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□ 謝 天

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探測超新星塵埃工廠

宇宙中的星系其實(shí)是一個(gè)多塵的地方，而超新星則被認(rèn)為是這些塵埃的主要來源，尤其是在宇宙的早期。但是，對超新星制造塵埃能力的直接觀測證據(jù)至今仍很稀少，無法解釋在遙遠(yuǎn)年輕星系中觀測到的大量塵埃。不過，這一局面正在變化。

一個(gè)國際天文學(xué)家小組使用阿塔卡瑪毫米波大天線陣觀測了超新星1987A的遺跡。它位于圍繞銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)的矮星系大麥哲倫云中，距離地球大約16萬光年。自1 604年開普勒觀測到銀河系中的超新星以來，超新星1 987A是被觀測到的超新星爆發(fā)中距離我們最近的。

天文學(xué)家們預(yù)計(jì)，隨著爆炸之后氣體的冷卻，當(dāng)氧、碳和硅原子在該遺跡的低溫區(qū)中結(jié)合到一起的時(shí)候，會(huì)形成大量的塵埃。然而，在爆炸后500天對其的紅外觀測顯示，僅發(fā)現(xiàn)了少量的高溫塵埃。憑借阿塔卡瑪毫米波大天線陣前所未有的分辨率和靈敏度，天文學(xué)家們可以觀測到數(shù)量多得多的低溫塵埃，它們會(huì)發(fā)出明亮的毫米和亞毫米波輻射。據(jù)估計(jì)，該遺跡中現(xiàn)在新形成的塵埃總量已經(jīng)達(dá)到了0.25個(gè)太陽質(zhì)量。此外還發(fā)現(xiàn)了大量的一氧化碳和一氧化硅。

不過，超新星既能產(chǎn)生塵埃也能摧毀塵埃。超新星爆發(fā)的激波會(huì)掃過這些塵埃，它們的幸存率可能只有一半或者三分之二。

超新星遺跡1987A的合成圖像：阿塔卡瑪毫米波大天線陣的觀測為紅色，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測為綠色，錢德拉X射線天文臺的觀測為藍(lán)色。版權(quán)：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/A. Angelich；可見光：NASA/ESA/HST；X射線：NASA/CXO。

在三星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)脈沖星

由一顆毫秒脈沖星和兩顆白矮星所組成三星系統(tǒng)的概念圖。版權(quán)：Bill Saxton; N R A O/A U I/ NSF。

使用綠堤射電望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)國際天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞一個(gè)白矮星雙星系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖星。脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，它們可以用作精準(zhǔn)的天文時(shí)鐘。這是第一次在一個(gè)三星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)脈沖星，天文學(xué)家正在使用這顆脈沖星，以極高的精度來研究這個(gè)系統(tǒng)中的引力效應(yīng)。

這顆毫秒脈沖星發(fā)現(xiàn)于綠堤射電望遠(yuǎn)鏡的一次大規(guī)模脈沖星搜尋，距離地球4,200光年，每秒自轉(zhuǎn)近366周。為了把這顆脈沖星用作引力探針，天文學(xué)家需要記錄下它的盡可能多的脈沖。根據(jù)它們到達(dá)地球的時(shí)間變化，可以確定這個(gè)三星系統(tǒng)的軌道幾何特性以及這三顆致密星的質(zhì)量。

天文學(xué)家在處理大量觀測數(shù)據(jù)的同時(shí)，也通過計(jì)算機(jī)建立了一個(gè)有關(guān)該系統(tǒng)的精確模型。這一模型不僅考慮了牛頓引力對這個(gè)系統(tǒng)的影響，還考慮了愛因斯坦的廣義相對論的效應(yīng)。這三個(gè)致密天體的運(yùn)動(dòng)軌道都在地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道范圍之內(nèi)。彼此靠得如此之近，使得這個(gè)系統(tǒng)可以用來探測引力的內(nèi)在特性，尤其是廣義相對論的基礎(chǔ)之一“強(qiáng)等效原理”。

強(qiáng)等效原理要求一個(gè)物體所受到的引力作用與它的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)以及自身的引力強(qiáng)弱無關(guān)。為了證明這一點(diǎn)，伽利略在比薩斜塔上做了落體實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在，這個(gè)三星系統(tǒng)也為此提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)。

