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2023年十大太空故事
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Alison Klesman 文 Shea等 编译 |
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这一年人们听到了宇宙背景的呢喃，颠覆了对早期宇宙的认识，新一轮月球竞赛也愈演愈烈。 新工具和新技术的出现往往会带来变革性的发现。2023年再一次印证了这一点。天文学家用粒子而非光子拍摄了银河系的第一幅照片，把遍布银河系的脉冲星用作巨型探测器来侦测宇宙引力波背景。在詹姆斯·韦布空间望远镜取得的诸多突破性结果中，一些新发现开始挑战天文学家对早期宇宙的旧有观念。 在更靠近我们的地方也有很多令人兴奋的发现。天文爱好者竞相来到户外一睹多颗彗星的风采，行星科学家则终于拿到了从一颗富碳小行星上所采集的最大样本。2023年10月还发生了一次美洲地区可见的日环食。总之，2023年是令人激动的发现之年，佐证了耐心、才智和远见终会铸就成功。 10. “奥西里斯王”送回小行星样本 在采集了近地小行星贝努的样本后，2021年5月10日美国宇航局的奥西里斯王小行星探测器启程返回地球。 去年，这一征程终于结出硕果。2023年9月24日上午9时不到，在美国犹他州上空，“奥西里斯王”样本返回舱在巨大橙白条纹降落伞的减速下正在缓缓下落。在此前几小时，距离地球约10.2万千米的“奥西里斯王”释放了该返回舱，它最终降落在了美国空军的犹他测试和训练靶场。 次日，样本返回舱由货机运抵美国宇航局约翰逊航天中心。在全程监控之下，会拆除附带的采样机械装置并取出样本罐。它们首先会被放进密封的手套箱，防止样本暴露在地球空气中。 这会花费很长时间。在小心翼翼地取出样本罐之前，需要记录并收集附着在采样装置和样本罐盖子上的大量额外物质。这是个棘手的问题。2020年10月20日，在“奥西里斯王”的采样装置深入贝努约50厘米进行采样后，科学家发现有小行星物质从采样器顶部溢出，就预料到了这个问题。 到2023年10月11日，样本罐仍未打开。但对这些额外物质的初步分析结果显示，贝努富含碳和含有大量水的黏土。这意味着贝努可能还拥有构建生命所需的有机分子。科学家也发现了组成氨基酸所需的硫化物。这有助于了解上述物质在早期太阳系中的丰度及其在地球和其他天体上生命起源中所扮演的角色。由于包含有可追溯至太阳系诞生时的原始物质，并被认为是向早期地球运送包括水在内众多元素的主要载体，小行星是开展有关研究的完美起点。 在打开样本罐之前，美国宇航局仅从样本采集装置外部就收集了70.3克附着的小行星物质，超过了获取60克样本的任务既定目标。在送回了珍贵的样本后，“奥西里斯王”目前正在前往近地小行星毁神星，预计会在2029年4月开始对它进行近距离研究。  9. 1991年金星上有火山喷发 在未来数年内会有多个任务造访金星，行星科学家们正期待着它们将会发回的大量数据。不过，在现有的存档数据中仍隐藏着新的发现。 在1990年至1994年环绕金星运转期间，麦哲伦探测器对金星开展了约200小时的雷达观测，勘测了其整个表面。通过比较不同时间观测结果的变化，首次发现了金星上近期火山活动的直接证据。 科学家们在同一地区相隔8个月拍摄的两幅图像上发现了火山喷发造成的明显地质改变。这些图像覆盖了赤道附近一个包含有金星上最大火山的区域，其中就包括了玛阿特山。1991年2月至10月间，该火山下斜坡上的一个喷口发生了改变。相较于早先的图像，10月获得的数据显示此前圆形的喷口大小翻倍且形状也发生了扭曲。这个喷口中似乎充满了熔岩，其中一些熔岩甚至从中往山下流动。 由于数据分辨率很低且图像是从不同角度获取的，对数据的分析并非易事。