如何對一顆星體進行詳細觀測？

天文紀錄片中描述各種行星的情況，大可以介紹行星質量、速度等，小可以詳細到行星中溫度、氣候、主要成分，這些數據都是如何取得的？

謝 @One Two邀，你們最近都是要累死我的節奏啊，問題問的越來越大了……這詳細了寫能寫成一本書你們知道么……

首先聲明一下，這個話題是實在是有點大，我不認為以我目前的專業水平可以提綱挈領地全面概括，不過是管中窺豹地給出一些我所了解的方面。

其次要說明的一點是，我們目前所說的「對一顆星體進行詳細觀測」，其實不過是太陽系內八大行星以及部分小行星、矮行星和衛星，更詳細的說其實不過就是月球、水星、金星、火星（及其兩個衛星）、木星（及幾個主要衛星）、土星（及幾個主要衛星），小行星帶和柯伊伯帶的幾個主要小行星和矮行星。而太陽系內的其他星體以及系外幾乎所有星體，基本還談不上「詳細觀測」。

再然後，本來我一口氣寫了一萬多字還沒寫到一半，後來覺得這麼宏觀的話題寫的太詳細反而起不到科普的作用了，倒不如以後有機會把每部分分成專題來細講，所以又推倒重寫了一遍，還是概括一點比較好~

最後，本答案未完結，長期不定期更新（視我突然想起什麼來了就更一把……）

———————————————————————————————————————————

【裸眼和望遠鏡觀測時代】

部分星體的距離、質量、體積、運轉周期、速度以及地表形態，這些精度不是特別高的基本參數和特徵在地基光學望遠鏡時代甚至裸眼觀測時代就已經有了很不錯的觀測和描繪，比如對16XX年間人們就已經能夠通過天文觀測精確測定火星自轉為24小時40分鐘，能比較精確的測定火星到太陽和地球的距離，火星的質量和大小，還繪製了火星表面特徵的手繪圖像（月球更近就更不用說了）。

↓1877年火星大沖時期，義大利布雷拉天文台台長喬凡尼·斯基亞帕雷利（Giovanni Schiaparelli ）使用一架直徑25厘米的望遠鏡觀測火星，並繪製了火星地圖（對，就是最近歐空局跑丟的那個著陸器 也來聊一聊剛跑丟的那個Schiaparelli號著陸器）

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

此後隨著天文望遠鏡性能的不斷提高觀測精度也有提升。1880s年代光譜學和攝影測量技術的發展，能夠讓人們通過地基天文望遠鏡探知星體上的某些元素（主要是水）並能獲得星體的影像。

但總體來說，探測器時代開始之前，基本還是談不上行星科學和對星體的詳細觀測的。

【探測器時代】

直到1960s年代，美蘇深空探測的軍備競賽拉開了序幕，然後兩國以不計成本不怕失敗的大無畏精神卯足勁兒發了十幾年探測器（和著陸器），才真正讓我們開始對月球火星金星木星等幾個星體有了詳細觀測和認知。從此，探測器成為詳細觀測行星的主要工具（但地基望遠鏡和空間望遠鏡依然是不可或缺的重要補充）。不同的行星觀測量是探測器搭載的不同儀器的觀測結果，所以實際上每個探測器只要仔細看下搭載了哪些有效載荷就知道它預計能獲得哪些觀測成果了。

1. 重力

行星表面重力數據基本都是通過探測器軌道跟蹤數據的多普勒效應反演獲得，少部分會搭載專門的重力儀（關鍵詞gravity, gravimeter, radio Doppler）。因為行星不同地方的重力是直接影響探測器軌道位置的，同時，通過探測器軌道數據獲得的更精細的行星表面重力數據也可以反哺探測器定軌，讓之後的探測器能夠更精密的定軌。

↓ 美國GRAIL探測器獲取的月球自由空氣重力異常（這篇文章發表的時候還是420階，後來又有更新）左半邊是遠月面，右半邊是近月面。(Zuber et al., 2013, Science)

