2018年十大太空故事

释放双眼,带上耳机,听听看~!
Liz Kruesi 文 Shea 编译

2018年,有一颗来自另一个行星系统的彗星造访了我们太阳系,有一颗恒星在绕着我们银河系中心的超大质量黑洞飞奔,还有一个幽灵般的中微子向世人显露出了它的来源。

去年,宇宙为我们送上了许多惊喜,涵盖了从近邻的行星到大爆炸之后第一代恒星的方方面面。位居本榜单首位的是根据南极冰层中的一束光线所做出的发现。产生这道光的是中微子,与早先发现的其他中微子一起,它们为隐藏在活动星系深处的超大质量黑洞提供了线索。

在这个榜单上的还有一个星际闯入者,它是来自太阳系外的一个类彗天体。在距离我们更近的地方,火星表面之下可能存在一个液态水湖泊。下面将一一悉数2018年的十大太空故事。

10. 太阳系外卫星迄今最强证据

天文学家已经发现了数千颗环绕其他恒星的行星,但搜寻环绕这些太阳系外行星的卫星却仍一无所获。2018年10月,有天文学家宣布他们可能发现了第一颗太阳系外卫星。

开普勒空间望远镜会寻找恒星亮度的微小下降,这是有行星从恒星前方经过的信号。针对284颗恒星,天文学家研究了这些亮度下降。在恒星开普勒-1625的信号中,发现了一个有可能是卫星所产生的幅度较小的次级亮度下降。

2017年10月,哈勃空间望远镜对开普勒-1625进行了超过40个小时的观测。在考虑了不同仪器的差别和其他不确定性之后,天文学家谨慎地将“哈勃”和“开普勒”的数据综合到了一起。在竭尽所能排除了诸如望远镜异常、该系统中的其他行星和恒星活动等其他可能性之后,除了卫星之外,天文学家找不到其他的可能来解释已有的全部数据。

然而,并非所有人都认同这一结论。当事方天文学家也承认还需要更多的观测。他们希望能在2019年5月再次使用哈勃空间望远镜,他们也希望有更多的科学家能来检验这些结果。这正是科学向前推进的过程,也是科学方法的一部分。

2018年十大太空故事
[图片说明]:气态巨行星开普勒-1625b的艺术概念图。根据开普勒空间望远镜和哈勃空间望远镜的观测数据,它可能拥有一颗海王星大小的卫星。根据计算,这两者的质量与半径之比分别类似于地球和月球,但相比后两者要大11倍。版权:Dan Durda。

9. 太阳系外行星的新猎手

2018年4月18日,美国宇航局的凌星太阳系外行星巡天卫星(TESS)发射升空。三个月后,TESS开始科学运转。此前,太阳系外行星搜寻的功臣非开普勒空间望远镜莫属,但2018年10月底该任务正式终止。这标志着,在搜寻宜居行星的这场竞赛中,参赛选手也经历了接力交棒。

从环绕双星的行星到拥有多颗小型行星的系统,“开普勒”的发现为未来的搜寻提供了线索。TESS是它的第一个后继者。它们使用的探测方法相同,寻找星光中周期性的亮度下降,这表明有行星从恒星前方经过,遮挡了它的部分光线。但它们观测的恒星类型却大为不同。在主任务阶段,“开普勒”在数年的时间里一直盯着同一片100°的星场,探测有着不同轨道周期的行星。

“开普勒”观测的这些恒星都很遥远,因此也就很暗弱,使得天文学家很难能测出其行星的质量。TESS所观测的恒星较亮,这让地面的后续观测会更加容易。它会寻找环绕太阳系近邻红矮星旁的行星。在其为期2年的初始任务阶段,它还会对几乎整个天空进行扫视。为了确保所发现的真是一颗行星,需要观测到它多次凌星。这意味着TESS发现的许多行星会非常靠近其宿主恒星,轨道周期在几天到一周左右。

天文学家预计TESS会发现数千颗环绕其他恒星的行星,其中也许会有几十颗拥有宜居的环境。“开普勒”革新了我们对太阳系外行星系统的认识,而TESS则会向我们揭示出近邻行星的细节。

