Liz+Kruesi+Shea

2013年大部分的天文頭條都涉及到了宇宙中最極端的天體和事件，例如黑洞、高能宇宙線(xiàn)以及宇宙的開(kāi)端。不過(guò)，行星科學(xué)也不甘示弱。

近期，美國(guó)《天文學(xué)》雜志評(píng)選出2013年十大太空故事。

10、黑洞會(huì)射出相似的噴流

黑洞具有極端的引力和密度，而它們周?chē)沫h(huán)境則為科學(xué)家們提供了天然的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室。這些致密的天體有著迥異的質(zhì)量，從幾倍到幾十倍于太陽(yáng)的恒星質(zhì)量黑洞，再到位于星系中心數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億倍于太陽(yáng)的超大質(zhì)量黑洞。在黑洞的周?chē)兄筛邷貧怏w所組成的盤(pán)而其中還夾雜著糾纏的磁場(chǎng)，沿著垂直于這個(gè)盤(pán)的方向會(huì)射出由近光速運(yùn)動(dòng)的粒子所組成的相對(duì)論噴流。盡管天文學(xué)家們還不能確切知道到底是什么過(guò)程制造并驅(qū)動(dòng)了這些噴流，但是有研究表明，由噴流向周?chē)h(huán)境所注入的能量與該黑洞的質(zhì)量呈正比。

天文學(xué)家已經(jīng)目睹了數(shù)百個(gè)因大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞而射出的噴流，被稱(chēng)為γ射線(xiàn)暴，以及數(shù)百個(gè)來(lái)自大型星系中心超大質(zhì)量黑洞所射出的噴流，被稱(chēng)為活動(dòng)星系核。他們也通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)噴流的行為進(jìn)行了模擬。新的研究所給出的信息將有助于科學(xué)家們搞清楚相對(duì)論性噴流產(chǎn)生的機(jī)制。

為此，天文學(xué)家研究了數(shù)百個(gè)指向地球的噴流，其中54個(gè)來(lái)自γ射線(xiàn)暴，另有234個(gè)來(lái)自活動(dòng)星系核。他們測(cè)量了這288個(gè)噴流的光度，由此可以確定其中由光子所攜帶的能量有多少。進(jìn)而，可以估計(jì)出高速運(yùn)動(dòng)的粒子所攜帶的能量以及噴流向周?chē)h(huán)境所注入的“動(dòng)能”有多少。

天文學(xué)家分析了在這288個(gè)恒星質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)中光度和動(dòng)能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)出了相同的特性。噴流的總能量中有3～1 5%是以輻射的形式所出現(xiàn)的。

因此，雖然科學(xué)家們并不清楚究竟是什么物理機(jī)制驅(qū)動(dòng)了噴流，但它在質(zhì)量差距懸殊的黑洞身上卻遵循著相同的規(guī)律。

9、“旅行者”1號(hào)進(jìn)入星際空間

在就“旅行者”1號(hào)是否越過(guò)了太陽(yáng)的日球?qū)訝?zhēng)論了1年之后，科學(xué)家們于2013年9月12日宣布，位于126個(gè)天文單位（1天文單位等于地球到太陽(yáng)的平均距離）處的“旅行者”1號(hào)已身處星際空間中。不僅如此，“旅行者”1號(hào)其實(shí)在2012年8月25日就已越過(guò)了這一邊界。

太陽(yáng)的磁場(chǎng)、粒子風(fēng)以及輻射形成了一個(gè)可以阻擋銀河系星際介質(zhì)入侵的保護(hù)罩，位于這個(gè)日球?qū)油鈬膭t是終端激波和太陽(yáng)風(fēng)層頂?！奥眯姓摺?號(hào)于2004年穿過(guò)了終端激波，“旅行者”2號(hào)越過(guò)終端激波的時(shí)間則在2007年。