要比较这些图像就需要对火山喷口建立模型，由此来评估包括被动滑坡在内的各种可能性。但最终只有几个模拟结果和图像相符，其中最可能的解释是在“麦哲伦”任务期间金星表面发生了火山活动。如果该解释是正确的，这也证实了金星上现存地质活动，具有重大意义。 金星上拥有比任何其他行星都更多的火山，但天文学家此前认为在过去的几十亿年里这些火山都是死寂的。如果有一座活火山，就会有其他更多的。对金星的研究越多，就会发现对于岩质行星的形成和演化仍有许多未知。  8. 发现磁陀星前身星 作为大质量恒星的残骸，中子星中有一个子类磁陀星，它们的磁场比地球的强约一千万亿倍。虽然天文学家已知普通中子星是如何形成的，但对于磁场比中子星强100~1 000倍的磁陀星，目前仍不确定形成它们所需的特定条件。 沃尔夫—拉叶星HD45166或许能为此提供至少部分的解答。沃尔夫—拉叶星是富含氦的大质量恒星，质量通常可达太阳的25倍，会吹出强劲的带电粒子风。由于质量很大，它们会在核心快速地把氢聚变成氦，因此相比于太阳它们的寿命很短，很快就会发生超新星爆发，形成中子星或黑洞。 然而，HD45166是一颗特殊的低质量沃尔夫—拉叶星，它的质量只有太阳的2倍。此外，它的磁场强度则达到了43 000高斯，是地球磁场的10万倍。这使得它成为了迄今已知磁场最强的大质量恒星。 之前从未在行将发生核心坍缩超新星爆发的大质量氦星上探测到磁场，它属于一种新型的恒星。HD45166的演化之所以有别于其他的沃尔夫—拉叶星，很可能是因为它是两颗中等质量富氦恒星并合的产物。 尽管HD45166的磁场很强，但仍只有磁陀星的百亿分之一。但几百万年后，HD45166就会发生超新星爆发，形成一颗直径仅约20千米的中子星，届时它的磁场也将被束缚在这么一个狭小的区域内。由于磁通量守恒，它被压缩的磁场强度将暴增约100亿倍，成为一颗磁陀星。 虽然质量最大的恒星更有可能形成磁陀星，但这一发现表明，如果条件合适，质量小得多的恒星也能形成磁陀星。    7. 突然造访的彗星 彗星以无法预测而闻名。2023年再次印证了这一点，有3颗特别引人注目彗星吸引了人们的目光。 开年便是预计会成为全年最佳彗星的C/2022 E3，它在1月12日达到近日点。2月1日，它距离地球最近，仅0.3个天文单位。1天文单位等于地球到太阳的平均距离。在这一过程中，它最亮时达到了4.5等，在许多照片中可以看到一条清晰的逆向彗尾。 4.5等也是下一颗彗星12P/庞斯—布鲁克斯在2024年4月过近日点前数周预计会达到的最高亮度。在2024年4月8日的全日食期间，这颗彗星将出现在天空中距离太阳约24.5度的地方。 不过，它似乎有点等不及了。2023年7月20日，当时亮度本应为16.6等的该彗星发生了爆发，亮度猛增到11.6等。到10月初，它的亮度稍有降低，但在10月5日又发生了第二次爆发，达到了与7月相当的亮度。在这两次爆发中，该彗星都展现出独特的马蹄形外观。在过往数次造访内太阳系的过程中，它都发生了类似的爆发。或许，随时都可能出现下一次！ 铁杆天文爱好者都已经知道C/2022 E3彗星并没有摘得“2023年度彗星”的称号，这一荣誉最终属于彗星C/2023 P1。这颗彗星于2023年8月12日发现于双子座，当时距离太阳1个天文单位，亮度已达10.4等。1个月后，它与地球距离达到最小，9月17日过近日点，日心距仅0.23个天文单位，亮度峰值达到2.5等。此后，该彗星从北半球的天空中消失，仅南半球可见。在它重回外太阳系的道路上，亮度也快速变暗。 它的这次出现十分短暂，因地平高度低，很难用肉眼看见。即便如此，C/2023 P1依然无愧于“2023年度彗星”的桂冠。  6. 横跨美洲的日环食 2023年10月14日，一次日环食出现在北、中和南美洲部分区域的上空。虽然许多人把这次日环食当成是2024年日全食的一次“预演”，但事实远不止于此。