2014年10大太空故事（上）

謝懿

地球表面到太空中，通過尖端的儀器設(shè)備，天文學(xué)家在2014年取得了幾十項大發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家在土衛(wèi)二的地下發(fā)現(xiàn)了一個蘇必利爾湖大小的水體，在太陽系中又發(fā)現(xiàn)了另一顆矮行星，并通過勘測100萬個星系精確測量了宇宙的膨脹。

10.在木衛(wèi)二和谷神星上觀測到水汽

在2014年，行星科學(xué)尤其搶眼。天文學(xué)家對土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二、木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二、兩個較小的太陽系天體和冥王星軌道之外的天體展開了進(jìn)一步的研究。對宇宙學(xué)來說，2014年也是令人興奮的一年，宇宙極早期的超高速膨脹階段——暴脹——得到了可能潛在的確認(rèn)。下面列出的是其中10項最重大的發(fā)現(xiàn)。

2014年，在木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二和小行星谷神星的稀薄大氣中，天文學(xué)家探測到了來自水的信號。

雖然有越來越多的證據(jù)顯示在木衛(wèi)二厚厚的冰殼之下有一個全球性的海洋，但新的觀測則表明某些過程可以使其把地下的液體噴射進(jìn)太空。使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的光譜儀，天文學(xué)家解析并分析了木衛(wèi)二附近的物質(zhì)所反射的紫外線，結(jié)果在其南半球大氣層中發(fā)現(xiàn)了氫和氧，它們被認(rèn)為是水分子與電子發(fā)生碰撞使得水分子解體所釋放出來的。

觀測到這些氫和氧的信號時，木衛(wèi)二位于其軌道上距離木星最遠(yuǎn)的地方，在它最靠近木星時則沒有探測到這些元素的信號。這一差異表明，木衛(wèi)二之所以能噴射出水蒸氣是由于木星引力對它的拉伸打開了其表面裂紋。把這些觀測結(jié)果與計算模型比較之后發(fā)現(xiàn)，200千米高的噴出物可以解釋哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果。

與此同時，在另一項研究中，天文學(xué)家探測到了谷神星——小行星帶中最大的天體——周圍水蒸氣的紅外輻射。

利用歐空局的赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡所獲得的這些數(shù)據(jù)，天文學(xué)家有望確定谷神星上可能的水源地。類似于彗星，谷神星上的水可能會以噴流的形式從其表面噴出。如果其他的研究能證實這一點的話，小行星和彗星之間的界線將會進(jìn)一步模糊。

目前，美國航空航天局的“曙光”探測器正在飛往谷神星的途中，計劃在2015年4月抵達(dá)。如果水確實是從它的表面噴射出來的，“曙光”就會探測到它們。

09.“羅塞塔探訪彗星”

2014年8月6日，在10年的征程之后，“羅塞塔”探測器成為歷史上第一個環(huán)繞一顆彗星的探測器。雖然它探測67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（簡稱67P彗星）的任務(wù)才剛剛開始，但“羅塞塔”已經(jīng)讓科學(xué)家驚喜連連。在2014年7月，“羅塞塔”發(fā)現(xiàn)67P彗星呈啞鈴形，就像一只有著頭部和身體的鴨子。

到2014年10月初，“羅塞塔”已觀測到了該彗星彗核的大部分區(qū)域。根據(jù)這些觀測，得出67P彗星較大那部分的長寬高分別為4.1千米、3.2千米和1.3千米，而較小部分則為2.5千米、2.5千米和2.0千米。天文學(xué)家還測量了這顆彗星的質(zhì)量，由此計算出它的密度為每立方厘米0.4克。相比之下，地球的密度高了近14倍。

