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2015年十大太空故事
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Liz Kruesi 文 Shea 编译 |
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天文学家发现了就在我们近旁的暗物质，揭示了一个著名超新星的秘密，还前往造访了冥王星。 毫无疑问，2015年是属于行星科学的一年。太阳系中最大小行星上的神秘亮点困扰着科学家，有一个探测器环跟随着彗星一起经过其近日点，当然最具历史意义的还是对冥王星的飞掠。 不过，对太阳系以外天体的探测和发现也值得关注。在银河系中心隐藏着神秘的光芒，它们可能来自死亡的恒星，或者是其他更奇特的天体。天文学家们还以前所未有的精细程度研究了就发生在我们眼前的恒星爆炸现象。 下面个将依次列出2015年的十大太空故事。 10.火星上的水 从河流侵蚀出的沟渠、干涸的海岸线到需要有水才能形成的矿物，漫游车和轨道器已发现的大量证据表明，火星表面上曾经有液态水。然而，一项历时5年的最新研究却发现，在今天的火星表面之上仍有液态水在流淌。自2010年以来，天文学家们就在利用火星勘测轨道器的数据来研究火星环形山壁上的条纹。他们怀疑这些条纹的长度随着时间会变长，似乎是盐水流动所留下的痕迹。然而，他们缺乏进一步的证据。但在这项新的研究中，火星勘测轨道器获得了火星表面4个地点上这些条纹的光谱数据，确认其成分确实是盐水。 虽然现在仅存的水并不多，但科学家们知道在火星的过去水必定很丰沛。2015年的另一项研究分析了在火星上曾经有多少水。天文学家使用了多架地面望远镜在红外波段对火星大气进行了观测，目的是为了寻找水分子（H2O）和比水分子多一个中子的氢—氘—氧（HDO）分子的信号。在6年（或3个火星年）的时间里，科学家们3次测量了这2种水的丰度比值，以了解在不同的季节里它们的变化。 H2O比HDO更轻，更易于蒸发。因此，通过测量两者的比值，就能计算出随着时间火星已流失了多少水，进而推算出在一开始它拥有多少水。结果显示，在45亿年前，火星上的北海覆盖了其近20%的表面，含水量约2 300立方千米，比地球上的大西洋还大。 这一含水量超出了许多科学家的预计。火星上的湿润时期所持续的时间也许会比此前认为的还要更长，暗示其宜居的时间可能也会更长。  [图片说明]：数十亿年前火星上海洋的艺术概念图。版权：ESO/M. Kornmesser。 9.近邻的暗物质 无法被看见且令人费解的物质构成了宇宙质量的80%以上。虽然留下了丝丝缕缕的线索，但却并不足以解开它们的身份之谜。尽管还不清楚这些暗物质到底是什么，不过在2015年有一种暗物质搜寻方法倒是给出了一些饶有兴趣的结果。 科学家认为，当两个暗物质粒子发生碰撞时，它们会毁灭自己，创造出其他我们所熟悉的粒子，这个过程被称为湮灭。在它所产生的粒子中就有γ射线。近邻的矮星系是寻找暗物质产生γ射线的理想场所。矮星系是安静而祥和的地方，天文学家认为它们自身不会发出任何的高能γ射线。因此，如果你看到有矮星系发射出γ射线，那就有可能是暗物质湮灭的迹象。 在过去的一年中，暗能量巡天项目发现了9个距离银河系在1万光年之内的矮星系。这其中有一个星系被称为网罟II，是探测暗物质的主要目标。 使用费米γ射线空间望远镜7年的数据，天文学家发现这个矮星系在γ射线波段看上去比预期的更亮一点。