2014年十大太空故事（下）

05發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的太陽系天體

科學(xué)家在太陽系內(nèi)尋找類似冥王星這樣的天體時，通過比較每間隔2小時拍攝的3幅圖像，發(fā)現(xiàn)了一個似乎會移動的光點。之后，他們使用6.5米的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡來確認(rèn)它是否是一個真正的天體。根據(jù)這些后續(xù)觀測，科學(xué)家認(rèn)定它確實是一個太陽系天體，將其命名為2 0 1 2 VP1 1 3，其直徑為3 0 0千米至8 0 0千米。

這個天體到太陽的最近距離（被稱為近日點）為約8 0個天文單位，最遠(yuǎn)（被稱為遠(yuǎn)日點）則達(dá)到約4 5 0個天文單位。1天文單位相當(dāng)于地球到太陽的平均距離。它的軌道有一點類似于2 0 0 3年發(fā)現(xiàn)的塞德娜，后者的近日點約為7 6個天文單位，遠(yuǎn)日點則可達(dá)1 0 0 0個天文單位。這兩個天體都遠(yuǎn)在柯伊伯帶之外?？乱敛畮У教柕木嚯x為

3 0個至5 0個天文單位，由數(shù)千個冰巖混合天體組成，冥王星是其中最知名的成員。

2 0 1 2 V P 1 1 3與塞德娜一起佐證了內(nèi)奧爾特云的存在。奧爾特云是一個巨大的球形區(qū)域，從2 0 0 0個天文單位一直延伸到 80 0 0 0個天文單位，太陽的引力只能勉強束縛其中的小天體?，F(xiàn)在，許多彗星都來自這一區(qū)域。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，2 0 1 2 VP1 1 3、塞德娜和1 0個最遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體的軌道有相似之處。這12個天體具有相似的日點角距，這個量度量的是它們的近日點與太陽系平面之間的夾角。天文學(xué)家原本認(rèn)為它們是隨機取值的。一種解釋是，還存在一個大質(zhì)量的天體在影響它們。不過，這需要未來的大型望遠(yuǎn)鏡來確認(rèn)。

木星、土星、天王星和海王星的軌道以紫色圓圈表示。綠點構(gòu)成的區(qū)域則為柯伊伯帶。塞德娜的軌道為橙色，2 0 1 2VP1 1 3的軌道為紅色。

04原初引力波還是塵埃？

自2 0 1 4 年3 月1 7 日美國哈佛-史密森天體物理中心召開新聞發(fā)布會公布一項大發(fā)現(xiàn)起，興奮開始漫延。通過使用位于南極的宇宙河外偏振背景成像2（BICEP2）望遠(yuǎn)鏡觀測微波波段的天空，科學(xué)家聲稱探測到了宇宙在其最初時刻產(chǎn)生的時空漣漪的信號。

也幾乎在同時，天文學(xué)界分成了兩大陣營，一些科學(xué)家認(rèn)為BICEP2的發(fā)現(xiàn)是2 1世紀(jì)的一大突破，但也有人懷疑BICEP2團隊并沒有正確地把銀河系塵埃納入他們的分析，這會影響他們的觀測結(jié)果。BICEP 2團隊的這一結(jié)果在未經(jīng)同行評審之前就先行公布更是弊大于利。

該團隊認(rèn)為，他們發(fā)現(xiàn)充滿宇宙的微波背景輻射中存在旋渦形的圖案。宇宙微波背景輻射是宇宙在3 8萬歲時留下的遺跡，當(dāng)時電子和質(zhì)子結(jié)合成了氫，使得光子可以自由地在宇宙中穿行。它攜帶了早期宇宙的信息，包括當(dāng)時物質(zhì)是如何運動的。

和所有的光一樣，微波也會沿著一個特定的方向振蕩，這一特性被稱為“偏振”。早期宇宙中的物質(zhì)會在宇宙微波背景光子中留下兩種不同的偏振模式。在高溫物質(zhì)中，由壓力波導(dǎo)致的溫度差異會顯現(xiàn)出“E 模”偏振，就像車輪的輻條，但引力波——時空結(jié)構(gòu)的漣漪——產(chǎn)生一個較為微弱的“B ?！逼裥盘枺市郎u狀。

理論認(rèn)為，在大爆炸之后1 0-3 7秒，宇宙膨脹發(fā)生了極端的加速，被稱為暴脹。突然的膨脹會產(chǎn)生引力波，它們會產(chǎn)生B 模圖案和BICEP2團隊聲稱觀測到的信號。

有關(guān)的爭論源于沿著銀河系磁場排列的塵埃顆粒。它們會繞著銀河系的磁力線轉(zhuǎn)動，由此也會產(chǎn)生偏振。由塵埃引起的偏振信號也會顯現(xiàn)出B 模圖案，與原初引力波造成的類似。

