2015年十大太空故事

□ 編譯 / 謝 懿

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2015年
十大太空故事

□ 編譯 / 謝 懿

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了就在我們近旁的暗物質(zhì)，揭示了一個(gè)著名超新星的秘密，還前往造訪了冥王星。毫無疑問，2015年是屬于行星科學(xué)的一年。太陽系中最大小行星上的神秘亮點(diǎn)困擾著科學(xué)家，有一個(gè)探測(cè)器還跟隨著彗星一起經(jīng)過其近日點(diǎn)，當(dāng)然最具歷史意義的還是對(duì)冥王星的飛掠。不過，對(duì)太陽系以外天體的探測(cè)和發(fā)現(xiàn)也值得關(guān)注。在銀河系中心隱藏著神秘的光芒，天文學(xué)家們還細(xì)致地研究了近處的恒星爆炸現(xiàn)象。

下面將依次列出2015年的十大太空故事。

NO.10火星上的水

數(shù)十億年前火星上海洋的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：ESO/M. Kornmesser。

已發(fā)現(xiàn)的大量證據(jù)表明，火星上曾經(jīng)有液態(tài)水。最新研究卻發(fā)現(xiàn)，在今天的火星表面之上仍有液態(tài)水在流淌。自2010年以來，天文學(xué)家就在利用火星勘測(cè)軌道器的數(shù)據(jù)來研究火星環(huán)形山壁上的條紋。這些條紋的長度隨著時(shí)間會(huì)變長，似乎是鹽水流動(dòng)所留下的痕跡，但缺乏進(jìn)一步的證據(jù)。在這項(xiàng)新的研究中，火星勘測(cè)軌道器獲得了火星表面4個(gè)地點(diǎn)上這些條紋的光譜數(shù)據(jù)，確認(rèn)其成分確實(shí)是鹽水。

2015年的另一項(xiàng)研究分析了在火星上曾經(jīng)有多少水。天文學(xué)家使用了多架地面望遠(yuǎn)鏡在紅外波段對(duì)火星大氣進(jìn)行了觀測(cè)，目的是為了尋找水分子（H2O）和比水分子多一個(gè)中子的氫—氘—氧（HDO）分子的信號(hào)。在6年（或3個(gè)火星年）的時(shí)間里，科學(xué)家們3次測(cè)量了這2種水的豐度比值，以了解在不同的季節(jié)里它們的變化。

H2O比HDO更輕，更易于蒸發(fā)。因此，通過測(cè)量兩者的比值，就能計(jì)算出隨著時(shí)間火星已流失了多少水，進(jìn)而推算出在一開始它擁有多少水。結(jié)果顯示，在45億年前，火星上的北海覆蓋了其近20%的表面，含水量約2300立方千米，比地球上的大西洋還大。

NO.09近鄰的暗物質(zhì)

無法被看見且令人費(fèi)解的物質(zhì)構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的80%以上。盡管還不清楚這些暗物質(zhì)到底是什么，不過在2015年有一種暗物質(zhì)搜尋方法倒是給出了一些饒有興趣的結(jié)果。

當(dāng)兩個(gè)暗物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞時(shí)，它們會(huì)湮滅，發(fā)射出γ射線。近鄰的矮星系是尋找暗物質(zhì)產(chǎn)生γ射線的理想場所，它們自身不會(huì)發(fā)出任何高能γ射線。如果你看到有矮星系發(fā)射出γ射線，那就有可能是暗物質(zhì)湮滅的跡象。

在過去的一年中，暗能量巡天項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了9個(gè)距離銀河系在1萬光年之內(nèi)的矮星系。這其中有一個(gè)被稱為網(wǎng)罟II。使用費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡7年的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)矮星系在γ射線波段看上去比預(yù)期的更亮一點(diǎn)。雖然來自網(wǎng)罟II的信號(hào)很誘人，不過由此斷定它就來自暗物質(zhì)還為時(shí)尚早。天文學(xué)家還需要更多的數(shù)據(jù)來解決這個(gè)問題。

使用由62個(gè)CCD組成的相機(jī)，暗能量巡天項(xiàng)目所拍攝的一片天區(qū)。版權(quán)：DES。

NO.08引力透鏡超新星

2014年11月，當(dāng)天文學(xué)家在研究由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡新近所拍攝的星系團(tuán)MACS J1149.6+2223的圖像時(shí)，發(fā)現(xiàn)在其中一個(gè)成員星系周圍存在4顆光亮完全一樣的恒星。此后經(jīng)過證實(shí)它是一顆超新星，但恰好位于該超新星視線方向的這個(gè)成員星系扭曲了它的影像。

