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2014年十大太空故事
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Liz Kruesi 文 Shea 编译 |
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科学家发现在土卫二的表面之下有一个苏必利尔湖大小的水体，在太阳系中又发现了另一颗矮行星，并通过勘测100万个星系精确测量了宇宙的膨胀。 从地球表面之上和太空中，通过尖端的仪器设备审视天空，天文学家在过去的2014年中做出了几十项大发现。下面将列出其中十项最重大的。 在2014年，行星科学尤其抢眼。对土星的卫星土卫二、木星的卫星木卫二、两个较小的太阳系天体和冥王星轨道之外的天体开展了进一步深入的研究。对宇宙学来说，2014年也是令人兴奋的一年，宇宙极早期的超高速膨胀阶段——暴胀——得到了可能潜在的确认。另一项重要但却被大多数新闻媒体忽略的研究则是天文学家精确测量了100万个遥远的星系。 10.在木卫二和谷神星上观测到水汽 2014年，在木星的卫星木卫二和小行星谷神星的稀薄大气中，天文学家探测到了来自水的信号。 虽然有越来越多的证据显示在木卫二厚厚的冰壳之下有一个全球性的海洋，但新的观测则表明某些过程可以把其中的液体喷射进太空。使用哈勃空间望远镜的光谱仪，天文学家解析并分析了木卫二附近的物质所反射的紫外线。结果在其南半球大气层中发现了氢和氧，它们被认为是水分子与电子发生碰撞使得水分子解体所释放出来的。 观测到这些氢和氧的信号时，木卫二位于其轨道上距离木星最远的地方，但在它最靠近木星时则没有探测到这些元素的信号。这一差异表明，木卫二之所以能喷射出水蒸气是由于木星引力对它的拉伸打开了其表面裂纹。把这些观测结果与计算模型相比较之后发现，200千米高的喷出物可以解释“哈勃”的观测结果。 与此同时，在另一项研中，天文学家探测到了谷神星——主小行星带中最大的天体——周围水蒸汽的红外辐射。 利用欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜所获得的这些数据，天文学家希望由此来定位谷神星上可能的水源地。类似于彗星，谷神星上的水可能会以喷流的形式从其表面喷出。如果其他的研究能证实这一观点的话，它会进一步模糊小行星和彗星之间的界线。 目前，美国宇航局的曙光探测器正在飞往谷神星的途中，计划在2015年4月抵达。如果水确实是从它表面喷射出来的，那“曙光”就会探测到它们。  [图片说明]：谷神星上有水蒸气溢出的艺术概念图。版权：ESA/ATG medialab。 9.来自宇宙的中微子 中微子不带电荷，几乎没有质量，与物质间的相互作用极其微弱。这些特性使得它们难以被探测到，但只要探测到了中微子，它们就可以告诉科学家很多有关其来源的信息。20世纪50年代，首次探测到了中微子，而60年后的今天物理学家已能捕获能量更高得多的中微子。 想发现中微子，就必须要一个巨大的探测器。深埋在南极原始的冰盖之下，外加5160个独立的模块，这造就了冰立方中微子探测器。在花了一年的时间来分析其头两年的观测数据之后，冰立方的科学家宣布，发现了来自宇宙的高能中微子。此后，他们又利用不同的分析技术证实了这一发现。 冰立方探测到的大多数中微子是高能宇宙线轰击地球大气分子所产生的。但是，大约有80个观测到的中微子其能量显著的高于上述簇射过程所产生的中微子。相反，这些粒子必定来自宇宙中的爆发或其他高能事件。迄今所探测到的高能中微子其能量超过可见光的10万亿倍，有两个至比这个数字还要高出100倍。相比来自超新星1987A和太阳的中微子，这些中微子的能量则高了100万倍。 要测量中微子的能量，天文学家需要分析冰立方的各个模块所捕捉的光。如果穿过该探测器的是一个μ介子中微子，科学家们可以以0.4°的精度确定它来自天空中的哪个位置。如果是一个电子中微子，则回溯的精度在10°〜15°之间。 不幸的是，冰立方还没有探测到到足够的μ介子中微子来精确跟踪粒子的来源。其可能的来源包括活动星系和强劲的γ射线暴，甚至是构成了宇宙物质大部分的暗物质粒子。