这次日环食本身就非常惊艳，是许多人一生难得一见的奇观。 日全食可以让地球上的观测者看到太阳最外层大气日冕。但在日环食时因月球离地球更远，而无法遮挡太阳的整个圆面。太阳的圆面会在月球周围呈现为一个窄亮环。 2023年10月的这次日环食始于太平洋上，随后进入美国。这是美国十多年来第一次可见日环食，下一次要等到2041年。在环食带范围内居住着约660万美国人，中心线附近数百千米范围内还住着的几百万人。这次日环食持续4分钟有余，在部分地区接近5分钟。 之后，日环食会经过墨西哥、中美洲、哥伦比亚和巴西，最后终止于大西洋。 日食为地面和空间科学研究提供了独有契机。美国宇航局分别在此次日环食发生之前、期间和之后共发射了3枚探空火箭，来研究日食对地球上层大气尤其是电离层的影响。当太阳自然落下或升起时，阳光的变化会导致入射紫外辐射的变化，进而改变电离层中原子的性质。 如果2023年10月的这一次日环食吊起了你的胃口，那么很快北美地区会迎来一次日全食，届时将有3 160万人能目睹这一盛况。2024年4月8日将会是2024年值得关注的日子之一。  5. 人工智能助力搜寻系外行星和生命 人工智能正在改变世界的案例常常占据2023年的头条。虽然机器学习在天文学中的应用并不新鲜，但在2023年才开始获得更多关注。 2023年1月底，有天文学家在论文中报告了使用人工智能从800颗恒星共500小时的射电观测数据中搜寻外星文明的工作。他们寻找的是信号中的非自然模式，并要排除人类信号的干扰。人工智能算法从近300万个事件中筛选出仅20 515个，后经过人眼检查最终挑选出源自5颗恒星共8个可能的科技征迹信号。但当再次观测这些恒星时，没有看到这些信号，所以并未发现外星文明。不过，这项技术确实识别出了需要后续观测的特殊信号。 2023年4月发表的一篇论文展示了机器学习可用于识别恒星周围气体和尘埃盘中尚在形成的行星。形成中的行星会影响附近物质的轨道并最终在这个盘中清除出缝隙，算法在图像中搜寻的正是这些蛛丝马迹。这个机器学习模型不仅可以找到了已知行星，还在恒星HD142666周围发现了一颗此前未知的行星候选体。后续观测确认它是一颗正在形成的行星，展示了这一模型的潜力。随着数据集不断增大，这一类型的机器学习技术将会发挥更重要的作用。 9月发表的一篇论文报告可把机器学习算法用于判断一份物质样本是由生物学过程还是非生物学过程产生的，准确率可达90%。与现有技术相结合，这个算法可用于未来的空间任务或地球古生物史研究。这些仅是过去一年中人工智能辅助发现的亮点。未来这一技术无疑会带来更多发现。  4. 登月任务的成与败 2022年12月11日，美国宇航局的无人飞船“阿尔忒弥斯”1号在成功完成绕月飞行任务后，返回地球。历时约1个月，该任务主要用于测试新的“太空发射系统”运载火箭和猎户座载人飞船。现在美国宇航局正在为“阿尔忒弥斯”2号做准备，它预计于2024年11月发射，开展为期10天的绕月飞行。2023年4月3日，美国宇航局公布了此次任务的宇航员名单。 美国并不是探月赛道上的唯一玩家。2023年8月23日，印度成为第4个成功在月球上着陆的国家，其“月船”3号任务在距离月球南极约600千米处着陆，是目前距离南极最近的着陆点。由于这一区域可能含有能用于燃料和其他用途的水冰，因此美国宇航局也计划将载人的“阿尔忒弥斯”3号飞船着陆到该区域。 在着陆1天后，由太阳能驱动的月球车从印度的着陆器驶出。在接下去的2周里，该月球车和着陆器对月面开展了研究，甚至还探测到了2023年8月26日可能发生的一次月震。在此后同样持续2周的月夜里，这两者都进入休眠模式。两个探测器都不具备抵御月夜极低温的能力，不过任务团队希望在9月22日月昼开始后它们能重新苏醒。但到10月6日都没有收到任何信号，因此放弃了尝试。