因引力透鏡效應(yīng)而產(chǎn)生的4個(gè)超新星像（箭頭所指）。版權(quán)：NASA/ESA/ STSCI/UCLA。

這一恒星爆炸所發(fā)生的距離極其遙遠(yuǎn)，它所發(fā)出的光花了約95億年的時(shí)間才抵達(dá)地球。在它飛往地球的路徑上，光線遇到一個(gè)星系團(tuán)中質(zhì)量較大的成員星系。就像保齡球使得蹦床表面下陷一樣，這個(gè)星系會(huì)扭曲其周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)，因此該超新星的光會(huì)沿著彎曲時(shí)空走出一條曲線。

這一引力透鏡效應(yīng)使得一顆超新星具有了4個(gè)不同的像。由于該超新星的像分布在4個(gè)不同的位置上，它的光走了4條不同的路徑才抵達(dá)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。根據(jù)這些不同路徑，天文學(xué)家可以探測(cè)出這個(gè)星系團(tuán)中普通物質(zhì)和不可見暗物質(zhì)的分布。此外，這些不同的路徑還和宇宙的膨脹速率有關(guān)。

NO.07破譯超新星

1987年2月，在南半球的夜空中出現(xiàn)了一顆超新星，被稱為1987A。在2015年做出的幾項(xiàng)發(fā)現(xiàn)揭示出了28年來這一爆炸所經(jīng)歷的變化以及有關(guān)它的秘密。

超新星1987A擁有由明亮結(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，就像項(xiàng)鏈上的顆顆珍珠。這些明亮的結(jié)點(diǎn)正是爆炸所產(chǎn)生的激波和先前被拋射出的物質(zhì)發(fā)生碰撞的地方。雖然在過去的15年里天文學(xué)家一直能看到這些結(jié)點(diǎn)在增亮，但新的觀測(cè)卻第一次發(fā)現(xiàn)它們正在開始變暗。

2015年的另一項(xiàng)研究則專注于超新星1987A的中心。當(dāng)一顆質(zhì)量超太陽10倍的恒星在其生命的終點(diǎn)爆炸時(shí)，它會(huì)制造出一系列的重元素。其中之一便是鈦-44，它是一種不穩(wěn)定的放射性同位素。使用核分光望遠(yuǎn)鏡陣列，天文學(xué)家測(cè)量了超新星1987A中鈦-44的分布，發(fā)現(xiàn)它們的分布不均勻且呈塊狀，這意味著其爆炸并非是對(duì)稱的。

超新星1987A三維環(huán)結(jié)構(gòu)的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：ESO/L. CAL?ADA。

NO.06外太陽系富含水

多年來天文學(xué)家懷疑，土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二地表之下的海洋會(huì)從其南極附近的縫隙向外噴射出咸水。但對(duì)美國宇航局卡西尼探測(cè)器7年的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二可能擁有一個(gè)全球性的地下海洋，而不僅僅是一個(gè)位于南極的區(qū)域性海洋。

土衛(wèi)二上存在全球性海洋的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：NASA/JPL-CALTECH。

天文學(xué)家測(cè)量了土衛(wèi)二自轉(zhuǎn)軸的微小擺動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在其冰質(zhì)表面和巖質(zhì)核心之間存在一個(gè)由液態(tài)水構(gòu)成的海洋。在土衛(wèi)二南極地區(qū)的海洋更深且冰殼較薄，在那里發(fā)現(xiàn)了約100個(gè)咸水噴口。相比于一個(gè)區(qū)域性的海洋，全球性的海洋則更難維持，因此這一發(fā)現(xiàn)表明土衛(wèi)二獲得的潮汐能比原先認(rèn)為的更多。

2015年，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了迄今木星的衛(wèi)星木衛(wèi)三含有水的最佳證據(jù)。木衛(wèi)三的每個(gè)半球都有極光帶。木星的磁場會(huì)影響這些極光帶，使得它們的位置隨木星的自轉(zhuǎn)周期發(fā)生變化。天文學(xué)家們?yōu)榇耸褂霉臻g望遠(yuǎn)鏡對(duì)木衛(wèi)三進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)它的極光帶幾乎沒有移動(dòng)。這證明木衛(wèi)三擁有一個(gè)導(dǎo)電的咸水海洋，它位于其表面巖冰殼層下方150千米處，厚度約100千米。