这说明有东西正在从网罟II的方向发射出γ射线，它们似乎与暗物质湮灭相一致。虽然来自网罟II的信号很诱人，不过由此断定它就来自暗物质还为时尚早。 可以称之为“证据”，但还算不上是“发现”。天文学家还需要更多的数据来解决这个问题。科学家们预计，暗能量巡天还会发现约20个的近距矮星系，今后的巡天甚至会发现更多。届时，科学家就能把费米γ射线空间望远镜的存档数据和这些矮星系进行比较，看看它们是否也存在类似网罟II的信号。  [图片说明]：使用由62个CCD组成的相机，暗能量巡天项目所拍摄的一片天区。版权：DES。 8.引力透镜超新星 2014年11月，当天文学家在研究由哈勃空间望远镜新近所拍摄的星系团MACS J1149.6+2223的图像时，发现在它其中一个成员星系周围存在4颗光亮完全一样的恒星。此后经过证实它是一颗超新星，但恰好位于该超新星视线方向的这个成员星系扭曲了它的影像。经过数月的观测确认它是一颗IIp型超新星，源于一颗大质量恒星的爆炸。 这一恒星爆炸所发生的距离极其遥远，它所发出的光花了约95亿年的时间才抵达地球。在它飞往地球的路径上，光线遇到一个星系团中质量较大的成员星系。就像保龄球使得蹦床表面下陷一样，这个星系会扭曲其周围的时空结构，因此该超新星的光会沿着弯曲时空走出一条曲线。 这一引力透镜效应使得一颗超新星具有了4个不同的像。50年前就有天体物理学家预言了类似的4重透镜超新星，但这却是第一次发现实际的案例。在1964年发表的这篇论文中指出，受到引力透镜的超新星有助于测量宇宙膨胀的速率。由于该超新星的像分布在4个不同的位置上，它的光走了4条不同的路径才抵达哈勃空间望远镜。根据这些不同路径，天文学家可以探测出这个星系团中普通物质和不可见暗物质的分布。此外，这些不同的路径还和宙的膨胀速率有关。 还有另一大看点正在等待着天文学家。遵循这些不同路径的光会花费不同的时间抵达地球。在勘测了MACS J1149.6+2223的物质分布之后，天文学家意识到超新星所发出的光应该还会有第5条路径。在这条路径上的光仍然在飞往地球的过程中，可能会在2015年底前后抵达。  [图片说明]：因引力透镜效应而产生的4个超新星像（箭头所指）。版权：NASA/ESA/STSCI/UCLA。 7.破译超新星 1987年2月，在南半球的夜空中出现了一个新的光点。它是一颗恒星死亡时所发生的爆炸，超新星被称为1987A。距离地球16.8万光年，这是自天文学家拥有了可以研究这些爆炸的工具以来所发生的距离最近的超新星。如此近的距离使得它成为了了解超新星演化的理想实验室。在2015年做出的几项发现揭示出了28年来这一爆炸所经历的变化以及有关它的秘密。 超新星1987A拥有由明亮结点所构成的环形结构，就像项链上的颗颗珍珠。这些明亮的结点正是爆炸所产生的激波和先前被抛射出的物质发生碰撞的地方。虽然在过去的15年里天文学家一直能看到这些结点在增亮，但新的观测却第一次发现它们正在开始变暗。这意味着爆炸激波正在通过这一物质环，使之瓦解。哈勃空间望远镜在可见光波段的观测显示这个环正在变暗，而位于环之外的结点则正在开始增亮。钱德拉X射线天文台所获得的X射线图像也显示了这个环所发出的光线在发生变化。 2015年的另一项研究则专注于超新星1987A的中心。当一颗质量超太阳10倍的恒星在其生命的终点爆炸时，它的能量、温度和压强会非常高，使得这一超新星爆发能制造出一系列的重元素。其中之一便是钛-44，它是一种不稳定的放射性同位素。形成于爆炸核心的深处，它的质量、抛射速度和分布性质直接反映了在核心处所发生的物理过程。 