在2012年7～8月，“旅行者”1號(hào)發(fā)現(xiàn)來(lái)自銀河系的高能量宇宙線(xiàn)在增多，而來(lái)自太陽(yáng)的粒子則在減少。不過(guò)，它并沒(méi)有探測(cè)到磁場(chǎng)方向的變化——科學(xué)家們相信這是“旅行者”1號(hào)已越過(guò)太陽(yáng)風(fēng)層頂進(jìn)入星際空間的確鑿證據(jù)。由此，其團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為它當(dāng)時(shí)正處于一個(gè)過(guò)渡性的磁場(chǎng)通道中。

要是于1980年就已經(jīng)停止工作的等離子體科學(xué)儀器仍在運(yùn)轉(zhuǎn)的話(huà)，它可以在201 2年就解決這個(gè)問(wèn)題。然而，直到2013年4月9日等離子波子系統(tǒng)設(shè)備才獲得了有說(shuō)服力的證據(jù)。它發(fā)現(xiàn)從當(dāng)天到5月22日“旅行者”1號(hào)周?chē)牡入x子體一直存在強(qiáng)烈的振蕩。

根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，科學(xué)家們獲得了“旅行者”1號(hào)周?chē)娮拥拿芏?，發(fā)現(xiàn)它當(dāng)時(shí)必定位于太陽(yáng)風(fēng)層頂之外，因?yàn)楫?dāng)時(shí)測(cè)得的電子密度比太陽(yáng)風(fēng)層頂中預(yù)期的電子密度高了近80倍。當(dāng)他們回顧以前的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從2012年10月23日至11月27日也出現(xiàn)了稍弱的振蕩。將這兩個(gè)次振蕩進(jìn)行比較，天文學(xué)家就可以計(jì)算出等離子體環(huán)境隨著到太陽(yáng)的距離是如何變化的。綜合“旅行者”1號(hào)每年向外運(yùn)動(dòng)約3.58個(gè)天文單位的信息，天文學(xué)家們由此得出結(jié)論，它在2012年8月25日就已進(jìn)入了星際空間。

“旅行者”1號(hào)的天文學(xué)家們很謹(jǐn)慎，只說(shuō)“它已進(jìn)入了星際空間”，而非“它已經(jīng)離開(kāi)了太陽(yáng)系”。這兩者是有明顯區(qū)別的：太陽(yáng)的引力實(shí)際上可以延伸到更遠(yuǎn)得多的地方并束縛住距離太陽(yáng)10萬(wàn)個(gè)天文單位處奧爾特云中的彗星。以目前的速度，“旅行者”1號(hào)大約還需要28000年才能離開(kāi)太陽(yáng)系。

8、解開(kāi)輻射帶的奧秘

地球的磁場(chǎng)可以阻攔來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子，把它們送入兩個(gè)環(huán)繞地球的環(huán)狀帶中。其內(nèi)帶的范圍是從距地表上方600～6400千米，隨著時(shí)間的推移它能維持相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)。它的外部區(qū)域則始于地表之上約13000公里千米處，可以一直延伸到64000千米遠(yuǎn)；其形狀和強(qiáng)度在幾小時(shí)到數(shù)天的時(shí)間尺度上會(huì)發(fā)生變化。這些區(qū)域被稱(chēng)為范艾倫帶，以1958年發(fā)現(xiàn)它們的科學(xué)家命名。

科學(xué)家們于2012年8月發(fā)射了兩個(gè)范艾倫帶探測(cè)器來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究，進(jìn)而了解為什么被束縛在其中的粒子會(huì)具有這么高的能量。這兩個(gè)完全相同的探測(cè)器在各自的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，它們會(huì)經(jīng)過(guò)范艾倫帶中的不同區(qū)域進(jìn)而比較和測(cè)量其中輻射的變化情況。在它們最靠近地球的時(shí)候，距離地表只有600千米；當(dāng)它們距離地球最遠(yuǎn)時(shí)，可以達(dá)到37000千米。

