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2017年十大太空故事
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Liz Kruesi 文 Shea 编译 |
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2017年，发现了一颗拥有7颗地球大小行星的恒星，和卡西尼探测器说了再见，还上演了壮观的日全食。 几乎每一年，都有关于天文学的十大太空故事排行榜。排出2017年的榜单却并不容易，因为在过去的一年中充满了各种令人兴奋而意想不到的发现。当然，对中子星并合的探测毫无悬念地位居榜首。这是天文学家有史以来第一次发现了一对碰撞并合的中子星，它不但会发出引力波，还有γ射线和其他许多波段的电磁辐射。位居第二是在一颗恒星的宜居带中发现了7颗类地行星。通过全球网络确定了一个神秘快速射电暴的位置也进入了这个排行榜的前10名。 2017年最重大的太空故事并非都来自太阳系之外。在历经了13年不可思议的发现之旅后，卡西尼土星探测器和所有人告别。在地球上，有数百万人观看了月球遮挡太阳的景象，它所投下的影子横贯了美国大陆。 下面将一一悉数2017年的十大太空故事。 10. 土卫六上的复杂化学反应和天体生物学 土星最大的卫星土卫六是太阳系中最引人入胜的天体之一。它拥有一个比地球更稠密的大气层，在其表面上散布着有甲烷和乙烷混合物流淌的河流和湖泊。土星的这颗卫星甚至还拥有一个复杂的天气循环系统：液态甲烷和乙烷会蒸发到大气中，凝结成云，然后再降雨回地面。地球上的生命依赖水，那么在土卫六上是否有可能存在依赖碳氢化合物的生命形式呢？也许。尽管没有发现地外生命，但科学家们却在土卫六上不断地探测到了越来越复杂的化学反应。 这使得土卫六非常具有天体生物学潜力。当天文学家在阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵的存档观测资料中寻找乙腈分子时，发现了一种更令人兴奋的丙烯腈分子的信号。实验室试验和计算机模拟表明，这种特殊的分子是一种稳定的物质，可以形成双层脂质膜。这一结构可以隔绝并保护细胞内的物质免受外界环境的破坏。地球上所有生物都具有这样的细胞膜。 天文学家在对土卫六数月的观测数据中发现了3条与丙烯腈有关的谱线。这每一条谱线都对应于一个受到激发的丙烯腈分子向下跃迁到一个较低的能态时所发出的光子。每条谱线的亮度与接收到的光子数有关，而光子数则取决于跃迁并发出光子的丙烯腈的数量。 根据不同的理论模型，天文学家估计了土卫六上丙烯腈的总丰度，但现有的数据还不足以给出这些分子在土卫六大气层中分布情况。阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵已对土卫六进行了更多的观测，对数据的分析仍在进行中。 寻找具有重要生物学意义的化学成分是研究生命在地球上和地球之外起源的第一步。也许很快就会发现，我们并不孤单。  9. 完美标准烛光 2016年9月5日，美国帕洛玛天文台的1.21米望远镜捕获到了一个恒星爆炸，被称为iPTF16geu。这不只是一般的爆炸，而是可以用作标尺来测量宇宙距离的Ia型超新星。该型超新星有着几乎相同的光变曲线，后者描述了其亮度随时间的变化。亮度越弱，距离地球就越远。得益于它们的相似性，通过比较不同的Ia型超新星，就可以精确地计算出它们的距离。20世纪90年代末，天文学家通过这一方法证明宇宙的膨胀在加速，因为一些Ia型超新星的亮度低于预期，意味着它们的距离比预期的更远。 但iPTF16geu不仅仅是一颗Ia型超新星。天文学家在一个距离地球约20亿光年的星系周围发现了它的4个影像。结果显示，从地球上看，这颗超新星就位于该星系的正后方。