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□ 李珊珊

哈勃打破宇宙距離記錄

使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的“寬視場(chǎng)相機(jī)3”（Wide Field Camera 3），一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)星系GN-z11進(jìn)行了光譜觀測(cè)。將哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力發(fā)揮到極限狀態(tài)，天文學(xué)家確定星系GN-z11是宇宙大爆炸后僅4億年時(shí)就存在的星系，是截至目前天文學(xué)家觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)星系，這一結(jié)果打破了宇宙距離記錄。他們的研究論文發(fā)表在國(guó)際天文學(xué)期刊《Astrophysical Journal》上，論文的第一作者為耶魯大學(xué)的天文學(xué)家帕斯卡·厄施（Pascal Oesch）。

星系GN-z11看上去是一個(gè)十分暗弱的星系，考慮到它遙遠(yuǎn)的距離，實(shí)際上它是一個(gè)非常明亮的星系。它的大小只有銀河系的1/25，其恒星的質(zhì)量只有銀河系中恒星質(zhì)量的1%。不過(guò)，星系GN-z11中的恒星數(shù)目正在快速增長(zhǎng)，其中恒星形成的速率是銀河系目前恒星形成速率的20倍，正是這一原因使得該星系非常明亮。

科學(xué)研究表明，宇宙誕生后，它一直處于膨脹狀態(tài)，目前仍是如此。因此，遙遠(yuǎn)的星系還在向遠(yuǎn)離我們的方向運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致它們的光向長(zhǎng)波段偏移，稱為紅移。星系的紅移值越大，表明它距離我們?cè)竭h(yuǎn)。此前最遠(yuǎn)距離的星系是EGSY8p7，其紅移值為8.68。如今，新的最遠(yuǎn)宇宙距離的星系是GN-z11，它的紅移值是11.1。光譜觀測(cè)的方法使得這一觀測(cè)結(jié)果非?？煽?。

圖中的插圖內(nèi)為星系GN-z11，截至目前，它是人類觀測(cè)到的距離地球最遙遠(yuǎn)的星系，該星系在宇宙大爆炸后4億年已存在。Credit: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)

賽丁泉彗星攪亂火星磁場(chǎng)

賽丁泉彗星與火星近距離相遇，攪亂了火星磁場(chǎng)，美術(shù)圖，Credit：NAS A/ Goddard

2014年9月22日，美國(guó)發(fā)射的專家號(hào)火星探測(cè)器（MAVEN，Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission）進(jìn)入圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道。幾周之后的2014年10月，賽丁泉彗星（Comet C/2013 A1）便運(yùn)動(dòng)到火星附近，與其近距離相遇。期間，為了保護(hù)科學(xué)設(shè)備免遭損壞，除磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x等幾個(gè)儀器仍保持工作狀態(tài)外，科學(xué)家關(guān)閉了其他測(cè)量?jī)x器。專家號(hào)此次難得一遇的測(cè)量結(jié)果表明，賽丁泉彗星與火星的近距離接觸，破壞了火星磁層的正常結(jié)構(gòu)，使得火星磁場(chǎng)處于短暫而重大的混亂狀態(tài)。關(guān)于此次事件的研究論文刊登在2016年2月25日出版的科學(xué)期刊《Geophysical Research Letters》上。

火星沒(méi)有地球這樣的強(qiáng)大磁層，太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子與火星高緯度的大氣等粒子體相互作用，產(chǎn)生微弱的火星磁場(chǎng)。太陽(yáng)風(fēng)與彗發(fā)相互作用在賽丁泉彗星周圍也產(chǎn)生了較強(qiáng)的磁場(chǎng)。

冰和巖石構(gòu)成的賽丁泉彗星的彗核直徑很小，不超過(guò)500米，但是，它的彗發(fā)卻延展到非常大的范圍，半徑達(dá)100萬(wàn)千米。此次兩個(gè)天體相遇，賽丁泉彗星距離火星的最近距離僅有140000千米，物質(zhì)濃密的彗發(fā)內(nèi)部區(qū)域接觸或幾乎接觸到火星表面。短時(shí)間內(nèi)，火星表面充滿了來(lái)自彗發(fā)的帶電粒子，強(qiáng)大的彗星磁場(chǎng)與微弱的火星磁場(chǎng)混合，嚴(yán)重破壞了火星磁場(chǎng)，使其處于混亂狀態(tài)。彗發(fā)掃過(guò)火星的持續(xù)時(shí)間達(dá)幾個(gè)小時(shí)。

