天文學(xué)新發(fā)現(xiàn)

劉聲遠

全球各大科學(xué)網(wǎng)站，幾乎每天都有天文學(xué)新研究成果發(fā)布。就讓我們來看一看最近一些引起關(guān)注的天文學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

由中國發(fā)射的嫦娥5 號月球探測器，最近把一些新的月球巖石和土壤樣本帶回了地球。這是過去40 年來探測器首次把月球樣本帶回地球。根據(jù)這些新樣本，一個國際研究團隊已經(jīng)確定這些月球巖石的年齡接近19.7 億年?？茖W(xué)家認為，嫦娥5 號帶回的樣本填補了10 億年的空白。此話怎講？

嫦娥5 號設(shè)計的任務(wù)之一，是從月面一些最年輕的火山地帶提取地質(zhì)樣本送回地球。對這些樣本進行研究，有助于揭示月球的很多奧秘，而月球年輕巖石的年代測定屬于其中最早獲得的研究成果。當然，這里所說的“年輕”是相對而言的。由阿波羅號飛船帶回地球的月球火山巖石樣本的年齡都超過30 億年。而對嫦娥5 號帶回的樣本進行的測定結(jié)果表明，這些樣本比阿波羅號所帶回的樣本年輕不止10 億年。因此可以說，嫦娥5號填補了一個重要的空白。

填補這樣的空白不僅對研究月球來說很重要，而且對研究太陽系中其他巖石行星來說也很重要。作為一個行星類天體，月球的年齡大約為45 億年，也就是與地球年齡相仿。但與地球不同的是，月球沒有造山運動來逐漸消除表面的隕擊坑。因此，科學(xué)家可以利用月球上持久存在的隕擊坑來估計月面不同區(qū)域的地質(zhì)學(xué)年齡，這一估計所依賴的部分依據(jù)是這些區(qū)域的隕擊坑密度。

最新研究發(fā)現(xiàn)，由嫦娥5 號帶回的月球巖石的年齡只有大約20 億年。能以高精度確定這些巖石的年齡，讓科學(xué)家現(xiàn)在能夠更準確地評估他們所采用的年代推定工具是否可靠。雖然科學(xué)家知道行星體表面隕擊坑越多則表示這些表面越古老，但要想測定這些表面的實際年齡，則必須依賴這些從表面取回的樣本。

阿波羅號當初帶回的月球巖石樣本，讓科學(xué)家能夠確定這些巖石所對應(yīng)月面區(qū)域的年齡，并把這些區(qū)域的年齡和隕擊坑密度進行對照。這種隕擊坑年代學(xué)研究已經(jīng)被推廣到水星和金星，即通過隕擊坑密度來相對準確地估計行星表面一些區(qū)域的年齡。

在最新研究中，科學(xué)家對嫦娥5 號所帶回巖石的測定年齡也有誤差，為±5 000 萬年。但這個測定結(jié)果依然很重要，因為以行星時間為標準來看，這是一種很準確的界定方法，由此也能很好地分辨各種年代學(xué)方法的優(yōu)劣。

對嫦娥5 號所帶回樣本中玄武巖成分的研究，還取得了其他有趣的發(fā)現(xiàn)，對于研究月球的火山歷史很有幫助。可以預(yù)期，對這些巖石的研究將繼續(xù)獲得豐碩成果，而目前的研究結(jié)果只不過是冰山一角?？茖W(xué)家正在篩選這些月球樣本，從中尋找關(guān)鍵線索，以破解更多的月球奧秘。例如，從嫦娥5 號樣本中尋找來自比嫦娥5 號采樣地點遙遠得多的那些年輕隕擊坑的月壤，由此確定這些月壤的年齡，以及這些不同隕擊坑的物理特性。

在這項新研究中，中外科學(xué)家進行了良好合作。外國科學(xué)家評價說，負責(zé)對嫦娥5 號樣本進行檢測的北京實驗室是全球最好的實驗室之一，同時，中國對相關(guān)研究數(shù)據(jù)也無私地進行了的分享。

金星的質(zhì)量和大小都與地球差不多，這兩顆行星的構(gòu)成也都主要是巖石，而且兩者都有水和大氣層。但金星與地球的差異也很大：金星有濃密得讓人窒息的二氧化碳大氣、極端的表面溫度和硫酸云，與地球生命所需的條件毫不兼容。然而，金星是不是一直都如此糟糕？

