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月亮上有水吗?土卫二上有生命吗?这个专业可以帮你找到答案

果壳网 04-07

在你的印象中,行星科学的研究人员具有哪些特质呢?是谈起天上星宿如数家珍,或是对航天科学了如指掌?其实呢,这些都不是行星科学研究者们的专长。行星科学的研究对象主要是各类行星的 " 前世今生 ",需要从各个学科中汲取养分。

怎样才能成为一名上知天文、中知大气、下知地质、更往下还知内部结构的全能型的行星科学家呢?让我们一起看看行星科学博士 haibaraemily 的经历吧!

(** 专栏中所涉及的内容为嘉宾自身的经历,仅供参考,不同院校/专业/研究方向的博士在研究和生活方面都会有不同的体验哟 **)

其实很多人对行星科学这个专业是有不少误会的,比如下面这样的场景我就常常遇到。

行星科学 vs 天文学

唉,行星科学真的不是全宇宙都研究的……

行星科学 vs 航天科学

唉,行星科学真的不是只要在天上飞的都研究的…

行星科学,到底研究啥?

严格说来,行星科学(Planetary Science)可以认为是天文学(Astronomy)的一个分支,它只深入研究天文学这个大类里面的一小部分对象。

简单来说:行星科学是一门研究行星和行星系统的学科

比如行星、行星附属的环、卫星、大气磁场尘埃、小行星、彗星、陨石……

这些对象的细节都是行星科学的研究范畴。

行星科学的研究对象们 | UCL [ 1 ]

一般来说我们不会研究恒星(太阳除外)、银河系、黑洞、暗物质……

但行星科学和传统天文学的主要差异也不完全在于 " 研究对象 ",更重要的在于 " 研究细节 "

在行星科学领域,所有的天体都不仅仅是一个照片上的小点,而是一个一个自成一体的世界。这个天体的外层、表面和内部环境是怎样的?这个天体是如何形成的、过去经历了什么、又是如何发展至今的?这个天体是如何受外界影响,又是如何影响外界的?

比如:火星上的沙尘暴是如何产生的?木卫一上的火山喷出是啥样的?土卫二上的虎纹是咋回事……

图 | NASA

这些是传统天文学往往不会涉及,事实上也很难涉及的领域。因为呐,传统的天文观测对这些细节几乎无能为力,只有探测器的近距离探查,才有可能给出信息。

换句话说,行星科学是一门高度依赖探测器的学科(当然,理论分析和计算、实验研究也是有的),这本身就决定了行星科学是一门很年轻的学科——毕竟人类第一颗人造卫星,苏联的斯普特尼克 1 号 1957 年才发射成功,而人类的第一颗(部分成功的)月球探测器,苏联的月球 1 号和美国的前驱者 4 号 1959 年才发射成功。

图 | National Air and Space Museum 和 NASA

而另一方面,想要研究这些细节,就要求行星科学必须是一个度融合其他学科的交叉学科。这样一个全新的学科,是从各个学科中汲取养分才不断往前走的。

行星科学从一开始就和航天科学等学科有着不可分割的联系。毕竟想要发探测器,航天科学(火箭、轨道、制动等)、计算机科学、工业设计、制造学(探测器和科学仪器等)什么的是必须的吧?

等到终于能发探测器飞过去近距离考察了,就要开始分析科学数据了吧?探测器拍摄了大量行星和卫星表面的高清影像,如何分析这些影像?要建立坐标系,要定义经纬度,要做影像纠正和投影……影像处理和地图学出场了。要分析探测器获取的不同波段的影像,还有各种光谱数据、雷达数据……遥感学必不可少。

能看清楚行星和卫星的表面了,可这些能揭示出什么呢?月球啊火星啊金星啊怎么跟地球表面怎么不一样啊?月球的暗区(月海)和亮区(高地)是怎么形成的啊?这曾经是火山,这里曾经是湖泊,这里曾经发生过啥?这个地貌和那个地貌哪个先形成?地质学也早早登场了。以地质学的眼光来看待每一颗星球的表面地形地貌,可以说是行星科学走向丰富的重要里程碑。

半月表面 | 图虫创意

陨石揭示了什么线索?阿波罗采样返回的岩石样本怎么分析?岩石学、矿物学、地球化学当仁不让吧。

月球内部分了几层?火星还有液态内核么?地震学、重力学、热力学等各个地球物理学的分支也迅速融入了行星科学的研究之中。

金星大气层怎么这么厚?大气里都是些啥?木星的大红斑和极区涡旋是啥?大气科学、气象学、流体力学等学科也得来吧。

木星的磁场、辐射带怎么办?地磁学和空间物理也少不了啊。

火星上发现了水和疑似有机物痕迹?土卫二上可能有维持生命的条件?行吧,生物学来得晚但也来了。

火星 | 图虫创意

火星移民要不要盖楼(建筑学和材料学)和种菜(农学)?