像所有的元素一样，钛-44会发出特定颜色的光，所以通过寻找这些颜色，天文学家就能了解它们在哪儿。不过，钛-44的这些颜色直到最近才被工作在X射线波段的核分光望远镜阵列观测到。 使用核分光望远镜阵列，天文学家测量了超新星1987A中钛-44的分布，发现它们的分布不均匀且呈块状，这意味着其爆炸并非是对称的。在对另一个超新星遗迹仙后A的观测中，天文学家发现它也是非对称的，这意味着现在有必要重新思考这些爆炸的理论模型了。绝大多数的计算机模型都假设超新星是对称的爆炸，但这些新的研究则证明它们要比此前认为的更为复杂。  [图片说明]：超新星1987A三维环结构的艺术概念图。版权：ESO/L. CALÇADA。 6.外太阳系富含水 土星的卫星土卫二一直在向世人诉说为什么它是在太阳系中寻找生命的最理想场所之一。多年来天文学家怀疑，它地表之下的海洋会从其南极附近的缝隙向外喷射出咸水。但对美国宇航局卡西尼探测器7年的图像数据进行分析之后，天文学家发现土卫二可能拥有一个全球性的地下海洋，而不仅仅是一个位于南极的区域性海洋。 天文学家测量了土卫二自转轴的微小摆动。如果土卫二是固态的，它的质量会使得这一摆动逐渐减弱。但科学家却发现，在其冰质表面和岩质核心之间存在一个由液态水构成的海洋。在土卫二南极地区的海洋更深且冰壳较薄，卡西尼探测器在那里发现了约100个的咸水喷口。 要维持土卫二内部的液态海洋，需要有来自土星的潮汐能注入。相比于一个区域性的海洋，全球性的海洋则更难维持，因此这一发现表明土卫二获得的潮汐能比原先认为的更多。如果这是正确的，那么这个海洋应该已经存在了很长很长的时间，可能意味着其中的生命拥有足够的时间来起源和演化。 在土星引力的作用下，从土卫二地下海洋被喷射出的物质会流向土星，进入环绕土星的轨道，形成其光环中的E环。天文学家利用卡西尼探测器对这一过程进行了详细的研究，发现其中存在富含硅的分子，被称为硅酸盐，大小仅几个纳米。这些物质几乎总是来源于被溶解于水中的岩石。为了了解水和岩石相互作用的精确特性，科学家们模拟了土卫二上的环境，以此来制造出和他们所观测到尺度和成分都相同的硅酸盐颗粒。他们发现，水的温度至少要达到90℃，pH值则必须在8.5～10.5之间。这些特点意味着它们属于温泉加热水。除了土卫二之外，唯一拥有类似热液喷口的地方就是地球，那里是嗜极生物的栖息地。 产生硅酸盐的化学反应也会产生氢分子，卡西尼探测器上的另一台仪器会在2015年底飞过土卫二喷出羽状物的时候来寻找这些气体。如果探测到多于预期的氢分子，就能确认热液活动的存在。 2015年，天文学家还发现了迄今木星的卫星木卫三含有水的最佳证据。美国宇航局的伽利略探测器从1995年到2003年对木星系统进行了探测，在此过程中它研究了木卫三的磁场，以探测在它的表面之下是否拥有一个全球性的海洋。但根据时长仅20分钟的飞掠观测数据无法得到确定的结论。最近，天文学家研究了哈勃空间望远镜对其所进行的2次时长达7小时的观测数据。 和地球一样，木卫三的每个半球都有极光带。木星的磁场会影响这些极光带，使得它们的位置在木星近10个小时的自转周期中发生变化。如果木卫三没有海洋，其极光带的位置变化幅度为大约6°。然而，当有一个咸水因而也导电的海洋存在，它会抵弱木星磁场的影响，从而把极光的振荡角度减小到只有2°。天文学家们为此使用哈勃空间望远镜对木卫三进行了观测，发现它的极光带几乎没有移动，振荡的幅度也只有2°。这证明木卫三拥有一个海洋，它位于其表面岩冰壳层下方150千米处，厚度约100千米。