揭示水星表面暗黑的真實(shí)原因

水星是距離太陽(yáng)最近的行星，但是，它的表面看上去非常暗黑，它反射太陽(yáng)光的本領(lǐng)比月球還低。月球表面是富含鐵元素的礦物，對(duì)太陽(yáng)光的反射能力比廢舊的瀝青略高，因此月球表面實(shí)際上是非常暗黑的。那么比月球更暗黑的水星表面是何種原因造成的呢？

前不久，有科學(xué)家提出，運(yùn)行到太陽(yáng)系內(nèi)部區(qū)域的彗星不斷與水星碰撞，這樣在水星表面逐漸積累起許多碳元素，導(dǎo)致水星表面呈暗黑色。真實(shí)情況是這樣嗎？最近，來(lái)自美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家帕特里克·佩普勞伍斯基（Patrick Peplowski）帶領(lǐng)的一個(gè)研究小組，利用信使號(hào)探測(cè)器（MESSENGER Mission）獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水星表面確實(shí)富含碳元素，它們是造成水星表面暗黑的原因，這與月球的情況不同。水星表面的這些碳元素不是彗星撞擊帶來(lái)的。

研究人員指出，在早期水星地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程中，其地殼中聚集了較多的碳元素，在地殼形成之后的漫長(zhǎng)歲月中，撞擊過(guò)程使得地殼碎裂，并使得埋藏在下面的富含碳的物質(zhì)逐漸裸露出來(lái)，呈現(xiàn)黑色。這一研究成果于2016年3月7日發(fā)表在高級(jí)在線出版物《Nature Geoscience》上。

水星表面的“Basho”環(huán)形山，其周圍環(huán)繞著明顯的暗黑帶，它們是低反照率的物質(zhì)。Credit: Courtesy NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

首次觀測(cè)到老年恒星周圍的氣體塵埃盤

在年輕恒星周圍也有氣體和塵埃盤，這里是行星形成的場(chǎng)所。恒星在它的生命晚期，通過(guò)噴發(fā)恒星星風(fēng)，在它的周圍可以形成穩(wěn)定的氣體塵埃盤。從理論上講，老年恒星的氣體塵埃盤和年輕恒星的氣體塵埃盤應(yīng)該類似，可是天文學(xué)家從沒(méi)有做過(guò)兩者的對(duì)比研究，原因是從前沒(méi)有觀測(cè)到老年恒星周圍的氣體塵埃盤。

現(xiàn)在，天文學(xué)家改變了這種不利局面。來(lái)自比利時(shí)魯汶的天文學(xué)家米歇爾·希倫（Michel Hillen）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，使用帕拉納爾天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡干涉儀清晰地觀測(cè)到老年雙星“IRAS 08544-4431”周圍的氣體塵埃盤，帕拉納爾天文臺(tái)位于智利，隸屬于歐洲南方天文臺(tái)。甚大望遠(yuǎn)鏡干涉儀不久前更新了更強(qiáng)大的探測(cè)器。它的實(shí)際分辨本領(lǐng)與一個(gè)口徑150米的望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，可以清晰地分辨2000千米以外面值一歐元硬幣的形狀和大小。

圖中插圖為帕拉納爾天文臺(tái)（Paranal Observatory）的甚大望遠(yuǎn)鏡干涉儀（Very Large Telescope Interferometer）獲得的老年雙星“IRAS 08544-4431”的氣體塵埃盤，中心更加明亮的恒星被移除，背景圖片為該老年雙星所在的帆船座天空區(qū)域。Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2.

老年雙星“IRAS 08544-4431”距離地球4000光年，處在南半天球的帆船星座之中，該雙星系統(tǒng)包含一個(gè)紅巨星和一個(gè)普通恒星。觀測(cè)結(jié)果顯示，老年恒星周圍的氣體塵埃盤與年輕恒星周圍生成行星的氣體塵埃盤相似，這里是否會(huì)有第二輪的行星生成還有待于進(jìn)一步研究。另外，本次成功的高清晰觀測(cè)為研究雙星系統(tǒng)演化打開(kāi)了窗口。

丘留莫夫-格拉西緬科彗星與太陽(yáng)系年齡相同

由法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心和馬賽大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，利用羅塞塔彗星探測(cè)器上的離子和中性物質(zhì)分析頻譜儀（Rosina2）得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)埋藏在67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星內(nèi)部的冰物質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彗星內(nèi)部的冰為結(jié)晶體狀態(tài)，這意味著它們來(lái)源于原太陽(yáng)星云，擁有與太陽(yáng)系相同的年齡。這一研究結(jié)果刊登在2016年3月8日出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《The Astrophysical Journal Letters》上。

