2013十大太空故事

Liz+Kruesi+Shea

2013年大部分的天文頭條都涉及到了宇宙中最極端的天體和事件，例如黑洞、高能宇宙線以及宇宙的開端。不過，行星科學也不甘示弱。

近期，美國《天文學》雜志評選出2013年十大太空故事。

10、黑洞會射出相似的噴流

黑洞具有極端的引力和密度，而它們周圍的環(huán)境則為科學家們提供了天然的物理學實驗室。這些致密的天體有著迥異的質(zhì)量，從幾倍到幾十倍于太陽的恒星質(zhì)量黑洞，再到位于星系中心數(shù)百萬到數(shù)十億倍于太陽的超大質(zhì)量黑洞。在黑洞的周圍有著由高溫氣體所組成的盤而其中還夾雜著糾纏的磁場，沿著垂直于這個盤的方向會射出由近光速運動的粒子所組成的相對論噴流。盡管天文學家們還不能確切知道到底是什么過程制造并驅(qū)動了這些噴流，但是有研究表明，由噴流向周圍環(huán)境所注入的能量與該黑洞的質(zhì)量呈正比。

天文學家已經(jīng)目睹了數(shù)百個因大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞而射出的噴流，被稱為γ射線暴，以及數(shù)百個來自大型星系中心超大質(zhì)量黑洞所射出的噴流，被稱為活動星系核。他們也通過計算機對噴流的行為進行了模擬。新的研究所給出的信息將有助于科學家們搞清楚相對論性噴流產(chǎn)生的機制。

為此，天文學家研究了數(shù)百個指向地球的噴流，其中54個來自γ射線暴，另有234個來自活動星系核。他們測量了這288個噴流的光度，由此可以確定其中由光子所攜帶的能量有多少。進而，可以估計出高速運動的粒子所攜帶的能量以及噴流向周圍環(huán)境所注入的“動能”有多少。

天文學家分析了在這288個恒星質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)中光度和動能之間的關系，發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)出了相同的特性。噴流的總能量中有3～1 5%是以輻射的形式所出現(xiàn)的。

因此，雖然科學家們并不清楚究竟是什么物理機制驅(qū)動了噴流，但它在質(zhì)量差距懸殊的黑洞身上卻遵循著相同的規(guī)律。

9、“旅行者”1號進入星際空間

在就“旅行者”1號是否越過了太陽的日球?qū)訝幷摿?年之后，科學家們于2013年9月12日宣布，位于126個天文單位（1天文單位等于地球到太陽的平均距離）處的“旅行者”1號已身處星際空間中。不僅如此，“旅行者”1號其實在2012年8月25日就已越過了這一邊界。

太陽的磁場、粒子風以及輻射形成了一個可以阻擋銀河系星際介質(zhì)入侵的保護罩，位于這個日球?qū)油鈬膭t是終端激波和太陽風層頂?！奥眯姓摺?號于2004年穿過了終端激波，“旅行者”2號越過終端激波的時間則在2007年。

在2012年7～8月，“旅行者”1號發(fā)現(xiàn)來自銀河系的高能量宇宙線在增多，而來自太陽的粒子則在減少。不過，它并沒有探測到磁場方向的變化——科學家們相信這是“旅行者”1號已越過太陽風層頂進入星際空間的確鑿證據(jù)。由此，其團隊一致認為它當時正處于一個過渡性的磁場通道中。

要是于1980年就已經(jīng)停止工作的等離子體科學儀器仍在運轉的話，它可以在201 2年就解決這個問題。然而，直到2013年4月9日等離子波子系統(tǒng)設備才獲得了有說服力的證據(jù)。它發(fā)現(xiàn)從當天到5月22日“旅行者”1號周圍的等離子體一直存在強烈的振蕩。

根據(jù)這些測量結果，科學家們獲得了“旅行者”1號周圍電子的密度，發(fā)現(xiàn)它當時必定位于太陽風層頂之外，因為當時測得的電子密度比太陽風層頂中預期的電子密度高了近80倍。當他們回顧以前的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從2012年10月23日至11月27日也出現(xiàn)了稍弱的振蕩。將這兩個次振蕩進行比較，天文學家就可以計算出等離子體環(huán)境隨著到太陽的距離是如何變化的。綜合“旅行者”1號每年向外運動約3.58個天文單位的信息，天文學家們由此得出結論，它在2012年8月25日就已進入了星際空間。

“旅行者”1號的天文學家們很謹慎，只說“它已進入了星際空間”，而非“它已經(jīng)離開了太陽系”。這兩者是有明顯區(qū)別的：太陽的引力實際上可以延伸到更遠得多的地方并束縛住距離太陽10萬個天文單位處奧爾特云中的彗星。以目前的速度，“旅行者”1號大約還需要28000年才能離開太陽系。

8、解開輻射帶的奧秘

地球的磁場可以阻攔來自太陽的高能粒子，把它們送入兩個環(huán)繞地球的環(huán)狀帶中。其內(nèi)帶的范圍是從距地表上方600～6400千米，隨著時間的推移它能維持相對穩(wěn)定的形態(tài)。它的外部區(qū)域則始于地表之上約13000公里千米處，可以一直延伸到64000千米遠；其形狀和強度在幾小時到數(shù)天的時間尺度上會發(fā)生變化。這些區(qū)域被稱為范艾倫帶，以1958年發(fā)現(xiàn)它們的科學家命名。

