新聞速遞

□ 謝 天

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位于塵埃帶之間行星的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：NASA/JPLCaltech。

由塵埃來尋找行星

根據(jù)美國(guó)宇航局斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和歐洲空間局赫歇爾空間天文臺(tái)的紅外觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)HD 95086為一個(gè)塵埃暈所包裹。HD 95086位于船底座，距離地球約295光年。它包含有兩條塵埃帶，都位于新發(fā)現(xiàn)的塵埃暈之內(nèi)。其中一條塵埃帶距離宿主恒星較近，溫度也稍高，類似太陽系中的小行星帶。另一條塵埃帶則距離較遠(yuǎn)，溫度則稍低，類似太陽系的柯伊伯帶。

在太陽系中，木星、土星、天王星和海王星位于兩條塵埃帶之間。HD 95086的情況也類似，但尺度更大。在其外側(cè)的塵埃帶中已發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量5倍于木星的行星?？赡茉谶@兩條塵埃帶中還存在著其他仍未被發(fā)現(xiàn)的行星。

“斯皮策”和“赫歇爾”的這些觀測(cè)為地面望遠(yuǎn)鏡通過直接成像來搜尋太陽系外行星指明了方向。事實(shí)上HD 95086中已知的行星就是由此發(fā)現(xiàn)的。雖然因?yàn)樾行蔷嚯x太遠(yuǎn)且十分暗弱，所獲得的圖像分辨率并不高，但它們卻可以為行星系統(tǒng)的整體架構(gòu)提供新的信息。

通過了解塵埃帶的位置以及系統(tǒng)中已知行星的屬性，使用計(jì)算機(jī)模擬，天文學(xué)家可以推斷出那里還會(huì)存在什么類型的行星。結(jié)果顯示，HD 95086中應(yīng)該還會(huì)存在多顆質(zhì)量稍小的行星，而非一顆巨行星。

遙遠(yuǎn)原星系團(tuán)中的星系并合

使用阿塔卡瑪毫米波大天線陣，天文學(xué)家在早期宇宙中獲得了迄今最佳的等級(jí)式并合過程的觀測(cè)證據(jù)。在此項(xiàng)研究中被觀測(cè)的是一個(gè)年輕的原星系團(tuán)，位于125億光年之外。其中包含一個(gè)星暴星系，被稱為AzTEC-3，它產(chǎn)星的速度是銀河系的近1000倍。

根據(jù)星系演化的等級(jí)式模型，在早期宇宙中，借由吞食和并合其他幼年星系所獲取的大量物質(zhì)，星暴星系會(huì)以極高的速度形成新的恒星。這一并合過程會(huì)持續(xù)幾十億年的時(shí)間，最終形成今天我們所看到的大型星系和星系團(tuán)。雖然支持關(guān)于這一模型的觀測(cè)證據(jù)在不斷地增加，但此次最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)則清晰地顯示了，在宇宙年齡只有今天的8%時(shí)，這一過程中最初的關(guān)鍵步驟。

AzTEC-3位于六分儀座，是一個(gè)亞毫米波星系。也就是說，它所發(fā)出的輻射主要集中在亞毫米波波段，而在可見光和紅外波段上則要暗得多。該星系產(chǎn)星環(huán)境中的塵埃會(huì)吸收星光，之后會(huì)以遠(yuǎn)紅外輻射的形式再發(fā)射出來。隨著這些遠(yuǎn)紅外輻射在宇宙中傳播，它們會(huì)被宇宙的膨脹拉長(zhǎng)，在抵達(dá)地球時(shí)則變成了毫米波或者亞毫米波。

憑借阿塔卡瑪毫米波大天線陣的高靈敏度和高分辨率，在AzTEC-3近旁還發(fā)現(xiàn)了3個(gè)較小的星系。它們也正在產(chǎn)星，但速率要低得多。

阿塔卡瑪毫米波大天線陣所觀測(cè)原星系團(tuán)的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：B. Saxton/NRAO/AUI/NSF。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)的天爐矮星系中的4個(gè)球狀星團(tuán)。版權(quán)：NASA/ESA/S. Larsen (Radboud University)。

矮星系球狀星團(tuán)亦有兩星族

球狀星團(tuán)是由大量恒星所構(gòu)成的球形集合，也是宇宙最大的謎題之一。曾經(jīng)認(rèn)為它們由同時(shí)形成的單一星族構(gòu)成，但在銀河系的球狀星團(tuán)中卻發(fā)現(xiàn)了至少兩個(gè)星族的恒星，表明它們有著復(fù)雜的形成歷史。 在這些星族中，有半數(shù)的恒星屬于一個(gè)星族，它們率先形成。另一半的恒星則屬于另一個(gè)星族，是第二代恒星，受到了第一代恒星所產(chǎn)生化學(xué)元素的污染。它們的氮含量是第一代恒星的50～100倍。