2 0 1 4年9月2 2日，歐空局普朗克衛(wèi)星的天文學(xué)家悄然公布了他們對整個天空中塵埃的分析結(jié)果，這個結(jié)果不利于BICEP2團隊。

BICEP2團隊只在一個頻率（1 5 0千兆赫）上觀測了一小片天區(qū)，但“普朗克”在寬得多的頻率范圍——3 0千兆赫至8 5 7千兆赫——上觀測了整個天空?！捌绽士恕睖y量了塵埃在3 5 3千兆赫上發(fā)出的輻射，因為在這個頻率上探測到的塵埃信號強過宇宙微波背景輻射的信號。天文學(xué)家由此建立了塵埃分布的模型，然后向下推到了1 5 0千兆赫，以此來和BICEP2團隊的結(jié)果進(jìn)行比較。

“普朗克”團隊認(rèn)為，在BICEP2團隊觀測的天區(qū)中，有比BICEP2團隊計算、預(yù)期或者納入考慮的更多的塵埃。然而，這一結(jié)果也有許多不確定性：塵埃對BICEP2團隊所觀測到的B 模偏振有多大貢獻(xiàn)仍不清楚。

有關(guān)B I C E P 2團隊結(jié)果的爭論仍在繼續(xù)。BICEP2團隊的科學(xué)家進(jìn)行了很多測量，測出了該天區(qū)中的B 模。測量中的噪聲很小，科學(xué)家對它們的處理也十分小心謹(jǐn)慎?！捌绽士恕眲t測出了整個天空中塵埃的特性，結(jié)合二者你可以得到更多的信息。這是科學(xué)如何向前推進(jìn)的一個很好的范例。

在將BICEP 2團隊的數(shù)據(jù)與普朗克衛(wèi)星在同一天區(qū)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析后，研究人員認(rèn)為BICEP 2獲得信號幾乎完全來自塵埃的影響。2 0 1 5年1月，BICEP 2團隊宣布撤回了他們的論文。

BICEP2探測到的宇宙微波背景B 模偏振（螺旋形圖案）

03以1%的精度測量遙遠(yuǎn)星系

在宇宙于1 3 8億年前誕生時，它就包含有今天宇宙結(jié)構(gòu)的基本要素。我們看到的一切——恒星、氣體云、行星——都是由原子組成的，而原子則是由電子、中子和質(zhì)子構(gòu)成的。物理學(xué)家把中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為“重子”。為了研究在宇宙最初的幾十萬年內(nèi)星系的分布模式，天文學(xué)家以1%的精度測量了約1 0 0萬個遙遠(yuǎn)的星系。

早期宇宙是由重子、電子、光子和暗物質(zhì)（神秘的不可見物質(zhì)）組成的混合物。所有這些粒子會相互碰撞，使得宇宙呈不透明狀。這一黏稠的混合物會緩慢地晃動，由此引發(fā)類似于物質(zhì)中球殼形的三維壓力振蕩。

在誕生之后3 8萬年，宇宙的膨脹使得其自身冷卻，讓質(zhì)子可以俘獲電子，形成了大量的氫。此后，鮮有單個電子的存在，所以光子可以暢通無阻地在宇宙中自由穿行。 ? ?當(dāng)這些逃逸的輻射掃過早先的壓強或聲學(xué)振蕩的遺跡時，重子物質(zhì)的分布會保留下這些波的印跡。天文學(xué)家現(xiàn)在可以在整個宇宙中看到這些“重子聲學(xué)振蕩”——星系傾向沿著這些球殼的邊緣聚集。隨著宇宙的膨脹，重子聲學(xué)振蕩會增大，它們現(xiàn)在的半徑約為5億光年。這種一致性給了天文學(xué)家一把測量宇宙距離的尺子。

通過重子振蕩分光巡天——斯隆數(shù)字巡天中一個歷時1 4年的項目，天文學(xué)家研究了長寬高各為1 3 0億光年的范圍中近1 0 0萬個星系。使用重子聲學(xué)振蕩標(biāo)尺，他們更精確地測量了這些星系的距離，精度達(dá)1%。這就好比把上海到南京的距離——約3 0 0千米——精確計算到了誤差3千米的水平。唯一不同的是，此次研究的星系遠(yuǎn)在幾十億光年之外。

當(dāng)天文學(xué)家觀測不同距離的星系時，他們看到的是它們在宇宙歷史不同時期的樣子。根據(jù)測得的精確距離計算發(fā)現(xiàn)，在宇宙約3 0億歲時，兩個間距為3 3 0萬光年的星系會以每秒2 2 5千米的速度遠(yuǎn)離對方。