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[图片说明]:凌星太阳系外行星巡天卫星(TESS)是美国宇航局最新的太阳系外行星搜寻卫星。它的4台大视场相机会对绝大部分天空进行巡视,对每一片天区进行27天的观测。它寻找的是环绕近距恒星的行星,以便地面望远镜更易开展后续观测。版权:NASA/GSFC。

8. 爱因斯坦和银心

科学理论成立的前提是有证据支持。当天文学家精确跟踪一颗从银河系中心超大质量黑洞人马A*极近处飞过的恒星时,爱因斯坦的广义相对论又获得了一项佐证。

在这个过程中,天文学家使用了被称为干涉的技术对其进行了测量。这使得欧洲南方天文台的4架甚大望远镜能够协同运作。每一架望远镜所收集的光线被综合到了一起,通过尖端的数据处理方法构成了一架有效直径达近120米的望远镜,被称为“引力”干涉仪。

恒星S2每16年绕人马A*转动一周,两者最接近的时刻出现在2018年5月19日。“引力”干涉仪在2018年精确地跟踪了S2的运动,尤其是在最接近时刻前后。但它并不是观测S2的唯一设备,甚大望远镜的近红外摄谱仪还获得了它的光谱,揭示了它在我们视线方向上的运动情况。

在S2绕黑洞转动的过程中,它的光谱会随其轨道速度而改变。但由于S2极为靠近人马A*,该黑洞的引力也会“拖拽”它发出的光,使得探测到光发生引力红移。由它所导致的光谱变化仅仅是由该恒星轨道运动所导致变化的5%,但科学家们仍探测到了这一微小改变,证明了爱因斯坦广义相对论的另一项预言。

这项工作还仅仅是开始,天文学家目前仍在跟踪S2,期望在1或2年内看到广义相对论的另一个效应,即它会以一条不同与以往的椭圆轨道运动,被称为进动。“引力”干涉仪的分辨率和位置测量精度是过去的15倍。这差不多相当于400年前伽利略用肉眼和第一次用望远镜观测之间的差别。

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[图片说明]:恒星S2刚从距离银河系中心超大质量黑洞人马A*最近处经过。图中显示了S2在轨道上的不同位置,其大小和颜色被夸大了。广义相对论预言,在它靠近黑洞时,S2发出的光会向红端移动。这正是天文学家所观测到的。版权:ESO/M. KORNMESSER。

7. 仅含少量暗物质的星系

在任何天文学入门教科书中都会提到,星系由恒星、气体、尘埃和大量的暗物质组成。暗物质是一种不可见的物质,充当了宇宙结构的骨架。但在2018年3月,天文学家宣布发现了一个例外:有一个星系所含暗物质的量仅有预期的1/400。

多年前,天文学家研发建造了蜻蜓摄远阵列,专门在天空中寻找大而暗的星系,其中有一个被称为NGC1052-DF2。对它进行的后续更高分辨率成像发现,该星系的结构看上去很古怪:整体亮度很低,但却存在多个明亮的年老星团。此后,凯克望远镜获得了它的光谱,测量了这些星团中数个的运动。结果发现它们的运动速度极低,但它们本该以更高得多的速度运动。

现行的理论预言,构成恒星、尘埃和气体的普通物质会与暗物质耦合在一起。但星系NGC1052-DF2外边缘处恒星的运动速度只有标准暗物质含量下应有的三分之一。根据这些星团的运动,天文学家计算出了该星系的质量。不同于大多数星系,可见的普通物质占据了NGC1052-DF2质量的大部分,而暗物质所占的比例却很小。这直接挑战了暗物质与发光物质耦合的观点。

但并非所有的科学家都认可这一结果,有人指出该项研究工作中存在没有被考虑的误差。为了进行更加深入的分析,天文学家需要更多的数据。2018年秋,天文学家使用凯克望远镜上的一台新设备拍摄了更加精细的光谱,这一次针对的并不是该星系星团中的恒星,而是位于星团之间暗弱恒星。

在其他每个星系都含有大量暗物质的情况下,若这个星系真的仅含少量暗物质意味着什么?有关这个问题的答案也许会告诉天文学家暗物质是什么,而这目前仍是个谜。

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[图片说明]:NGC1052-DF2是一个大而暗的星系。根据其明亮星团的运动发现,它似乎仅含有很少的暗物质。天文学家对于其背后的原因至今仍不清楚。版权:Gemini Observatory/NSF/AURA/Keck/Jen Miller。

6. 第一代恒星的蛛丝马迹?