NO.05谷神星登臺(tái)

2015年3月6日，美國宇航局的曙光探測(cè)器進(jìn)入了圍繞矮行星谷神星的軌道。類似于在土星冰質(zhì)衛(wèi)星上所看到的，谷神星的表面布滿了環(huán)形山。這一特點(diǎn)說明它擁有一個(gè)富含冰的殼層。

谷神星表面上存在的亮點(diǎn)也讓行星科學(xué)家們?yōu)橹浴?015年初第一次發(fā)現(xiàn)了這些反光區(qū)，此后則發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)是多個(gè)亮點(diǎn)。它們位于谷神星北部的奧卡托環(huán)形山中，后者直徑92千米、深4千米。根據(jù)這些亮點(diǎn)的反射率，現(xiàn)在普遍認(rèn)為它們是鹽。

2015年8月，曙光探測(cè)器進(jìn)入了一條距離谷神星1 470千米的軌道。幾個(gè)月后，它會(huì)下降到其最終的科學(xué)軌道，距谷神星表面的高度僅375千米。除了勘測(cè)谷神星的表面并測(cè)量其環(huán)形山和山脈的高度之外，曙光探測(cè)器也正在試圖了解其表面的組成成分，測(cè)量不同地點(diǎn)上重力的差異，由此可以了解其內(nèi)部的物質(zhì)分布。

谷神星上奧卡托環(huán)形山的地形圖，其中央具有明亮區(qū)域。版權(quán)：NASA/JPLCALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA。

NO.04發(fā)現(xiàn)最年輕星系團(tuán)

星系團(tuán)的形成并非是一個(gè)天文學(xué)家可以實(shí)時(shí)觀看的過程，因?yàn)樗枰〝?shù)十億年的時(shí)間。與之相反，天文學(xué)家會(huì)尋找處于不同發(fā)育階段的星系團(tuán)。2015年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今最年輕的星系團(tuán)，尚處于形成的初級(jí)階段。

為了尋找這個(gè)原星系團(tuán)，天文學(xué)家搜索了有著極其明亮中心的星系，在那里有超大質(zhì)量黑洞正在活躍地進(jìn)食，被稱為類星體。天文學(xué)家觀測(cè)了天空中4個(gè)彼此靠近的活動(dòng)星系。在對(duì)它們進(jìn)行了詳細(xì)的研究之后，發(fā)現(xiàn)這4個(gè)星系有著相同的距離，到地球約106億光年。此前沒有人看到過或者期望能發(fā)現(xiàn)被相互的引力束縛在一起的4個(gè)類星體。

它們所處的宇宙年齡只有大約32億年，這一氫云的跨度約100萬光年。可以肯定它是一個(gè)原星系團(tuán)，將會(huì)演化成類似于今天室女星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)。

這4個(gè)相同距離上的類星體（箭頭所指）構(gòu)成了已知最年輕的星系團(tuán)。版權(quán)：J.F. HENNAWI/F. ARRIGONI-BATTAIA/MPIA。

NO.03銀心的意外輻射

在高能X射線波段對(duì)銀河系中心進(jìn)行了時(shí)長100萬秒的觀測(cè)之后，核分光望遠(yuǎn)鏡陣列發(fā)現(xiàn)了一片彌漫的X射線輻射，但無法確定其成因。天文學(xué)家本打算研究銀心處一顆中子星周圍的發(fā)光物質(zhì)，但始終無法去掉銀心處長13光年、寬26光年范圍內(nèi)的這一彌漫輻射。

核分光望遠(yuǎn)鏡陣列不只能成像，它還能獲得光譜。為了弄清它的成因，天文學(xué)家考察了能產(chǎn)生類似輻射的不同天體，研究了需要多少這些天體才能產(chǎn)生觀測(cè)到的亮度。結(jié)果顯示，有4種可能性。

核分光望遠(yuǎn)鏡陣列在銀心處所觀測(cè)到的彌漫X射線輻射。版權(quán)：NASA/JPLCALTECH。

這其中有3種可能性與恒星死亡后留下的殘骸竊取其伴星的氣體有關(guān)。當(dāng)這些物質(zhì)越積越多時(shí)，它就會(huì)引爆并發(fā)出X射線。當(dāng)有大量的這些爆發(fā)存在時(shí)，由于無法把它們分辨開，因此看上去呈彌漫狀。