羅塞塔探測(cè)器對(duì)彗星的仔細(xì)觀測(cè)，逐步揭開(kāi)了關(guān)于彗星的一個(gè)又一個(gè)謎團(tuán)。但是，彗星中冰的狀態(tài)如何？這仍是一個(gè)頗有爭(zhēng)議的問(wèn)題。有的科學(xué)家認(rèn)為彗星中的冰是結(jié)晶狀態(tài)的，有的科學(xué)家則認(rèn)為是非結(jié)晶狀態(tài)的?，F(xiàn)在，科學(xué)家利用了羅塞塔探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，平息了多年以來(lái)關(guān)于彗星中冰的特性的這一爭(zhēng)論。

從2014年10月開(kāi)始，Rosina頻譜儀就開(kāi)始測(cè)量彗星的結(jié)晶冰中氮分子、一氧化碳分子和氬分子的含量，并與實(shí)驗(yàn)室中相關(guān)非結(jié)晶冰以及結(jié)晶冰的化學(xué)組成對(duì)比，結(jié)果表明，彗星中冰是以結(jié)晶體的狀態(tài)存在。這項(xiàng)成果意義重大，使得彗星的年齡得以確定，也可以幫助認(rèn)識(shí)原太陽(yáng)星云的性質(zhì)，還可以幫助人們了解氣態(tài)巨行星及其衛(wèi)星的形成過(guò)程。

羅塞塔探測(cè)器拍攝的丘留莫夫-格拉西緬科彗星圖片，Credit：Image courtesy of CNRS

天文學(xué)家測(cè)定超大質(zhì)量黑洞的自轉(zhuǎn)速率

近期，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)，利用多個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)國(guó)家航空航天局的雨燕空間望遠(yuǎn)鏡的X射線觀測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)得了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的自轉(zhuǎn)速率。該黑洞的自轉(zhuǎn)速率是廣義相對(duì)論允許的黑洞自轉(zhuǎn)最大值的三分之一（即其克爾參數(shù)為0.31）。該黑洞的質(zhì)量為180億太陽(yáng)質(zhì)量，位于類星體OJ287中，距離地球35億光年。

類星體OJ 287中的雙黑洞系統(tǒng)的示意圖，這一模型的正確性得到了觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。Credit：GaryPoyner，UK

類星體OJ287非?？拷S道。長(zhǎng)久以來(lái)，為了尋找小行星和彗星等天體，天文學(xué)家經(jīng)常觀測(cè)黃道帶附近的天空區(qū)域。因此，類星體OJ287的光度觀測(cè)記錄有100多年的歷史。仔細(xì)分析這些數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，類星體OJ287存在間隔約12年的準(zhǔn)周期光學(xué)爆發(fā)，近年的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，每次光學(xué)輻射爆發(fā)呈雙極大值結(jié)構(gòu)。

根據(jù)多方面的觀測(cè)數(shù)據(jù)，芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)的毛里·瓦爾托寧教授（Mauri Valtonen）和他的合作者，建立了類星體OJ287的結(jié)構(gòu)模型。類星體OJ287中有兩個(gè)黑洞，一個(gè)處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)的特大質(zhì)量黑洞位于中心，其周圍是一個(gè)吸積盤，另一個(gè)較小質(zhì)量的黑洞圍繞特大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)，較小黑洞的軌道穿過(guò)大黑洞的吸積盤面且不斷進(jìn)動(dòng)（如圖所示）。

利用上述模型以及精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，2010年，毛里·瓦爾托寧教授等人計(jì)算出了超大質(zhì)量黑洞的自轉(zhuǎn)速率及兩個(gè)黑洞的質(zhì)量，并預(yù)言下次光學(xué)輻射爆發(fā)發(fā)生在2015年11月25日。最終科學(xué)預(yù)言得到了證實(shí)。

目前所觀測(cè)的銀河系內(nèi)最高能宇宙線的源頭

位于納米比亞的高能立體視野望遠(yuǎn)鏡（High Energy Stereoscopic System，HESS）由12個(gè)國(guó)家的42個(gè)科研單位聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，近十多年來(lái)，它通過(guò)甚高能γ射線觀測(cè)獲取銀河系中心區(qū)域的圖像。最新的數(shù)據(jù)分析表明，截至目前所觀測(cè)的最高能量的銀河系宇宙線來(lái)源于銀河系中心。科學(xué)家認(rèn)為，可能是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞將宇宙線加速到如此高的能量，此宇宙線的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球上最大的人造加速器加速粒子所能達(dá)到的能亮，前者是后者的100倍。此項(xiàng)研究成果刊登在2016年3月16日出版的世界著名科學(xué)期刊《Nature》上。