以往有研究指出，過去，金星可能存在海洋，因此那時的金星對生命是友善的。但事實是否如此？最近，一個科學(xué)團隊專門對金星是否有過溫和時期進行了調(diào)查，其調(diào)查結(jié)果并不樂觀。

金星最近成為天體物理學(xué)家的重點研究對象。歐洲空間局和美國宇航局2021 年決定，未來10 年中將發(fā)射3 艘以上的金星探測器，以調(diào)查這顆距離太陽第二近的行星。這些探測器要回答的重要問題之一是：金星是否曾經(jīng)有過海洋？而前述科學(xué)團隊則試圖用地球上的工具來回答這個問題。他們的研究方法是模擬地球和金星在剛開始演化時（即超過40 億年前）的氣候。當時的高溫意味著，任何水分都應(yīng)該會以極高壓下的蒸汽形式存在。

采用復(fù)雜的三維大氣模型（科學(xué)家在模擬地球現(xiàn)行氣候和未來演化時采用的正是這種模型），該團隊探索了地球和金星的大氣層隨著時間推移的演化情況，以及是否會在演化過程中形成海洋。模擬結(jié)果是：氣候條件不允許蒸汽在金星大氣層中凝結(jié)。也就是說，金星的氣溫從來就沒有低到過足以讓大氣中的水分形成雨滴，并降落到金星表面的程度?；蛘哒f，水分一直都只是作為一種氣體待在金星大氣層中，金星上從來都沒有海洋存在。該團隊指出，他們做出如此推斷的一個主要理由是，云層主要形成于金星的背陰面（即陽光照射不到的半面），但這些云層產(chǎn)生很強的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致金星降溫不可能像科學(xué)家之前推測的那么快。

該團隊的模擬結(jié)果還表明，如果地球當初距離太陽再近一點，或者當時還年輕的太陽比今天的太陽更明亮，那么地球就很可能遭遇和金星一樣的命運。該團隊推測，年輕太陽的輻射實際上相對較弱，從而地球的降溫程度足以讓蒸汽凝結(jié)以形成海洋。長久以來，科學(xué)界有一種觀點：如果年輕太陽發(fā)出的輻射比今天的太陽輻射弱得多，那么當初的地球就會是對生命不友好的巨大冰球，換句話說，更明亮的太陽對生命有利。但該團隊認為，對非常熾熱的年輕地球來說，當時不那么明亮的太陽反而為生命誕生提供了意想不到的契機。

該團隊承認，他們的研究結(jié)論是基于理論模型做出的，因此不屬于定論。他們期待未來的金星探測器證實或推翻他們的研究結(jié)論。

科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，火星上一個叫做阿拉伯高地的區(qū)域曾經(jīng)短暫存在過水。

位于火星北緯地帶的阿拉伯高地，由一位意大利天文學(xué)家在1879 年命名。這片古老的土地所占據(jù)的面積比歐洲大陸略大。該區(qū)域包括隕擊坑、火山臼、峽谷和漂亮的條紋巖石，這些巖石帶很像地球上的沉積巖。

科學(xué)家對這些火星巖石的成因很感興趣，這是因為通過這些巖石能更好地了解40 億～30億年前火星表面的狀況，尤其是當時火星的氣候條件是否支持生命存在。而要想知道是否支持生命存在，就需要了解當時火星上有沒有穩(wěn)定的液態(tài)水、液態(tài)水存在的時間有多久、大氣狀況如何，以及火星地表溫度怎樣。

為了更好地了解這些火星巖石的成因，科學(xué)家關(guān)注的是熱慣性（即改變一個物體溫度的難易程度）。例如，松軟的沙吸熱和散熱都很快，而夏天的巖石在入夜后很久仍可能是燙的。通過調(diào)查地表溫度，科學(xué)家得以確定了阿拉伯高地巖石的物理特性，即那里的物質(zhì)是否較松，或者正好相反。