当然，这些中微子还完全有可能来自我们尚不清楚的某个来源。  [图片说明]：位于南极冰盖之下的冰立方中微子天文台。版权：DESY。 8. 黑洞具有中等质量类型 一场持续了几十年的争论可能已经尘埃落定，它涉及到宇宙中最离奇的一些天体：黑洞。这些极端致密的天体有着强大的引力，任何靠得太近的东西——包括光——都会被永远地束缚住。 尽管天文学家还未直接观测到黑洞，但根据围绕它们运动的物质可以知道它们的存在。使用基本的物理学定律——和支配行星绕太阳公转一样的法则，多年来科学家已经知道黑洞有两种：恒星质量黑洞（从几个到约30个太阳质量）和超大质量黑洞（数百万到数十亿个太阳质量）。但是直到2014年，介于这两个极端之间的黑洞是否存在仍扑朔迷离。为此，天文学家测量了近距星暴星系M82中的一个明亮X射线源，被称为M82 X-1，发现其质量为太阳的428倍，上下有105个太阳质量误差；这个从323～533个太阳质量的范围有力地证明了中等质量黑洞的存在。 在这项研究中，天文学家使用的是美国宇航局罗西X射线时变探测器的归档数据。他们在其中寻找黑洞周围吸积盘内的物质转动时所产生的特定振荡信号。尽管天文学家并不确切知道这些信号来自何处，但已经在许多恒星质量黑洞和一些中等质量黑洞候选体中看到它们。 质量较小的黑洞会具有两对振荡，一对的频率在1赫兹或更小，另一对的频率则较高。高频振荡对似乎总是遵循2:3的比例。科学家在几个中等质量黑洞候选体中发现了低频振荡对，但它们的频率在0.0001赫兹左右。为什么会有这样的区别？ 黑洞的质量越大，其吸积盘的尺度就越大。相比与质量较小的黑洞，质量较大的黑洞会具有频率较低的振荡。但此前没有观测到过中等质量黑洞候选体中的高频振荡。 在分析了M82 X-1的数据之后，天文学家发现了位于3.3赫兹和5赫兹上的高频振荡对，满足2:3的比例。这让科学家们相信，这些是与在恒星质量黑洞周围所见相同的信号。通过比较这些频率，可以估计出它的质量约为400个太阳质量。 这项研究给出了中等质量黑洞存在的最有力证据。它们似乎比恒星质量和超大质量更为罕见，这同时又提出了另一个重大的问题。未来的X射线观测设备——例如将在2016年抵达国际空间站的中子星内部成分探测器——将帮助天文学家更多地来了解这类天体。  7. “罗塞塔”探访彗星 2014年8月6日，在10年的征程之后，罗塞塔探测器成为了历史上第一个环绕一颗彗星的探测器。虽然它探测67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（简称67P彗星）的任务才刚刚开始，但“罗塞塔”已经让科学家惊喜连连。在2014年7月，在刚刚足以能分辨出67P彗星时，“罗塞塔”发现它呈哑铃形，就像一只鸭子有着头部和身体。 到2014年10月初，“罗塞塔”已观测到了该彗星彗核的大部分区域。根据这些观测，得出67P彗星较大那部分的长宽高分别为4.1千米、3.2千米和1.3千米，而较小部分则为2.5千米、2.5千米和2.0千米。天文学家还测量了这颗彗星的质量，由此计算出了它的密度为每立方厘米0.4克。相比之下，地球的密度高了近14倍。 除了搞清楚67P彗星的主要特征之外，“罗塞塔”还配备了仪器来采集和分析它的尘埃。到目前为止，它已经采集了几十个尘埃颗粒。科学家们预计，一旦“罗塞塔”和67P更靠近太阳，会采集到更多的尘埃，因为太阳的热量就会使得彗星上的冰气化。这个过程会把尘埃从彗星中喷射出来，在彗星周围形成彗发以及彗尾。罗塞塔轨道器及其菲莱着陆器将会亲身见证这一转变。 到目前为止，“罗塞塔”上的相机已经看到数个从67P彗星上射出的气体羽状物。“罗塞塔”还在67P彗星周围不同的地方测量了水、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷和甲醇的量。 罗塞塔会在彗星67P周围逗留1年，监视后者在2015年8月过近日点时所发生的一切变化。  6. 土卫二拥有地下海洋 当美国宇航局的卡西尼探测器在2004年抵达土星时，科学家们做梦也不会想到它会做出这么多的发现。然而，最令人兴奋的发现并不是土星，而是它的一个卫星。在2005年初，“卡西尼”便探测到了位于土卫二南极地区的水蒸气喷出物。