盘点:2023年天文学十大进展
早期宇宙的艺术想象图,绘制于二十年前。画面中充满原始的星爆星系,巨形椭圆星系与旋涡星系尚未形成,恒星形成的区域发出耀眼的光,大质量恒星成为超新星并爆发,创造宇宙中不可或缺的重要元素。二十年来,天文学进展不断。望远镜发射升空、探测器渐行渐远,人类的目光正延伸向曾经遥不可及的宇宙深处。我们来自哪里?我们将往何处?真相正随着天文研究的步伐逐渐揭开。版权/A. Schaller (STScI)
苟利军、戴昱|撰文
韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)的图像和光谱仪(棱镜光谱仪NIRSPEC和无缝光谱仪NIRISS),2023年在探索系外行星大气成分方面大有斩获。在包括著名的系外行星WASP-39b在内的多个行星中,观测到了氢、氦、磷、水、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等行星大气中的原子和分子成分,人类向了解这些系外行星中是否存在生物可能宜居的候选体迈出了巨大一步。
当来自恒星的光从行星的大气中穿过时,通过观测其光谱可以推测出行星大气的气体成分和性质,为进一步判断其是否宜居提供关键证据。
作为JWST首批释放的观测目标之一,系外行星WASP-39b,因其大气中发现了大量的水分子而备受关注。大气中的水蒸气代表了该行星存在液态水,即演化出生命的可能。WASP-39b是一颗巨大的气态行星,距地球约700光年,质量大约是木星的28%,大小却有木星的1.27倍。作为一颗密度非常低的热木星,其行星大气也备受关注。
在2023年,利用JWST的NIRSPEC光谱仪,科学家在WASP-39b的大气中第一次探测到了二氧化硫(SO2)的吸收线。要产生二氧化硫线需要首先从硫化氢(H2S)中剥离硫,之后经过系列氧化形成,即典型的光化学过程。由于二氧化硫对于大气中的重元素成分比较敏感,可以被用于揭示大气的丰度。
2019年,人类历史上首次直接目睹了黑洞的真实面貌。这一成就揭示了黑洞及其周围环境的秘密,尤其是那些肉眼无法看到的磁场。这些磁场在黑洞吸积气体的过程中发挥着关键作用,受到黑洞强大引力的牵引。科学家的理论指出,随着气体的持续吸积,磁场会逐渐增强,最终与黑洞的引力形成动态平衡,构成所谓的磁囚禁盘(Magnetically Arrested Disk, MAD),对理解黑洞吸积系统中的复杂现象提供了关键性解释。
我国研究人员分析了2018年黑洞X射线双星MAXI J1820+070的一次爆发,发现射电和光学波段的辐射相对于X射线波段存在8至17天的时间滞后。这一现象被视为磁囚禁盘形成的证据。黑洞X射线双星(BHXRB)是包含黑洞和普通恒星的双星系统。在超大质量黑洞的吸积系统中已观测到足够强的磁场强度以形成磁囚禁盘,但在BHXRB中这样的证据较少。
当脉冲星与伴星形成紧密轨道时,它将从伴星中吸取质量,导致双星系统发出电磁辐射。当伴星质量较高时,天文学家将其称为“红背蛛脉冲星”;当伴星失去足够多的质量后,被称为“毒蜘蛛脉冲星”。这两种演化阶段统称为“蜘蛛脉冲星”。版权/ESA
中子星是宇宙中极端致密的天体。2023年3月,北京大学和中国科学院国家天文台合作,利用郭守敬望远镜(LAMOST)光谱数据和新疆天文台南山望远镜的测光数据,发现了一个质量约0.98倍太阳质量的致密星和一个晚期主序星组成的双星系统。该研究结合多波段观测分析推测该致密星可能是一种被称为“X射线暗弱孤立中子星”(XDINS)的天体,这也是此类天体首次在双星系统中被观测到。这一成果已发表在《天体物理学报通信》(ApJL)上。
XDINS是指中子星在耗尽所有可能能源后,仅以残余热能辐射的天体,主要以软X射线热谱辐射,并伴有紫外线,通常处于射电静默状态,因此难以发现。根据盖亚(Gaia)卫星的视差观测,这个含有中子星候选体的双星系统距地球仅约385光年,是目前已知距离地球最近的中子星候选体之一。目前,全球仅发现了七颗这种类型的中子星,它们距离地球大约在391至1630光年之间,自转周期约为5至10秒。这次新发现的XDINS是首次在双星系统中观察到这类天体。
历史上首个被证认为XDINS的中子星RX J1856.5−3754的X 波段图像。RX J1856.5−3754最初于1992年被发现,并于 1996年被证认为中子星。版权/NASA/SAO/CXC/J.Drake et al.
