□ 高 爽

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2015年的十個(gè)天文學(xué)故事

□ 高 爽

2015年已經(jīng)過(guò)去，在這一年里，人類(lèi)在天文學(xué)上又取得了很多突破。全球的天文課題組做出了許多新發(fā)現(xiàn)，新的模型被提出，舊的參數(shù)被修正，曾經(jīng)的理論被驗(yàn)證或是被棄用，前人的猜測(cè)被證實(shí)或是被推翻，方法和技術(shù)不斷革新，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)也進(jìn)一步加深。

今天介紹的十個(gè)天文學(xué)故事，無(wú)一例外地都為我們打開(kāi)了新的“世界”——過(guò)去的小小光點(diǎn)得以變成眼前真切的世界，過(guò)去丟失了的榮耀可以重新找回，過(guò)去不經(jīng)意間的質(zhì)疑成為今天的熱門(mén)話題，過(guò)去百思不得其解的疑難雜癥可以用最簡(jiǎn)潔的方法嘗試突破……聆聽(tīng)這些故事也都需要等待的耐心，它們不是終點(diǎn)的旗幟，全部都是啟程的號(hào)角。在它們之后，還會(huì)有一個(gè)接一個(gè)的更加深入的探索發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)出來(lái)。這就是天文學(xué)有意思的地方，這就是我們這個(gè)時(shí)代最奢侈的地方——我們可以用如此高的花費(fèi)和耐心，去滿(mǎn)足好奇心，去打開(kāi)一個(gè)一個(gè)新世界。

新視野號(hào)為我們傳回了迄今為止最清晰的冥王星圖像，地表的心形清晰可見(jiàn)。圖片來(lái)源：N ASA/JH U APL/Sw R I

NO.1 新視野號(hào)飛越冥王星

9 年和30分鐘，前者是后者的十幾萬(wàn)倍。為了30分鐘的近距離探測(cè)冥王星和它的衛(wèi)星，新視野號(hào)孤獨(dú)飛行了9年，讓我們等待了9年。一個(gè)在望遠(yuǎn)鏡里才能看見(jiàn)的暗淡無(wú)奇的小光點(diǎn)，在9年之后變成天文學(xué)家眼前的一整個(gè)世界。不，不僅僅是天文學(xué)家的眼前。這個(gè)懷抱心形圖案的“萌王星”刷遍了全世界人們的屏幕。曾經(jīng)，那個(gè)遙遠(yuǎn)的冰封世界被命名為地獄冥王，而今天，我們可以有機(jī)會(huì)通過(guò)新視野號(hào)的近距離飛掠，看清它的真實(shí)面容。

雖然，新視野號(hào)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)冥王星存在光環(huán)，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更多的冥王星衛(wèi)星，但它探測(cè)到的冥王星的地表細(xì)節(jié)和地質(zhì)活動(dòng)，大大地震驚了人們。冥王星有著豐富的地質(zhì)化學(xué)活動(dòng)，它并不是死寂沉靜，而是非常活躍！這是人類(lèi)第一次走近冥王星世界，所以這僅僅是一個(gè)開(kāi)始。新視野號(hào)除了一系列科學(xué)探測(cè)設(shè)備之外，還攜帶了一盎司重的克萊德?湯博（Clyde Tombaugh）的骨灰。人們用這種方式，讓冥王星的發(fā)現(xiàn)者靠近了他曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)的世界。

花上7億美元，9年時(shí)間，只為了看上你一眼。值得。

NO.2 火星上的水

對(duì)于火星上的水，人們耗費(fèi)多年心血孜孜不倦地尋找著，這甚至讓一部分大眾一度懷疑是否真的存在。可就在2015 年10月，基于火星勘測(cè)軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter）做出的一系列研究發(fā)現(xiàn)表明，我們明白無(wú)誤地找到了它。