木卫三拥有海洋的强有力证据使得太阳系中已知拥有水的天体数量再一次得以增加。  [图片说明]：土卫二上存在全球性海洋的艺术概念图。版权：NASA/JPL-CALTECH。 5.谷神星登台 2015年3月6日，美国宇航局的曙光探测器进入了围绕矮行星谷神星的轨道。谷神星是位于火星和木星之间的在小行星带中最大的天体。曙光探测器预计将会工作到2016年6月，谷神星是它环绕探测的第二个天体，在此前2011年7月至2012年9月间它对灶神星进行了环绕探测。 类似于在土星冰质卫星上所看到的，谷神星的表面布满了环形山。这一特点说明它拥有一个富含冰的壳层。曙光探测器对其表面环形山和山脉等结构的高度进行了测量。 谷神星表面上存在的亮点也让行星科学家们为之着迷。2015年初第一次发现了这些反光区，此后则发现它们其实是多个亮点。它们位于谷神星北部的奥卡托环形山中，后者直径92千米、深4千米。科学家们一开始认为它们是冰或者盐，但不佳的运气屡屡阻挠获得这些神秘斑点光谱的尝试。根据这些亮点的反射率，现在普遍认为它们是盐。 2015年8月，曙光探测器进入了一条距离谷神星1 470千米的轨道。几个月后，它会下降到其最终的科学轨道，距谷神星表面的高度仅375千米。除了勘测谷神星的表面并测量其环形山和山脉的高度之外，曙光探测器也正在试图了解其表面的组成成分，测量不同地点上重力的差异，由此可以了解其内部的物质分布。  4.发现最年轻星系团 星系团的形成并非是一个天文学家可以实时观看的过程，因为它需要花数十亿年的时间。与之相反，天文学家会寻找处于不同发育阶段的星系团。由于光速恒定，看到的天体越遥远，回溯的时间就越久远。2015年，天文学家发现了迄今最年轻的星系团，尚处于形成的初级阶段。 为了寻找这个原星系团，天文学家搜索了有着极其明亮中心的星系，在那里有超大质量黑洞正在活跃地进食。这些天体被称为类星体，具有两大用途：第一，作为大型星系的标记物；第二，做为光源来照亮附近的气体云。由于吸收了活动星系的光然后再发射，这些气体云会发光。天文学家们寻找的是氢所发出的特定辐射，被称为莱曼α。 天文学家观测了天空中4个彼此靠近的活动星系。在对它们进行了详细的研究之后，发现这4个星系有着相同的距离，到地球约106亿光年。此前没有人看到过或者期望能发现被相互的引力束缚在一起的4个类星体，这个发现是一个大大的惊喜。 此外，这些星系还都嵌埋在一个巨大的氢云中。它们所处的宇宙年龄只有大约32亿年，这一氢云的跨度约100万光年。可以100％的肯定它是一个原星系团，将会演化成类似于今天室女星系团的结构。  3.银心的意外辐射 当天文学家有了一架新望远镜，它可以探测过去无法被观测到的辐射，那么惊喜和意外往往也会随之而来。在高能X射线波段对银河系中心进行了时长100万秒的观测之后，这正是核分光望远镜阵列所揭示出的。天文学家发现了一片弥漫的X射线辐射，但无法确定其成因。 使用核分光望远镜阵列的数据，天文学家本打算研究银心处一颗中子星周围的发光物质，但始终无法去掉银心处长13光年、宽26光年范围内的弥漫辐射。在确认了这一信号确实存在之后，天文学家便开始着手搞清楚它来源于什么。 核分光望远镜阵列不只能成像，它还能获得光谱，即采集在每个颜色上光强的信息，使之更易于分析。为了弄清它的成因，天文学家考察了能产生类似辐射的不同天体，研究了需要多少这些天体才能产生观测到的亮度。结果显示，有4种可能性。 这其中有3种可能性与恒星死亡后留下的残骸窃取其伴星的气体有关。当这些物质越积越多时，它就会引爆并发出X射线。