当天体排成一线时，背景天体所发出的光会被前景天体弯曲，在这里大质量星系充当了前景天体。这就像把一根吸管放入水杯中，它看上去好像弯曲了。因此，这个超新星爆炸所发出的光在这个星系周围走了4条不同的路径，形成了4个不同的像。有了这4个像，就能得到更多的科学结果。这是因为每个像中的光子都会在居间星系周围走出略有不同的路线。这些路线的差异等同于不同的距离和不同的传播时间。如果能测得不同像的到达时间，就能很好地测量出宇宙的膨胀速率。 随着新的巡天投入运转以及新的软件可以更好地识别出超新星爆炸的多重引力透镜像，天文学家预计后续的类似发现会越来越多。它们不仅能提高测量宇宙膨胀速率的能力，新的引力透镜还能让天文学家更准确地测定宇宙中普通物质和暗物质的分布。  8. 月球之旅 美国太空探索技术公司无疑有着宏大的目标。2012年，该宇航公司成为了第一家与国际空间站对接的私人企业。2015年，它成为了第一个在把载荷送往国际空间站之后对火箭进行安全回收的组织机构。然而, 2017年2月该公司所公布的目标可能要比之前的难得多，因为涉及到人身安全。 这家宇航巨头宣布计划把两名乘客送往月球，当然他们要为此支付一大笔钱。当时，该公司确定的出发时间是2018年末，但考虑它到尚未实施过载人任务，因此该目标很难让人信服。在2017年2月的公告中，太空探索技术公司宣布它的第一次载人飞行任务将在2018年春末进行。2017年7月，该公司通过社交媒体宣布，其猎鹰重型火箭将在11月首飞。但该计划目前并没有按照既定时间落实。 去往月球肯定需要强大的火箭。太空探索技术公司已经发射了几十次其猎鹰9号火箭，但它的任务是把有效载荷进入距离地面高度仅400千米的国际空间站。月球显然要更遥远得多，距离地球384 500千米。 发射人和补给去月球显然要耗费更多的能量。要想进行一次载人环月飞行，它仍有许多技术必须要完善。许多人怀疑太空探索技术公司是否能在2018年底实现这一目标。如果确实成功了，那它无疑会再次进入明年的这个排行榜。  7. 探测反物质的光 当宇宙在138亿年前诞生时，应该创造出了等量的物质和反物质。但现在环顾四周，物质占据了主导，反物质则不见踪迹。虽然科学家并不知道为什么物质受到了青睐，但更多地了解反物质无疑将有助于揭示背后的答案。 然而，这并非易事。当反物质遇到与之相匹配的物质时，两者就会湮灭。例如，当一个电子遇到一个反电子，即正电子，它们就会转化为辐射。因此，科学家们必须要找到一种方法来把反物质和物质隔绝开。 2011年，欧洲核子研究组织的反氢激光物理仪器实验可以制造并束缚住反氢原子——由1个反质子和1个正电子组成——达16分钟，这足以来对其进行研究。近来，同一小组宣布首次测量到了反氢原子所发射出的光。 每种化学元素——无论是氢、碳还是铜——在受到激发时都会发出特定颜色的光。每种特定的颜色都对应于电子在原子内跃迁到另一个较高能级所需要吸收的能量。相反，如果电子处于一个较高能级向下跃迁，就会发出相同颜色的光。例如，天文学家常常观测到的红色氢-α辐射就对应于电子在氢原子第三和第二能级之间的跃迁。了解每一种元素所发出光的颜色对于识别这一物质和了解其物理特性至关重要。科学家知道氢原子所能发出的每一种光的颜色。反氢原子会与此有所不同吗？如果确实如此，那么它和我们的宇宙选择物质而非反物质之间有什么关系？ 该实验小组正在探测反氢所发出的所有不同颜色的光，现已观测到了其中的一种。正电子在两个特定能级之间跃迁时所发出的光与正常氢原子所发出的光完全一样，这意味着物质和反物质所发出的光完全相同。这一一致性证实了目前粒子物理学标准模型和狭义相对论的预言。  6. “朱诺”公众相机 红色的云彩、白色的椭圆形风暴以及混杂其间的棕色漩涡，这些是由“朱诺”相机在木星上所捕捉到的一些令人难以置信的细节。2017年，这些照片在新闻和社交媒体上引发了轰动。