發(fā)現(xiàn)迄今最亮最遠(yuǎn)的超新星

超新星瑰寶巡天的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩顆迄今最為明亮也最為遙遠(yuǎn)的超新星。它們到地球的距離約為10 0億光年，亮度則是普通超新星的100倍。這兩顆新發(fā)現(xiàn)的超新星尤其讓人困惑，因?yàn)橐阎某滦潜l(fā)機(jī)制——巨型恒星坍縮成黑洞或中子星——無法解釋它們的極端光度。在2006年和2007年發(fā)現(xiàn)之初，不同尋常的這兩個(gè)超新星甚至讓天文學(xué)家一開始都無法確定它們的距離。

它們之一被稱為SN LS-06D4eu，是迄今所觀測到的最遙遠(yuǎn)的超新星，可能也是不斷涌現(xiàn)的新一類超新星——超亮超新星——中最亮的一員。它們屬于超亮超新星中一個(gè)特殊的亞類，都不含有氫。

新的研究發(fā)現(xiàn)，它們也許是由強(qiáng)磁星的形成過程所驅(qū)動(dòng)的。強(qiáng)磁星是一類磁場極強(qiáng)的高速自轉(zhuǎn)中子星。它們的質(zhì)量與太陽相當(dāng)，大小卻如一座城市，磁場強(qiáng)度則是太陽的一億億倍。雖然超亮超新星在2009年首次宣告被發(fā)現(xiàn)，之前也有人提出把強(qiáng)磁星創(chuàng)生作為其能量來源，但這兩顆超新星的發(fā)現(xiàn)是有關(guān)理論模型的第一次觀測證據(jù)。

對觀測數(shù)據(jù)的分析表明，這顆爆發(fā)的恒星其質(zhì)量可能僅幾倍于太陽，但卻富含碳和氧。這顆恒星最初的質(zhì)量可能要大得多，但在爆發(fā)之前拋射出了其外部殼層，只留下了一個(gè)較小的核心。

超新星SNLS-06D4eu（箭頭所指）是迄今最遙遠(yuǎn)的超新星。版權(quán)：UCSB。

“哈勃”和“斯皮策”聯(lián)手發(fā)現(xiàn)極亮年輕星系

“哈勃”和“斯皮策”聯(lián)手發(fā)現(xiàn)并研究了130多億年前的極亮年輕星系（見右側(cè)的放大圖像）。版權(quán)：NASA/ESA/G. Illingworth (UCSC)/P. Oesch (UCSC)/R.Bouwens (Leiden Univ.)/I. Labbé (Leiden Univ.)/Science Team。

美國宇航局的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡聯(lián)手發(fā)現(xiàn)并研究了130多億年前極為明亮的年輕星系，宇宙當(dāng)時(shí)的年齡尚不足5億年。雖然“哈勃”之前已經(jīng)探測到這一時(shí)期中的其他星系，但天文學(xué)家仍對發(fā)現(xiàn)了比之前觀測到的還亮10～20倍的星系感到意外。

這些微型的星系正在經(jīng)歷恒星的爆發(fā)式形成過程，由此解釋了它們的高亮度。在它們中亮度最高的星系里，其恒星形成率大約是現(xiàn)在銀河系的50倍。雖然這些羽翼未豐的星系大小只有銀河系的二十分之一，但它們可能已經(jīng)擁有了大約10億顆恒星。

這些星系最初是由“哈勃”所發(fā)現(xiàn)的?！肮彼傻匿J利圖像對于尋找遙遠(yuǎn)的星系而言至關(guān)重要，它還能讓天文學(xué)家測量出這些星系的恒星形成率以及星系大小。通過“斯皮策”來測量這些星系中恒星的總光度，天文學(xué)家們由此可以估計(jì)出其中恒星的質(zhì)量。這是第一次科學(xué)家們可以在如此遙遠(yuǎn)的距離上測量出一個(gè)天體的質(zhì)量。

對于能在“哈勃”和“斯皮策”進(jìn)行深度巡天的區(qū)域中找到4個(gè)這樣的極亮年輕星系，天文學(xué)家感到困惑，因?yàn)檫@要求它們必須以極快的速度生長。這些明亮的年輕星系可能形成于更小的嬰兒星系之間的碰撞和并合，這一過程始于更早的宇宙時(shí)期。

