2017年天文學(xué)熱點(diǎn)回眸，2018年期望得到首幅黑洞圖像

圖片來源：ALMA/ESO

2000多年前，人類對(duì)于星空宇宙的探索只能憑借肉眼和想象，因此對(duì)宇宙的理解和發(fā)現(xiàn)在幾十年甚至上百年或許都不會(huì)有大的突破。然而在距今400多年前，意大利科學(xué)家伽利略將那個(gè)簡(jiǎn)陋的望遠(yuǎn)鏡指向天空，他從來沒有想到這個(gè)小小的舉動(dòng)引發(fā)了對(duì)宇宙探索的深刻變革。從最初的2.5cm口徑望遠(yuǎn)鏡，到目前最大10m口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)波段從最初狹窄的可見光擴(kuò)展到從射電、紅外、紫外到X射線和γ射線全部電磁波段，觀測(cè)手段從光子擴(kuò)展到粒子，尤其新近探測(cè)到的引力波，打開了一個(gè)探索宇宙的新窗口。

天文學(xué)是一門觀測(cè)的學(xué)科，天文觀測(cè)設(shè)備的先進(jìn)程度決定著天文學(xué)的水平程度。令人欣喜的是，中國在過去的十幾年中，望遠(yuǎn)鏡硬件技術(shù)和空間技術(shù)逐步提高，建成了世界最大口徑的500m射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射了中國第一顆X射線衛(wèi)星，也有了精度很高的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星，這些不同類型的望遠(yuǎn)鏡或探測(cè)器都在逐步彌補(bǔ)中國與世界天文發(fā)現(xiàn)和研究的差距。

在這些天文利器的幫助下，宇宙探索向著更深更大的方向發(fā)展，天文探索也是日新月異。本文遴選2017年天文學(xué)領(lǐng)域的5項(xiàng)熱點(diǎn)研究和4個(gè)大型天文設(shè)備進(jìn)行盤點(diǎn)，并對(duì)未來前景進(jìn)行展望。

【研究進(jìn)展】

LIGO 黑洞探測(cè)成常態(tài)并獲2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，開啟多信使天文學(xué)時(shí)代

2017 年天文學(xué)的絕對(duì)熱點(diǎn)必然還是屬于引力波探測(cè)。引力波繼續(xù)延續(xù)著之前的探測(cè)神話，不僅發(fā)現(xiàn)了更多的黑洞天體，使得LIGO團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)始人毫無懸念地獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與此同時(shí)，中子星合并引力波和電磁對(duì)應(yīng)體的直接聯(lián)合探測(cè)，更是開啟了引力波多信使天文學(xué)，再次掀起了引力波研究的更大熱潮。

2016年2月，美國國家科學(xué)基金會(huì)宣布第一例引力波事件被LIGO在2015年9月直接探測(cè)，這次發(fā)現(xiàn)不僅確認(rèn)了黑洞的存在，看到一個(gè)前所未見的宇宙，更重要的是打開了一扇新的觀測(cè)窗口。自從其被宣布直接探測(cè)到的那一刻起，引力波獲得諾貝爾獎(jiǎng)的呼聲隨之響起。盡管最早的幾位創(chuàng)始人在2016年幾乎拿遍了所有的大獎(jiǎng)，但遺憾的是，2016年的諾貝爾獎(jiǎng)并沒有被授予引力波。2017年，LIGO聯(lián)合VIRGO有條不紊地公布了幾次探測(cè)到新的黑洞合并事件。隨著LIGO/VIRGO探測(cè)黑洞合并事件的常態(tài)化，LIGO的幾位創(chuàng)建者也獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管引力波為探測(cè)宇宙打開了一個(gè)新的窗口，只有引力波探測(cè)器和目前成熟的電磁波望遠(yuǎn)鏡結(jié)合在一起才能發(fā)揮更大效用。不過遺憾的是，因?yàn)殡p黑洞合并不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，所以擁有著眾多強(qiáng)大探測(cè)能力的電磁波望遠(yuǎn)鏡在此發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮不了作用，因此天文學(xué)家更是期盼著探測(cè)到另外一種引力波源——雙中子星合并。此類事件不僅會(huì)有引力波產(chǎn)生，并且伴隨很強(qiáng)的電磁波產(chǎn)生。原本這一事件預(yù)計(jì)在2020年可以看到，然而就在VIRGO加入LIGO聯(lián)同觀測(cè)的2017年8月17日，這兩組望遠(yuǎn)鏡就探測(cè)到了來自于這個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)。此后的幾十天中，吸引了全球眾多的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學(xué)家獲得一個(gè)消息，LIGO和VIRGO探測(cè)器探測(cè)到了一個(gè)持續(xù)100 s左右的新引力波信號(hào)，其形式與2個(gè)中子星的并合相一致。GW170817引力波信號(hào)到達(dá)之后大約1.7s，美國國家航空航天局都投入了可能的觀測(cè)設(shè)備，對(duì)那一區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。這些觀測(cè)對(duì)這一災(zāi)變性事件提供了從并合前約100s到并合后數(shù)周的全面描述。盡管此源發(fā)生在南天區(qū)，中國的HXMT“慧眼”衛(wèi)星和南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3還是有幸參加了這次科學(xué)發(fā)現(xiàn)的盛事，其中AST3對(duì)其光學(xué)對(duì)應(yīng)體進(jìn)行了10多天的追蹤觀測(cè)，得到了重要的光學(xué)數(shù)據(jù)觀測(cè)。