……

另一方面,传统天文学也没有完全和行星科学割裂:在行星的形成和轨道演化、小天体的观测和系外行星的观测等领域,传统天文学依然有重要意义。而随着科技的发展,探测器性能的提升,行星科学的研究范围还在不断扩大:比如随着帕克号等太阳探测器的增多,科学家们已经能够对太阳进行详细研究了;随着开普勒等系外行星探测器帮助我们了解越来越多系外行星的细节,科学家们已经能够越来越深入地研究太阳系外很多具体的行星了。从这个角度来说,传统天文学和行星科学的研究领域又在逐渐出现越来越多的重叠和交叉。

总之,上知天文、中知大气、下知地质、更往下还知内部结构的全能型选手,说的就是行星科学啦。

我的非典型科研之路

作为一门交叉学科,我们这行半路出家的其实非常多,不管你之前是学物理的数学的化学的生物的地质的大气的,都可能在人生的任何一个阶段突然转向行星科学研究。对的,不仅是本科到硕士、硕士到博士,许多已经走入科研岗位多年的研究者也有可能因为某些契机开始转向行星科学研究,这都非常常见。

不过,我自己的科研之路依然不是那么典型。

我本科是大地测量学专业的,方向是空间导航定位,和 " 天上飞的 " 联系更紧密。简单来说就是学习如何通过接收多颗人造卫星发射的信号来解算目标的位置,比如大家知道的 GPS 啦北斗啦,就属于这个专业的内容。

GPS 工作原理,需要至少四颗卫星才能定位目标位置(gif) | GIPHY [ 2 ]

硕士期间一开始是打算做地球南极的重力场和质量分布方面的研究,但一些机缘巧合之下,我最终从事了金星和月球重力场方面的研究,也就转向了行星地球物理这个专业。

再然后呢,我又渐渐发现仅仅了解地球物理的知识和方法对认识一些具体问题会有很多局限,比如月球某处虽然在表面上看着很平常,但从通过重力场就可以发现其实是一个古老的撞击盆地的遗迹。

古老的孟德尔 - 里德伯盆地位于左图两个红色箭头之间,实际在月面照片中已经微弱难辨,但在右图的布格重力异常图中则展现出显著的高密度聚集特征。这种 " 透过现象看本质 " 的绝活,实在是地球物理独特的魅力 | 参考文献 [ 3 ]

于是我渐渐地就开始想多一些地质方面的积累,在硕士结束之后申请了行星地质学专业的博士,转向行星地质学。博士期间我的主要研究内容是木星卫星的撞击坑和撞击来源,对火星的暗色斑点也略有一些涉猎。

撞击坑密布的木卫三(左)和木卫四(右) | NASA

虽然说现在博士后阶段暂时又回到了月球撞击盆地的研究,但可以说从博士阶段开始就一直在撞击过程个大圈子里兜兜转转了。

在进入科研的初期就换了几个大方向并不是一件值得推荐的事,坏处很明显。每次换方向,都需要重新补充很多背景知识,学习新的研究手法和工具,这也就意味着对年轻的研究者来说,很难在研究初期集中性延续性地快速积累研究成果(也就是论文),那就很难在 publish or perish(要么发表要么出局)的大环境下生存下去。

但如果说还是有一点好处的话,那就是让我对行星科学这个领域的认识比同龄的同事们要略系统全面一些,毕竟我也算是横跨六大领域、研究过五颗以上行星 / 卫星的人了。

另一方面呢,早年空间导航定位专业的学习经历让我对人造卫星有一定的了解,这也让现在的我能相对容易地理解航天领域,尤其是探测器、轨道、无线电方面的资料。

这些都让求知欲旺盛,喜欢通过检索资料来寻找答案的我收获了无尽的人生乐趣

关于求学

据我所知,目前中国内地的高校依然是没有开设行星科学的本科专业的。所以,如果你将来想要攻读行星科学的硕士 or 博士,甚至将来相从事行星科学研究的话,最好在本科期间学习一些相关领域的专业或者课程,比如地球科学(地质学、地球化学、地球物理学等)、物理学、天文学、数学、计算机。