來(lái)自遠(yuǎn)方的質(zhì)子、電子和原子核等宇宙線粒子在時(shí)刻不停地轟擊地球，這些帶電的宇宙線粒子經(jīng)過(guò)星際空間時(shí)，與那里的磁場(chǎng)相互作用，不斷改變方向，因此，我們不能知道宇宙線粒子的來(lái)源地。幸運(yùn)的是，發(fā)源地的宇宙線粒子與那里的光子和氣體作用，產(chǎn)生γ射線，這些γ射線在星際空間傳播時(shí)并不改變方向，由此，通過(guò)觀測(cè)這些γ射線可以發(fā)現(xiàn)宇宙線粒子的發(fā)源地。

來(lái)自太空的高能γ射線與地球高層大氣分子碰撞，產(chǎn)生次級(jí)粒子及所謂的契倫柯夫（Cherenkov）輻射，通過(guò)觀測(cè)次級(jí)粒子及其輻射可以獲得γ射線的屬性，位于納米比亞的高能立體視野望遠(yuǎn)鏡就是這樣的觀測(cè)設(shè)備，觀測(cè)得出銀河系中心的宇宙線粒子能量達(dá)1015電子伏特。

銀河系中心有許多產(chǎn)生高能宇宙線的天體，包括超新星遺跡、脈沖星風(fēng)星云和大質(zhì)量恒星構(gòu)成的致密星團(tuán)等，Credit：Image courtesy of CEA

敏感的X射線探測(cè)衛(wèi)星發(fā)射升空

雖然夜空對(duì)于很多人來(lái)講，是平靜安寧的代名詞，但事實(shí)上宇宙環(huán)境相當(dāng)惡劣。它包含著許多極端環(huán)境，其中不可能有任何生命生存一秒鐘。一個(gè)新的任務(wù)就是探測(cè)這種極端劇烈的自然天氣，揭示它們前所未有的細(xì)節(jié)，2016年2月17日，日本航天局發(fā)射了ASTRO-H衛(wèi)星。它對(duì)于來(lái)自宇宙空間的高能活動(dòng)產(chǎn)生的X射線非常精確敏感。在成功發(fā)射進(jìn)入空間之后，該航天器被命名為“Hitomi”，即日語(yǔ)中“瞳”的發(fā)音。

“瞳”衛(wèi)星將在環(huán)繞地球的軌道上，收集來(lái)自宇宙無(wú)數(shù)目標(biāo)的X射線信號(hào)，包括星系團(tuán)中的熱氣體云、黑洞發(fā)出的高能粒子噴流、超新星爆發(fā)產(chǎn)生的含有致密快速轉(zhuǎn)動(dòng)中子星的遺跡等。這些數(shù)據(jù)可以為天體物理和宇宙學(xué)的研究提供全新視角，幫助科學(xué)家了解黑洞的物理機(jī)制、恒星和星系的奧秘、宇宙演化等天文學(xué)重大課題。

“瞳衛(wèi)星的發(fā)射代表X射線觀測(cè)進(jìn)入全新紀(jì)元?！泵绹?guó)斯坦福大學(xué)Kavli粒子天體物理和宇宙學(xué)研究所的羅杰·布蘭福德說(shuō)，“它的全新儀器將使我們可以對(duì)暗能量、暗物質(zhì)、黑洞、中子星等做出新的研究發(fā)現(xiàn)。”

藝術(shù)家繪制的“瞳”X射線探測(cè)器的印象圖。它將成為科學(xué)家探測(cè)宇宙中炙熱劇烈活動(dòng)的靈敏的X射線眼睛。Credit: A. Ikeshita/ J a p a n e s e A eros pa c e E xploration Agency