雖然阿拉伯高地占火星表面積的比例不小，但此前沒有人對那里的沉積巖進行過熱慣性調(diào)查。在最新研究中，科學(xué)家利用了環(huán)繞火星的飛行器搭載的遙感設(shè)備。利用遙感數(shù)據(jù)，他們調(diào)查阿拉伯高地的熱慣性、侵蝕跡象、隕擊坑狀況和當?shù)卮嬖谀男┑V物質(zhì)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，他們認為阿拉伯高地沉積巖的黏結(jié)力比之前認為的要低得多，因此該高地有可能在一段不長的時期中存在過水。

短暫有水的結(jié)論有可能令人失望，因為人們一般會認為，水越多、存在水的時間越長則越有利于生命存在。但對阿拉伯高地進行熱慣性調(diào)查的科學(xué)家認為，他們的調(diào)查結(jié)論之所以重要，是因為這一結(jié)論引發(fā)了一連串的新問題：是什么條件讓水在阿拉伯高地短暫存在過？火星上是否有過冰川，而冰川迅速融化是否造成洪水泛濫？火星上是否有地下水，而地下水是否會在短暫滲出地表后又回到地下？

科學(xué)家認為，就算今天的火星不存在液態(tài)水，過去的火星上也不存在生命，這類調(diào)查對于我們了解火星演化乃至其他行星類天體的演化來說也很重要。無論如何，火星探索現(xiàn)在已進入新的高潮。

科學(xué)家日前宣布，可能已首次探查到一顆銀河系外的行星凌日（即行星從恒星正面經(jīng)過）的跡象。運用美國宇航局“錢德拉X 射線天文臺”空間望遠鏡（簡稱錢德拉望遠鏡）取得的這一探測結(jié)論，為尋找在非常遙遠距離外的行星開辟了道路。

通常所說的系外行星，一般指位于太陽系外的行星。而這顆疑似的系外行星位于螺旋星系梅西耶51。該星系因其獨特的形狀，也被稱為渦狀星系。

在發(fā)現(xiàn)這顆疑似行星之前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的所有系外行星都位于銀河系內(nèi)，它們距離地球幾乎都不到3 000 光年。而這顆疑似行星距離地球大約2 800 萬光年，其距離之遙遠可想而知。科學(xué)家說，要想發(fā)現(xiàn)其他星系中的行星，策略之一是在X 射線的波長范圍內(nèi)進行搜索。

當行星凌日時，行星會阻擋其母恒星的一部分星光，導(dǎo)致恒星亮度略降。利用地面和空間望遠鏡，科學(xué)家搜尋可見光和電磁輻射強度的下降，由此發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。而在這項新研究中，科學(xué)家搜尋的是X 射線明亮雙星所發(fā)出的X 射線的亮度下降。這類雙星系統(tǒng)通常包含一顆中子星或一個黑洞，以及一顆伴隨恒星（簡稱伴星）。如果伴星近距離環(huán)繞黑洞，那么黑洞會抽取伴星的氣體。無論是中子星還是黑洞，靠近它們的物質(zhì)都會變得超熱，并且在X 射線波長“發(fā)光”。

由于產(chǎn)生明亮X 射線的區(qū)域很小，因此一顆正面經(jīng)過該區(qū)域的行星會阻擋大部分甚至所有X 射線，從而讓凌日容易被探查到。與現(xiàn)行的光學(xué)凌日調(diào)查相比，X 射線探查方法可能讓科學(xué)家探查很遠的距離。而通過可見光調(diào)查凌日時，行星只能遮擋恒星的很小一部分，所以必須探查到由此造成的很不明顯的恒星亮度下降才能得以探查。

運用X 射線凌日調(diào)查方法，科學(xué)家探查到了位于梅西耶51 星系中一個雙星系統(tǒng)內(nèi)的一顆疑似行星。該雙星系統(tǒng)包含一個黑洞或一顆中子星，還有一顆質(zhì)量約為太陽20 倍的伴星。他們運用錢德拉望遠鏡探測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的X 射線凌日現(xiàn)象持續(xù)了大約3 小時，在此期間X 射線發(fā)射量降到了零。基于這一點和其他信息，科學(xué)家估計這顆疑似行星與土星大小相仿，它環(huán)繞黑洞或中子星的距離為土星與太陽之間距離的大約2 倍。