“季節(jié)性的流動(dòng)的液態(tài)水”此時(shí)此刻就存在于火星的表面。這句話翻譯成所有人都聽(tīng)得懂的、但似乎不那么科學(xué)和精確的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，那就是：“火星上有一條河！”這當(dāng)然不是一個(gè)完全科學(xué)正確的描述，但卻比“季節(jié)性的流動(dòng)的液態(tài)水”更容易讓人興奮起來(lái)。

對(duì)火星上水的研究，對(duì)水與火星大氣、表面環(huán)境的相互作用的分析，將幫助我們理解火星的歷史和現(xiàn)狀。它為什么變成了一個(gè)沙塵暴肆虐的悲慘世界？它是否曾經(jīng)生機(jī)盎然？生命的種子是否曾經(jīng)在這里萌發(fā)？一個(gè)問(wèn)題勝過(guò)一個(gè)問(wèn)題讓我們心懷好奇心與難以忘懷的敬意。而令人欣喜的是，在2016年就有兩個(gè)新的火星探測(cè)器即將升空，其后還有6項(xiàng)火星探測(cè)的太空任務(wù)已經(jīng)蓄勢(shì)待發(fā)！

圖中是火星地表的小型溝壑，最新研究表明，這可能是火星表面的液態(tài)水流造成的。圖片來(lái)源：N ASA/JPL-C al t ech/U ni versi t y of Ari zona

NO.3 黏黏的暗物質(zhì)

我們過(guò)去只知道暗物質(zhì)有自身的質(zhì)量，會(huì)在空間中產(chǎn)生引力作用。也正是由于這樣的性質(zhì)，讓我們相信暗物質(zhì)是存在的。但除此之外，我們近些年似乎對(duì)暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)進(jìn)展緩慢。它們由怎樣的物質(zhì)或粒子構(gòu)成？它們與正常物質(zhì)還有沒(méi)有引力之外的相互作用？暗物質(zhì)之間有著怎樣的聯(lián)系？

2015年的研究突破了過(guò)去的懵懂無(wú)知。有人搞了一個(gè)大新聞：成團(tuán)的暗物質(zhì)正與另一團(tuán)暗物質(zhì)相互作用著。距離我們13億光年遠(yuǎn)的阿貝爾3827星系團(tuán)的中心區(qū)域發(fā)生了星系碰撞。利用引力透鏡的原理，天文學(xué)家觀測(cè)了星系周?chē)陌滴镔|(zhì)分布。它們發(fā)現(xiàn)至少有一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)偏離了它本該圍繞著的星系5000光年遠(yuǎn)，這是因?yàn)樗艿搅肆硪粋€(gè)更大的暗物質(zhì)團(tuán)塊的作用。

雖然過(guò)去的宇宙學(xué)和暗物質(zhì)理論還十分不完善，但天文學(xué)家比較普遍相信的冷暗物質(zhì)模型認(rèn)為暗物質(zhì)粒子不會(huì)產(chǎn)生相互作用。2015年的這一新觀測(cè)證據(jù)表明，雖然微弱，但暗物質(zhì)之間存在著不容忽略的相互作用。冷暗物質(zhì)模型，似乎處境不妙了。這是人們第一次測(cè)量暗物質(zhì)本身的相互作用。未來(lái)，暗物質(zhì)將呈現(xiàn)給我們什么樣的新的知識(shí)，我們誰(shuí)也無(wú)法預(yù)料。

圖中是阿貝爾 3827星系團(tuán)中發(fā)生碰撞的四個(gè)星系，其中藍(lán)色的等高線標(biāo)識(shí)了其附近暗物質(zhì)團(tuán)塊的密度分布。圖片來(lái)源：ESO/R M assey