当有大量的这些爆发存在时，由于核分光望远镜阵列无法把它们分辨开，因此看上去呈弥漫状。 这其中之一便是数千颗的白矮星，它们每一个质量都大约是太阳的90%。另一种可能是约有一千个的黑洞和中子星，它们是大质量恒星所留下的致密核心。第三种可能性则是几千颗的毫秒脉冲星，它们本质上中子星，但由于吸积了大量来自其伴星的物质，因而自转的速度极快。但问题是天文学家还不清楚为什么在银河系中心如此小的区域中会存在这么多的天体——无论它们到底是什么。 第4个可能性是，当物质落向银河系中心的超大质量黑洞时，其中一些会被加速到非常高的速度。它们有可能会和附近的气体云发生相互作用，使之发光。但是，核分光望远镜阵列所看到弥漫辐射似乎并不能完全用这它来解释。 虽然科学家们期望核分光望远镜阵列未来的观测帮助缩小可能性的范围，但他们并不认为很快就能找到答案。  [图片说明]：核分光望远镜阵列在银心处所观测到弥漫X射线辐射。版权：NASA/JPL-CALTECH。 2.罗塞塔探测器探访彗星 伴随着67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星通过其近日点并远去，欧洲空间局的罗塞塔探测器一直在关注它的变化。这一创造了历史的任务揭开了许多有关彗星的秘密。 自从罗塞塔探测器发回第一幅67P彗星的图像起，科学家们就一直想知道其意料之外的“橡皮鸭子”双瓣形状是如何形成的。现在，他们有了答案：67P彗星由两个不同天体碰撞形成。为了得到这一结论，科学家测量了其不同地区的倾斜度以及表面特征的走向，计算了它表面的局部重力。 罗塞塔探测器还发回了数千张67P彗星的图像，看见了聚集在表面上的巨石，落石形成的碎石堆以及从十几米宽的洞口喷射出的气流。它还在该彗星的表面上发现了约120个明亮区域，它们最有可能是会反射太阳光的水冰。 67P彗星“脖颈”处有一片水冰，该地区似乎会以彗星12小时的自转出现然后消失。当该区域被阳光直射时，其表面上方以及下方几厘米处的冰会被加热，进而直接气化，即升华。阳光还会加热该区域下方的物质，因此埋藏得更深冰的会升华成气体上升到彗星的表面。当这一侧转动到背阳侧，它会再次冷却，刚上升的气体就会凝固成冰。这个过程会在每一个彗星天中周而复始。 虽然没有严格按照事先的计划执行，罗塞塔探测器上搭载着冰箱大小的菲莱着陆也对67P彗星的表面进行了研究。2014年11月12日，菲莱着陆器与罗塞塔探测器分离，在最终降落到67P彗星表面之前，它经历了数次的弹跳。然而，它仅工作了60个小时便进入了休眠状态。得益于其计划外的弹跳，菲莱着陆器能对67P彗星上的两个不同地点进行比较。第一个着陆点似乎是在较硬的物质（可能是冰或自然形成的晶体）上覆盖有约20厘米的柔软多尘物质。菲莱着陆器最后的着陆点则没有被尘埃所覆盖。 在第一次着陆的地点，菲莱着陆器嗅探到了16种有机化合物，其中有4种此前从未在彗星上探测到过。在同一地点，另一台仪器则检测出了几种气体，包括水蒸汽、一氧化碳和甲醛。彗星被认为是早期太阳系的原始遗存，但67P彗星具有超预期的复杂化学反应，在其表面发现的一些分子对生命来说至关重要。 在休眠了7个月之后，让所有人都感到震惊的是，2015年6月13日菲莱着陆器再次苏醒。在接下来的几个星期里，菲莱着陆器与地球间保持着断断续续地联系，最后一次通讯则是在2015年7月9日。科学家们无从知晓菲莱着陆器是否还位于67P彗星的表面之上，或者是已经被活跃的气体喷流吹走。 