在第一代恒星发光前,整个宇宙沉浸在黑暗之中。这一时期被称为宇宙黑暗时代,不仅仅是因为没有光,还因为由此导致了无法探测宇宙历史中的这一阶段。在大爆炸之后约1.8亿年,第一代恒星开始点亮它周围的中性氢。这些中性气体也会吸收宇宙微波背景辐射的能量,后者是大爆炸所留下的、无处不在的余辉。

这一吸收出现在1.4千兆赫的频率上,相当于21厘米的波长,此后随着宇宙膨胀被拉伸到了频率更低的频段上。2018年,有天文学家宣布终于发现了这些吸收信号,只不过它看上去与所有人的预期都不同。这些差异也遭致了许多批评和质疑。

全天再电离时期信号探测实验发现了这些与第一代恒星有关的吸收信号。但得到的信号比理论预言的更宽且更深,意味着吸收的强度超出预期,因此存在一些额外的因素影响了能量的吸收量。这一因素有可能是未被考虑的另一个射电背景,例如黑洞发出的射电波。或者,宇宙中原初氢的实际温度比预期的更低,因此吸收了更多宇宙微波背景中的能量。
在这一结果发表之后数月,提出了各种各样的理论来解释这一意料之外信号的成因。虽然对于这一信号的解释仍无从知晓,但科学们一直在专注于进一步确认这一探测,毕竟后续的一切都是建立在此基础上的。与此同时,其他的天文学家团队也在竞相试图探测到同一信号。只有在这之后,理论家们才能真正开始了解其成因背后的物理。

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[图片说明]:天文学家认为第一代恒星是大质量且高温的天体,会点亮它们周围的氢气。在这幅艺术概念图中,橙红色的光芒是大爆炸留下的温度较低的宇宙微波背景辐射。版权:N.R. Fuller/NSF。

5. 三维恒星图

2013年12月,欧洲空间局发射了用来勘测天空的“盖亚”卫星,它的科学目标是测量超过10亿颗恒星的三维信息。2018年4月,“盖亚”的第二期数据向公众免费开放,给出了13亿颗恒星的位置、视差和自行。

“盖亚”的任务之一是测量天空中恒星及其他天体的位置。它会测量每一个穿过它视场且足够亮的天体。此时,“盖亚”并不知道该天体是恒星、星系还是小行星。第二期数据包含了10亿多颗恒星、数百个星系和约300 000颗小行星。

但这些数据中在科学上最令人兴奋的是视差测量。它是由于地球绕太阳公转使得恒星位置出现的摆动。随着“盖亚”绕太阳转动,它在轨道上会从多个视角拍摄同一天区的恒星。计算机软件会把不同照片中位置有所变动的恒星匹配起来,测量它们相对于位置不变化的更遥远天体的运动。

“盖亚”第二期数据还给出了天体所发出的光中蓝光和红光的量。对于恒星来说,这些信息是了解它们颜色的第一步,后者可以告诉天文学家恒星的温度。2020年的下一期数据释放会包含更精细的亮度和光谱信息。

自第二期数据释放以来,天文学家已用它们撰写了数百篇科学论文,测量了银河系中75个球状星团的运动,确定了银河系中一颗最年老恒星的特性。“盖亚”还观测到了近距星系中一些最亮的恒星,这些星系包括仙女星系、M33和大麦哲伦云。利用这些恒星,天文学家测量了大麦哲伦云的自转并限定了M33相对于仙女星系的运动。整个天文学届都将从“盖亚”的数据中获益。

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[图片说明]:2018年4月“盖亚”卫星公开了第二期数据。它包含了近13亿个天体的位置、距离和运动信息。天文学家目前正在使用这一无比精细的天图进行各种各样的研究,揭开银河系内和远在银河系之外天体的秘密。版权:ESA/Gaia/DPAC。