藝術(shù)家繪制的開(kāi)普勒452b想象圖。圖片來(lái)源：N A S A A m es/ JPL–C al t ech/T Pyl e

NO.4 地球2.0

越是體型龐大的系外行星（比如木星尺寸的行星），就越是容易被發(fā)現(xiàn)。它們巨大的質(zhì)量容易引起母恒星的明顯運(yùn)動(dòng)變化，它們巨大的個(gè)頭也容易遮擋住母恒星的光芒，但它們一般不太可能孕育出生命。尋找地球尺寸的系外行星，才是尋找生命搖籃可能性更高的方向。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡在經(jīng)過(guò)了多年觀測(cè)、定位系統(tǒng)損壞等一系列等待之后，2015年發(fā)現(xiàn)了迄今為止最像地球的系外行星，名為開(kāi)普勒452b。它比地球大60%，距離母恒星的遠(yuǎn)近恰到好處，溫度適宜，具有存在液態(tài)水的條件。而且那顆母恒星也十分接近我們的太陽(yáng)。

這個(gè)位于天鵝座的開(kāi)普勒452系統(tǒng)，距離我們大概1400光年。不過(guò)，我們今天還無(wú)法確切地知道關(guān)于這顆行星的更詳細(xì)信息。它的大氣層是什么樣的成分？它有著怎樣的地面景觀？它是否會(huì)因?yàn)楸鹊厍蚰昀?，而已?jīng)喪失了優(yōu)良的自然環(huán)境？這一切我們目前都只能猜測(cè)。就連行星內(nèi)部是否真的是巖石結(jié)構(gòu)，都遭到了一些研究者的質(zhì)疑。

但無(wú)論如何，大幕剛剛掀開(kāi)，一個(gè)神秘的舞臺(tái)就在前方。越來(lái)越多的系外行星正在被發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)“世界”的認(rèn)識(shí)正在被刷新。

圖中是2015年由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的旋渦星系M 94，它的內(nèi)部還在形成著恒星，但許多其他星系已經(jīng)停止了恒星形成的過(guò)程。圖片來(lái)源： ESA/H ubbl e& N ASA

NO.5 星系大罷工

恒星在星系中形成，需要足夠的氣體和適宜的環(huán)境。但今天看到的星系中已經(jīng)不像過(guò)去那樣有著豐富的恒星形成了。本該持續(xù)孕育恒星的星系為什么會(huì)罷工？

在2015年，多個(gè)課題組從不同的角度給出了各自的答案。有團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，星系團(tuán)中的氣體溫度太高，來(lái)不及冷卻塌縮形成恒星。又有團(tuán)隊(duì)指出，熱氣體還會(huì)阻礙星系間的冷氣體進(jìn)入，這也會(huì)對(duì)恒星的產(chǎn)生造成影響。而且，黑洞也可能起到了一定的作用。來(lái)自黑洞的噴流和輻射，會(huì)把原本的氣體吹開(kāi)，讓脆弱的恒星形成環(huán)境難以保持。新的觀測(cè)證據(jù)已經(jīng)證明了黑洞的作用。另一方面，在過(guò)去一段時(shí)間里，大量的旋渦星系合并成為橢圓星系。合并的過(guò)程消耗了大量盤(pán)上的氣體，使得基本的恒星形成原材料消耗殆盡，所以也無(wú)法再產(chǎn)生新的恒星。

在觀測(cè)證據(jù)還不夠豐富的情況下，多種不同的理論相互爭(zhēng)論。為了解釋星系大罷工的現(xiàn)象，天文學(xué)家們使出渾身解數(shù)。這是一個(gè)老問(wèn)題，但有著新思路。哪怕是恒星形成這樣最基本的天文學(xué)問(wèn)題、最經(jīng)典的物理學(xué)過(guò)程，也充滿(mǎn)了不確定性，這是天文學(xué)的魅力所在!

