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2022年十大太空故事
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Alison Klesman 文 Shea 编译 |
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去年，天文学家发布了对未来十年的规划，公布了龙宫小行星样本的第一批结果，也开启了詹姆斯·韦布空间望远镜的元年。 科学是一段必须要有远见的征程，只有在付出了漫长的努力、克服了重重挑战之后才会有回报。2022年就是充满了回报的一年，天文学家开始解开太阳系小行星的秘密，获得了银河系中恒星更精细的分布图，移动了一颗1.1千万千米之外的一颗小行星。 新的有趣现象不同涌现，表明人类对宇宙的认识仍有很大的空缺。天文学家终于拍到了银河系中心黑洞的照片，还从迄今最具挑战性的空间望远镜获得了第一批图像。 这一年也充满了反思，一些标志性的任务走到了终点。即便如此，天文学家也总是充满了希望。 10. 发布十年规划 每十年，一个由天文学家组成的专家委员会就会对美国未来十年的规划进行评估。他们的结果被称为“十年调查”。虽然并非严格的规则，但包括美国宇航局在内的诸多机构会以此调查的结果划拨经费预算。 2021年12月4日，在因新冠大流行推迟了1年之后，美国国家科学院、工程院和医学院公布了《21世纪20年代通向天文学和天体物理学中发现的道路》，简称《天文2020》。这份长达615页的报告概述了在观测和理论方面的最优先研究事项，可分为三大焦点。它们分别是行星和恒星，包括搜寻和刻画类地球行星；恒星和星系的形成和演化，尤其是这两者如何相互影响；综合所有电磁波观测的多信使天文学。 在建造大型天文台上，一大建议是在21世纪20年代末聚焦研发110亿美元、6米级的红外/可见光/紫外空间望远镜，以及另外两个分别耗资30亿美元和50亿美元的远红外和X射线任务。该委员会还建议投资巨麦哲伦望远镜、30米望远镜、研究大爆炸余晖的第4阶段宇宙微波背景望远镜以及下一代甚大阵。 2022年4月19日，行星科学界相同的委员会发布了《起源、行星和生命：行星科学和天体生物学2023—2032十年战略》。它力推美国宇航局的火星采样返回任务和坚忍-A月球车，后者会存储月球南极的物质供宇航员取回。该报告还建议出资研发飞掠近地小行星的任务，以便更好地应对未来的碰撞威胁。在更长的时间上，该委员会支持对彗星、小行星和卫星的探测。该报告优先推荐的大型任务包括了环天王星探测器和土卫二环绕/着陆器。  9. 来自龙宫的首批结果 2019年，日本的隼鸟2号从第162173号近地小行星龙宫的表面和地下采集了5.4克的样本。2020年12月6日，当隼鸟2号飞掠地球时，一个载入舱把样本送回了地球。 始于2021年末，初步分析的结果开始浮现。龙宫是一颗碳质小行星，富含水和有机物。早期研究发现，龙宫的粒子已被水大幅改变。这些粒子的低密度让科学家推测，覆盖龙宫大部分表面的巨石是极其多孔的。 龙宫样本是迄今在实验室里分析过的在化学上最原始的物质。它的成分与球粒陨星十分相似，后者长久以来被认为是形成太阳和太阳系的代表性物质。 龙宫可能来自一颗更大的、直径几十千米的前身小行星。一项研究发现，其母小行星可能是在太阳系形成的早期阶段快速形成的。要知道小行星的确切形成时间十分困难，它会对在早期太阳系中天体是如何吸积生长的会产生重要影响。 另一项研究在龙宫样本中发现了星际物质和氨基酸。这暗示龙宫的前身星可能是一颗彗星，它的成分在途经内太阳系时发生了变化，蒸发掉了自身的冰，仅留下了多孔的岩质星体。  8. 盖亚发布第3期数据 欧洲空间局的盖亚卫星正在对银河系中的数十亿颗恒星进行巡天，以构建一幅银河系的三维地图。每过几年，其团队就会发布一期星表数据；第1期是在2016年，第2期则是在2018年。在2020年底发布了其第3期早期数据后，天文学家就在等待它完整的第3期数据。 2022年6月13日，欧洲空间局发布了完整的第3期数据。它包含了近16亿个天体的分类、温度和距离信息；约3 300万颗恒星的三维运动；300万像素的银河系尘埃分布图；对超过1 000万颗变星、食双星、凌星行星和超大质量黑洞的观测；并对158 000个太阳系天体进行了测量，包括小行星和天然卫星。 