就在開(kāi)始工作之后幾天，這兩個(gè)探測(cè)器就在兩個(gè)范艾倫帶之間發(fā)現(xiàn)了第3個(gè)輻射帶。這一新的輻射帶從2013年9月3日一直持續(xù)存在到了10月1日。當(dāng)有物質(zhì)從太陽(yáng)上被拋射出時(shí)，它們會(huì)形成一道激波。當(dāng)該激波擊中地球磁場(chǎng)的時(shí)候，它會(huì)擾亂外部的范艾倫帶，把粒子推送到第3個(gè)臨時(shí)的輻射帶中。由于能量太高無(wú)法被拋射或者散射掉，它們會(huì)逗留在新的輻射帶中，自然而然地形成等離子體波。當(dāng)太陽(yáng)在4個(gè)星期后又產(chǎn)生了一波風(fēng)暴之后，它就破壞了這個(gè)臨時(shí)的輻射帶。

范艾倫探測(cè)器還目擊了范艾倫帶中的能量振蕩，從而幫助科學(xué)家解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題：究竟是地球磁場(chǎng)之外的過(guò)程，還是范艾倫帶內(nèi)的機(jī)制把其中的電子和質(zhì)子加速到了接近光速的速度？范艾倫探測(cè)器的一大任務(wù)就是區(qū)分這兩種可能性。2012年10月8日和9日，它們?cè)诜栋瑐悗y(cè)量到了中間最高且向內(nèi)外兩側(cè)遞減的能量分布。這一觀(guān)測(cè)結(jié)果與加速能源來(lái)自范艾倫帶內(nèi)部相符。

盡管范艾倫探測(cè)器無(wú)法確定具體是什么東西把粒子加速到了這么高的能量，但科學(xué)家們認(rèn)為穿過(guò)范艾倫帶的輻射波可能是其中的原因。這一能量升高可能會(huì)導(dǎo)致地球衛(wèi)星上的電子設(shè)備遭到嚴(yán)重破壞，這也正是人造衛(wèi)星的軌道都遠(yuǎn)離范艾倫帶的原因。了解是什么機(jī)制把粒子加速到超過(guò)光速的99%，將有助于科學(xué)家們預(yù)言類(lèi)似的能量振蕩會(huì)何時(shí)發(fā)生，進(jìn)而更有效地來(lái)保護(hù)地球衛(wèi)星。endprint

7、銀心黑洞撕裂氣體云

2011年底，天文學(xué)家們宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量?jī)H相當(dāng)于3個(gè)地球的特殊天體，正在接近銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。這個(gè)天體當(dāng)時(shí)似乎正在遠(yuǎn)離地球，徑直朝銀心黑洞人馬A*沖去。

在測(cè)量了該天體的溫度為550開(kāi)之后，該天體被判定為一個(gè)氣體塵埃云，稱(chēng)為G2，而非一顆恒星。（由于中央的核聚變，恒星的表面溫度至少是這個(gè)數(shù)值的3倍。）科學(xué)家們計(jì)算發(fā)現(xiàn)G2會(huì)在201 3年夏天最靠近人馬A*。

人馬A*在一個(gè)大小約為太陽(yáng)18倍的區(qū)域中擁有約430萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。在這么小的區(qū)域中塞入這么多的物質(zhì)，會(huì)使得時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生極端的扭曲，任何從這個(gè)黑洞附近經(jīng)過(guò)的東西都會(huì)感受到它強(qiáng)大的引力。G2會(huì)從距離人馬A*130個(gè)天文單位的地方經(jīng)過(guò)，但后者的引力甚至遠(yuǎn)在這個(gè)距離之外就開(kāi)始撕扯它了。如果它是一顆恒星的話(huà)，在整個(gè)過(guò)程中它自身就會(huì)具有足夠的引力來(lái)讓自己全身而退。

從2013年4月起，天文學(xué)家們便開(kāi)始監(jiān)測(cè)銀心黑洞強(qiáng)大的引力對(duì)這團(tuán)小氣體云的影響。結(jié)果顯示，G2的前端已經(jīng)繞過(guò)了黑洞的遠(yuǎn)端，現(xiàn)在正在朝著地球運(yùn)動(dòng)?？茖W(xué)家們通過(guò)分析其所發(fā)出的光就能知曉這一點(diǎn)。當(dāng)它遠(yuǎn)離我們的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，它所發(fā)出的光看上去會(huì)更紅：而當(dāng)它在朝向我們的望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)時(shí)，它發(fā)出的光就會(huì)偏藍(lán)。計(jì)算機(jī)模擬表明，人馬A*的引力會(huì)在一年的時(shí)間里一直撕扯G2直到它被撕碎。