在兩個不同的距離進(jìn)行這些測量可以讓我們看到宇宙的膨脹是如何隨時間變化的。

02木衛(wèi)二擁有板塊構(gòu)造

2 0 1 4年的一項研究為建造一個專門探測木衛(wèi)二的探測器提供了更多的依據(jù)。它發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二有活躍的板塊構(gòu)造，使得木衛(wèi)二成為太陽系中除地球外唯一已知具有類似地質(zhì)活動的天體。

天文學(xué)家研究了木衛(wèi)二冰面上的裂縫和隕石坑，發(fā)現(xiàn)它們的年齡可能還不到9 0 0 0萬年。相比太陽系約4 6億年的年齡，這么小的年齡意味著一定有某種機制在重塑木衛(wèi)二的表面。

木衛(wèi)二上的裂縫和山脊似乎是其表面開裂和擴張出幾千米的區(qū)域，但科學(xué)家懷疑這顆衛(wèi)星在過去的幾千萬年里一直在膨脹。那么，如果新的冰殼一直在形成的話，之前的冰物質(zhì)去哪兒了呢？

為此，天文學(xué)家分析了美國航空航天局“伽利略”探測器的數(shù)據(jù)，以此來尋找木衛(wèi)二上板塊構(gòu)造的證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)了幾處構(gòu)造活動的疑似地點，不過更關(guān)心的是一片位于北半球的面積為1 3 4 0 0 0平方千米的區(qū)域。

使用“伽利略”的圖像，科學(xué)家匹配出了不同的裂縫和山脊，重建出一個模型來描述該區(qū)域數(shù)百萬年前的樣子。當(dāng)時，有一個寬9 9千米、占地約2 0 0 0 0平方千米的區(qū)域似乎不見了。

此外，一些裂縫和山脊也突然中斷，表明由于板塊俯沖，這些地質(zhì)特征的延續(xù)部分已消失在冰殼中。與地球上地殼板塊間碰撞抬升形成喜馬拉雅山不同，木衛(wèi)二上的一個板塊一直在俯沖下沉，運動到毗鄰的另一個板塊的下方。

除了表明木衛(wèi)二存在地質(zhì)活動之外，這一發(fā)現(xiàn)還暗示木衛(wèi)二的內(nèi)部和外部之間存在雙向的物質(zhì)交流，可以讓物質(zhì)從其表面進(jìn)入海洋。這大大地有助于提升當(dāng)?shù)氐囊司有浴?/p>

雖然這項研究為木衛(wèi)二的板塊活動提供了有力的證據(jù)，但要確認(rèn)物質(zhì)會向下運動到冰殼下方仍需要未來的探測任務(wù)。通過這些探測任務(wù)，科學(xué)家可以獲得更高分辨率的影像，如果這一現(xiàn)象是全球性的，還能發(fā)現(xiàn)更多類似的案例。未來的探測任務(wù)還能更好地測量

木衛(wèi)二的地形。當(dāng)然，更為重要的，則是搜尋其冰殼之下的海洋中現(xiàn)在或者過去存在（過）的生命跡象。

01發(fā)現(xiàn)宇宙塵埃的來源

我們的太陽系、銀河系乃至整個宇宙都含有大量塵埃，但天文學(xué)家長期以來一直搞不清楚它們是如何形成的。2 0 1 4年的兩項研究為“大質(zhì)量恒星的爆炸死亡——被稱為超新星——制造了塵?！边@一觀點提供了有力的證據(jù)。

在第一項研究中，科學(xué)家使用位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/ 亞毫米波陣列觀測了于1 9 8 7年2月爆發(fā)的超新星1 9 8 7A。這一爆炸標(biāo)志著在銀河系的伴星系大麥哲倫星云中有一顆恒星死亡了。這是最近發(fā)生的一次近距離超新星爆發(fā)，因此，是一個夢幻般的實驗室。

觀測發(fā)現(xiàn)，爆炸之后的幾年中產(chǎn)生了總質(zhì)量只有太陽質(zhì)量1%的塵埃，隨后，塵埃的總質(zhì)量迅速增加到了太陽質(zhì)量的1/3至1/2。于是，天文學(xué)家決定對它再次進(jìn)行觀測，以此獲得精確的數(shù)值。在把觀測到的輻射擬合到不同的塵埃光變曲線模型之后，他們發(fā)現(xiàn)該超新星的內(nèi)部殘骸包含了0.2 3個太陽質(zhì)量的塵埃。由于這些塵埃就位于發(fā)生爆炸的地點，因此不可能是在超新星爆發(fā)之前就已經(jīng)存在的，必定是在爆炸之后形成的。但這一爆炸發(fā)生在1 9 8 7年，所以問題仍然存在：在超新星遺跡中塵埃形成的速率有多快？