这些数据显示了恒星是如何在银河系中运动的以及它们的化学成分。根据恒星所包含的化学元素和它们在空间中的运动，能更好地知道恒星在银河系中是如何、何时以及在何地形成的。盖亚还可以探测特定类型的星震。许多意料之外的恒星都表现出了这些现象，天文学家希望能破解这些奇特的行为。 盖亚第3期数据已经开启了一股研究热潮，未来会有更多的结果问世。  7. 可能发现了一个流浪黑洞 天文学家已经在银河系中发现了不少黑洞。它们都位于双星系统中，只有与伴星相互作用时才会被看到。孤立安静的黑洞则难以搜寻。 1月31日，在预印本上发布了一篇论文宣布发现了一个流浪黑洞。这一发现始于2011年，有一个大质量的不发光天体从地球和银河系核球附近一颗恒星的连线附近经过。在270天的时间里，由于被居间天体的引力弯曲和汇聚，该核球附近恒星被增亮了，这一过程被称为微引力透镜。这激起了搜寻流浪黑洞的天文学家的兴趣。天文学家相信，银河系中可能有数亿个孤立黑洞，它们虽然不发光，但可以通过微引力透镜来寻找它们。 质量越大的黑洞，所引发微引力透镜事件的持续时间就越长。但持续时间本身并不足以确定居间天体的质量。因此，天文学家使用哈勃空间望远镜在6年的时间里测量了这颗背景恒星的视位置。它在天空中的位置变化量能更好地测定引力透镜体的质量。他们的结论是这个黑洞的质量在5.8~8.4个太阳质量之间。这个天体的质量这么大，如果是一颗恒星的话，一定会非常明亮。这一结果于7月6日正式发表。 但另一个独立的天文学家团队也研究了这一事件。他们对哈勃空间望远镜数据的分析与上述结果在同一天发表，他们发现这个引力透镜体的质量为1.6~4.4个太阳质量。只有质量超过2.2个太阳质量且不发光的天体才有可能是黑洞，质量比这个值小的的则更可能是中子星。 无疑，目前还有很多的问题需要澄清，天文学家希望能对背景恒星开展更多的观测来得到确凿的结论。  6 发现比邻星旁的第三颗行星 2022年又是一个太阳系外行星的丰收之年。2月10日，天文学家在距离最近的恒星比邻星旁发现了可能的第三颗行星，称为比邻星d。另外两颗分别是于2016年8月发现的地球质量行星比邻星b和于2020年1月发现的超级地球比邻星c。 根据欧洲南方天文台甚大望远镜的观测，比邻星d的质量只有地球的1/4。它在距其宿主恒星约430万千米的距离上绕其公转，不足水星到太阳的十分之一，周期为5天。由于比邻星的质量和直径分别只有太阳的12%和14%，比邻星d和b一样都位于表面可以有液态水存在的宜居带内。 目前，比邻星d和c都还是行星候选体，有待后续观测的进一步确认。虽然有许多候选体最终被确认为是行星，但有一些则被发现其实是星斑、数据中的噪声或者甚至是褐矮星伴星。但如果被证实，它们就将加入太阳系外行星大家庭。就在比邻星d被发现后1个月，美国宇航局宣布天文学界已确认了5 000颗太阳系外行星。这是该领域诞生近30年来所取得的巨大成就。 现在，天文学家正在从追求数字的激增转而开始探测它们的性质，尤其是宜居性。特别地，新近发射的詹姆斯·韦布空间望远镜和即将要发射的空间望远镜将会让我们更清晰地了解这些行星的大气状况。  5. 青年脉冲星的爆发 当一颗大质量恒星死亡时，它会发生爆炸，有时会留下一颗快速自转的中子星，称为脉冲星。它们向外会吹出高速粒子风，在周围形成脉冲星风星云。这正是在约1 000前爆发的超新星蟹状星云中所发生的。 但这已经是旧闻了。最近，天文学家发现了一个更年轻得多的案例，也许是已知最年轻的。预计年龄在14~80年之间，这个新来者VT1137-0337位于一个距离地球3.95亿光年的矮星系中。2018年，天文学家在甚大天线阵巡天数据中首次发现了它的射电辐射。2019年、2020年和2022年又探测到了它的信号。但是当天文学家回溯同一个矮星系在1998年的数据时，却没有看到它的任何迹象。 这意味着VT1137-0337是新近才出现的。从超新星到掉入黑洞的恒星，天文学家尝试用多个理论来解释它的辐射。最终，有人提出这个星云最可能的起源似乎是脉冲星风，或者是具有超强磁场的磁陀星的耀发。但是之前在磁陀星周围并没有探测到任何的射电星云，因此脉冲星风星云是更可能的情况。 它之所以突然冒出来，是因为它先前嵌埋在超新星的残骸中。