同时,2023年12月初,厦门大学和国家天文台的科研团队结合了LAMOST的视向速度数据、凌星系外行星巡天卫星(TESS)提供的周期性光变数据,以及加拿大-法国-夏威夷望远镜(CFHT)的高分辨率光谱资料,共同揭示了距地球大约416光年的致密天体。它与一颗K7型主序星共同构成一个单线谱双星系统。紫外和光学等分析排除了这是一颗冷的大质量白矮星的可能性,因此这颗致密天体很可能是一颗中子星。
一颗强磁场中子星(左侧天体)发出的光穿过真空到达地球观测者(右侧观测视角)的过程中,光呈现出线性极化的过程,表明中子星周围的空间受到一种被称为真空双折射(vacuum birefringence)的量子效应。红色和蓝色线分别表示磁场和电场方向。版权/ESO/L. Calçada
此外, Gaia卫星的天体测量数据分析表明,大约250万年前它与太阳系的历史最近距离约为160光年。如果该中子星年龄约为250万年,那么它的超新星爆炸过程中产生的放射性元素可能已经沉积到地球上,有望被探测到。
这项研究成果表明,利用LAMOST时域巡天光谱可以寻找地球附近的中子星或恒星级黑洞,有助于了解太阳系周围的宇宙“生态环境”。这一结果发表在12月的《中国科学:物理学力学天文学》英文版上。
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八、天珠和墨子始建成
Euclid和EP显威力
位于中国四川省甘孜藏族自治州稻城县噶通镇的“千眼天珠”圆环阵太阳射电成像望远镜近景。版权/Getty Images,China Media Group
圆环阵太阳射电成像望远镜,昵称为“千眼天珠”,坐落于四川省甘孜藏族自治州稻城县噶通镇,是中国重点科技基础设施项目的一部分,属于空间环境地基综合监测网(子午工程二期)的核心设施,以其庞大的规模和先进的技术而全球闻名,是目前世界上最大的综合孔径射电望远镜之一。
该射电望远镜由313个直径6米的天线组成,这些天线均匀分布在一个直径1千米的圆环内,核心的定标塔为整个观测系统提供了精确的定标基准。它覆盖的射电频段从150MHz到450MHz,专门用于对太阳爆发活动进行成像和频谱观测,是世界上首个能实现高分辨率“射电相机”功能的设施。“千眼天珠”也可以用于探测脉冲星、快速射电暴和小行星的监测预警。
2023年9月,中国科学技术大学和中国科学院紫金山天文台共同建设的墨子大视场巡天望远镜(WFST)也在青海省海西蒙古族藏族自治州冷湖镇的冷湖天文观测基地正式启动巡天观测。该望远镜是目前全球成像巡测能力最强的大视场光学巡天望远镜之一,也是冷湖基地中已建成的口径最大的望远镜之一,其启用标志着时域天文学研究的新机遇。WFST能够捕捉短暂的天文现象,如快速射电暴和伽马射线暴。它还能与国内其它大型天文观测设施协同工作进行多波段观测。它计划进行为期六年的巡天任务,将为探索宇宙提供新视角和大量科学数据。
空间光学望远镜方面,2023年7月1日,欧洲空间局(ESA)和欧几里得联盟联合发射了广角太空望远镜——欧几里得(Euclid)空间望远镜。欧几里得的主要目标是通过测量宇宙加速膨胀来研究暗能量和暗物质。它将观测不同距离的星系形状,并研究它们的红移,这将有助于深化对暗能量促使宇宙膨胀的理解。2023年11月7日,欧几里得发布了首张全彩宇宙图像,展示了其创建迄今最广泛的3D宇宙地图的潜力。
欧几里得空间望远镜的发射现场。版权/SpaceX
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九、小行星探测新历史
欧洲木星探测启程
OSIRIS-Rex任务的样本返回舱于2023年9月24日短暂着陆在美国国防部犹他测试训练区域的沙漠中。版权/NASA/Keegan Barber
奥西里斯王号(OSIRIS-REx)是美国航天局发起的一项小行星研究和样本返回任务,访问了碳质近地小行星贝努(101955 Bennu)。样本于2023年9月返回地球,将为科学家们提供宝贵信息,以更深入地了解太阳系的形成和演化、行星形成的初始阶段,以及地球生命形成的有机化合物来源。完成主要任务后,探测器计划转型为OSIRIS-APEX,将飞越小行星阿波菲斯(99942 Apophis)。
奥西里斯王号于2016年9月8日发射,2017年9月22日飞越地球,2018年12月3日与贝努会合。2020年10月20日,奥西里斯王号在贝努成功采集样本,2021年5月10日离开贝努,并于2023年9月24日将样本送回地球,随后开始执行探测99942 Apophis的扩展任务,预计将于2029年4月抵达小行星阿波菲斯。
