）驚人的尺寸，一旦研製成功就將成為史上最大航天器
根據Wikipedia的公開資料，仍在研製中的SLS火箭雖然屆時將擁有LEO（近地軌道）70-130噸的驚人投送能力，，但僅僅在2011-2015年就已經花掉了77.5億美元的NASA預算。按照目前的預算規劃，SLS火箭實際發射頻率僅為每年一次，同時每次發射將再花費10億美元。
簡直就是個“無底洞”，所以也有很多人認為SLS火箭“掏空了”NASA。
值得一提的是，在NASA 2016年的財政預算報告中，實際上依舊保留了火星探索的宣傳頁面。頁面中還對火星計劃的目的進行了描述，雖然現在看起來略微諷刺：“為之後的宇宙探索提供必要的資源，同時讓美國保留在空間探索和科學研究上的領先地位。”
在週三的會議上，Bill也透露了NASA未來其中一個可能的新目標——重回月球。
他在現場表示：“我們將繼續在月球更廣泛的去探索表面是否存在水，如果證明真的有水，我們將會推進月球表面的相關計劃，以期能夠在月球表面建立深空探索的基地。”
由火星轉向地球似乎的確更合理，但另外一層原因同樣更容易想到：像SpaceX這樣的商業航天公司仍在快速崛起。
商業太空持續崛起
美國副總統Mike Pence
就在7月初，美國副總統Mike Pence曾來到肯尼迪航天中心，他當時表示：“特朗普和他發誓要恢復美國在太空的領導地位。”同時，他還專門表示：“透過和我們商業航天夥伴的合作，我們將讓太空旅行更安全、更便宜，同時也將更觸手可及。美國商業公司目前掌握著最前沿的航天技術，這是個事實。”
雖然整段話中並未專門指出物件，但的確像是對SpaceX、Blue Origin這一類公司在喊話示好。
畢竟，相比於“無底洞”SLS火箭，目前已經數次承擔NASA發射任務的SpaceX已經擁有了成熟的Falcon 9火箭，同時還將每次發射的成本壓縮到了6200萬美元。如果按照其LEO投送能力22噸計算，同樣的預算Falcon 9火箭能運輸至少2.7倍於SLS火箭的載荷。
事實上，由NASA發起的SLS火箭專案主要由另外兩家美國航天業巨頭來完成：波音、ULA。這兩者雖然執行過很多航天專案，但是最大的特點就在於貴。照樣“賣”的出的最核心原因，是他們深入政府的複雜關係。
但在赤裸裸、數億美元的預算面前，似乎美國政府也只能轉向SpaceX這樣的“新生勢力”了。
當然，由此而產生的疑問也有一大堆：太空探索以後是否還要以政府為主體？政府是否應該全力扶持相關公司？是否真的會像一眾科幻片中，出現利用科技控制世界的科技托拉斯？
Elon Musk（雷鋒網設計對白）：我要告《鋼鐵俠》，它抄了我的人生。
(2017-07-16)
就在幾日前，美國宇航局(NASA)讓木星探測器“朱諾號”進一步靠近“大紅斑”進而拍攝下近距離觀察這個巨大風暴的畫面。現在，該機構公佈了首批照片。據瞭解，朱諾號在從木星軌道最低點上升的過程中完成了這次拍攝。當時，這顆探測器距離大紅斑的距離大概在5600英里左右（約為9012公里）。
也許這個數字聽起來好像很遠，但當物件是巨大的木星以及這個巨大風暴時，實際上這個距離非常近。
雖然大紅斑是一場風暴，但它不像地球上的風暴，它是木星上一個不能完全無法忽視的存在，它的體型甚至可以裝下好幾個地球。長期以來，科學家們對這個風暴的顏色非常好奇，或許最新公佈的這組照片仍無法解釋這個問題，但不管怎樣，它們展現的景象仍令人驚歎。
(2017-07-13)
NASA拍到神秘物體環繞著土星環
NASA的卡西尼－惠更斯號太空船在進行每週的掠環軌道任務，當它經過土星光環外面時，它在環中追蹤到一些體積小且有一貫性、持續性的物體。
NASA的卡西尼－惠更斯號拍攝的圖片顯示，有兩個奇怪的物體徘徊在土星光環上。它們的綽號是F16QA和F16QB。研究人員表示，這些物體偶然撞到土星光環，產生壯觀的撞擊結構。它們已經在這種情況下存活很多次，所以科學家相信它們的內部可能含有固體。
卡西尼－惠更斯號的窄角相機於2017年7月拍攝的，並且是從距離土星光環982,000公里，以及894,000公里。
在圖片中，佈滿灰塵的周圍環境可以在物體周遭看到，這或許是近期碰撞的結果。科學家表示是土衛十六，引起擾動後形成的。然而，這只是一個理論，證明我們太陽系的外行星要比我們所想像的更加神秘。
卡西尼－惠更斯號任務是一個NASA和歐洲太空總署的合作計劃。噴射推進實驗室位於帕薩迪納市的加利福尼亞理工學院的一個部門，它為NASA科學任務理事會
(2017-07-08)