NO.6 第一次親近谷神星

2015年春天，曙光號(hào)小行星探測(cè)器在結(jié)束了對(duì)灶神星的探測(cè)之后，進(jìn)入了環(huán)繞谷神星的軌道。

谷神星是小行星帶上最大的天體，但從未被近距離地研究過(guò)。曙光號(hào)對(duì)谷神星拍照發(fā)現(xiàn)，谷神星表面有一個(gè)明顯的斑點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)周?chē)牧炼?。這一斑點(diǎn)為何會(huì)如此明亮，目前還沒(méi)有一個(gè)清晰的答案。最近的推測(cè)表明，亮斑處可能有鹽的沉積物，所以反射了更強(qiáng)的陽(yáng)光。當(dāng)然，更進(jìn)一步的研究結(jié)果還需要時(shí)間和耐心等待。

奧卡托（O ccator）環(huán)形山以及其中的神秘亮斑。圖片來(lái)源：N A S A/JP L–C altech/U C LA/ M PS/D LR/I D A

NO.7 小獵犬2號(hào)，是你嗎？

2003年歐洲空間局的火星快車(chē)任務(wù)上，搭載了英國(guó)的火星登陸器小獵犬2號(hào)。小獵犬2號(hào)成功地脫離火星快車(chē)，并且著陸到火星表面。但是，它沒(méi)能響應(yīng)其后的指令。2004年2月，歐洲空間局宣布，我們與小獵犬2號(hào)失去聯(lián)系。

小獵犬2號(hào)部分展開(kāi)的太陽(yáng)能板反射出的亮斑，幫助科學(xué)家們?cè)诨鹦巧险业搅怂奈恢?。圖片來(lái)源：N A S A/JP L–C al tech/U ni versi ty of Ari zona/U ni versi t y of Lei cest er

十多年過(guò)去了，人們已經(jīng)忘記了這個(gè)失敗了的項(xiàng)目。小獵犬2號(hào)停留在火星表面，徹底失聯(lián)?？删驮?015年1月16日那天，歐洲空間局成員在分析火星勘探者號(hào)拍攝的照片的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了小獵犬2號(hào)的蹤跡。隨后一連串的分析表明，小獵犬號(hào)成功著陸，并沒(méi)有在著陸過(guò)程中燒毀和撞毀。十多年來(lái)，它一直停在著陸點(diǎn)一動(dòng)不動(dòng)，就在火星赤道附近的伊希地平原。照片顯示，小獵犬2號(hào)的太陽(yáng)能板沒(méi)有完全打開(kāi)，降落傘落在一旁，通訊天線就在太陽(yáng)能板下方，卻一直沒(méi)能與地球取得聯(lián)系。

終于，12年后的今天，我們利用高分辨率照片終結(jié)了曾經(jīng)的紛爭(zhēng)。小獵犬2號(hào)一切順利地登上了火星表面。僅僅因?yàn)樘?yáng)能板展開(kāi)得不夠充分，才導(dǎo)致了失聯(lián)。因此，小獵犬2號(hào)成了第一個(gè)由歐洲發(fā)射并控制的成功登上火星的探測(cè)器。

因?yàn)槿祟?lèi)的一點(diǎn)點(diǎn)技術(shù)失誤，讓你孤零零地?？吭谧畛醯牡攸c(diǎn)。小獵犬2號(hào)，你還好嗎？

圖中是藝術(shù)家繪制的名為W I SE J224607.57-052635.0的星系，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最亮的星系。圖片來(lái)源：N ASA/ JPL–C al t ech

NO.8 宇宙中最亮的星系

2015年，宇宙中最亮星系的紀(jì)錄被刷新了。新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)遙遠(yuǎn)星系，是我們銀河系亮度的1000倍。美國(guó)宇航局的廣域紅外巡天探測(cè)者（WISE）發(fā)現(xiàn)的這個(gè)最亮的星系，為什么直到2015年才進(jìn)入人們的視線呢？最重要的原因是，這個(gè)星系過(guò)于遙遠(yuǎn)。來(lái)自它的光芒到達(dá)我們的眼中，其過(guò)程中要穿越數(shù)不清的星際介質(zhì)和星系際介質(zhì)。介質(zhì)中的氣體和塵埃，阻擋了大部分星光的到達(dá)。只有WISE這樣的設(shè)備，才可以在紅外波段看到被氣體和塵埃阻擋后殘存的星光。