只有随着这些物质膨胀和消散，VT1137-0337发出的光才得以穿透。 VT1137-0337比蟹状星云还要强劲上10 000多倍，具有更强的磁场。它非常年轻，可以目睹它在人类寿命时标上的变化。VT1137-0337的辐射仅在4年的时间里就暗淡了20%。在约1 000年后，它可能看上去就会和银河系中的脉冲星和磁陀星很类似。因此，这是个独有的机会来研究这颗中子星一生中最早的阶段。目前，天文学家将会继续监测VT1137-0337，在其他波段了解有关它的更多特性。天文学家也会在已有和未来的巡天数据中寻找类似的星云。  4. 多个标志性任务结束 虽然2022年新打开了许多扇门，但它也关上了不少。4月，美国宇航局和德国空间局宣布，将关停平流层红外天文台，这是一架搭载在波音747SP客机上的2.5米望远镜。绝大多数的红外辐射都会被地球大气层吸收。平流层红外天文台飞行在99%的水汽之上，可以观测整个红外光谱，即便是詹姆斯·韦布空间望远镜也无法企及。它有着自己得天独厚的优势，开展着别处无法从事的科学。 但《天文2020》报告指出，平流层红外天文台的年度运营费高达8 600万美元，比肩哈勃空间望远镜和钱德拉X射线天文台，但却与它的科学回报不相称。从2014年到2020年，平流层红外天文台共产出了178篇科学论文；同一时期，“哈勃”和“钱德拉”的数据则被用在了超过2 700篇论文里。因此，9月28/29日，平流层红外天文台进行了它的最后一次飞行。 失去平流层红外天文台意味着至少在未来10年里失去了对远红外波段的观测能力。使用其数据科学家也将会转向其他领域。 在远离地球的地方，另一个任务也宣告结束。自2018年底起，美国宇航局的“洞察”着陆器就在监听火星地震，以此来揭示火星的内部信息。“洞察”发回了定期的天气报告、火星的风声，监听并探测到了小型陨石穿过火星稀薄大气并撞击火星表面。 但在火星上生存并不容易，随着尘埃覆盖其太阳能板，“洞察”的能量效力一直在下降。2022年4月，美国宇航局宣布，该任务将在年底前结束，除非它的电力供应能保证它运行更长时间。 到5月底，“洞察”的机械臂被停止使用。那时，科学家发现“洞察”的太阳能板所能产生的功率只有一开始的十分之一。到6月，除了地震计还在保持一半的运转时间外，其他所有仪器都被关停。最终，当能量完全耗尽后，“洞察”就会关机。9月底，火星的尘暴季节开始。预计到2023年1月“洞察”的能源会耗尽。 不过，“洞察”记录下的1 300多次火星地震以及多年的气象和声学信息，就已经可以让科学家们忙上许多年了。它的科学目标已经圆满达成，首次测量了火星地壳的厚度，确定了火星核心的大小和密度，还收集了火星地幔结构和成分详细信息。这些认识正在重写火星的教科书。  3. 成功撞击一颗小行星 2022年9月26日，一个570千克的探测器以每小时22 530千米的速度直接撞上了小行星孪小星，扬起了大量的残骸。 这一撞击是美国宇航局双小行星转向测试任务的蓄意所为，意在确定航天器对小行星的撞击是否能改变它的轨道。如果成功，科学家希望使用相似的技术来改变一颗将撞击地球的小行星的路径。 这个测试目标孪小星直径160米，是环绕直径780米的近地小行星（第65803号）孪大星的卫星。该任务的目标是稍稍缩短孪小星绕孪大星的轨道。成功与否就看孪小星近12小时的轨道是否能被撞击缩短至少73秒。10月11日，美国宇航局宣布，孪小星11小时55分钟的轨道已经缩短到了11小时23分钟。这一32分钟的差别大约是该任务原定成功基准线的26倍。 这是旨在发现和消除小行星和彗星撞击地球风险的行星防御领域的分水岭。到2022年底已知29 000多颗近地小行星，没有一颗具有显著风险。但也许仍有近地小行星还没有被发现。随着新数据的不断涌现，可以更好地评估类似双小行星转向测试这样的任务是否能用于未来，有助于保护地球免受小行星的撞击。 在撞击出碎片之后很长一段时间，该目标一直是关注的焦点。来自地面和空间望远镜的图像显示孪小星一开始形成了一条、此后又形成了两条彗星状的尘埃残骸尾。其中一条延伸出至少10 000千米，持续至少1个月。观察它们的演化可以揭示出孪小星的成分和结构。未来，欧洲空间局计划在2024年底发射另一个任务去造访这两颗小行星。 这一撞击任务表明，虽然移山很难，但移动一颗小行星却没那么困难。  2. 