4. 证实木卫二喷出羽状物

木卫二拥有一个为冰层所覆盖的海洋,那里也许具有适宜生命的环境。最近,使用哈勃空间望远镜,天文学家探测到了从木卫二赤道以南一个区域中喷发出的水汽羽状物。

伽利略探测器曾11次飞掠木卫二。其中有一次恰好从“哈勃”发现的这一羽状物的同一地区上空飞过。1997年12月的这次飞掠是“伽利略”到木卫二最近的一次,距其表面200千米。于是,天文学家们开始挖掘20多年前“伽利略”的木卫二磁场数据。结果显示,在“伽利略”从羽状物所在地点上空飞过时,磁场的强度和方向都发生了突变。

这一改变非常不连贯,也非常短暂,仅持续了3分钟。当物质——例如,羽状喷出物中的水——被电离(失去电子)时,就会在磁场中留下可探测的印记,产生这类跳变。在探测到这一跳变的同时,“伽利略”也探测到了木卫二周围带电粒子数目的突然增加和降低。

水本身是中性的,但木卫二位于木星巨大的磁层中。木星的强大磁场和太阳辐射会电离羽状物中的一些粒子,产生“伽利略”观测到的现象。至少,理论上是这样的。为了定量解释观测到的现象,科学家研发出了复杂的模型。模拟的结果和20年前的“伽利略”磁场数据相符,证明“伽利略”观测到的确实是一个距离木卫二表面200千米高的羽状物。

由此,当下一个探测器抵达木卫二时,无需在冰层上钻孔就能探测其下方海洋中的生命迹象,它所要做的就是飞过一个羽状物并对其中的液体进行采样分析。

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[图片说明]:如伽利略探测器拍摄的高分辨率图像所示,木星的卫星木卫二为一个冰层所覆盖,下方也许隐藏着一个液态海洋。在研究了“伽利略”1997年对木卫二磁场的测量数据之后,科学家发现了水蒸气羽状物的证据。版权:NASA/JPL-CALTECH/SETI INSTITUTE。

3. 火星上的地下湖

2007年,“火星快车”探测器上的雷达在火星南极冰盖下探测到了强于预期的回波。经过10年的观测和使用新的分析方法,科学家发现这一强回波的源头是一个位于火星地表之下的液态水湖泊。

这里的关键是要绕过“火星快车”上的星载计算机系统,转而分析原始数据。发射于2003年,“火星快车”使用的是20世纪90年代的技术。在把信息发回地球之前,星载计算机系统不得不对数据进行删减,在星上对其进行处理。这会导致数据信息的丢失和数据质量的下降。幸运的是,工程师们在发射前为“火星快车”安装了几块额外的存储芯片,它们可以在被星载计算机处理前记录下回波信号。

在2012年5月之后的三年半时间里,“火星快车”约30次从同一强回波地点上空飞过,其雷达对该区域进行多次探测。每一次,无线电波在穿过火星极冠的冰层之后,都会打到某种高反射率的东西之上,然后再返回“火星快车”。这一反射要比火星表面的反射更强,因此一定是不同的物质。

科学家们已经知道了极冠处冰的厚度,但并不知道其他会影响反射率的因素,例如冰中含有多少尘埃。他们也不清楚冰底部的温度有多高,或者在冰层之下有什么东西。为了重现测到的数据,科学家发现反射雷达信号的物质必须要具有与液态水相同的特性。

由此提出其成因是位于火星极冠冰层下方约1.5千米处的一个液态咸水湖。它直径20千米,深至少1米。并不是所有人都认同这个发现。例如,一些科学家认为这一高于预期的信号也有可能来自于散射效应。为了佐证这一发现,科学家们还需要发现更多类似的水体。

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[图片说明]:“火星快车”上的雷达会向火星发射无线电波并接收其回波,由此探测火星地表之下的物质。这些雷达覆盖区的反射强度用颜色标记,蓝色表示较强的区域。一大片的强反射区暗示存在一个地下液态水湖泊。版权:ESA/NASA/JPL/ASI/UNIV. ROME/R. Orosei等人。