那麼沒有全球覆蓋的多普勒跟蹤數據的星體（主要是一些小行星）怎麼辦？答案是：沒辦法獲得精確的重力信息，但可以通過地形數據來大致估計，原理是：已知總質量，然後假設這個星體是均質的（比較小的小行星啊衛星啊不太可能經歷熔融分化，所以均質的可能性比較高），然後利用地形DEM來估計表面每個點的重力值。

2 地形（形狀、體積）

行星表面精確的地形起伏是通過激光高度計獲得的，也就是說這個探測器只要搭載了測高儀，就能測地形（關鍵詞laser, altimeter, Ranging）。探測原理極其簡單粗暴：就是打光到星體表面然後接收回波信號通過計算就可以獲得星下點的高程值，探測器軌道能夠全球覆蓋的話就能獲得全球的高程值，然後通過平差啊內插啊之類的數據處理方法可以獲得全球格網數字地形數據（DEM）。有了地形DEM我們就可以1) 無比精確的知道這個星體的形狀和體積（有3D印表機的話你都能自己做一個模型），2) 結合影像數據（僅僅是影像數據的話由於光照等因素有時會有識別上的多解性）分析地表起伏形態，3) 進行岩石圈應力應變等的定量分析，4)重力分析，5)地殼厚度分析等等等等。

↓ 美國LRO探測器上搭載的激光高度計LOLA（ Lunar Orbiter Laser Altimeter）獲取的地形圖，參考面為平均半徑（Topography of the Moon）

3 地貌形態

主要通過探測器搭載的相機拍攝的影像獲得（關鍵詞camera, imaging），如月球LRO探測器搭載的LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera) 相機，火星的 Mars Reconnaissance Orbiter探測器搭載的HiRISE（High Resolution Imaging Science Experiment）相機，當然，天文望遠鏡（哈勃等）和著陸器（如好奇號火星車）獲取的影像也是非常重要的補充，通過這些影像，我們可以獲得星體表面形態的直觀印象，還可以結合高程、重力等其他數據進行地質研究。

↓ LROC拍攝的月球影像

↓ 月球Clementine號UVVIS 750nm波段全球拼接影像圖（Lunar Clementine Global UVVIS 750nm Mosaic v2 118m）

4 表面年齡

4.1 相對年齡
通過影像數據（配合地形數據）是別的撞擊坑進行撞擊坑統計定年，基本原理是撞擊坑密度高的表面比撞擊坑密度低的表面要古老，從而建立不同區域之間相對年齡的前後關係。定年精度取決於影像解析度。

4.2 絕對年齡
對星體表面不同區域的實際岩石樣本進行放射性元素定年獲得絕對年齡作為某個區域地表的絕對年齡，以此作為相對年齡的定標，只有有了絕對年齡的定標之後，相對年齡和絕對年齡的定量關係才能真正確立起來，遺憾的是目前只有月球能夠做到。其他星體全部都是假設和月球有相似的撞擊通量然後做的類比估計，所以對火星之類比較近的星體可靠性尚可，較遠的星體可靠性並沒有保證。

↓ 月球阿波羅採樣地點和絕對年齡定標 (St?ffler et al., 2006)

5. 內部構造

體積較大的固態行星和小行星矮行星衛星（包括地球）由於形成後不久的熱分異會分化成層，也就是形成類似地球的地殼地幔地核這樣的層狀結構（其實不止這麼多層啦），那麼一個星體有沒有分化成層？有多少層？每層是固態還是液態？每層的密度和深度是多少？每層的主要成分有哪些？這就是內部構造研究要解決的問題。

5.1 粗略的內部構造認知
目前我們對天體內部構造主要通過一些基本觀測量來推測，主要包括：密度（通過總質量和總體積計算得）、慣量矩（通過低階重力場計算得）和其他輔助信息（熱、磁、成分等）（詳見如何看待 NASA 證實太陽系最大衛星木衛三確有海洋這篇報道？ - haibaraemily 的回答）

↓ 木衛一和木衛三的內部結構示意圖，在沒有地震數據的情況下我們已經可以推測出這麼多這麼多了~

5.2 殼層厚度
通過重力場數據和對地殼密度的合理估計下計算獲得，數據、原理和演算法都比較完善了，基本上，重力場數據完備的星體地殼厚度分布和布格重力異常分布都是直接一起給出的。