天文學(xué)家們很少有機(jī)會(huì)能目睹超大質(zhì)量黑洞撕扯途經(jīng)的物質(zhì)，因此把大量的儀器設(shè)備對(duì)準(zhǔn)了G2。因?yàn)槠渌某筚|(zhì)量黑洞都極為遙遠(yuǎn)一一距離我們第2近的位于約250萬(wàn)光年之外的仙女星系中——地面上的望遠(yuǎn)鏡不具備能看清它們周?chē)镔|(zhì)細(xì)節(jié)所需的分辨率。這些相互作用可以告訴天文學(xué)家們有關(guān)黑洞周?chē)h(huán)境的信息，那里正是極端物理過(guò)程發(fā)生的地方。

6、“開(kāi)普勒”失靈

2009年3月6日開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，旨在尋找太陽(yáng)系外的類(lèi)地行星。在近4年的時(shí)間里，它一直凝視著約160000顆恒星，來(lái)探測(cè)它們亮度微小的降低。這些亮度的微小降低可能是由于一顆行星從其前方經(jīng)過(guò)遮擋其光線(xiàn)所造成的，即“凌星事件”。在“開(kāi)普勒”的數(shù)據(jù)中，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約3500顆行星候選體，到目前為止已經(jīng)確認(rèn)了156顆行星。

遺憾的是，“開(kāi)普勒”所收集的數(shù)據(jù)并不足以能提供更多有關(guān)太陽(yáng)系外行星的深層次信息。2012年7月，它4個(gè)反應(yīng)輪中一個(gè)失靈。反應(yīng)輪至關(guān)重要，正是它保持著“開(kāi)普勒”的精確指向。使用3個(gè)反應(yīng)輪仍能讓“開(kāi)普勒”始終對(duì)準(zhǔn)同一天區(qū)，但2013年5月又一個(gè)反應(yīng)輪失靈?！伴_(kāi)普勒”的科學(xué)家試圖修復(fù)一個(gè)失靈的反應(yīng)輪，但無(wú)濟(jì)于事。2013年8月15日，科學(xué)家們宣布“開(kāi)普勒”發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星的時(shí)日已經(jīng)結(jié)束，他們正在考慮把它用于其他研究。

在“開(kāi)普勒”失靈之前，天文學(xué)家們已經(jīng)在它的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了多行星系統(tǒng)和地球大小的行星。他們還對(duì)所觀(guān)測(cè)的恒星有了更多的了解。恒星亮度的變化并不一定都源自行星對(duì)其的遮擋。恒星黑子、恒星耀斑以及恒星內(nèi)部的脈動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致其輻射的變化。利用“開(kāi)普勒”的數(shù)據(jù)，通過(guò)研究這些振蕩，科學(xué)家們測(cè)定了數(shù)千顆恒星的年齡和大小。

科學(xué)家們至少需要3次亮度降低才能將其視為擁有行星的候選恒星。因此，如果有一顆地球大小的行星，在其表面可以有液態(tài)水存在的距離上環(huán)繞一顆類(lèi)太陽(yáng)恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的話(huà)，將至少需要3個(gè)地球年的數(shù)據(jù)來(lái)看到3次凌星事件?！伴_(kāi)普勒”的數(shù)據(jù)中仍有半數(shù)尚未被分析，許多行星可能還隱藏在其中。所以，盡管“開(kāi)普勒”已經(jīng)無(wú)法再收集太陽(yáng)系外行星的數(shù)據(jù)了，但這并不意味著來(lái)自“開(kāi)普勒”的發(fā)現(xiàn)就會(huì)戛然而止。