罗塞塔探测器将继续对67P彗星进行探测直到2016年9月，届时任务科学家很有可能会试图把它降落在彗星上看最后一眼。  [图片说明]：67P彗星酷似鸭子的外形源于两个天体间的碰撞融合。版权：ESA/Rosetta/NAVCAM。 1.飞掠冥王星及其卫星 当美国宇航局的新视野探测器飞过冥王星时，想起了一片欢呼声。冥王星没有让天文学家失望，探测结果绝对令人震惊。虽然科学数据的收集只持续了几个月的时间，但新视野任务却酝酿了几十年。美国宇航局在2001年选中了这一任务，于2006年发射，在2015年7月14日才抵达冥王星。 看到冥王星及其最大的卫星冥卫一在新视野探测器的眼中从几个像素变成演变纷繁复杂的星球实在是令人唏嘘不已。这是因为有关冥王星的一切都让科学家们感到惊讶。冥王星曾被认为是冰冷、布满环形山且早已死去的矮行星，而它卫星的情况也基本与之相同。结果却正好相反，冥王星的表面很年轻，具有平缓的冰原、高耸的冰质山脉以及类似沙丘和冰川湖的地貌。冰是在近期才流入了这些结构，就如同地球表面冰川的移动。科学家们估计，这片没有环形山的地貌年龄在1亿年左右，而其他地区的年龄则在几十亿年。 冥王星的表面分布着如此年轻的地貌意味着其内部有什么东西必定在释放热量，使之变得可塑。虽然太阳系中的所有天体在45亿年前太阳系刚形成后不久都处于温暖状态，但科学家们没有想到像冥王星这么小的天体可以在这么长的时间里仍然保持住热量。一般认为，小天体流失热量的速度会远大于较大的天体，这就像一小杯茶变凉的速度比一大杯要快。但是，新视野探测器对冥王星的探测器却改变了行星地质学家的预期。 科学家们还勘测了冥王星上甲烷冰的分布，这些物质似乎更倾向于集中在一个年轻的地区中。在该地区之外，虽然仍有甲烷存在，但它们却不知为何都聚集在环形山边缘和明亮的区域里，而不出现在环形山的中央和深色区域中。 对冥王星的近距离成像也让科学家们精确地测量出了这颗矮行星的直径为2 370千米。这也保证了冥王星是海王星轨道之外已知最大天体的桂冠。 在新视野探测器飞掠冥王星之外，它回过头观测了冥王星日食的景象。这一排列使得阳光可以穿过冥王星的大气层，由此可以它进行研究。在冥王星的地表上方有一个显著的雾霾层，向外延伸出约130千米，数倍于科学家们的预期。新视野探测器还在据冥王星表面1 600千米的地方探测到了富含氮的大气。 尽管冥王星一直是焦点，但冥卫一也表现惊艳。它也有各种不同的地貌，有些区域也没有环形山。在它的表面上有绵延数百千米的峭壁，表明其地壳存在断裂。在冥卫一的表面有一个深6到10千米的峡谷。 新视野探测器还抓拍了冥王星4颗较小的卫星冥卫二、冥卫三、冥卫四和冥卫五的照片。虽然冥卫一的直径达1 208千米，但这4颗卫星的直径都只有几十千米。 探测所获得的大多数数据仍储存在新视野探测器上，在未来数月的时间里会一点一点地发送回地球。在未来的几年中，科学家们将对它们进行仔细的研究，了解更多有关冥王星及其卫星的情况。虽然冥王星系统是原九大行星中最后一个被造访的天体，但仅仅是最初短暂的几眼便超出并颠覆了科学家们的预期，毫无疑问它会是一座新的科学宝藏。  |
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[Astronomy 2016年1月]
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2001-2015 火流星工作组制作
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