觀測到黑洞瓦解恒星事件

位于星系團(tuán)阿貝爾1795中的這個(gè)矮星系。版權(quán)：NASA/CXC/Univ. ofAlabama/W.P.Maksym等人。

利用美國宇航局錢德拉X射線天文臺和其他望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在矮星系中的明亮長時(shí)間爆發(fā)也許是一次黑洞瓦解恒星的事件。這一爆發(fā)始于1 999年，直到2005年才變暗到不可見的程度。

天文學(xué)家預(yù)言，當(dāng)一顆恒星運(yùn)動(dòng)到一個(gè)巨型或者超大質(zhì)量黑洞附近的時(shí)候，它會(huì)被強(qiáng)大的潮汐力撕碎。之后這顆恒星的殘骸繼續(xù)落向黑洞，由于會(huì)被加熱到數(shù)百萬度，它會(huì)發(fā)出明亮的X射線輻射。隨著這些高溫氣體進(jìn)一步下落，這一X射線輻射會(huì)逐漸減弱。

在過去的幾年中，“錢德拉”和其他的天文衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)超大質(zhì)量黑洞瓦解恒星的候選事例。因其位于一個(gè)質(zhì)量要小得多的矮星系中，新發(fā)現(xiàn)的這一事件顯得與眾不同。這個(gè)矮星系位于星系團(tuán)阿貝爾1795中，距離地球約8億光年。它僅含有約7億顆恒星，遠(yuǎn)不及銀河系的2千億顆恒星。另外，這個(gè)矮星系中黑洞的質(zhì)量也只有太陽的幾十萬倍，只有銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的十分之一，因此屬于中等質(zhì)量黑洞。

“錢德拉”多年的數(shù)據(jù)顯示出了其瓦解恒星的證據(jù)。由于阿貝爾1 795是“錢德拉”定期觀測的目標(biāo)，因此積累了大量有關(guān)它的數(shù)據(jù)。這個(gè)矮星系所在的位置暗示，在與其他星系的引力相互作用下，它的大量恒星已經(jīng)被剝離。

“哈勃”前沿場觀測揭示大量遙遠(yuǎn)星系

作為“哈勃”前沿場觀測計(jì)劃的第一批結(jié)果，這幅星系團(tuán)阿貝爾2744的長時(shí)間曝光照片揭示出了大量遙遠(yuǎn)的背景星系。版權(quán)：ASA/ESA/ J. Lotz/M. Mountain/A. Koekemoer/HFF Team (STScI)。

作為美國宇航局哈勃空間望遠(yuǎn)鏡前沿場觀測計(jì)劃的第一批結(jié)果，這幅大質(zhì)量星系團(tuán)阿貝爾2744的長時(shí)間曝光照片是迄今所拍攝的最深的星系團(tuán)圖像，其中包含了一些迄今已知最暗弱和最年輕的星系。

星系團(tuán)阿貝爾2744包含有數(shù)百個(gè)星系，距離我們35億光年。其強(qiáng)大的引力可以充當(dāng)“引力透鏡”來彎曲時(shí)空，放大并增亮背景中形成于大爆炸之后不足20億年的遙遠(yuǎn)背景星系。前沿場觀測的目的就是利用“哈勃”超高的成像質(zhì)量和引力透鏡來尋找宇宙中的第一代星系。

在該星系團(tuán)數(shù)百個(gè)前景星系間，“哈勃”的觀測發(fā)現(xiàn)近3,000個(gè)背景星系。沒有引力透鏡的幫助，這些背景星系是無法被看見的。相對于正常的情況，這些背景星系的亮度增大了10～20倍。在被高度放大的背景星系中，有一些的固有亮度比之前所觀測到的任何星系都要暗10～20倍。除了增亮之外，這些星系的外形還被拉扯并且扭曲了。

“哈勃”在這個(gè)星系團(tuán)中還發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量只有銀河系質(zhì)量千分之一的矮星系，以及因星系間相互作用而被拋射到星系團(tuán)內(nèi)的恒星所發(fā)出的暗弱星光。美國宇航局的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X射線天文臺也對該天區(qū)進(jìn)行了觀測。它們所提供的多波段信息預(yù)期會(huì)為星系及其中黑洞的起源和演化提供新的認(rèn)識。