有充分的理由相信，在“朱诺”相机之前人眼从未看到过这些景象。这一切都是得益于增加这一公众参与仪器的最后决定。 像美国宇航局所有的空间任务一样，朱诺木星探测器具有一整套的科学目标，但这些目标中没有一个需要一台可见光照相机。它搭载有7台仪器来探测木星大气的深层、勘测木星的磁场和重力场并研究其极光。然而, 这些仪器及其收集的数据并不总是能引发公众的共鸣。一张显示木星大气层不同深度水丰度的图表和一张木星大红斑的壮观照片绝不会对普通大众产生相同的影响。 “朱诺”任务的负责人也认识到了这一事实。在发射之前，“朱诺”又得到了一台仪器：一架能让公众参与其中的小型相机。相比其他科学仪器，“朱诺”相机所拥有的资源很少。它没有专门的大型支撑团队。其理念是让公众来作为成像管理团队。这意味着由公众来建议拍摄的目标, 然后讨论和投票，这一切都通过互联网来实现。一旦“朱诺”相机拍摄到了这些图像，公众就会对它们进行处理。事实证明，这个理念相当成功，远超预期。 虽然其他仪器也在努力地工作，但“朱诺”相机受到了最多的关注。2017年5月，“朱诺”任务团队发布了第一批科学结果。科学家此前就已经知道木星有一个强大的磁场，这也正是“朱诺”的电子器件必须做好严密的防护，以防被辐射破坏。但“朱诺”发现其磁场强度是预期的2倍。此外，木星的磁场也呈“块”状，在一些地方它要强于其他区域。科学家认为，这可能意味着木星磁场并不是在其正中心产生的，而是在靠近它表面的地方。 “朱诺”每53天就会绕木星1周，从其云层上方几千千米处飞过。其主要任务包括了12条周期为53天的轨道，将一直延续到2018年7月。美国宇航局随后很有可能会延长其任务期限。   5. 告别“卡西尼” 2017年9月15日，卡西尼土星探测器与世人告别。它飞入了土星的大气层，因摩擦而烧毁，最终投入了它历经13年探索研究的行星的怀抱。 在7年长途跋涉之后，“卡西尼”在2004年夏到达了土星。从那时起，“卡西尼”不仅以前所未有的精细程度揭示了土星本身，它还向人们呈现了土星卫星的多样性及其能承载生命的可能。人类对土星系统的看法和认识就此发生了翻天覆地的改变。 这一历史性任务的结束也完全按部就班地进行。“卡西尼”的主任务为期4年，但在2次任务延长之后，其燃料几乎耗尽。科学家决定将其最后的数月用于特定的研究，并将该任务计划命名为“大结局”。 2017年4月22日，当“卡西尼”飞掠土星最大的卫星土卫六时，后者的引力使得它的轨道发生的偏转。其结果是在4天后，“卡西尼”从土星内环和它的高层大气层之间呼啸飞过。在这次近距离飞掠之后，它进入了一条为期6天的椭圆形轨道，然后在5月2日又再次飞过这一间隙。在最终飞入土星高层大气解体之前，“卡西尼”一共22次从土星内环和它高层大气之间的空隙飞过。 在每一次近距离穿越的过程中，“卡西尼”到土星云层顶的距离在1 700～3 900千米之间。虽然“卡西尼”上的其他11台仪器也在记录数据，但它的成像相机一直在不断地拍摄令人咋舌的照片。在其每条轨道的近土点，“卡西尼”的运送速度太快，时速约120 700千米，那时无法拍摄照片，但在轨道的其他地方它的相机系统则可以很好地聚焦来拍摄图像。它拍摄了土星大气的涡旋、其北极的巨型六边形风暴以及土星环中的结构。飞入光环之内也意味着“卡西尼”可以精确测量土星环的质量，甚至可以对光环粒子进行采样，这是此前从未有过的。从如此近的距离飞过土星，让“卡西尼”上的磁强计能够对土星磁场的强度和方向进行详细的测量。科学家可以利用这些信息来了解土星核心的旋转和大小，并确定其云层顶部相对于核心的运动速度。 在这22轨之后，“卡西尼”完成了其最后的半条轨道。2017年9月14日晚和9月15日凌晨，科学家和工程师们聚集在美国宇航局的喷气推进实验室，向其道别。9月15日，“卡西尼”坠入土星大气层，其所发出的最后信号在当地时间早晨4时55分到达地球。