如果你已经快要结束本科,想要继续攻读硕士 or 博士的话……总的来说,目前国内开设行星科学专业的高校和科研机构还是比较少的。不过随着学科的发展壮大,近几年增设行星科学专业的院校机构也在陆续增多。例如去年加入了中国高校行星科学联盟的大学,都是可以找到攻读硕士 or 博士的项目组的:

中国科学院大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、澳门科技大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学(深圳)、南京大学、中国地质大学(武汉)、山东大学、桂林理工大学、南京信息工程大学、南方科技大学、武汉大学、清华大学、北京师范大学、中国地质大学(北京)、同济大学、洛阳师范学院、中南民族大学、南京航空航天大学、华北电力大学、南昌大学、香港大学、重庆大学、吉林大学、浙江大学 [ 4 ] 。

除此之外,中科院的一些单位也有行星科学相关的项目组,例如国家天文台、上海天文台、云南天文台、遥感所、贵阳地化所等等。

当然,如果想要出国学习的话,国外很多学校是从本科开始就有 " 行星科学 " 或者 " 地球与行星科学 " 相关专业的,无需 " 曲线救国 ",直接就可以报考。

关于就业

如果在完成行星科学专业的学业之后想要继续从事科研工作的话,目前来说主要的就业去向还是全世界各地的高校和科研院所,自此点亮 " 博士后 - 助理教授 - 副教授 - 教授 "or" 博士后 - 特聘副研究员 - 特聘研究员 " 之类的升职树。

坏消息是,随着博士人数和从事科研岗位的人数逐年攀升和,获得稳定教职的难度和时长也在随之迅速攀升,由此带来的一系列个人和家庭问题,是每个想要或者已经从事科研工作的人必须考虑的。

好消息是,行星科学毕竟是一门不断壮大的新兴学科,随着国内许多高校和科研院所在陆续增设相关专业,也会增设一些新的科研岗位。虽然萝卜多了很多,但好在坑也多了一些。

如果不想继续从事科研工作,转行也是合理的选择。不管是什么专业,都需要面对科研行业在收入、工作强度、稳定性、与家人的共处时间等方面的诸多现实的困境。攻读自己感兴趣的专业是好事,理性考虑自己的职业选择也绝不是 " 逃兵 "。

天文相关专业的科研工作者们转行之后会去哪里?《自然 · 天文》杂志 2018 年初的调查显示:大部分男性科研工作者转行去了数据科学和编程,大部分女性科研工作者的转行首选是教育行业,其次是数据科学 [ 5 ] 。

好消息是,除了去往不直接相关的行业重新升级打怪之外,也有越来越多非高校和国家科研机构的科技相关岗位在向具有专业基础,受过科研训练的硕博士生敞开,例如一些期刊杂志、私人太空公司、科技新媒体、私人教育机构等等。

总之,人生很长,尝试自己喜欢走的路,不要因为学习了更多而反过来给自己设限

关于未来

一晃眼,我接触行星科学已经有十多年了。坦白讲,很难说这个专业给了我想要的生活,也很难想象如果当初没有选择科研,或者没有选择这个专业,走入另一个领域的我到今天会是什么样。

但至少,直到今天我依然觉得行星科学是一个有趣的学科,依然会每天为这个领域的新发现、新进展感到欣喜和兴致盎然。在科研之余我也会时常写科普,把有趣的研究发现传达给更多人。看到越来越多的人对行星科学产生好奇并热切关注,让我感到非常开心。

这个发源于天文学,却融会百家、连接天地的新兴学科,还在不断为我们带来新的惊喜和希望,刷新我们对地球、对月球、对太阳系和太阳系外的认知。

作者:haibaraemily

编辑:Yuki

排版:凝音

参考文献:

[ 1 ] https://www.ucl.ac.uk/mssl/research/solar-system/planetary-science/what-planetary-science

[ 2 ] https://gph.is/1vnKsFq

[ 3 ] Neumann, G. A., Zuber, M. T., Wieczorek, M. A., Head, J. W., Baker, D. M., Solomon, S. C., ... & Goossens, S. J. ( 2015 ) . Lunar impact basins revealed by Gravity Recovery and Interior Laboratory measurements. Science advances, 1 ( 9 ) , e1500852.

[ 4 ] http://www.cas.cn/yx/201907/t20190705_4698502.shtml

[ 5 ] Nature Astronomy 新年首刊:学术之外的事业(Careers beyond academia)

[ 6 ] https://www.nature.com/collections/cfxhgzjqvk)

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