第4個(gè)可能性是，當(dāng)物質(zhì)落向銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞時(shí)，其中一些會(huì)被加速到非常高的速度。它們有可能會(huì)和附近的氣體云發(fā)生相互作用，使之發(fā)光。但是，所看到的彌漫輻射似乎并不能完全用它來解釋。

NO.02羅塞塔探測(cè)器探訪彗星

伴隨著67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星通過其近日點(diǎn)并遠(yuǎn)去，歐洲空間局的羅塞塔探測(cè)器一直在關(guān)注它的變化。這一創(chuàng)造了歷史的任務(wù)揭開了許多有關(guān)彗星的秘密。

科學(xué)家們一直想知道其類似“橡皮鴨子”的形狀是如何形成的。現(xiàn)在，他們有了答案：67P彗星由兩個(gè)不同天體碰撞形成。為了得到這一結(jié)論，科學(xué)家測(cè)量了其不同地區(qū)的傾斜度以及表面結(jié)構(gòu)的走向，計(jì)算了它表面的局部重力。

雖然沒有嚴(yán)格按照事先的計(jì)劃執(zhí)行，羅塞塔探測(cè)器上搭載著冰箱大小的菲萊著陸器也對(duì)67P彗星的表面進(jìn)行了研究。2014年11月12日，菲萊著陸器與羅塞塔探測(cè)器分離，在最終降落到67P彗星表面之前，它經(jīng)歷了數(shù)次的彈跳。然而，它僅工作了60個(gè)小時(shí)便進(jìn)入了休眠狀態(tài)。

在第一次著陸的地點(diǎn)，菲萊著陸器嗅探到了16種有機(jī)化合物，其中有4種此前從未在彗星上探測(cè)到過。在同一地點(diǎn)，另一臺(tái)儀器則檢測(cè)出了幾種氣體，包括水蒸氣、一氧化碳和甲醛。

羅塞塔探測(cè)器將繼續(xù)對(duì)67P彗星進(jìn)行探測(cè)直到2016年9月，屆時(shí)任務(wù)科學(xué)家很有可能會(huì)試圖把它降落在彗星上看最后一眼。

67P彗星酷似鴨子的外形源于兩個(gè)天體間的碰撞融合。版權(quán)：ESA/Rosetta/NAVCAM。

由新視野探測(cè)器所獲得影像合成的冥王星（右下）和冥衛(wèi)一（左上）合成圖像。版權(quán)：NASA/JHUAPL/SwRI。

0N.O1飛掠冥王星及其衛(wèi)星

當(dāng)美國宇航局的新視野探測(cè)器飛過冥王星時(shí)，它沒有讓天文學(xué)家失望。冥王星曾被認(rèn)為是冰冷、布滿環(huán)形山且早已死去的矮行星，而其衛(wèi)星的情況也基本與之相同。結(jié)果卻正好相反，冥王星的表面很年輕，具有平緩的冰原、高聳的冰質(zhì)山脈以及類似沙丘和冰川湖的地貌。對(duì)冥王星的近距離成像也讓科學(xué)家們精確地測(cè)量出了這顆矮行星的直徑為2370千米。這也保證了冥王星是海王星軌道之外已知最大天體的桂冠。

在新視野探測(cè)器飛掠冥王星之外，它回過頭觀測(cè)了冥王星日食的景象。這一排列使得陽光可以穿過冥王星的大氣層，由此可以對(duì)它進(jìn)行研究。在冥王星的地表上方有一個(gè)顯著的霧霾層，向外延伸出約130千米，數(shù)倍于科學(xué)家們的預(yù)期。

盡管冥王星一直是焦點(diǎn)，但冥衛(wèi)一也表現(xiàn)驚艷。它也有各種不同的地貌，有些區(qū)域也沒有環(huán)形山。在它的表面上有綿延數(shù)百千米的峭壁，表明其地殼存在斷裂。在冥衛(wèi)一的表面有一個(gè)深6～10千米的峽谷。

新視野探測(cè)器還抓拍了冥王星4顆較小的衛(wèi)星冥衛(wèi)二、冥衛(wèi)三、冥衛(wèi)四和冥衛(wèi)五的照片。雖然冥衛(wèi)一的直徑達(dá)1208千米，但這4顆衛(wèi)星的直徑都只有幾十千米。

探測(cè)所獲得的大多數(shù)數(shù)據(jù)仍儲(chǔ)存在新視野探測(cè)器上，在未來數(shù)月的時(shí)間里會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)地發(fā)送回地球，毫無疑問它會(huì)是一座新的科學(xué)寶藏。

（責(zé)任編輯 張長喜）