“卡西尼”任务团队最终告别了这位近20年的朋友。  4. 横穿美国的日全食 2017年8月21日太平洋夏令时上午10时16分，大自然最壮观的景象之一降临在了美国俄勒冈州的海岸。随着月球遮挡住太阳的圆面，天空陷入了一片黑暗。太阳数百万度的外大气层日冕由此脱颖而出。在月球所投下的115千米宽的影子里，至少有数百万人看到了从太阳灰色圆盘冒出的如火焰般的日冕。随后，在从南卡罗来纳州海岸进入大西洋之前，月影先后扫过了美国13个州。 在科学上，8月21日的日食并没有什么令人称奇的。天文学家对日食的发生机制已了如指掌，可以提前预报几千年后的日食。但其他原因使之成为了一次具有历史性的日食。它是近一个世纪以来第一个横穿整个美国大陆的日食。 在2017年的日食带上住有超过1 200万人口。此外，还有2 000万人从其他地方赶来一睹这一盛景。一些旅馆和露营地几年前就已被提前预订。日全食沿线上散布着21个国家公园和7条国家景观步道，其中一些在日食当天人头攒动。 无论是几年前就做了计划还是直到2017年8月21日前一天才临时决定，沿着月球本影所经过的路线，天体几何学向世人上演了一场动人的表演。在历史上，恐怕没有其他的天文事件能引起如此多的关注。  3. 定位快速射电暴 在现代天体物理学中, 最神秘的信号之一就是持续仅几毫秒的射电波爆发，被称为快速射电暴。大约在10年发现了第一个快速射电暴，但过了好几年天文学家才发现了另一个。现在，已知约20个快速射电暴。然而，由于天文学家无法准确地确定它们源自何处，这些奇怪的信号仍然为神秘所笼罩。 天文学家所需要做的就是以足够的精确度来测定这些信号在天空中的位置，以此来确定它们的距离。这一切都取决于几年前的一项发现。虽然没有明显的特征，但天文学家当时发现有一个快速射电暴会反复出现。使用甚大天线阵在2015年和2016年所进行的为期83个小时的观测，天文学家观测到快速射电暴FRB 121102反复出现了9次并测得了它在天空中的大致位置。 在这个位置上存在着各种不同的射电源。其中哪一个与快速射电暴有关？天文学家使用其他的射电望远镜对这一天区开展详查。由散布于欧洲的21台射电望远镜所组成的欧洲超长基线干涉测量网对该区域做了进一步限定。发现在这个快速射电暴附近有一个既会发出射电波也会发出可见光的源。这两者之间或寻存在着关联。 接着，天文学家使用光学望远镜来识别该信号在3维空间的位置。结果显示是这个快速射电暴位于一个暗弱的小型星系中。这个矮星系的质量只有银河系的1/1 000，直径只有银河系的1/10。它的距离极为遥远，射电波要穿越约24亿光年才能到达地球。 现在天文学家已经测定了它的精确位置，下一步就是要搞清楚其射电信号反复出现的原因。  2. 繁盛的类地行星 人类最伟大的发现之一将会是确认宇宙中存在地外生命。虽然还没有做出这一发现，但天文学家每年都在更加接近这一目标。2017年也不例外。 2017年2月，一个行星科学家团队宣布，在一颗近距恒星周围发现了7颗地球大小的行星。所有这7颗行星都位于宜居带内。在这个区域内，这些行星所接收到星光可以在其表面维持液态水的存在。虽然位于宜居带内并不等同于就有液态水存在，但天文学家使用模型计算发现，若拥有类似地球的大气层，那么这些行星中有3颗可以在其表面拥有液态水海洋。 为了寻找这7颗行星，除了斯皮策空间望远镜之外, 天文学家还使用了数架地面望远镜来对恒星TRAPPIST-1进行观测。他们监视了这颗恒星的亮度变化。根据数小时的观测数据，天文学家确定这些亮度变化是由于多颗行星从恒星前方经过，遮挡星光所致。2017年2月，确认了6颗环绕TRAPPIST-1公转的行星。公转周期最长的第7颗行星则在5月被确认。在这个系统中甚至可能还会有更多的行星。 根据被每颗行星所遮挡的星光量，天文学家可以计算它的直径。