↓ GRAIL重力數據計算的月殼厚度（Lunar crust thinkness），可以看到幾個大型撞擊坑/盆地內的月殼厚度幾乎為零，也就是說月表以下不深處就是月幔，甚至有些地方撞擊過程很可能已經把月幔物質撞出表面了

5.3 地表以下淺層構造

地表以下淺層構造可以藉助測地雷達觀測，如月球LRO的MiniRF，火星MRO的SHARAD，但由於目前對其他星體地表下未知物質的傳導率信息並不了解，所以主要還是以探測水冰為主。

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

5.4 精細的內部構造

而更精細的內部構造只有通過地震觀測（我記得知乎見到過一個講如何通過地震觀測探知地球內部結構的回答啊誰丟我一個？謝謝！目前只在果殼找到一篇簡單介紹月震的月震 | 地球那些事兒小組），地球內部構造就主要依賴於地震波的觀測，但這在行星上目前也不太現實，因為你必須得先去那個星體上裝一個地震儀……目前只有月球上阿波羅著陸階段放過幾個月震儀，而且全部位於月球正面，所以能夠反映的內部構造情況比較有限（各國一直都琢磨著要去背面裝個月震儀來完善月震網來著）

↓ Apollo任務在月球上安置的幾個月震儀，其中Apollo 11僅工作了三周就壞了，Apollo月震數據主要來自於12, 14, 15和16，Apollo 17處安置了一個重力儀，不過現在這幾個月震儀貌似全部都停止工作了（Lunar Surface Gravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic information on the Moon）

6. 距離

激光測距，目前僅在月球（LLR，Lunar Laser Ranging）上有使用，月球上有五個稜鏡（不過貌似有幾個不能用了），原理一樣簡單粗暴：月球上安置稜鏡，地球上的台站發射和接受雷達信號，直接觀測結果是地月距離，長期觀測還可以獲得高精度或者時變的月球軌道信息，如更新引力常量G的值，月球自轉參數，月球潮汐勒夫數等，也可間接作為月球內部結構和成分的參考。

7. 成分

7.1 採樣分析
● 月球阿波羅的岩石採樣返回樣本
● 火星維京號著陸器的在地（in-situ）分析數據
● 火星近年幾個著陸器的分析（勇氣號機遇號好奇號）
● 小行星系川的隼鳥1號採樣返回數據（但是量太少了）

7.2 隕石
但大部分隕石我們都不知道是來自哪個星球，以及來自那個星球的具體哪裡（如何推斷出隕石來自於哪個星球？ - haibaraemily 的回答），所以大部分隕石參考價值目前還很有限。

7.3 光譜儀（各種波段）
不同波段的光譜數據可以反映不同的元素分布，如可見光和紅外波段主要探測鐵，伽馬成像儀可以探測釷，等等。

↓ 月球Clementine號UVVIS波段探測的FeO分布圖(Jolliff et al., 2000)

↓ 月球Lunar Prospector號的伽馬射線光譜儀GRS獲得的釷元素分布圖(Jolliff et al., 2000)

↓ 印度月船1號Moon Mineralogy Mapper (M3)探測的元素分布（Moon Mineralogy Mapper），藍色代表水，紅色代表富鐵的輝石

7.3 中子探測儀（主要探測水）
如Lunar Prospector的Neutron Spectrometer

7.4 測地雷達（主要探測水）
同5.3

7.5 等等等等

8. 溫度

8.1 通過星體到太陽的距離和albedo（望遠鏡和探測器都可觀測）計算大致的溫度（亮的地方溫度相對較低，暗的地方溫度相對較高）

8.2 熱紅外儀和有熱紅外波段的多光譜探測儀
如伽利略號的Photopolarimeter-Radiometer (PPR)（Orton et al., 1996）

9. 其他
還有許許多多針對非常具體的探測目標的儀器，屬於一看名字就知道幹啥的，如

9.1 磁場 --&> 磁力儀，如火星全球勘測者號（Mars Global Surveyor）的A magnetometer and electron reflectometer (MAG/ER)伽利略號的Magnetometer (MAG)