在銀河系球狀星團(tuán)中，這些受污染恒星的比例遠(yuǎn)高于預(yù)期，表明有大量第一代恒星已不知所終。主流的解釋是這些星團(tuán)曾包含多得多的恒星，但在過去的某個(gè)時(shí)候大量的第一代恒星被拋射出了星團(tuán)。這可以解釋銀河系中的球狀星團(tuán)，因?yàn)楸粧伾涑龅暮阈强梢赃M(jìn)入巨大的銀河系暈。然而，使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)近鄰的天爐矮橢圓星系中4個(gè)球狀星團(tuán)的觀測(cè)卻對(duì)該理論提出了質(zhì)疑。

結(jié)果顯示，這4個(gè)球狀星團(tuán)都含有半數(shù)受污染的第二代恒星，其氮含量與銀河系球狀星團(tuán)的相當(dāng)。這不僅說明它們彼此的形成方式相似，而且還表明它們的形成過程與銀河系球狀星團(tuán)類似。由此推斷，在大量第一代恒星被拋射出去之前，這些球狀星團(tuán)原本的質(zhì)量應(yīng)該是目前的10倍。但在天爐矮橢圓星系中卻并沒有足量的年老恒星來解釋被驅(qū)逐出球狀星團(tuán)的第一代恒星。

類星體自轉(zhuǎn)軸和大尺度結(jié)構(gòu)指向相一致的藝術(shù)概念圖。藍(lán)色為大尺度結(jié)構(gòu)，白色直線為類星體自轉(zhuǎn)軸。版權(quán)：ESO/M. Kornmesser。

使用歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙中迄今最大的結(jié)構(gòu)排列現(xiàn)象。這具體表現(xiàn)為，在數(shù)十億光年的尺度上，一些類星體中央超大質(zhì)量黑洞的自轉(zhuǎn)軸相互平行。此外，這些類星體自轉(zhuǎn)軸的指向還與它們所處宇宙之網(wǎng)的巨大結(jié)構(gòu)相一致。

類星體是星系核心處極其活躍的超大質(zhì)量黑洞。在這些黑洞的周圍有由超高溫物質(zhì)所構(gòu)成的吸積盤。沿著這些盤的自轉(zhuǎn)軸，常常會(huì)射出非常長(zhǎng)的噴流。類星體的亮度可以超過其宿主星系中所有恒星的總和。

在此項(xiàng)研究中，天文學(xué)家研究了跨越數(shù)十億光年巨大尺度上的93個(gè)類星體，其中最遙遠(yuǎn)的位于宇宙年齡僅為目前值的三分之一處。這些類星體的自轉(zhuǎn)軸和噴流無法被直接探測(cè)到，為此天文學(xué)家測(cè)量了它們所發(fā)出輻射的偏振。綜合偏振的方向和其他信息，可以推算出吸積盤的傾角，并由此得到類星體自轉(zhuǎn)軸的指向。

令人吃驚的是，盡管這些類星體相距如此遙遠(yuǎn)，但其中一些的自轉(zhuǎn)軸卻是相互平行的。此外，這一新的觀測(cè)結(jié)果還顯示，類星體的自轉(zhuǎn)軸還平行于它們自身所處的大尺度結(jié)構(gòu)。因此，如果類星體位于長(zhǎng)細(xì)絲狀的結(jié)構(gòu)中時(shí)，其中央黑洞自轉(zhuǎn)軸也會(huì)指向與前者相同的方向。據(jù)估計(jì)，由于人為選擇效應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)這一排列的概率不足1%。

米級(jí)小行星撞擊頻次圖

直徑約1米的小型小行星在不斷地撞入地球大氣層并瓦解。新的數(shù)據(jù)顯示其差不多每?jī)芍芫蜁?huì)發(fā)生1次，撞擊事件發(fā)生的地點(diǎn)則呈隨機(jī)分布。這些數(shù)據(jù)涵蓋了從1994年到2013年所探測(cè)到的直徑超過1米的火流星事件和大致釋放的能量。在過去的20年中共探測(cè)到了至少556次不同能量的火流星事件。如圖所示，橙色點(diǎn)（白天事件）和藍(lán)色點(diǎn)（夜晚事件）的大小正比于該事件在可見光波段所釋放的能量。該能量和撞擊的總能量之間有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖中最小的點(diǎn)代表可見光能量為十億焦耳，其撞擊的總能量相當(dāng)于5噸TNT炸藥。在所有列出的事件中，撞擊能量最大的是發(fā)生在2013年2月15日的車?yán)镅刨e斯克事件，能量在44～50萬噸TNT的當(dāng)量。撞擊小行星的直徑約為20米。

