一起来听深空交响乐--行星声学
在浩瀚的宇宙中，是否只有地球上才有声音，太空中有没有，别的天体上有没有，若是有跟地球上的一样吗？
1.要回答上述问题，我们首先要搞清楚声音是什么，是怎么产生的？
狭义的声音为人耳能够感觉到的空气振动，广义上声音是各种弹性介质中的机械波，包括人耳不能感知的振动。声音不能在真空中传播，必须通过具有弹性的介质传播。
声音是由物体的振动产生的，产生声音的物体称为声源。声源的振动，引起介质在平衡位置附近振动，不断地压缩和膨胀，伴随着介质的密度和压强不断变化。这种由近及远向周围传播的机械振动就是声波。声波传播的时候，介质的质点本身没有宏观的运动，只在平衡位置附近振动。当声波到达人耳时，引起鼓膜振动，产生听觉。声波牵涉到的是质点位移、密度和压强等力学量，因此声波是机械波 。
2.太空中有声音吗，别的天体上有声音吗？
由上述定义可以看出，声源振动、介质中传播、传感器接收是三个关键环节。因此并不是只有地球上才有声音，只要有声源振动、有介质可以传播声波，就存在声音，传感器的作用是使人们“听”到声音。太空中是真空的，没有介质，因此不存在声音。至于别的天体，大概率是存在声音的，天体上的物质，无论是固体、液体还是气体，只要有物体在弹性介质中发生振动，就产生了声音。
3.我们在地球上听到的声音大部分都通过大气传播，我们对那些存在大气的天体上的声音尤其感兴趣，那么其他天体上的声音跟地球上的有什么区别呢？
在相同的声源振动和传感器接收时，声音的区别主要由介质决定。介质的声学特性主要包括声阻抗率、声速和声衰减，对于气体介质来说，其声学特性与气体的成分、密度、压强和温度等都有关系。
声速反映了介质受声扰动时的压缩特性，如果某种介质可压缩性较大（例如气体），即压强的改变引起的密度变化较大，那么声速较小，反之，如果某种介质的可压缩性较小（例如液体），则声速较大。
声波在传播过程中不断减弱的现象称为声衰减。向周围各个方向扩散传播的声波，传播过程中声能分布的空间不断扩大，能量密度不断减小，这种衰减称为声几何衰减。介质的黏滞性、导热性和分子内部结构对声波的弛豫等性质也会导致声衰减，常称为介质对声波的吸收。被吸收的声波能量最终转化为热能。声波的吸收既决定于介质的一些特性，也与声波的频率有关。此外还有介质中的微粒杂质产生的散射衰减 。
科学家曾使用探测器收集到的行星大气数据模拟出火星、金星以及土星等行星上的奇妙声音。每个行星上的声音都大相径庭，取决于行星上的大气环境，如金星上的声音很“粗”，而火星上的声音很“细”。
4.科学家们在行星声学方面开展了哪些研究呢？
在声传播规律与探测技术研究方面，科学家们分别从多个大气声学的简化模型出发，用不同的数值模拟方法分析了声波在极低压、二氧化碳气体中的声速和衰减等特性。并逐步开展了常温、低压（600-1000Pa）、二氧化碳气体中超声波（20-40 kHz）的声速和声衰减实验测量，进行了火星声音记录、超声避障和超声风速仪等方面的基础研究。不同行星上的声传播规律还有待科学家们更进一步的研究。
科学家们还在行星探测器上安装声学传感器直接探测行星上的声音。1980年，苏联航天飞船Venera带着传声器到了金星，希望能检测到雷声，但只接收到了气流吹过登陆器发出的声音。1999年 “火星极地降落者”上就安装有加州大学伯克利分校设计研制的麦克风，但可惜是降落过程中探测器失去联系。法国国家太空研究中心原本想在2007太空穿梭任务中向火星表面发射四台带有麦克风小型探测器，用来研究火星大气和内部结构，但后来由于资金问题2004年被取消。2005年惠更斯号登陆器在降落土卫六上的过程中，它所携带的声音传感器收集数据并转化为人耳能够听见的声音。在这段音频中，能够听到探测器降落时的风声，科学家利用这段音频，分析回声的强度，对土卫六表面进行更多的了解。此外，在美国凤凰号火星探测器上也携带有声探测器，遗憾在2008年着陆时麦克风没能顺利启动，计划失败，但NASA的火星探测团队并没有放弃，计划在火星2020探测车上继续安装声探测设备，主要实现两类功能：利用声波精确测量火星风速，识别沙尘暴；测量激光击中岩石时产生声音的声强，以此确定气化的岩石质量，为科学家提供更多关于岩石成分的信息。2018年12月，NASA公布了一段洞察号记录的火星风的音频，这是人类首次听到火星风的声音，由洞察号的传感器于12月1日捕捉到，气压传感器直接记录了火星的空气振动，地震仪记录了火星风吹过洞察号上的太阳能板仪器的探测器振动。
火星2020概念图（图片来源：NASA / JPL-Caltech）
火星2020号火星车上携带的科学仪器（图片来源：NASA / JPL-Caltech）
火星2020号火星车上携带的SuperCam工作概念图（图片来源：NASA / JPL-Caltech）
5.什么是行星声学？
声学是研究介质中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。行星声学是声学的一个新兴分支，是声学与空间科学的交叉学科，是研究除地球以外的天体中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。
6.研究行星声学有什么用呢？
首先，声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯一分支学科，随着空间科学、航天技术的不断发展，人类探索宇宙的能力不断增加，行星声学的研究本身可以满足人类对行星上的声学现象的好奇心，增加对空间科学的认知，丰富和发展基础声学理论，将声学研究从局限于地球空间拓展到宇宙空间。
其次，行星声学的研究成果可作为研究行星大气、海洋、地层、内部活动等行星环境的探测手段。例如声源定位、风速测量等声学测量技术可为行星表面大气气旋、环流研究、地层活动和外星球生命迹象追踪等方面提供技术支持。因此，开展行星声学的基础和应用研究，对于我们更深入了解行星环境、研究行星气候规律、探索生命活动等都有十分重要的意义。
7.让我们一起来听深空交响乐吧！
由空间科学学会举办的全国空间探测学术研讨会自2017年第三十届开始，将行星声学纳入专题讨论。中科院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项课题申请指南将行星声学技术作为行星科学的一个研究方向。中科院声学所与空间中心承担了此方向的课题研究，开展了稀薄大气传播机理，地面实验环境建设等方面的探索，为未来火星，木星，土星的声学探测探索方案与思路，欢迎感兴趣的伙伴一同探讨前行，一起来听深空交响乐！
作者介绍：
中国科学院国家空间科学中心系统仿真与论证技术研究室 沈旭晨
中国科学院声学研究所 超声技术中心 崔寒茵