不管怎样，这次任务对于印度来说都是激动人心的成功。 并非2023年的所有登月任务都取得了成功。同样计划在月球南极着陆的俄罗斯“月球”25号探测器在8月19日坠毁。几天后，俄罗斯联邦航天局宣布，事故是该探测器进入着陆轨道时发动机点火时间过长所致。该着陆器是近半个世纪以来俄罗斯的首个月球任务。作为对此次失败的回应，俄罗斯联邦航天局表示将会加速后续的两次月球任务“月球”26号与“月球”27号，计划于2030年前发射。 2023年初，日本私营月球机器人探索公司进行了第一次商业月球软着陆的尝试，把“白兔-R”月球着陆器降落到月球冷海的阿特拉斯环形山。虽然在飞行的过程中状态良好，但是着陆器在4月25日的原定着陆时间后并没有发回确认信息。不久，工程师确定其推进剂耗尽导致了着陆器坠毁。 这一切都表明，即便是无人飞行器着陆月球也绝非易事，无人和载人登月都仍然有许多挑战。  3. 聆听宇宙引力波背景 诸如中子星或黑洞碰撞这样的极端高能事件会发出引力波。自2016年首次探测到引力波以来，它为研究宇宙提供了新的途径，而2023年又有了新的发现。 科学家通常受限于只能研究波长范围很窄的引力波。这是因为引力波的波长与产生引力波的两个天体之间的距离以及它们的质量成正相关。这意味着，密近双星所产生的引力波波长要比并合超大质量黑洞双星所产生的引力波波长更短。事实上，超大质量黑洞并合产生的引力波波长可达数十光年。 探测这些长波引力波超出了现有地面引力波探测器的能力范围，它们只能够捕捉到几倍到约100倍于太阳质量的双星所产生的高频引力波信号。这些信号来源于上述双星并合前的最后几分钟或几秒，此时这两个天体会越靠越近直至碰撞，与此同时系统角动量会以引力波的形式被释放。 对于超大质量黑洞，这一过程耗时要更长得多。当星系合并时，它们各自的超大质量黑洞会沉降到中心，并最终在约1亿到2亿年的时间里并合。在此期间，宇宙中其他地方的星系同样会并合，它们所含的超大质量黑洞也会开始长达数亿年的向内旋近过程。 如果存在大量这样的长波引力波信号，那么它们就会叠加在一起，形成一个引力波背景。2023年6月29日发表的一系列论文宣布首次探测到了该引力波背景。 由于没有能探测长波引力波的专门设备，天文学家将目光对准了高速自转的脉冲星。当脉冲星自转时，它会从两极发出辐射束，它们像灯塔一样扫过地球。这些辐射会极其规律地到达地球，误差远小于1秒，这使得每颗脉冲星都成为了一台高精度的宇宙时钟。 天文学家在15年的时间里监测了一个由遍布银河系的67颗脉冲星构成的网络，以此来搜寻它们脉冲到达时刻中的微小偏差。当有引力波穿过时，它会压缩或拉伸地球和脉冲星之间的时空，使得脉冲星信号到达地球的时间相应地略微提前或推迟。就像巨大的海浪，银河系中的脉冲星会随着时空的波动一起运动，而这些起伏需要十多年的时间才能完成一个周期。 这正是天文学家不得不监测这些脉冲星长达15年的原因，但值得。探测到的脉冲星信号到达时刻的偏离模式与宇宙中存在引力波背景的预期相一致。在经过数年的工作之后，天文学家打开了一扇通往引力波宇宙的全新大门。 该发现还解决了天体物理学中此前一个悬而未决的问题，即超大质量黑洞确实在并合。同时它也带来了意外，测得的引力波背景是预期的2倍。这或许是因为超大质量黑洞比目前预期的要更大或者数量更多。当然这也可能来源于一些过去从未想过的原因。 总之，仍需要持续观测以揭示这一引力波背景的真正本质。  2. 韦布空间望远镜发现打破认知的星系 詹姆斯·韦布空间望远镜再次跻身这个榜单应该毫不意外。经过1年多的科学观测，它已开始引发天文学的真正变革，而且来头不小。 2023年2月，分析“韦布”早期图像的科学家宣布，证认出了一些迄今已知最年轻的星系候选体，其中有6个位于宇宙大爆炸后5.4亿年至7.7亿年间。 但这些年轻的星系看上去却没有它们应该有的样子。它们的质量太大了，包含有约100亿到1 000亿个太阳质量的恒星。 