贝努小行星被认为是太阳系诞生以来的“时间胶囊”,含有原始碳质材料,这是生命必需的有机分子的关键元素,也代表了地球形成前的物质。以往在陨石和彗星样本中发现的氨基酸等有机分子表明,生命的一些关键组分可能在太空中自然合成。
一对由OSIRIS-REx任务从Bennu带回地球的物质的特写图像,这些物质位于机械采样装置TAGSAM的顶部,于2020年被收集。目前,样品和TAGSAM均位于美国航天局约翰逊航天中心的洁净室中。版权/Erika Blumenfeld, Joseph Abersold,Brian May, Claudia Manzoni
在贝努小行星样本回收不久后,2023年10月13日,美国航天局的灵神星探测器(Psyche mission)发射升空,前往位于火星与木星之间的小行星主带,探访富含金属的小行星灵神星。这颗小行星由加斯帕里斯于1852年发现,属于M型小行星,可能富含铁、镍等金属。
灵神星探测器的发射和飞行计划标志着对太阳系中最大金属小行星的首次探索。通过这次任务,科学家希望了解行星核心形成和太阳系早期的物质积累历史。探测器预计在2026年借助火星引力助推,2029年到达灵神星。
灵神星的艺术绘图。版权/NASA/JPL-Caltech/ASU
2023年4月14日,欧洲空间局在法属圭亚那的圭亚那航天中心发射了木星冰卫星探索者号(Juice)。这是一艘星际探测器,旨在研究木星的三颗伽利略卫星——木卫三、木卫四和木卫二。人们认为这些卫星冰冷的表面下藏有大量液态水,可能成为潜在的宜居环境。冰质木卫探测器预计在四次引力助推和八年的旅行后,将于2031年7月抵达木星。2034年12月,探测器将进入木卫三的轨道,执行近距离科学任务。
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十、中国宣布将载人登月
印度月面着陆器成功
新一代载人飞船方案图与月面着陆器方案图。版权/中国载人航天
2023年7月12日,中国载人航天工程办公室宣布了中国载人登月的初步方案,目标是在2030年前完成登月并进行科学探索,并考虑建立月球科研试验站。这一宏伟计划将通过两次关键发射实现:首先发射重约26吨的月面着陆器,随后发射载有航天员的20余吨飞船。这两次任务将分别使用长征十号新一代载人运载火箭,其设计与制造均考虑了成本和技术能力的平衡。
中国的载人月球探测工程包含几个关键组成部分。载人飞船包括逃逸塔、返回舱和服务舱,而月面着陆器由登月舱和推进舱构成,可以运载两名航天员,第三名航天员将留在环月轨道的飞船中提供支持。计划还包括研发适用于月面活动的新型登月服和重约200千克的载人月球车,以扩大航天员在月球表面的活动范围。此外,中国正在征集与载人月球探测相关的科学载荷方案,涉及月球地质、物理学、空间生命科学等研究领域。中国的载人月球探测工程旨在2030年前实现中国首次登月,进行科学考察和技术试验,建立独立的载人月球探测能力,并为建立月球科研试验站和更深入的深空探索奠定基础。
8月23日,印度的月船3号(Chandrayaan-3)探测器成功软着陆于月球南极附近,使印度成为第四个实现月球着陆的国家,体现了其在深空探索领域的进步。此前,印度在2008年发射了首个探月器——月船1号(Chandrayaan-1),通过巡视和撞击月面确认了月球存在固态水冰,但该任务后来与地面失联;2019年,月船2号(Chandrayaan-2)探测器尝试软着陆月球南极,但未成功,其轨道器仍在绕月运行,持续提供数据。
“月船1号”搭载的月球矿物测绘仪(Moon Mineralogy Mapper)获取的复合图像。左图为28个不同波长的数据合成的彩色复合图像,显示了从月球反射的岩石和矿物的组成,绿色表示含铁矿物的丰度。右图为单一波长的数据,表示月球上的热辐射,展示了该区域表面形态与结构的细节。月球矿物测绘仪为科学家提供了高空间和光谱分辨率研究月球矿物的机会。对月球矿物测绘仪数据进行的全面分析也提供了月球上多个已确认的水冰存在的位置。版权/NASA
作者简介:
苟利军,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编,北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。
戴昱,国家天文台研究员,博士生导师。研究方向为星系的形成与演化,主要工作集中在利用多波段特别是红外数据对大质量黑洞和宿主星系的观测研究。
本文节选自《中国国家天文》2023年第十二期,《赛先生》获授权转载。
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