這一疑似行星是否為行星，還需要更多數(shù)據(jù)來驗證。一大挑戰(zhàn)是，這顆疑似行星的巨大軌道意味著它要大約70 年才會正面經(jīng)過其雙星伴侶一次。換句話說，以后幾十年內(nèi)科學(xué)家都不可能通過凌日觀測證實或否定該行星的存在。另一個挑戰(zhàn)是，就連70 年這個數(shù)據(jù)也無法確定，因此科學(xué)家根本不知道應(yīng)該在何時進行觀測。

這次發(fā)現(xiàn)的亮度變暗，其實也可能由正面經(jīng)過X 射線源頭的塵埃和氣云導(dǎo)致。但科學(xué)家認為，梅西耶51 星系中這個雙星系統(tǒng)里的凌日現(xiàn)象不符合云層經(jīng)過的特征，而是符合行星凌日的特征。

如果這顆疑似行星最終被證實為一顆行星，那么它很可能有一段非常動蕩、暴烈的歷史。位于雙星系統(tǒng)中的行星一定會經(jīng)歷超新星爆發(fā)的巨大沖擊，而正是超新星創(chuàng)生了中子星或黑洞。這顆行星的未來也危機四伏，因為與它相伴的恒星最終也可能以超新星的形式爆發(fā)，屆時這顆行星必將再次遭遇超大強度的輻射轟炸。

在這次研究中，運用錢德拉望遠鏡和歐洲空間局的XMM- 牛頓望遠鏡，科學(xué)家在銀河系外的3 個星系中觀測凌日。通過對梅西耶51星系中55 個系統(tǒng)、梅西耶101 星系中64 個系統(tǒng)和梅西耶104 星系中119 個系統(tǒng)的搜尋，結(jié)果只發(fā)現(xiàn)了這一顆疑似行星。

科學(xué)家將繼續(xù)搜索其他更多的星系。錢德拉望遠鏡能探測至少20 個星系，其中包括梅西耶31 和梅西耶33 等比梅西耶51 近得多的星系，因而可能探查到持續(xù)時間更短的凌日。另一個相關(guān)的研究方向是尋找銀河系中發(fā)生在X 射線源頭附近的X 射線凌日現(xiàn)象，從而發(fā)現(xiàn)位于非尋常環(huán)境中的新的系外行星。

自從科學(xué)家開始用顯微鏡觀察隕石，他們就一直對隕石內(nèi)部的東西著迷。大多數(shù)隕石都由可追溯到太陽系形成初期（當時就連行星都還沒有形成）的微型玻璃球構(gòu)成。最近的一項研究表明，隕石中的玻璃球有助于揭示早期太陽系的情況。

隕石中的玻璃球被稱為隕石球粒?？茖W(xué)家認為，幾十億年前，太空中飄浮的巖石碎屑最終聚合成為我們今天所見的行星，而隕石球粒是當時剩下的巖石碎屑。隕石球粒對科學(xué)家來說非常有用，因為它們是太陽系最原始的“材料”。而在地球上，所有的巖石都已被頻繁的火山活動和板塊運動改變，因而找不到太陽系初期的純凈痕跡。

但究竟是什么機制導(dǎo)致了隕石球粒的形成？有關(guān)這個問題的理論至今與50 年前沒有區(qū)別。

通過觀察隕石中某一元素的不同類型，科學(xué)家能找到有關(guān)太陽系形成之初的線索。一種元素可以有多種不同的形式，這些不同形式的元素被稱為同位素。根據(jù)隕石誕生的環(huán)境條件（例如溫度高低、降溫快慢）的不同，每塊隕石中的同位素比例也不同。由此，科學(xué)家能構(gòu)想出隕石形成時期的環(huán)境條件。

為了搞清隕石球粒當初遭遇了什么，科學(xué)家精確測量在隕石中少見的兩種元素——鉀和銣的各種同位素比例，這樣的測量有助于確定太陽系早期最可能發(fā)生的情況?？茖W(xué)家認為，鉀和銣當初是塵埃的一部分，而塵埃在高溫下熔化后又氣化，鉀和銣大多逃逸掉，但隨著這些物質(zhì)降溫，其中一部分重新聚合成隕石球粒?？茖W(xué)家推測，當時降溫非常迅速，因此有些物質(zhì)還未凝結(jié)。科學(xué)家估算的當時降溫的速度為每小時大約500℃。