科學家們于2012年8月發(fā)射了兩個范艾倫帶探測器來對其進行研究，進而了解為什么被束縛在其中的粒子會具有這么高的能量。這兩個完全相同的探測器在各自的軌道上繞地球轉動，它們會經(jīng)過范艾倫帶中的不同區(qū)域進而比較和測量其中輻射的變化情況。在它們最靠近地球的時候，距離地表只有600千米；當它們距離地球最遠時，可以達到37000千米。

就在開始工作之后幾天，這兩個探測器就在兩個范艾倫帶之間發(fā)現(xiàn)了第3個輻射帶。這一新的輻射帶從2013年9月3日一直持續(xù)存在到了10月1日。當有物質(zhì)從太陽上被拋射出時，它們會形成一道激波。當該激波擊中地球磁場的時候，它會擾亂外部的范艾倫帶，把粒子推送到第3個臨時的輻射帶中。由于能量太高無法被拋射或者散射掉，它們會逗留在新的輻射帶中，自然而然地形成等離子體波。當太陽在4個星期后又產(chǎn)生了一波風暴之后，它就破壞了這個臨時的輻射帶。

范艾倫探測器還目擊了范艾倫帶中的能量振蕩，從而幫助科學家解決了一個長期存在的問題：究竟是地球磁場之外的過程，還是范艾倫帶內(nèi)的機制把其中的電子和質(zhì)子加速到了接近光速的速度？范艾倫探測器的一大任務就是區(qū)分這兩種可能性。2012年10月8日和9日，它們在范艾倫帶測量到了中間最高且向內(nèi)外兩側遞減的能量分布。這一觀測結果與加速能源來自范艾倫帶內(nèi)部相符。

盡管范艾倫探測器無法確定具體是什么東西把粒子加速到了這么高的能量，但科學家們認為穿過范艾倫帶的輻射波可能是其中的原因。這一能量升高可能會導致地球衛(wèi)星上的電子設備遭到嚴重破壞，這也正是人造衛(wèi)星的軌道都遠離范艾倫帶的原因。了解是什么機制把粒子加速到超過光速的99%，將有助于科學家們預言類似的能量振蕩會何時發(fā)生，進而更有效地來保護地球衛(wèi)星。endprint

7、銀心黑洞撕裂氣體云

2011年底，天文學家們宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量僅相當于3個地球的特殊天體，正在接近銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。這個天體當時似乎正在遠離地球，徑直朝銀心黑洞人馬A*沖去。

在測量了該天體的溫度為550開之后，該天體被判定為一個氣體塵埃云，稱為G2，而非一顆恒星。（由于中央的核聚變，恒星的表面溫度至少是這個數(shù)值的3倍。）科學家們計算發(fā)現(xiàn)G2會在201 3年夏天最靠近人馬A*。

人馬A*在一個大小約為太陽18倍的區(qū)域中擁有約430萬個太陽的質(zhì)量。在這么小的區(qū)域中塞入這么多的物質(zhì)，會使得時空結構發(fā)生極端的扭曲，任何從這個黑洞附近經(jīng)過的東西都會感受到它強大的引力。G2會從距離人馬A*130個天文單位的地方經(jīng)過，但后者的引力甚至遠在這個距離之外就開始撕扯它了。如果它是一顆恒星的話，在整個過程中它自身就會具有足夠的引力來讓自己全身而退。

從2013年4月起，天文學家們便開始監(jiān)測銀心黑洞強大的引力對這團小氣體云的影響。結果顯示，G2的前端已經(jīng)繞過了黑洞的遠端，現(xiàn)在正在朝著地球運動?？茖W家們通過分析其所發(fā)出的光就能知曉這一點。當它遠離我們的望遠鏡時，它所發(fā)出的光看上去會更紅：而當它在朝向我們的望遠鏡運動時，它發(fā)出的光就會偏藍。計算機模擬表明，人馬A*的引力會在一年的時間里一直撕扯G2直到它被撕碎。

天文學家們很少有機會能目睹超大質(zhì)量黑洞撕扯途經(jīng)的物質(zhì)，因此把大量的儀器設備對準了G2。因為其他的超大質(zhì)量黑洞都極為遙遠一一距離我們第2近的位于約250萬光年之外的仙女星系中——地面上的望遠鏡不具備能看清它們周圍物質(zhì)細節(jié)所需的分辨率。這些相互作用可以告訴天文學家們有關黑洞周圍環(huán)境的信息，那里正是極端物理過程發(fā)生的地方。

6、“開普勒”失靈

2009年3月6日開普勒空間望遠鏡發(fā)射升空，旨在尋找太陽系外的類地行星。在近4年的時間里，它一直凝視著約160000顆恒星，來探測它們亮度微小的降低。這些亮度的微小降低可能是由于一顆行星從其前方經(jīng)過遮擋其光線所造成的，即“凌星事件”。在“開普勒”的數(shù)據(jù)中，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約3500顆行星候選體，到目前為止已經(jīng)確認了156顆行星。