2. 来自另一个行星系统的闯入者

2017年10月底,1.8米的全景巡天望远镜和快速反应系统做出了一项重大发现,在太阳系中探测到了来自另一个行星系统的闯入者。

该望远镜系统是专门建造来搜寻天空中的暂现天体的,例如爆炸的恒星和运动的彗星。2018年10月19日该系统记录下了这个天体。次日,当值的天文学家检查了前一晚的观测,在图像中看到了一条光迹线,这对应于一个高速运动的天体。在调取了10月18日晚的观测之后,也发现了它的踪迹。该天体每天会向西运动6.2°。这么高的运动速度,意味着它必定很靠近地球。

在接下去的几天里,天文学家使用其他望远镜对该天体进行了观测并确定了它的轨道,发现它并非来自太阳系内,因为其轨道并不闭合。该天体被命名为奥陌陌,在经过太阳之后,它会永远地离开太阳系。观测发现它的亮度会在数个小时内变化10倍,这意味着它是一个长椭球形的天体。据估计,它长800米,宽80米,就像一根雪茄。

它还具有通常见于彗星的非引力运动。彗星会排气,能像火箭推进器一样改变轨道。然而,在它周围并没有发现任何气体和尘埃。奥陌陌另一个奇特的地方是它的化学成分。由于每种化学元素都会在光谱中留下特定的印记,科学家根据其光谱可以辨识出它表面的成分。但天文学家并没有看见在其他彗星中常见的化学成分。这意味着它的化成组成与太阳系中的彗星有所不同。

其他恒星周围的行星系统形成于一个不同太阳系的气体和尘埃云中,会具有不同于太阳系的化学成分,由此确定奥陌陌应该来自另一个行星系统。目前天文学家正在天空中加紧寻找与之类似的下一个来客。

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[图片说明]:奥陌陌是已知的第一个星际闯入者。在飞离太阳系的过程中,它展现出了与排气有关的运动,而这常见于彗星中。虽然难以建模,但它很可能呈如艺术概念图所示的长椭球形。版权:NASA/ESA/J. Olmsted/F. Summers (STSCI)。

1. 中微子和多信使天文学

2017年9月22日,对于冰立方中微子天文台的天文学家来说又是平常的一天。中微子是一种不带电的高速粒子,通常可以不受阻碍地穿过地球。但一小部分中微子会和物质发生作用,例如冰,于是冰立方就能探测到这些相互作用的次级信号。在那个秋日,一个中微子所产生的次级粒子穿过了冰立方并被记录了下来。

几天之后,费米γ射线空间望远镜发现,在该中微子入射方向的同一天区中有一个距离地球40亿光年的活动星系出现了γ射线爆发。这个中微子是否就来自于该星系呢?冰立方的科学家计算了这一可能性,但概率并不高。

科学家继续挖掘同一天区的存档数据,发现在2014年末至2015年初探测到了十几个来自这个活动星系所在方向的中微子。2017年末,他们对冰立方中微子天文台、费米γ射线空间望远镜以及十几个其他的γ射线、X射线、可见光和射电望远镜数据进行了分析。

2018年7月,数百名科学家公布了一项发现:这些中微子来自一个名为TXS 0506+056的星系。其中心超大质量黑洞所产生的两道喷流中有一道正好对准了地球,它会产生辐射和高能粒子,其中就包括了冰立方探测到的中微子和带电的宇宙线。
当带电的宇宙线粒子在太空中运动时,会受到磁场的影响,因此不会沿直线运动。但中微子和γ射线不带电,可以沿直线运动,从源头直抵地球。在识别出了中微子源之后,天文学家现在还可以确定宇宙线的来源。

如果没有不同的望远镜对不同波段光线和粒子的协同观测,那这就仅仅停留在多探测到一个中微子的层面上。但现如今,天文学已由此进入了一个全新的时代,不仅包含有引力波,还包含有来自其他星系的粒子。

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[图片说明]:位于南极的冰立方中微子天文台由一个探测器阵列构成,专门探测中微子与冰中原子相互作用的产物。版权:Martin Wolf/IceCube/NSF。

[Astronomy 2019年01月]

 

内容来自 火流星

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