除了搞清楚67P彗星的主要特征之外，“羅塞塔”還配備了儀器來采集和分析它的塵埃。到目前為止，它已經(jīng)采集了幾十個塵埃顆粒?？茖W(xué)家預(yù)計，一旦“羅塞塔”和67P更靠近太陽，會采集到更多的塵埃，因為太陽的熱量會使得彗星上的冰汽化。這個過程會把塵埃從彗星中噴射出來，在彗星周圍形成彗發(fā)以及彗尾?！傲_塞塔”探測器及其“菲萊”著陸器將會見證這一轉(zhuǎn)變。

到目前為止，“羅塞塔”上的相機已經(jīng)看到數(shù)個從67P彗星上射出的氣體羽狀物，還在67P彗星周圍不同的地方測量了水、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷和甲醇的含量。

“羅塞塔”會在彗星67P周圍逗留1年，監(jiān)視后者在2015年8月過近日點時發(fā)生的一切變化。

08.中等質(zhì)量黑洞真實存在

一場持續(xù)了幾十年的爭論可能已經(jīng)塵埃落定，它涉及宇宙中最離奇的一類天體：黑洞。這些極端致密的天體有著強大的引力，任何靠得太近的東西——包括光——都會被永遠(yuǎn)地束縛住。

盡管天文學(xué)家還未直接觀測到黑洞，但根據(jù)圍繞它們運動的物質(zhì)可以知道它們的存在。使用基本的物理學(xué)定律——和支配行星繞太陽公轉(zhuǎn)一樣的法則，科學(xué)家已經(jīng)知道黑洞有兩種：恒星質(zhì)量黑洞（從幾個到約30個太陽質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（數(shù)百萬到數(shù)十億個太陽質(zhì)量）。但是直到2014年，介于這兩個極端之間的黑洞是否存在仍然撲朔迷離。為此，天文學(xué)家測量了近距星暴星系M82中的一個明亮X射線源M82X-1，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量為太陽的428倍，上下有105個太陽質(zhì)量誤差。這個323個～533個太陽質(zhì)量的范圍有力地證明了中等質(zhì)量黑洞的存在。

在這項研究中，天文學(xué)家使用的是美國航空航天局羅西X射線時變探測器的歸檔數(shù)據(jù)。他們在其中尋找黑洞周圍吸積盤內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的特定振蕩信號。盡管天文學(xué)家并不確切知道這些信號來自何處，但已經(jīng)可以在許多恒星質(zhì)量黑洞和一些中等質(zhì)量黑洞候選體中看到它們。

質(zhì)量較小的黑洞會具有兩對振蕩，一對的頻率在1赫茲或更小，另一對的頻率則較高。高頻振蕩對似乎總是遵循2∶3的比例?？茖W(xué)家在幾個中等質(zhì)量黑洞候選體中發(fā)現(xiàn)了低頻振蕩對，但它們的頻率在0.0001赫茲左右。為什么會有這樣的區(qū)別？

黑洞的質(zhì)量越大，其吸積盤的尺度就越大。相比質(zhì)量較小的黑洞，質(zhì)量較大的黑洞會具有頻率較低的振蕩。但此前沒有觀測到過中等質(zhì)量黑洞候選體中的高頻振蕩。

在分析了M82X-1的數(shù)據(jù)之后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了位于3.3赫茲和5赫茲上的高頻振蕩對，滿足2∶3的比例。這讓科學(xué)家相信，這些是與在恒星質(zhì)量黑洞周圍所見相同的信號。通過比較這些頻率，可以估計出它的質(zhì)量約為400個太陽質(zhì)量。

這項研究給出了中等質(zhì)量黑洞存在的最有力證據(jù)。它們似乎比恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞更為罕見，這同時又提出了另一個重大的問題。未來的X射線觀測設(shè)備——例如將在2016年抵達(dá)國際空間站的中子星內(nèi)部成分探測器——將幫助天文學(xué)家更多地了解這類天體。

07.來自宇宙的中微子

中微子不帶電荷，幾乎沒有質(zhì)量，與物質(zhì)間的相互作用極其微弱。這些特性使得它們難以被探測到，但只要探測到中微子，它們就可以告訴科學(xué)家很多有關(guān)其來源的信息。20世紀(jì)50年代，人類首次探測到了中微子，而60年后的今天，物理學(xué)家已能捕獲能量高得多的中微子。