圖1 LIGO引力波信號(hào)結(jié)束的時(shí)間和伽瑪暴的開始時(shí)間相差大約2s 圖片來源：LIGO-VIRGO

引力波和電磁波的聯(lián)合觀測(cè)不僅促使100余篇文章發(fā)表：產(chǎn)生于2個(gè)中子星并合，確認(rèn)了理論預(yù)言的千新星，同時(shí)也幫助確認(rèn)了雙中子星合并是重金屬來源的一個(gè)主要方式，還獨(dú)立測(cè)量了宇宙膨脹速度。因此引力波和電磁波聯(lián)合必將對(duì)于宇宙學(xué)研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。400年前伽利略將望遠(yuǎn)鏡指向天空，從而改變了人們認(rèn)識(shí)宇宙的方式。而引力波結(jié)合目前成熟的電磁波探測(cè)方式，也必將開啟一個(gè)新的觀測(cè)時(shí)代。

圖2 雙中子星旋近，最終合并產(chǎn)生千新星的過程 圖片來源：LIGO-VIRGO

發(fā)現(xiàn)7顆類地行星，3顆處于宜居區(qū)

2017年2月23日NASA公布了一項(xiàng)令人既吃驚又興奮的新發(fā)現(xiàn)。

圖3 TRAPPIST-1系統(tǒng)圖 圖片來源：NASA

如果能夠找到地外生命，這將是人類歷史上最為偉大的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。自20世紀(jì)50年代的費(fèi)米悖論開始，科學(xué)家就通過科學(xué)方式追尋著這個(gè)目標(biāo)。隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，第一顆系外行星在20世紀(jì)90年代初被發(fā)現(xiàn)。而在過去的幾年中探測(cè)技術(shù)日臻成熟，在太空衛(wèi)星的幫助下，發(fā)現(xiàn)系外行星的數(shù)目激增，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3724顆系外行星。作為尋找地外生命的第一步，首先是尋找可能支撐生命存在的行星，也就是宜居區(qū)內(nèi)的行星。截至目前，僅發(fā)現(xiàn)了10多顆宜居區(qū)內(nèi)的系外行星。而這10多顆中的有3顆是2017年在恒星TRAPPIST-1周圍發(fā)現(xiàn)的。

確認(rèn)行星本身的存在和數(shù)量比較容易，而確定行星的構(gòu)成則相對(duì)比較困難，需要對(duì)行星的質(zhì)量和半徑進(jìn)行測(cè)量后，才有可能做出估計(jì)。對(duì)于目前探測(cè)到的絕大多數(shù)系外行星而言，因?yàn)橘|(zhì)量和半徑不易測(cè)量，因此很難最終確定行星的構(gòu)成。