银心黑洞的首张照片 2019年，事件视界望远镜发布了突破性的第一张黑洞照片，拍摄的是距离地球5 500万光年的M87中心黑洞。自此，全世界都在等待银河系中心黑洞的照片。 2022年5月12日，事件视界望远镜公布了银心黑洞人马A*的首张照片，它的质量约为太阳的400万倍，距离约27 000光年。类似于此前的图像，它显示了映衬在明亮吸积盘等离子体之上的黑洞阴影。照片中的一些光来自黑洞的背面，被黑洞引力强烈弯曲之后到达了观测者。 遍布全世界的8台射电望远镜历经数天的观测，在综合了它们的结果之后制作出了这幅图像。虽然天文学家长久以来一直怀疑人马A*是一个黑洞，但所有的证据都是间接的。天文学家观测到恒星在绕银心一个大质量且不可见天体运动，测量了该天体吞食物质时所发出的光。然而，这幅图像却是人马A*特性的直接证据。 但是，为什么M87的图像先问世呢？广义相对论提出，所有的黑洞看上去应该都是一样的。黑洞视界的大小以及它阴影的大小正比于它的质量。黑洞的质量越大，它的视界就越大，吸积盘的位置就越远。在相同的速度下，大质量黑洞周围吸积盘中的物质绕其转动的时间会比小质量黑洞旁的更长。 黑洞照片拍摄的并不是视界本身，而是环绕视界运动的高温等离子体。M87中心黑洞周围物质运动的特征时标为数天到数月，但人马A*的却只有几分钟，因为它的质量要小得多。因此，在天文学家观测人马A*时，它会模糊自己的影像，由此天文学家需要2年的时间来仔细地处理并制作最终的图像。 由于它们在天空中的大小，M87中心和银心黑洞是事件视界望远镜目前仅能成像的2个黑洞。下一步，事件视界望远镜会在1年的时间里多次观测这两个黑洞来制作它们的电影。这会让我们看到在最小的尺度上这些超大质量黑洞是如何随着时间而改变的。  1. 詹姆斯·韦布空间望远镜时代开启 2022年的第一名其实是一场超过30年长跑的结果。1989年首次考虑，1996年被正式提议，2004年开始建造。17年后，2021年12月25日，詹姆斯·韦布空间望远镜终于发射升空。 天文学家为之欢呼雀跃。但仍有很多工作要做。在这架望远镜飞行到距离地球约150万千米的第2拉格朗日点的过程中，它开始了一通极为复杂的操作。这些步骤涉及打开并定位其6.5米的主反射镜和网球场大小的遮阳板，这两者都被小心地折叠了起来以便能用火箭发射进入太空。任何一步失败，都没有办法派遣宇航员去现场维修。 这架巨型望远镜的每一个部件都经过了精心设计、专门打造，绝大多数都是纯手工，在仿真环境中进行了反复测试。到2022年1月4日，“韦布”的遮阳板已经完全打开。第二天，其副镜就位。到1月8日，其主镜打开。1月24日，“韦布”抵达第2拉格朗日点。在此后数月中，它的光学系统进行了冷却，其拼接镜面进行了对齐，开启并测试了它的4台仪器。最初的测试图像显示了目标恒星乃至背景星系的大量细节。 最终，美国宇航局在7月12日公开发布了它的首批照片。这其中就包含了遥远星系团SMACS 0723的照片，这是迄今所拍摄的最深、最锐利的红外图像。次日，“韦布”团队又公布了南指环星云、斯蒂芬五重星系、船底星云中产星区NGC3324和太阳系外气态巨行星WASP-96b的光谱。从太阳系外行星大气层中的水和雾到银河系尘埃和气体中的新生恒星，这每一幅图像都向世人展示了宇宙的新模样。 从那时起，新的照片和发现开始不断涌现。“韦布”的目标包括了太阳系中的行星，例如木星和海王星，以及各色遥远的天体。到9月初，“韦布”已直接拍摄了它的第一幅太阳系外行星照片，后者是一颗质量数倍于木星的气态巨行星。 这无疑是个梦幻开局，但也仅仅是个开局。“韦布”有足够的燃料可以工作超过10年，是其最短任务寿命的2倍。在整个调试阶段，科学家们发现其光学系统的性能都优于设计的最低要求。换句话说，“韦布”的性能要好于预期，并且可以工作十年以上。 它可以看到前所未见的宇宙，做出预料之外的发现。  |
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[Astronomy 2023年2月]
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2001-2021火流星工作组制作
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