發(fā)生在1994年到2013年間的火流星事件。版權(quán)：Planetary Science。

地球大氣在阻擋小型小行星上發(fā)揮了重要的作用。這些新的數(shù)據(jù)可以用來外推并估計(jì)可以造成地表破壞的小行星撞擊概率。雖然新的數(shù)據(jù)顯示小型小行星撞擊地球的現(xiàn)象很常見，但對(duì)于未來撞擊的風(fēng)險(xiǎn)仍不能掉以輕心。

美國(guó)的近地小天體觀測(cè)計(jì)劃已發(fā)現(xiàn)了96%以上的千米級(jí)小行星，數(shù)目達(dá)近千顆。該計(jì)劃目前正在對(duì)直徑超過140米的小行星進(jìn)行普查，力圖確定其中的90%以上，預(yù)期數(shù)量是千米級(jí)小行星的25倍。

低質(zhì)量恒星近旁行星未必宜居

近距離圍繞低質(zhì)量恒星的行星是未來搜尋地外生命的主要目標(biāo)，因?yàn)榈唾|(zhì)量恒星是宇宙中最常見的恒星。但一項(xiàng)新的研究卻表明，由于形成期的高溫，這些行星可能在很久以前就已失去了承載生命的機(jī)會(huì)。低質(zhì)量恒星也被稱為M型矮星，直徑比太陽小，光度也要小得多，因此其周圍的宜居帶會(huì)非?？拷?。位于宜居帶內(nèi)的行星其表面可以有液態(tài)水存在，因此有可能會(huì)擁有生命。距離宿主恒星較近的行星也相對(duì)容易被探測(cè)到。

所有的恒星都形成于星際氣體云的坍縮。由于質(zhì)量小且引力弱，M型矮星的坍縮會(huì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間，達(dá)幾億年。但在其周圍行星形成所需的時(shí)間只要1000萬年，因此行星會(huì)經(jīng)歷其宿主恒星仍然極為明亮的階段。這會(huì)破壞行星的宜居性，因?yàn)樗鼈儚囊婚_始溫度就會(huì)非常高，表面溫度超過數(shù)千度。此時(shí)海洋會(huì)沸騰，大氣層中會(huì)充滿水蒸氣。此外，M型矮星會(huì)發(fā)出大量的X射線和紫外線，這會(huì)加熱行星的頂層大氣，使得其中的氣體逃逸。

通過計(jì)算機(jī)模擬，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些靠近其低質(zhì)量宿主恒星的行星而言，在它們?nèi)蕴幱谛纬蛇^程中時(shí)，它所含有的水和大氣就會(huì)被蒸發(fā)掉。因此，M型矮星宜居帶中的許多行星在很久之前就已變得不再宜居。

M型矮星旁行星系統(tǒng)的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：NASA/JPL。

星暴的自發(fā)終止

使用美國(guó)宇航局的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X射線天文臺(tái)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)年輕、大質(zhì)量且致密的星系其劇烈的產(chǎn)星過程會(huì)很快終止。原因是大規(guī)模的恒星形成會(huì)吹散剩余氣體，切斷產(chǎn)星的原料供應(yīng)。由此它們會(huì)變成僅含有年老恒星的紅色星系。

大質(zhì)量星系是如何從活躍的產(chǎn)星工廠轉(zhuǎn)變成恒星墳場(chǎng)的，幾十年來一直存在爭(zhēng)議。之前的觀測(cè)顯示，在這些星系中的氣體會(huì)以時(shí)速300萬千米的速度被噴射出。這可能是由于其中央的超大質(zhì)量黑洞所引起的氣體外流，由此清除了可用于產(chǎn)星的物質(zhì)儲(chǔ)備。

對(duì)12個(gè)處于產(chǎn)星過程末期的并合星系的研究顯示， 在宇宙年齡為目前的一半處，恒星自身就能夠終止產(chǎn)星過程。這些樣本最初從斯隆數(shù)字巡天中挑選出，然后“哈勃”對(duì)它們進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)它們絕大多數(shù)都具有氣體高速外流。這些星系的質(zhì)量與銀河系相當(dāng)，但尺度要小得多。其中最小的直徑僅650光年。為了識(shí)別出氣體高速外流的機(jī)制，“錢德拉”對(duì)它們進(jìn)行了觀測(cè)，以確定這是否是由超大質(zhì)量黑洞所驅(qū)動(dòng)。結(jié)果顯示，黑洞并非是這些外流的源頭。相反，氣體的外流是由大質(zhì)量恒星的星風(fēng)所驅(qū)動(dòng)的。