無星云核誕出大質(zhì)量恒星

阿塔卡瑪毫米波大天線陣對星云的核心進(jìn)行觀測尋找大質(zhì)量恒星形成的線索。版權(quán)：Bill Saxton/Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)。

大于八倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星，一直保有一個(gè)有意思的謎題：與銀河系中絕大多數(shù)小得多的恒星比較，它們是如何長到如此巨大的？

為了找到這個(gè)問題的答案，阿塔卡瑪毫米波大天線陣被用來對銀河系中最黑、溫度最低且最致密的星云核心進(jìn)行觀測，來尋找大質(zhì)量恒星形成的線索。此次觀測的云核又被稱為紅外暗星云，位于天鷹座和盾牌座方向，距離我們大約1萬光年。

由于這些云核的質(zhì)量極大、密度極高，引力早已壓制住其氣體壓力，使得星云開始坍縮形成新的太陽質(zhì)量恒星。如果有一顆恒星還沒有開始發(fā)光，那說明有一些額外的東西（例如，磁場）在支撐這個(gè)星云。為了佐證這一點(diǎn)，天文學(xué)家使用阿塔卡瑪毫米波大天線陣來觀測這些云核內(nèi)部涉及同位素氘的化學(xué)信號，進(jìn)而測量出這些星云的溫度，由此可以判斷出是否已有恒星形成。氘之所以重要是因?yàn)樗鼉A向于在低溫環(huán)境中結(jié)合成特定的分子。一旦恒星開始加熱周圍的氣體，它們很快就會(huì)分解。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)了大量的氘，說明這些云核中溫度極低且沒有恒星。沒有恒星的云核表明有一些作用力會(huì)與引力相平衡，調(diào)制恒星的形成。這使得大質(zhì)量恒星可以和低質(zhì)量恒星通過相同的方式形成，區(qū)別僅僅在于其母星云的大小不同。

矮星系為超大質(zhì)量黑洞起源提供線索

梳理來自大規(guī)模巡天的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)有100多個(gè)矮星系可能擁有正在進(jìn)食周圍氣體的大質(zhì)量黑洞。這一發(fā)現(xiàn)動(dòng)搖了之前的普遍觀點(diǎn)，認(rèn)為只有大得多的星系才會(huì)擁有大質(zhì)量黑洞。它同時(shí)也將有助于解決早期宇宙中黑洞形成和生長的問題。黑洞在極小的范圍內(nèi)聚集了大量的物質(zhì)，其引力極強(qiáng)以致光也無法從中逃逸。幾乎所有的大型星系都在其核心擁有超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量從幾百萬倍到幾十億倍于太陽不等。然而，直到最近，科學(xué)家們?nèi)哉J(rèn)為在較小的星系中不會(huì)具有大質(zhì)量黑洞。

天文學(xué)家分析了斯隆數(shù)字巡天的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)10 0多個(gè)矮星系具有特定的輻射模式，而這些輻射模式表明有大質(zhì)量黑洞正在吸積周圍的氣體。在近距宇宙中，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，星系中央黑洞的質(zhì)量與其中央核球的質(zhì)量存在直接關(guān)聯(lián)。這表明，它們在生長過程中會(huì)相互影響。

雖然較大的星系會(huì)擁有數(shù)百萬或者數(shù)十億倍于太陽的超大質(zhì)量黑洞，但這些新發(fā)現(xiàn)的矮星系黑洞的質(zhì)量大約僅為太陽的10萬倍。這些超大質(zhì)量黑洞和大質(zhì)量黑洞明顯有別于恒星質(zhì)量。在這些小型星系中發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量黑洞，對于了解星系與黑洞之間的共同演化來說是重要的一步，它同時(shí)還能為超大質(zhì)量黑洞的形成機(jī)制提供線索。

“斯皮策”探測褐矮星上的天氣

褐矮星上風(fēng)暴的藝術(shù)構(gòu)想圖。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/Univ. of Western Ontario/Stony Brook Univ.。

矮星系NGC4395中有一個(gè)質(zhì)量30萬倍于太陽的黑洞。版權(quán)：David W. Hogg/ Michael R. Blanton/ SDSS/NRAO/AUI/ NSF。