根据目前对早期宇宙中物质聚集和恒星形成速率的认识，没有足够的时间能形成这些星系。发现大质量星系形成始于宇宙历史的极早期颠覆了许多人已有的认知。 真的是这样吗？为了挽救对宇宙的现有认识，提出了许多其他的解释。一种观点认为，这些星系的红移或距离并没有原先认为的那么高或远。这是因为报告这一发现的天文学家并没有在所有波长上测量这些星系的光谱特征，而只是用某些特定波段上的滤光片拍摄了它们的图像。这是一种常见的替代技术，但容易产生偏差。这一技术只会识别出最大且最亮的星系，但它们并不能代表整个星系族群的特性。因此，不应该仅根据少数几个样本就来对早期宇宙做出具有普适性的断言。 2023年10月发表的另一项研究通过数值模拟证明，剧烈的恒星形成所产生的短暂、不规则爆发可以让星系在短时间内显得更亮。“韦布”所拍摄到的这些星系兴许正好在短时间内产出了大量恒星。由此，若假设一个稳定的恒星形成率，根据观测到的亮度，就会高估这些星系随着时间产出的恒星总数。但在真实的星系中还没有观测到这一效应，因此仍需要进一步的研究。 有发现团队的天文学家指出，图像中并非所有的星系候选体都是真正的星系。相反，其中一些可能是类星体，这些正在吸积物质的超大质量黑洞要比它们周围的星系亮得多，干扰了对星系亮度、大小和质量的估计。后续研究发现，这6个候选体中确实有一个是年轻的类星体。只有了解了其余候选体的性质，才能确定它们到底是不是本不该出现在早期宇宙中的年轻大质量产星星系。 然而，即使这些星系中只有一个是真的，也会挑战目前对宇宙的认识。  1. 中微子信使下的银河系 朦胧的银河是夜空中熟悉的景象。无论是在可见光、射电甚至是高能γ射线波段，银河的图像都是通过光子来呈现的。但2023年天文学家终于用了一种完全不同的方式看到了银河，不是用光子，而是用中微子。 由于中微子几乎不和其他物质发生相互作用，因此它们能揭示高能事件的发生地点。天文学家认为中微子的来源之一是银道面。在那里，高能事件发出的宇宙线会轰击气体和尘埃，产生之前已被观测到的γ射线。 这些相互作用应该也会产生中微子，但探测中微子需要特殊的设备。这就要用到建在南极的冰立方中微子天文台，它由埋藏在南极超纯净冰下的5 000多个传感器构成。这些探测器排布在约1立方千米的体积内，虽然无法直接看到中微子，但却能探测到中微子偶然撞击冰中原子时发生的相互作用。这一撞击会产生了大量带电粒子，后者会在冰中引发级联反应，发出切连科夫辐射。根据每个探测器记录到这些辐射的时间和地点，天文学家可以反向确定中微子来自天空中的哪个方向。 尽管“冰立方”此前已探测到来自银河系外的中微子，但要发现来自银河系内的中微子却非常困难。这是因为来自遥远星系的中微子撞击冰时会留下笔直且易于追踪的光簇射。要探测银河系内产生的中微子，需要专注于更像球形斑点的轨迹。这些轨迹更难追溯到它们的发源地，以往通常会被忽略。直到科学家开发出了一种机器学习算法，对过去十年来的结果进行了梳理，分析了超60 000次探测的位置和能量等细节。这有助于区分在银河系尘埃和气体中产生的中微子以及因宇宙线撞击地球大气层所产生的中微子。 由此得到了一张中微子信使下的银河系图，这也是人类首次利用光以外的方式看到银河系。正如天文学家所预期的，中微子图与γ射线图符合得很好。在这张图中，不仅有来自气体和尘埃的中微子，还可能有来自黑洞和中子星发出的中微子。梳理出这些中微子源是未来的目标之一。 首次用粒子而不是光来观测银河系是一个巨大的进步。随着中微子天文学的发展，人类将获得一个新的视角来观察宇宙。  |
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[Astronomy 2024年2月]
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