絢麗多彩的中年星團(tuán)

歐洲南方天文臺(tái)的2.2米望遠(yuǎn)鏡拍攝了這幅明亮星團(tuán)NGC3532的絢麗圖像。其中一些恒星閃耀著高溫藍(lán)色的光芒，但許多大質(zhì)量恒星則已演化成了紅巨星，散發(fā)出橙紅色的光輝。NGC3532是一個(gè)疏散星團(tuán)，包含有約400顆恒星。它位于船底座，距離地球約1,300光年。NGC3532有一個(gè)非正式的名稱“許愿池星團(tuán)”，因?yàn)樗嗡粕⒙湓谒刂杏糜谠S愿的硬幣。它有時(shí)又因呈橢圓形，而被稱為“橄欖球星團(tuán)”。

從南半球用肉眼就能很容易地看到這個(gè)明亮的星團(tuán)。1752年，由法國(guó)天文學(xué)家尼古拉?路易?德拉卡耶率先發(fā)現(xiàn)，1755年被編纂入星表。它是全天最壯觀的疏散星團(tuán)之一。NGC3532所覆蓋的天區(qū)是滿月大小的2倍，里面富含雙星。此外，在1990年5月20日，它也成為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)的第一個(gè)目標(biāo)。

這個(gè)星團(tuán)的年齡約為3億年。根據(jù)疏散星團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)，屬于中年。一開始質(zhì)量居中的恒星目前仍在發(fā)出藍(lán)白色的光芒，而初期的大質(zhì)量恒星則已經(jīng)耗盡了核心氫燃料演化成了紅巨星。由此，在這個(gè)星團(tuán)中富含有藍(lán)色和橙色的恒星。在該星團(tuán)誕生時(shí)質(zhì)量最大的恒星則在很久之前就已發(fā)生超新星爆炸而死亡。在該星團(tuán)的背景天空中能看到許多銀河系中的恒星，此外還能看到發(fā)出紅光的氣體和塵埃帶。

歐洲南方天文臺(tái)2.2米望遠(yuǎn)鏡拍攝的疏散星團(tuán)NGC3532。版權(quán)：ESO/G. Beccari。

綜合起來，這些星系的演化可分為：（1）星系碰撞使得氣體注入核心區(qū)；（2）氣體被擠壓產(chǎn)生星暴，吹散剩余的產(chǎn)星物質(zhì)；（3）星系平靜下來，僅包含老年恒星。

星暴星系分3個(gè)階段演化的示意圖。版權(quán)：NASA/ESA/A. Feild (STScI)。

在近距星系NGC4151中央黑洞的周圍有一個(gè)塵埃環(huán)，它是距離測(cè)量的關(guān)鍵。版權(quán)：NASA。

測(cè)量星系距離新方法

使用凱克天文臺(tái)干涉儀，天文學(xué)家精確測(cè)量了近距星系NGC4151的距離。所采用的這一新方法類似于地球上的大地丈量，通過測(cè)量一個(gè)遙遠(yuǎn)天體的物理尺度和角尺度，進(jìn)而可以計(jì)算出它到地球的距離，由此精確測(cè)定數(shù)千萬光年遠(yuǎn)星系的距離。 NGC4151中央有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。此前測(cè)得的距離在1300～9450萬光年之間。但使用這一新的更精確的方法，計(jì)算出其超大質(zhì)量黑洞的距離為6200萬光年。

NGC4151具有一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，它在這項(xiàng)研究中起到了至關(guān)重要的作用。宇宙中所有的大型星系都在中心處擁有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這其中約有10%的會(huì)通過吞食周圍的氣體和塵埃而生長(zhǎng)。在這個(gè)過程中物質(zhì)會(huì)被加熱到極高的溫度，成為明亮的輻射源。

在超大質(zhì)量黑洞周圍形成的高溫塵埃環(huán)會(huì)發(fā)出紅外輻射，它可以用于測(cè)定距離。然而，它的角尺度太小，只有使用凱克干涉儀才能對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。為了確定它的物理尺度，天文學(xué)家測(cè)量了黑洞附近和距離黑洞較遠(yuǎn)處輻射的時(shí)延，將其乘以光速即可得到塵埃環(huán)到中央黑洞的距離。綜合測(cè)量到的塵埃環(huán)物理尺度和角尺度，就能計(jì)算出該星系的距離，結(jié)果顯示誤差約為10%。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）