通过分析同一颗行星先后2次凌星之间的时间间隔，比较内侧6颗不同行星的轨道，天文学家还可以估计它们的质量。有了直径和质量，就可以计算出密度。结果显示，虽然密度值有着较大的不确定性，但内侧6颗行星与地球、火星、金星和水星类似是岩质行星。第7颗行星的密度不确定性较大。 尽管这些行星是岩质的并且大小与地球相当，但它们的宿主恒星却与太阳大相径庭。TRAPPIST-1的质量只有太阳的8%，直径约为太阳的12%。它的温度也低得多，发出的是红色光芒，而不是太阳的黄白色光。这个行星系统也远比我们的太阳系要紧密得多。最内侧的行星绕TRAPPIST-1公转一周只要1.5天，而即便是最远的行星也仅需18.8天。尽管天文学家还没有发现与太阳系一模一样的其他行星系统，但在距离我们40光年的一颗恒星周围发现7颗类地行星却着实是一个表征存在另一个地球的好兆头。  1. 多信使天文学诞生 2017年8月17日，再平常不过的一天。但在美国东部夏令时间8时41分，一切都不再平常。在100秒的时间里，时空结构中的涟漪不断地拉伸和挤压地球上极为灵敏的引力波探测器。随即，一道明亮的γ射线出现在天际。由此，全世界各地和太空中的70多个天文台以及3 500名天文学家和物理学家也开始了为期数周的繁忙工作。 通过2017年10月16日的数场新闻发布会和超过30篇的论文，科学家们向世人公布了有关的分析结果。他们观测到了一种此前从未被探测到过的引力波源：两颗中子星的碰撞并合。这一碰撞还会形成γ射线暴，为中子星并合至少是一种γ射线暴起源机制的理论提供了佐证。但这一事件也发出了其他波段的光：可见光、红外辐射、射电波、紫外线和X射线，天文学家对所有这些辐射进行了仔细地研究。 2017年8月17日的上午，最先抵达地球的是引力波。位于美国路易斯安那州的激光干涉引力波天文台探测到了一个强烈的信号，几毫秒后它位于华盛顿州的另一台探测器也看到了这一信号。就在引力波科学家向同行发出警报的同时，费米γ射线空间望远镜已经探测到了一个刚刚抵达地球的信号。可以肯定这是一个γ射线暴。它到达地球的时间就在引力波信号终止之后的1.74秒。就在引力波天文学家确定了引力波源在天空中的位置之后，结果发现它和“费米”探测到的信号方向一致。这时所有人都明白了，这两者源于同一事件。 引力波探测器和γ射线望远镜所探测到的是两颗中子星螺旋着相互靠近，它们在并合前相互绕转了约1 500圈，最终的碰撞还发出了高能辐射。关于这一剧烈爆发事件，我们还知道些什么呢？ 在其所在的天区中，存在着约50个星系。要精确定位这一信号的来源需要借助其他波段的电磁辐射。在引力波和γ射线探测到该信号之后11个小时，它进入了智利地面望远镜的视野中，在星系NGC 4993外围出现了一个新的光点。其他几架望远镜也证实了这一发现。 在红外和可见光波段上，天文学家观测到了比铁更重的化学元素的信号，其中就包括了金。尽管科学家们知道，超新星爆发会制造出这些元素，然后将它们播散入整个宇宙，为新生的恒星和行星提供原材料，但超新星爆炸只能提供宇宙重元素含量的一部分，剩余的部分则是由中子星碰撞来提供的。 此外，还有很多问题有待解决。这一轮的数据分析只是开始。天文学家和物理学家正在把零散的信息拼合到一起，希望能构建出一幅完整的图像。这一中子星并合事件标志着多信使引力波天文学时代的开启，未来天文学将能借由所有波段的电磁波和引力波来研究宇宙中最剧烈的事件。  |
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[Astronomy 2018年01月]
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2001-2018火流星工作组制作
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