盤旋的風(fēng)暴云也許常常會(huì)出現(xiàn)在低溫的褐矮星之上。根據(jù)美國宇航局斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的觀測，大多數(shù)的褐矮星都具有一個(gè)或者多個(gè)類似木星大紅斑這樣的行星尺度的風(fēng)暴。褐矮星因質(zhì)量太小而無法啟動(dòng)核聚變成為一顆真正的恒星，因此它們更類似于木星。

科學(xué)家們認(rèn)為，褐矮星上的云區(qū)會(huì)形成猛烈的風(fēng)暴，伴有強(qiáng)風(fēng)和閃電，其強(qiáng)度要比太陽系任何行星上的都大得多。不過，迄今所觀測到的褐矮星溫度都太高，無法形成液態(tài)水降雨。相反，這些風(fēng)暴中的云和雨可能都是由高溫的沙粒、熔融的鐵或者鹽所構(gòu)成的。

天文學(xué)家們使用“斯皮策”對44顆褐矮星進(jìn)行了長達(dá)20個(gè)小時(shí)的連續(xù)觀測。之前的觀測顯示，僅一些褐矮星具有湍流天氣，因此科學(xué)家預(yù)期只有少數(shù)褐矮星的亮度會(huì)隨時(shí)間變化。然而，在被觀測的褐矮星中有半數(shù)出現(xiàn)了亮度起伏。當(dāng)把視角因素考慮進(jìn)去之后，這一結(jié)果暗示，即便不是在所有的褐矮星上，但在大多數(shù)上其實(shí)都具有風(fēng)暴系統(tǒng)。

同樣令天文學(xué)家們吃驚的是，一些褐矮星的自轉(zhuǎn)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于之前的測量結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)與“斯皮策”的不間斷觀測是分不開的。之前認(rèn)為會(huì)因形成過程中的收縮，褐矮星而自轉(zhuǎn)加速且轉(zhuǎn)速不會(huì)隨著時(shí)間降低，但對這一新結(jié)果的解釋目前仍沒有定論。

發(fā)現(xiàn)獵犬AM型雙星前身星

獵犬AM型雙星的演化軌跡示意圖。版權(quán)：NASA/CXC/ M.Weiss。

20世紀(jì)中葉，在獵犬座中發(fā)現(xiàn)了一顆不尋常的恒星。數(shù)年后，天文學(xué)家確定它其實(shí)是一顆雙星，被稱為獵犬AM型雙星。其相互繞轉(zhuǎn)的周期僅18分鐘，根據(jù)相對論的預(yù)言會(huì)釋放出引力波。獵犬AM是一類雙星的代表，其中有一顆白矮星在吸積其伴星——另一顆白矮星——的物質(zhì)。白矮星是類太陽恒星死亡后所留下的致密殘骸。獵犬AM型雙星繞轉(zhuǎn)的速度極快，從5分鐘到1小時(shí)不等。

雖然發(fā)現(xiàn)獵犬AM型雙星已近半個(gè)世紀(jì)，但有個(gè)問題依然存在：這些系統(tǒng)是從何而來的？新的X射線和可見光觀測正試圖尋找該系統(tǒng)的前身星來回答這個(gè)問題。

利用美國宇航局的錢德拉X射線天文臺、歐洲空間局的牛頓X射線多鏡面望遠(yuǎn)鏡以及其他地面望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家找到了兩個(gè)獵犬AM型雙星的前身星系統(tǒng)。示意圖中的上圖則展示了它們目前的狀態(tài)：由一顆質(zhì)量為太陽五分之一的白矮星（右側(cè)）和另一顆質(zhì)量與太陽相當(dāng)且更致密的白矮星組成。白矮星質(zhì)量越大，半徑越小。

引力波會(huì)帶走它們的軌道能量，使之越靠越近。最終質(zhì)量較大的白矮星會(huì)開始吸積伴星的物質(zhì)，形成了獵犬AM型雙星（見示意圖中圖）。這一過程會(huì)持續(xù)大約1億年，直到質(zhì)量較大的白矮星積聚了足夠的物質(zhì)之后發(fā)生熱核爆炸，形成Ia型超新星（示意圖下圖）。

（責(zé)任編輯 張長喜）