阿塔卡馬陣列的觀測集中在射電波段，因此看到的是低溫塵埃。另一個天文學(xué)家團隊則使用甚大望遠(yuǎn)鏡在可見光和近紅外光波段觀測了另一個超新星遺跡，因此看到的是高溫塵埃。一個物體的溫度決定了它發(fā)出光的類型。作為比較，在這兩項觀測中研究的溫度分別為2 6K 和2 0 0 0K。

在第二項研究中，天文學(xué)家研究了星系UGC5189A 中新近出現(xiàn)的超新星SN 2010jl，它的溫度更高。在SN 2010jl的亮度抵達(dá)其峰值后的第26天至第2 3 9天，他們對它進(jìn)行了9次觀測，在第6 2 9天時又對它進(jìn)行了一次觀測，以此來確定該超新星在最初的2.5年中塵埃的量是如何變化的。

他們在最后一次觀測中發(fā)現(xiàn)了比之前9次觀測到的多得多的塵埃。如果這些塵埃是以觀測到的形成速率產(chǎn)生的話，天文學(xué)家預(yù)期該超新星遺跡會在之后的2 0年里制造出大約0.5個太陽質(zhì)量的塵埃。那么，它是如何制造出塵埃的呢？天文學(xué)家認(rèn)為，大質(zhì)量恒星會在爆炸之前吹出一些物質(zhì)。一旦發(fā)生爆炸，快速運動的激波會撞上這些

物質(zhì)，變成一個運動速度較慢且溫度也較低的殼層，塵埃顆粒會在那里凝結(jié)。

科學(xué)家還把這些塵埃的光信號和計算機模型做了比較，以此確定這些塵埃顆粒的大小。銀河系星際介質(zhì)中一般的塵埃顆粒要比這些塵埃小得多。事實上，超新星SN 2 0 1 0jl 中的塵埃要比銀河系中的約大4倍?？茖W(xué)家認(rèn)為，這么大的尺寸有助于塵埃保護(hù)自己免受超新星爆炸的沖擊和隨之而來的極端溫度的破壞。

1.M104： 草帽星系

醒目的螺旋星系M1 0 4以它側(cè)面寬廣的圈狀黝黑塵埃帶著稱。這幅清晰影像結(jié)合了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、昴宿星團望遠(yuǎn)鏡和業(yè)余天文愛好者拍攝的彩色影像。經(jīng)過處理的影像除了讓星系擁有自然的色彩之外，也讓以往被明亮核心的絢麗光芒淹沒的細(xì)微結(jié)構(gòu)得以顯現(xiàn)出來。M1 0 4俗稱草帽星系，亦名NGC 4 5 9 4，在所有電磁波段都可見，因此，一般認(rèn)為它的核心藏有超大質(zhì)量黑洞。

2 恒星、“紅色精靈”、云和極光

天空中的這些紅色光痕是什么？攝影師在拍攝籠罩在遠(yuǎn)處雷暴系統(tǒng)上空的極光時，意外地捕捉到了“紅色精靈”這種不尋常的現(xiàn)象。這群攝于美國明尼蘇達(dá)州天空的“紅色精靈”，可能是由一道極強烈的低空閃電誘發(fā)的。在主題影像中，前景可見一棟房舍和電線桿、低層大氣中厚厚的云層，地平線附近有雷暴系統(tǒng)，遠(yuǎn)方高空的背景恒星上，飛舞著“紅色精靈”和綠色極光。

3 當(dāng)老鼠星系互撞這兩個龐大的星系正在撕開對方。它們都擁有長長的尾巴，因此這對星系擁有“老鼠”的昵稱。星系前端和后端受到的重力差是形成這些長尾的原因。

編號為NGC 4 6 7 6的這對老鼠星系位于后發(fā)座內(nèi)，離我們約有3億光年遠(yuǎn)。這張照片是由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的先進(jìn)巡天相機拍攝的。在接下來的數(shù)十億年間，這對宇宙級的“老鼠”會不停互撞，直到成為單一星系。

4 土衛(wèi)四的地圖

這幅圓柱投影影像是6幅土星中型衛(wèi)星的新彩色地圖之一，建構(gòu)自“卡西尼”號累積了1 0年的影像數(shù)據(jù)。影像中，這顆受潮汐力鎖定的衛(wèi)星的淡色半球（右側(cè)）與較黝黑的半球在色澤上有顯而易見的差異。如同其他軌道在E 環(huán)之內(nèi)的土星衛(wèi)星一樣，土衛(wèi)四領(lǐng)頭的半球之所以常保雪白，是因為不停地鍍上來自暗環(huán)的冰物質(zhì)。而E 環(huán)物質(zhì)則由土衛(wèi)二南極的噴泉源源不斷地補充。淡色、較新的表面裂隙，看似也穿入了黝黑的、滿是撞擊坑的落后半球。