那為什么它會(huì)如此明亮？答案只有一個(gè)。它的中心和銀河系一樣有著一個(gè)巨大的黑洞，但它的黑洞是銀河系中央黑洞質(zhì)量的數(shù)千倍。黑洞吸引著周?chē)镔|(zhì)落入自己體內(nèi)，在此過(guò)程中向外輻射出巨大的能量，甚至照耀了遙遠(yuǎn)的我們。

NO.9 羅塞塔號(hào)探測(cè)彗星

羅塞塔號(hào)探測(cè)器2004年升空，一路追趕，在2014年底的時(shí)候終于達(dá)到了丘留莫夫-格拉西緬科彗星的身邊，并且成功地釋放了菲萊號(hào)著陸器。通過(guò)探測(cè)器對(duì)彗星表面噴發(fā)出來(lái)的水和塵埃，以及豐富的氧元素的探測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們具有太陽(yáng)系形成初期的重要特征，這給我們提供了認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系早期形成環(huán)境的寶貴機(jī)會(huì)。

但是由于菲萊號(hào)實(shí)際著陸的位置不太容易照到陽(yáng)光，所以無(wú)法用太陽(yáng)能板進(jìn)行充電，所以在2014年11月它就耗盡了所存電量，進(jìn)入了深度休眠。在2015年6月14日和16日我們?cè)俅问盏搅朔迫R號(hào)的聲音！但是，在此之后，菲萊號(hào)就杳無(wú)音訊了。

目前，我們已經(jīng)了解到，彗星不存在磁場(chǎng)，彗星中有著豐富的水。這些水和地球上的水是否完全一樣？彗星會(huì)不會(huì)是攜帶生命種子的天使？還有更多的問(wèn)題等待我們?nèi)テ平狻?/p>

這是羅塞塔號(hào)發(fā)回的丘留莫夫-格拉西緬科彗星圖片。圖片來(lái)源：ESA/R oset t a/N AVC AM

像太陽(yáng)這類(lèi)恒星中的原初鋰元素，在恒星本身的演化過(guò)程中被拉向恒星高溫的內(nèi)部，最終消失了。圖片來(lái)源：N A S A/S ol ar D ynam i cs O bservat ory

NO.10鋰，都去哪了？

根據(jù)傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)，宇宙本該給我們呈現(xiàn)更多的鋰。在過(guò)去幾十年間，科學(xué)家都困惑于宇宙誕生時(shí)已經(jīng)形成的鋰元素到哪里去了。鋰元素是宇宙大爆炸之初就已經(jīng)產(chǎn)生了的為數(shù)不多的幾種元素之一。然而，在現(xiàn)有的恒星（例如我們的太陽(yáng)）上找到的鋰元素，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于宇宙初期誕生的鋰的數(shù)量。

這種缺失意味著，宇宙誕生的整個(gè)理論都有問(wèn)題；或者，還有更加豐富的恒星理論還不為人所知。意大利高等研究院（SISSA）的研究人員發(fā)現(xiàn)，鋰元素的疑難，要?dú)w咎于恒星自己。在恒星形成的過(guò)程中，內(nèi)部分區(qū)會(huì)逐漸變化。原本處于對(duì)流層的鋰元素會(huì)被拉進(jìn)下方的更高溫度的輻射區(qū)里。在那里，過(guò)高的溫度會(huì)摧毀鋰元素。因此，是恒星幼年時(shí)的不穩(wěn)定的變化過(guò)程，讓脆弱的鋰元素遭受了高溫的折磨，最終消耗殆盡。我們今天在恒星上發(fā)現(xiàn)的鋰元素，幾乎完全來(lái)自恒星后來(lái)從空間中吸收的塵埃。另外，領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的是一個(gè)中國(guó)學(xué)生，她是正在SISSA完成博士學(xué)業(yè)的符曉婷。

（責(zé)任編輯 馮）