火星生命探側(cè)項(xiàng)目與火星洞察項(xiàng)目

歐洲空間局和俄羅斯航天局合作的火星生命探測(cè)項(xiàng)目（ExoMars Mission）分為兩期，2016年3月14日，此項(xiàng)目的第一期探測(cè)器（ExoMars2016）在哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射中心成功發(fā)射，預(yù)期它將經(jīng)過(guò)7個(gè)月的飛行后到達(dá)火星。此次發(fā)射的探測(cè)器包括微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter，TGO）和斯基阿帕雷利（Schiaparelli）演示器。TGO在圍繞火星的軌道上運(yùn)動(dòng)，其任務(wù)是分析火星大氣中的稀薄氣體；尋找可能的火星表面氣體發(fā)源地，把它們作為第二期項(xiàng)目的著陸地點(diǎn)；TGO將來(lái)會(huì)成為第二期探測(cè)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。斯基阿帕雷利演示器主要用來(lái)演示著陸器進(jìn)入火星大氣、在大氣中下降和著陸的相關(guān)技術(shù)，為下一期的著陸器做準(zhǔn)備，同時(shí)，它在火星表面的短期任務(wù)中，將開(kāi)展幾個(gè)測(cè)量環(huán)境的小實(shí)驗(yàn)?；鹦巧綔y(cè)項(xiàng)目第二期發(fā)射預(yù)期2018年5月進(jìn)行。

美國(guó)國(guó)家航空航天局的火星洞察著陸器（Mars InSight Mission Lander）是研究火星內(nèi)部性質(zhì)的探測(cè)器，它利用地震學(xué)、測(cè)地學(xué)和熱傳導(dǎo)等方法探測(cè)火星的內(nèi)部性質(zhì)，這會(huì)幫助天文學(xué)家了解太陽(yáng)系內(nèi)固態(tài)行星的形成和演化。原定于2016年3月發(fā)射該探測(cè)器，由于2015年12月其主要科學(xué)儀器發(fā)生了真空泄露，迫使科學(xué)家終止發(fā)射的準(zhǔn)備活動(dòng)?，F(xiàn)在，美國(guó)國(guó)家航空航天局將新的發(fā)射日期確定為2018年5月5日開(kāi)始的發(fā)射窗口，規(guī)劃的火星登陸日期為2018年11月26日。

左圖，歐洲空間局和俄羅斯航天局成功發(fā)射第一期火星生命探測(cè)器（ExoMars2016），Credit：ESA-Stephane Corvaja；右圖，美國(guó)國(guó)家航空航天局的火星洞察項(xiàng)目（Mars InSight Mission）的著陸器，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/J PL-Caltech

直接測(cè)量“超級(jí)木星”的自轉(zhuǎn)

圍繞著褐矮星轉(zhuǎn)動(dòng)的，被稱為“超級(jí)木星”的太陽(yáng)系外行星示意圖。較遠(yuǎn)背景中的明亮物體就是褐矮星。它們距離地球只有170光年。Credit: Artwork: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI); Science: NASA, ESA, Y. Zhou and D. Apai (U. Arizona)

近日，天文學(xué)家使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)系外行星大氣的光度變化，進(jìn)而測(cè)量它的自轉(zhuǎn)速率。這是科學(xué)家第一次用直接成像的方法，測(cè)量太陽(yáng)系外大行星的自轉(zhuǎn)。這一哈勃項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者是來(lái)自亞利桑那大學(xué)的丹尼爾·阿帕（Daniel Apai）。

這顆行星編號(hào)為2M1207b，質(zhì)量約為木星的四倍并被冠以“超級(jí)木星”的稱號(hào)。它圍繞著一顆褐矮星轉(zhuǎn)動(dòng)，公轉(zhuǎn)平均半徑約為50億英里。相對(duì)而言，木星與太陽(yáng)之間的距離約為5億英里。褐矮星編號(hào)為2M1207，它與地球的距離約為170光年。

哈勃的高清高對(duì)比度圖像，使科學(xué)家可以精確測(cè)量它的光度發(fā)生變化。研究人員認(rèn)為這種變化是由于行星自轉(zhuǎn)時(shí)，它大氣層中復(fù)雜的云層形成的。亞利桑那大學(xué)的周一帆（音譯Yifan Zhou）是這一研究論文的第一作者，他和他的研究小組發(fā)現(xiàn)這一“超級(jí)木星”的自轉(zhuǎn)周期約為10小時(shí)，速度和木星的自轉(zhuǎn)速度相仿。

超級(jí)木星圍繞著一顆褐矮星轉(zhuǎn)動(dòng)，它的質(zhì)量是褐矮星的七分之一到五分之一。而我們的太陽(yáng)是木星質(zhì)量的一千倍。“這是一個(gè)很好的例子，證明2M1207系統(tǒng)與我們的太陽(yáng)系形成方式可能有所不同?！敝芤环忉尩?。木星可能是在圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的原恒星盤中吸積形成的，而超級(jí)木星可能是由兩個(gè)不同的盤發(fā)生引力并合形成的。

（責(zé)任編輯張長(zhǎng)喜）