遺憾的是，“開普勒”所收集的數(shù)據(jù)并不足以能提供更多有關太陽系外行星的深層次信息。2012年7月，它4個反應輪中一個失靈。反應輪至關重要，正是它保持著“開普勒”的精確指向。使用3個反應輪仍能讓“開普勒”始終對準同一天區(qū)，但2013年5月又一個反應輪失靈。“開普勒”的科學家試圖修復一個失靈的反應輪，但無濟于事。2013年8月15日，科學家們宣布“開普勒”發(fā)現(xiàn)太陽系外行星的時日已經(jīng)結束，他們正在考慮把它用于其他研究。

在“開普勒”失靈之前，天文學家們已經(jīng)在它的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了多行星系統(tǒng)和地球大小的行星。他們還對所觀測的恒星有了更多的了解。恒星亮度的變化并不一定都源自行星對其的遮擋。恒星黑子、恒星耀斑以及恒星內(nèi)部的脈動也會導致其輻射的變化。利用“開普勒”的數(shù)據(jù)，通過研究這些振蕩，科學家們測定了數(shù)千顆恒星的年齡和大小。

科學家們至少需要3次亮度降低才能將其視為擁有行星的候選恒星。因此，如果有一顆地球大小的行星，在其表面可以有液態(tài)水存在的距離上環(huán)繞一顆類太陽恒星轉動的話，將至少需要3個地球年的數(shù)據(jù)來看到3次凌星事件?！伴_普勒”的數(shù)據(jù)中仍有半數(shù)尚未被分析，許多行星可能還隱藏在其中。所以，盡管“開普勒”已經(jīng)無法再收集太陽系外行星的數(shù)據(jù)了，但這并不意味著來自“開普勒”的發(fā)現(xiàn)就會戛然而止。

5、彗星照亮夜空

人人都喜歡明亮的彗星。它在天空中會造就出夢幻般的景象，讓整個世界為之敬畏，并為研究早期太陽系提供了一個實驗室。相比任何天體，彗星能更有效地激發(fā)起大眾對天文學的興趣，這也使得在2013年出現(xiàn)的兩顆明亮的彗星——快速反應系統(tǒng)彗星（C/2011 L4）和光科網(wǎng)彗星（C/2012 S1），因此成為了全世界的人們競相觀看的目標。

雖然光科網(wǎng)彗星被譽為2013年度彗星，但占據(jù)2013年春季頭條的卻是另一顆彗星。它就是由全景巡天望遠鏡和快速反應系統(tǒng)在2011年6月5～6日發(fā)現(xiàn)的C/2011 L4，又稱泛星彗星。2013年3月10日該彗星從距離太陽4500萬千米處飛過，當時南半球的觀星者有著比北半球的更好的視角。泛星彗星的亮度最高達到了0.6等。雖然在夜空中是一個非常漂亮的天體，但它的亮度仍只有光科網(wǎng)彗星預期峰值的1/2300。

2012年9月21日國際光學科學網(wǎng)絡的40厘米望遠鏡觀測到了一個暗弱的光點。進一步的分析確認它是一顆彗星，計算顯示它會在2013年11月28日從距離太陽表面180萬千米處——僅相當于太陽直徑的1.3倍處飛過。

大多數(shù)彗星都起源自奧爾特云，它距離太陽20000～100000個天文單位，含有數(shù)萬億顆彗星。當它們中的一個進入內(nèi)太陽系時，太陽的輻射會使之升溫，其所含的冰會直接升華成氣體。隨著其周圍氣體云彗發(fā)的膨脹，彗星就會增亮。

光科網(wǎng)彗星會增亮到滿月程度的報道很快不脛而走。然而，在其沖日前一個月，預測表明它的亮度將會達到-7.8等。雖趕不上滿月，但仍將是黃昏天空中壯觀的景象。這顆彗星此前從來沒有接近過太陽，因此當時沒有人知道它將會如何表現(xiàn)。它有可能會被太陽的引力瓦解，也許會奉上更令人印象深刻的表演。

無論如何，光科網(wǎng)彗星已經(jīng)滲透進了媒體、科學家的討論和普羅大眾的心中。

4、“好奇”號發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)宜居的火星環(huán)境

從工程上講，2012年8月6日“好奇”號火星車登陸火星表面是一件非常復雜的事情。降落到這顆紅色行星之上本身就是一個令人印象深刻的壯舉，但接下去的事情則讓人喜出望外。2013年2月8日它鉆探了第一塊巖石，采集了其中的物質(zhì)樣本并對它們進行了化學和礦物學分析。對鉆探出粉末的礦物學分析發(fā)現(xiàn)了蒙脫石粘土，這佐證了火星早期擁有液態(tài)水的環(huán)境，而且這其中的水酸堿性都不高也不太咸?；瘜W分析則檢測出了生命所需的所有主要元素：硫，氮，氧，磷和碳。因此，憑借其鉆取的第一個樣本，“好奇”號就證明火星曾經(jīng)擁有一個宜居的環(huán)境。endprint