5、彗星照亮夜空

人人都喜歡明亮的彗星。它在天空中會(huì)造就出夢(mèng)幻般的景象，讓整個(gè)世界為之敬畏，并為研究早期太陽(yáng)系提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。相比任何天體，彗星能更有效地激發(fā)起大眾對(duì)天文學(xué)的興趣，這也使得在2013年出現(xiàn)的兩顆明亮的彗星——快速反應(yīng)系統(tǒng)彗星（C/2011 L4）和光科網(wǎng)彗星（C/2012 S1），因此成為了全世界的人們競(jìng)相觀(guān)看的目標(biāo)。

雖然光科網(wǎng)彗星被譽(yù)為2013年度彗星，但占據(jù)2013年春季頭條的卻是另一顆彗星。它就是由全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)在2011年6月5～6日發(fā)現(xiàn)的C/2011 L4，又稱(chēng)泛星彗星。2013年3月10日該彗星從距離太陽(yáng)4500萬(wàn)千米處飛過(guò)，當(dāng)時(shí)南半球的觀(guān)星者有著比北半球的更好的視角。泛星彗星的亮度最高達(dá)到了0.6等。雖然在夜空中是一個(gè)非常漂亮的天體，但它的亮度仍只有光科網(wǎng)彗星預(yù)期峰值的1/2300。

2012年9月21日國(guó)際光學(xué)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)的40厘米望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到了一個(gè)暗弱的光點(diǎn)。進(jìn)一步的分析確認(rèn)它是一顆彗星，計(jì)算顯示它會(huì)在2013年11月28日從距離太陽(yáng)表面180萬(wàn)千米處——僅相當(dāng)于太陽(yáng)直徑的1.3倍處飛過(guò)。

大多數(shù)彗星都起源自?shī)W爾特云，它距離太陽(yáng)20000～100000個(gè)天文單位，含有數(shù)萬(wàn)億顆彗星。當(dāng)它們中的一個(gè)進(jìn)入內(nèi)太陽(yáng)系時(shí)，太陽(yáng)的輻射會(huì)使之升溫，其所含的冰會(huì)直接升華成氣體。隨著其周?chē)鷼怏w云彗發(fā)的膨脹，彗星就會(huì)增亮。

光科網(wǎng)彗星會(huì)增亮到滿(mǎn)月程度的報(bào)道很快不脛而走。然而，在其沖日前一個(gè)月，預(yù)測(cè)表明它的亮度將會(huì)達(dá)到-7.8等。雖趕不上滿(mǎn)月，但仍將是黃昏天空中壯觀(guān)的景象。這顆彗星此前從來(lái)沒(méi)有接近過(guò)太陽(yáng)，因此當(dāng)時(shí)沒(méi)有人知道它將會(huì)如何表現(xiàn)。它有可能會(huì)被太陽(yáng)的引力瓦解，也許會(huì)奉上更令人印象深刻的表演。

無(wú)論如何，光科網(wǎng)彗星已經(jīng)滲透進(jìn)了媒體、科學(xué)家的討論和普羅大眾的心中。

4、“好奇”號(hào)發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)宜居的火星環(huán)境

從工程上講，2012年8月6日“好奇”號(hào)火星車(chē)登陸火星表面是一件非常復(fù)雜的事情。降落到這顆紅色行星之上本身就是一個(gè)令人印象深刻的壯舉，但接下去的事情則讓人喜出望外。2013年2月8日它鉆探了第一塊巖石，采集了其中的物質(zhì)樣本并對(duì)它們進(jìn)行了化學(xué)和礦物學(xué)分析。對(duì)鉆探出粉末的礦物學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了蒙脫石粘土，這佐證了火星早期擁有液態(tài)水的環(huán)境，而且這其中的水酸堿性都不高也不太咸?；瘜W(xué)分析則檢測(cè)出了生命所需的所有主要元素：硫，氮，氧，磷和碳。因此，憑借其鉆取的第一個(gè)樣本，“好奇”號(hào)就證明火星曾經(jīng)擁有一個(gè)宜居的環(huán)境。endprint