根據(jù)以上推測，科學(xué)家進一步判斷當時發(fā)生了什么事件而導(dǎo)致陡然、極端的加熱和冷卻。其中一種可能性是，大規(guī)模的沖擊波穿透早期的太陽星云。換句話說，附近的大型行星類天體可產(chǎn)生沖擊波，沖擊波在穿越星云的過程中可導(dǎo)致塵埃迅速加熱和降溫。

過去50 年中，人們對隕石球粒的成因提出了多種可能，其中包括閃電和巖石間的碰撞。而上述新研究則表明，沖擊波才是目前看來隕石球粒的最可能成因。幾十年來，有關(guān)“中度揮發(fā)性”元素（例如鉀和銣）的一個發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家很困惑。按照流行的太陽系成因理論，地球上的中度揮發(fā)性元素應(yīng)該比現(xiàn)在多。科學(xué)家一直認為，對此的解釋可能與復(fù)雜的加熱和降溫鏈有關(guān)，但其中具體的機制之前并不明朗。現(xiàn)在看來，沖擊波理論不失為一種很好的解釋。當然，這種解釋也不是定論，還有待更確鑿的證據(jù)來檢驗。

美國宇航局發(fā)射的帕克太陽探測器（以下簡稱帕克探測器）已經(jīng)抵達太陽的外大氣層——日冕，并且在那里待了5 小時。這是第一艘進入太陽外沿的地球飛行器，也標志著日冕物理學(xué)的新紀元。在此之前，科學(xué)家對太陽大氣層的了解僅限于估測。

太陽的外沿始于阿爾芬臨界表面：在這個表面下，太陽以其引力和磁力直接控制太陽風(fēng)。許多科學(xué)家認為，太陽磁場的突然反轉(zhuǎn)就出現(xiàn)在阿爾芬臨界表面下。

送探測器進入太陽的磁化大氣層這個理念，早在幾十年前就有。2018 年，帕克探測器升空，目的是進入日冕，也就是人類探測器首次造訪恒星。2021 年4 月，帕克探測器在阿爾芬臨界表面下待了5 小時，在此期間直接接觸太陽的等離子體。在這一表面下，太陽磁場的能量和壓力強于太陽粒子的能量和壓力。帕克探測器當時在該表面上下來回了3 次。

科學(xué)家分析帕克探測器的探測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，阿爾芬臨界表面居然有皺紋。這些數(shù)據(jù)表明，其中最大的一個遙遠皺紋由偽流光（一種巨型磁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)于太陽大氣下方可見深度的最深處）?？茖W(xué)家仍不清楚偽流光為什么會把阿爾芬臨界表面推離太陽。科學(xué)家還注意到，在阿爾芬臨界表面下方磁場反轉(zhuǎn)數(shù)量遠少于在這個表面的上方。這可能意味著磁場反轉(zhuǎn)并非形成于日冕內(nèi)部?；蛘撸柋砻孑^低的磁重連速度可能導(dǎo)致較少的物質(zhì)進入可觀測到的太陽風(fēng)，從而造成較少的反轉(zhuǎn)。

帕克探測器也記錄到了日冕內(nèi)部能量陡升的證據(jù)，這可能意味著未知的物理學(xué)機制在影響加熱和散熱?？茖W(xué)家觀測太陽和日冕已有幾十年，并且意識到太陽上有奇異的物理學(xué)機制在加熱和加速太陽風(fēng)等離子體，但并不清楚是什么物理學(xué)機制。隨著帕克探測器進入日冕，科學(xué)家期待著對這一神秘機制的更多了解。

帕克探測器對日冕的上述觀測發(fā)生在它第8次飛近太陽期間。該探測器是迄今飛得最快的人造飛行器，它升空后已經(jīng)取得了多項重要發(fā)現(xiàn)，其中包括產(chǎn)生太空天氣和超快塵埃風(fēng)險的太陽爆發(fā)。這些新發(fā)現(xiàn)意味著，由飛行器對太陽做直接觀測更有助于了解日冕加熱和太陽風(fēng)形成的機制。在完成“觸摸”太陽的目標后，帕克探測器將會進入太陽大氣層更深處，并且待得更久。