9.2 大氣--&> 氣象感測儀，如火星早早期幾個著陸器上搭載的氣象儀就觀測到了火星部分區域的氣壓、溫度、風力等等

9.3 各種粒子探測，如Clementine號的Charged Particle Telescope (CPT)，Lunar Prospector的The Alpha Particle Spectrometer (APS)

9.4 太陽風、宇宙射線、輻射、宇宙塵埃探測等等等等，基本每樣都是有對應的儀器負責觀測

【複習時間】

以下是LRO探測器的主要有效載荷，這些有效載荷決定了LRO探測器能夠告訴我們關於月球的哪些方面。
● CRaTER（Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation）：探測月球全球的輻射和生態環境
● Diviner（Diviner Lunar Radiometer Experiment）：探測月表的熱輻射
● LAMP（Lyman-Alpha Mapping Project）：利用恆星和太陽系中的氫原子產生的紫外光來探測撞擊坑內的永久陰影區，這些地方被認為是水冰可能存在的地方（這個我不懂，NASA給了個數據使用手冊https://lunar.gsfc.nasa.gov/images/DataUsersWorkshop/LAMP.pdf）。
● LEND（Lunar Exploration Neutron Detector）：中子探測儀，探測地表下淺層水冰的存在
● LOLA （Lunar Orbiter Laser Altimeter）：地形測量
● LROC （Lunar Reconnaissance Orbiter Camera）：相機，分為廣角相機WAC和窄角相機NAC
● Mini-RF（Miniature Radio Frequency radar）：通信和探測地下水冰的位置

【檢測時間】
下面是Juno探測器的有效載荷，Juno探測器（如果載荷最終能正常工作並順利傳回數據的話）可以告訴我們關於木星哪些方面的信息呢？

PS: 自己的公眾號「雙眼皮的水晶球（twinkle_crystal_ball）」稍後也會更新，為嘛不同步更新呢？因為最近難得這麼高產，我要攢著下周再發~（僅為保護版權之用，凈瞎扯，無乾貨，不用關注~）

新地平線號冥王星探測器:

載荷：Ralph影像及紅外線成像儀/分光計
主要是用作拍攝冥王星及卡戎的地表情況，提供高清晰的彩色圖片，從而分析研究冥王星和卡戎地表的物理現象及組成成份，製成地表地圖。
REX，一組安裝在通訊系統內的電路板，主要是穩定由地球傳過去的下載訊號，確保資料不會遺失，是一組非常重要的裝置。而另一個作用，就是用作外太空電波科學實驗，測試有關遠距離通訊技術。

紫外線成像光譜儀（Alice）測量由冥王星及卡戎輻射或反射出來的紫外線，得出冥王星及卡戎大氣、地表的組成、分布、溫度的裝置。

長距離探測成像儀（LORRI）成像儀有一支直徑20.8厘米的鏡頭，同樣以CCD電荷藕合裝置成像。結構相比於Ralph影像及紅外線成像儀/分光計簡單得多，全組儀器並無濾鏡及活動部份。 當飛臨冥王星時，成像儀同時拍攝冥王星表面影像。

太陽風分析儀（SWAP）太陽風分析儀是分析在冥王星附近由太陽吹過來的粒子─太陽風，探測冥王星是否有磁場。若有磁場存在，可以得知它的範圍，強弱，以及冥王星大氣中氣體粒子逃逸的速度。

離子質譜儀（PEPSSI）離子質譜儀是用來測量冥王星陽離子與中性粒子組成、同位素組成等的裝置。從觀察冥王星大氣層頂部的中性粒子被太陽風所激化，而逃離冥王星大氣層的現象，可以推算出冥王星大氣的化學成份。

宇宙塵分析儀（VBSDC）裝置可以分析探測船在飛往冥王星沿途所收集太陽系各區的宇宙塵，測量及比較這些漂浮粒子的物理及化學性質。離開冥王星之後，研究會繼續，更有可能是人類歷史上首次接觸到柯伊伯帶的物體。

卡西尼號土星探測器：

等等。探測器探測方式1.在行星近旁掠過。2.行星表面硬著陸。3.繞行星飛行，成為其衛星。4.軟著陸。其他觀測方式有陸基光學望遠鏡，空間望遠鏡。
歐南台VLT使用VISIR拍攝的木星照片。