迄今为止，它已经观测到了100个这样的羽状喷发。但是，这些水从何而来？ 天文学家认为，土卫二在其表面冰壳之下有一个巨大的水体，产生了这些喷发。根据“卡西尼”的数据，科学家们可以计算出这个海洋的大小、深度和密度。 当“卡西尼”从土卫二表面上方100千米处飞过时，科学家们对其进行了跟踪。它受到的引力越大，它下方的物质就越多。由此可以计算出土卫二的重力场，但再此之前必须要扣除掉太阳系中其他天体的引力、太阳光压、“卡西尼”上能源的辐射压以及“卡西尼”在穿过喷出物时所受到的阻尼。 之后把测得的质量分布与其表面的地形数据进行比较。此前的测量结果显示，在土卫二的南极附近有一个巨大的凹陷，深约1千米。但新的重力测量结果则显示那里有大量的物质。对这一差异最可能的解释就是当地存在一个巨大的水体。水的密度比冰大约8%，因此在相同的体积下会施加更多的引力。 在40千米厚的冰层之下，该水体的含水量相当于地球上的苏必利尔湖。这一地下水体可以在土星引力的潮汐作用下保持温暖。但是，液态水是如何产生的且为什么只存在在土卫二的南极仍是未解的谜题。也就是说，科学家们还并不知道是什么让土卫二维持其地质活动的。  5. 原初引力波还是尘埃？ 就在2014年3月17日美国哈佛-史密森天体物理中心召开新闻发布会公布一项大发现的即刻，兴奋开始漫延。使用位于南极的宇宙河外偏振背景成像2（BICEP2）望远镜来观测微波波段的天空，科学家们声称已探测到了宇宙在其最初的时刻所产生的时空涟漪的信号。 也几乎在同时，天文学界分成了两大阵营。一些科学家认为BICEP2的发现是本世纪的一大突破。但也有人怀疑，该BICEP2团队并没有正确地把银河系尘埃纳入他们的分析，这会影响到他们声称所看到的信号。BICEP2团队的这一结果在未经同行评审之前就先行公布更是弊大于利。 该团队认为，他们发现充满宇宙的微波背景辐射中存在漩涡形的图案。宇宙微波背景辐射是宇宙在38万年时所留下的遗迹，当时电子和质子结合成了氢，使得光子可以自由地在宇宙中穿行。它携带了早期宇宙的信息，包括当时物质是如何运动的。 和所有的光一样，微波也会在沿着一个特定的方向振荡，这一特性被称为“偏振”。早期宇宙中的物质会在宇宙微波背景光子中留下两种不同的偏振模式。在高温物质中，由压力波导致的温度差异会显现出“E模”偏振，就像车轮的辐条。但引力波——时空结构的涟漪——也会造成温度差异。这会产生一个较为微弱的“B模”偏振信号，呈漩涡的形状。 理论认为，在大爆炸之后10-37秒，宇宙膨胀发生了极端的加速，被称为暴胀。突然的膨胀会产生引力波，它们会产生B模图案和BICEP2队声称所观测到的信号。 有关的争论则源于会沿着银河系磁场排列的尘埃颗粒。它们会绕着银河系的磁力线转动，由此也会产生偏振。由尘埃引起的偏振信号也会显现出B模图案，与原始引力波所造成的类似。 2014年9月22日，欧洲空间局普朗克卫星的天文学家悄然公布了它们对整个天空中尘埃的分析结果。他们的结果不利于BICEP2团队。 BICEP2只在一个频率（150千兆赫）上观测了一小片天区，但“普朗克研”却在更宽得多的频率范围——30～857千兆赫——上观测了整个天空。“普朗克”测量了尘埃在353千兆赫上测量了尘埃所发出的辐射，因为在这个频率上探测到的尘埃信号要强过宇宙微波背景辐射的信号。天文学家由此建立了尘埃分布的模型，然后向下外推到了150千兆赫，以此来和BICEP2的结果进行比较。 “普朗克”的团队认为，在BICEP2所观测的天区中有比BICEP2团队所计算、预期或者纳入考虑的更多的尘埃。然而，这一结果也有许多不确定性：尘埃对BICEP2所观测到的B模偏振有多大贡献仍不清楚。 有关BICEP2结果的争论仍在继续。BICEP2的科学家进行了很多地测量，测出了该天区中的B模。测量中的噪声很小，科学家们对它们的处理也十分小心谨慎。“普朗克”则测出了整个天空中尘埃的特性，结合这两者你可以得到更多的信息。这是科学如何向前推进的一个很好的范例。 BICEP2和“普朗克”的团队正在合作进一步研究BICEP2视场中的尘埃。天文学家预计这些分析会在2015年初完成，届时将会为这些B模信号是来自银河系内外的灰尘还是宇宙最初时刻的引力波提供更多的信息。  [图片说明]：BICEP2所探测到的宇宙微波背景B模偏振（螺旋形图案）。版权：BICEP2 Collaboration。 4. 以1%精度测量遥远星系 在宇宙于138亿年前诞生时，它就已包含有了今天宇宙结构的基本要素。我们所能看到的一切——恒星、气体云、行星——都是由原子组成的，而原子则是由电子、中子和质子构成的。物理学家把中子和质子统称为“重子”。为了研究在宇宙最初的几十万年内星系的分布模式，天文学家以1%的精度测量了约100万个遥远的星系。 早期宇宙是由重子、电子、光子和暗物质（神秘的不可见物质）组成的混合物。所有这些粒子会相互碰撞，使得宇宙呈不透明状。这一粘稠的混合物会缓慢地晃动，由此会引发类似于物质中球壳形的三维压力振荡。 在诞生之后38万年，宇宙的膨胀使得自身冷却，让质子可以俘获住电子，形成了大量的氢。在此之后，鲜有单个电子存在，所以光子可以畅通无阻地在宇宙中自由穿行。 当这些逃逸的辐射扫过早先的压强或声学振荡的遗迹时，重子物质的分布会保留下这些波的印迹。天文学家现在可以在整个宇宙中看到的这些“重子声学振荡”——星系倾向于沿着这些球壳的边缘聚集。随着宇宙的膨胀，重子声学振荡会增大，它们现在的半径约为5亿光年。这种一致性使给予了天文学家一把测量宇宙距离的尺子。 通过重子振荡分光巡天——斯隆数字巡天中一个历时14年的项目，天文学家研究了长宽高各为130亿光年的体积中近100万个星系。使用重子声学振荡标尺，他们相比之前任何的团队都更精确地测量了这些星系的距离，精度达1%。这就好比把上海到南京的距离——约300千米——精确计算到了3千米的水平。唯一不同的是此次研究的星系远在几十亿光年之外。 当天文学家观测不同距离的星系时，他们所看到的是它们在宇宙历史不同时期的样子。根据测得的精确距离计算发现，当宇宙年龄为约30亿年时，两个间距为330万光年的星系会以每秒225千米的速度远离对方。 在两个不同的距离进行这些测量可以让我们看到宇宙的膨胀是如何随时间变化的。  3. 发现遥远太阳系天体 当科学家们在太阳系平面内寻找类似冥王星和矮行星这样的天体时，就有可能会发现一个。通过比较了每间隔2小时所拍摄的3幅图像，他们发现了一个似乎会移动的光点。之后，他们使用6.5米的麦哲伦望远镜来确认它是否是一个真正的天体。根据这些后续观测，认定它确实是一个太阳系天体，现在称其为2012 VP113，大小介于300～800千米之间。 这个天体到太阳最近的距离（被称为近日点）为约80个天文单位，最远（被称为远日点）则可到达约450个天文单位。1天文单位相当于地球到太阳的平均距离。它的轨道有一点类似于2003年发现塞德娜，后者的近日点约为76个天文单位，远日点则可达1000个天文单位。这两个天体都远在柯伊伯带之外。柯伊伯带到太阳的距离范围从30到50个天文单位，由数千个冰岩混合天体组成，冥王星是其中最知名的成员。 2012 VP113与塞德娜一起佐证了内奥尔特云的存在。奥尔特云是一个巨大的球形区域，从2000个天文单位一直延伸到80000个天文单位。太阳的引力只能勉强束缚中其中的小天体。许多彗星都来自这一区域。 科学家还发现，2012 VP113、赛德娜和10个最遥远柯伊伯带天体的轨道有相似之处。这12个天体具有相似的近日点角距，这个量度量的是它们的近日点到太阳系平面之间的夹角。天文学家原本预期它们会是随机取值的。一种解释是，还存在一个大质量的天体在影响它们。不过，这还需要未来的大型望远镜来确认。  2. 木卫二拥有板块构造 2014年的一项研究为科学家应该建造一个专门用来探测木卫二的探测器提供了更多的依据。它发现木星的这颗卫星有活跃的板块构造，使得它成为了太阳系中除了地球之外唯一已知具有类似地质活动的天体。 天文学家研究了木卫二冰面上的裂缝和陨击坑，发现它们的年龄可能还不到9000万年。相比于太阳系约46亿年的年龄，这么小的年龄意味着一定存在某种机制在重塑木卫二的表面。 木卫二上的裂缝和山脊似乎是其表面开裂和扩张出几千米的区域，但科学家们怀疑这颗卫星在过去的几千万年里一直在膨胀。那么，如果新的冰壳一直在形成的话，那之前的冰物质去哪儿了呢？ 为此，天文学家分析了美国宇航局于1995年至2003年探测了木星系统的伽利略探测器的数据，以此来寻找木卫二上板块构造的证据。