想發(fā)現(xiàn)中微子，就必須有一個巨大的探測器。冰立方中微子探測器深埋在南極原始的冰蓋之下，有5160個獨立的模塊。在花了一年的時間分析了其頭兩年的觀測數(shù)據(jù)之后，冰立方的科學(xué)家宣布，發(fā)現(xiàn)了來自宇宙的高能中微子。此后，他們又利用不同的分析技術(shù)證實了這一發(fā)現(xiàn)。

冰立方探測到的大多數(shù)中微子是高能宇宙線轟擊地球大氣分子所產(chǎn)生的。但是，觀測到的中微子中，大約有80個的能量顯著高于上述簇射過程所產(chǎn)生的中微子。因此，這些粒子必定來自宇宙中的爆發(fā)或其他高能事件。迄今探測到的高能中微子的能量比可見光的10萬億倍還多，有兩個至少比這個數(shù)字還要高出100倍。與來自超新星1987A和太陽的中微子相比，這些中微子的能量則高了100萬倍。

要測量中微子的能量，天文學(xué)家需要分析冰立方的各個模塊所捕捉的光。如果穿過該探測器的是一個μ介子中微子，科學(xué)家可以以0.4°的精度確定它來自天空中的哪個位置。如果是一個電子中微子，則回溯的精度在10°至15°之間。

不幸的是，冰立方還沒有探測到足夠的μ介子中微子來精確跟蹤粒子的來源。其可能的來源包括活動星系和強勁的γ射線暴，甚至是構(gòu)成了大部分宇宙物質(zhì)的暗物質(zhì)粒子。當(dāng)然，這些中微子還可能來自我們尚不清楚的某個來源。

06.土衛(wèi)二擁有底下海洋

當(dāng)美國航空航天局的卡西尼探測器在2004年抵達(dá)土星時，科學(xué)家做夢也不會想到它會有這么多發(fā)現(xiàn)。然而，最令人興奮的發(fā)現(xiàn)并不是土星，而是它的一個衛(wèi)星。在2005年年初，“卡西尼”便探測到了位于土衛(wèi)二南極地區(qū)的水蒸氣噴出物。迄今，它已經(jīng)觀測到了100個這樣的羽狀噴發(fā)。但是，這些水從何而來？

天文學(xué)家認(rèn)為，土衛(wèi)二的表面冰殼之下有一個巨大的水體，產(chǎn)生了這些噴發(fā)。根據(jù)“卡西尼”的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以計算出這個海洋的大小、深度和密度。

當(dāng)“卡西尼”從土衛(wèi)二表面上方100千米處飛過時，科學(xué)家對其進(jìn)行了跟蹤。它受到的引力越大，它下方的物質(zhì)就越多。由此可以計算出土衛(wèi)二的重力場，但在此之前必須扣除太陽系其他天體的引力、太陽光壓、“卡西尼”上能源的輻射壓以及“卡西尼”在穿過噴出物時受到的阻尼。之后把測得的質(zhì)量分布與其表面的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。此前的測量結(jié)果顯示，在土衛(wèi)二的南極附近有一個巨大的凹陷，深約1千米。但新的重力測量結(jié)果則顯示那里有大量的物質(zhì)。對這一差異最可能的解釋就是當(dāng)?shù)卮嬖谝粋€巨大的水體。水的密度比冰大約8%，因此在相同的體積下會施加更多的引力。

在40千米厚的冰層之下，該水體的含水量相當(dāng)于地球上的蘇必利爾湖。這一地下水體可以在土星引力的潮汐作用下保持溫暖。但是，液態(tài)水是如何產(chǎn)生的且為什么只存在于土衛(wèi)二的南極仍是未解的謎題。也就是說，科學(xué)家并不知道是什么讓土衛(wèi)二維持其地質(zhì)活動的。（待續(xù)）