他们发现了几处构造活动的疑似地点，不过他们更关心的是一片位于尾随北半球面积为134000平方千米的区域。 使用“伽利略”的图像，科学家匹配出了不同的裂缝和山脊，重建出了一个模型来描述该区域数百万年前的样子。当时，有一个宽99千米、占地约20000平方千米的区域似乎不见了。 此外，一些裂缝和山脊也突然中断。它表明，由于板块俯冲，这些地质特征的延续部分已消失在了冰壳中。与地球上地壳板块间碰撞抬升形成喜马拉雅山不同，木卫二上的一个板块一直在俯冲下沉，运动到毗邻的另一个板块的下方。 除了表明木卫二存在地质活动之外，这一发现还暗示木卫二的内部和外部之间存在双向的物质交流，可以让物质从其表面进入海洋，这大大地有助于提升当地的宜居性。 虽然这项研究为木卫二的板块活动提供了有力的证据，但要确认物质会向下运动到冰壳下方仍需要未来的探测任务。由此科学家可以获得更高分辨率的影像，如果这一现象是全球性的话，还能发现更多类似的案例。未来的探测任务还能更好地测量木卫二的地形。当然，更为重要的则是搜寻其冰壳之下海洋中现在或者过去所存在（过）的生命迹象。  [图片说明]：木卫二上一个板块俯冲到冰壳之下的示意图。版权：Noah Kroese/I.NK。 1. 发现宇宙尘埃来源 我们的太阳系、银河系和整个宇宙都含有大量的尘埃，但天文学家长期以来一直搞不清楚它们是如何形成的。2014年中有两项研究为大质量恒星的爆炸死亡——被称为超新星——制造了尘埃提供了有力的证据。 在第一项研究中，科学家们使用位于智利的阿塔卡玛毫米/亚毫米波大天线阵（ALMA）观测了于1987年2月爆发的超新星1987A。这一爆炸标志着在银河系的伴星系大麦哲伦星云中有一颗恒星死亡了。这是最近发生的一次近距超新星，因此是一个梦幻般的实验室。 在爆炸之后几年的观测发现了总质量只有太阳百分之一的尘埃，但几年前的测量却发现尘埃的总质量增加到了约为太阳的1/3～1/2。于是，天文学家决定对它再次进行观测，以此来测量精确的数值。在把观测到的辐射拟合到不同的尘埃光变曲线模型之后，他们发现该超新星的内部残骸包含了0.23个太阳质量的尘埃。由于这些尘埃就位于发生爆炸的当地，因此不可能是在超新星之前就已经存在的，必定是在爆炸之后形成的。但这一爆炸发生在28年前，所以问题仍然存在：在超新星遗迹中尘埃形成的速率有多快？ ALMA的观测集中在射电波段，因此看到的是低温尘埃。另一个天文学家团队则使用甚大望远镜在可见光和近红外光波段观测了另一个超新星遗迹，因此看到的是高温尘埃。一个物体的温度决定了它所发出光的类型。作为比较，在这两项观测中所研究的温度分别为是26开和2000开。 在第二项研究中，天文学家研究了星系UGC 5189A中新近出现的超新星SN 2010jl，它的温度因而也更热。在SN 2010jl的亮度抵达其峰值后第26天到第239天，他们对它进行了9次观测，在第629年又对它进行了一次观测，以此来确定该超新星在最初的2.5年中尘埃的量是如何演化的。 他们在最后一次观测中发现了比之前的9次观测到的多得多的尘埃。如果这些尘埃是以观测到的形成率所产生的话，天文学家预期该超新星遗迹会在之后的20年里制造出大约0.5个太阳质量的尘埃。那么，它是如何制造出尘埃的呢？天文学家认为，大质量恒星会在爆炸之前吹出一些物质。一旦发生爆炸，快速运动的激波会撞上了这些物质，变成一个运动速度较慢且温度也较低的壳层。尘埃颗粒就会在那里凝结。 科学家们还把这些尘埃的光信号和计算机模型做了比较，以此来确定这些尘埃颗粒的大小。银河系星际介质中一般的尘埃颗粒要比这些尘埃小得多。事实上，超新星SN 2010jl中尘埃要比银河系中的大约4倍。科学家们认为，这么大的尺寸有助于尘埃保护自己免受超新星爆炸的冲击和随之而来极端温度的破坏。  |
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[Astronomy 2015年01月]
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2001-2013 火流星工作组制作
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