在此次新發(fā)現(xiàn)的七星系統(tǒng)中，7顆行星距離恒星TRAPPIST-1都非常近，行星運(yùn)行的軌道平面又非常適于觀測(cè)，天文學(xué)家才有機(jī)會(huì)確定這些行星的性質(zhì)。這7顆行星與它們母星的距離如果以太陽系做類比的話，這7顆地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內(nèi)。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽距離的1/100，水星到太陽距離的1/30;最遠(yuǎn)的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽距離的1/6。正是因?yàn)榫嚯x甚近，7 顆行星的公轉(zhuǎn)周期很短——最短的1.5d，最長的也只有20d。天文學(xué)家在利用美國斯皮策紅外望遠(yuǎn)鏡對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)20d的觀測(cè)后，就很好地了解了所有這些行星的基本性質(zhì)。當(dāng)然，因?yàn)槔掀咦钸h(yuǎn)，觀測(cè)時(shí)長和它的轉(zhuǎn)動(dòng)周期差不多，因此天文學(xué)家在這20d里對(duì)它的了解是最少的。

無論如何，這一發(fā)現(xiàn)刷新了太陽系外圍繞一顆恒星運(yùn)行的宜居行星數(shù)量。在此前發(fā)現(xiàn)的10多個(gè)宜居類地系統(tǒng)中，每個(gè)系統(tǒng)中都只有1顆宜居行星。而這一次，在一個(gè)系統(tǒng)中找到3顆宜居行星，是前所未有的。這是目前宜居行星最多的系統(tǒng)，即使在太陽系，包括可能的火星，也只有2個(gè)宜居行星。麻省理工學(xué)院教授Sarah Seager說，“從無到有通常困難重重，但從1到更多會(huì)相對(duì)更容易。”此次多個(gè)類地行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，或許會(huì)為地外生命的探尋開辟一個(gè)新的方向，讓我們期待來年更多的發(fā)現(xiàn)。

找到首顆奇特超新星，最近至少爆發(fā)5次

超新星是恒星死亡時(shí)所產(chǎn)生的劇烈爆發(fā)，在宇宙中極為普遍。目前探測(cè)到的所有超新星都是只有一次爆發(fā)，然而在2017年11月《Nature》發(fā)表的一篇文章，觀測(cè)到了一個(gè)非常奇特的超新星，這顆超新星至少爆發(fā)了多達(dá)5次，這是前所未有的。

這顆超新星最早由美國的iPTF團(tuán)隊(duì)所發(fā)現(xiàn)，根據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)間被命名為iPTF14hls。然而這個(gè)超新星被探測(cè)到之時(shí)，已經(jīng)處于亮度下降的階段，所以當(dāng)時(shí)并沒有引起該團(tuán)隊(duì)的重視，也沒有公開數(shù)據(jù)。之后這個(gè)超新星也分別被其他2個(gè)不同的團(tuán)隊(duì)在巡天項(xiàng)目中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)是清華大學(xué)教授王曉鋒的超新星巡天團(tuán)隊(duì)，他們利用中國科學(xué)院國家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站80 cm的TNT望遠(yuǎn)鏡在2014年11月14日發(fā)現(xiàn)了此超新星。然而在探測(cè)到之后不久，他們注意到此超新星亮度開始上升，這是前所未有的。

圖4 超新星iPTF14hls爆發(fā)想象圖 圖片來源：NASA

2015年1月，王曉峰團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用中國科學(xué)院國家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的2.16 m光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)此超新星進(jìn)行了一系列光譜觀測(cè)，得到了此超新星最早的幾條光譜，并且發(fā)表在《國際天文學(xué)通報(bào)》雜志上。此超新星的光譜表現(xiàn)出很強(qiáng)的P Cygni線，這是一個(gè)由運(yùn)動(dòng)氣體的吸收和發(fā)射共同導(dǎo)致的譜線。根據(jù)此特征，這個(gè)超新星被分類為IIP型，也就是富氫的大質(zhì)量恒星核塌縮超新星。IIP型的超新星很普遍，并不是特別有趣。對(duì)于這個(gè)超新星最為異常的是，通常的超新星只爆發(fā)一次，在光變曲線上只有一個(gè)峰值，而對(duì)于這顆超新星結(jié)果發(fā)現(xiàn)了多個(gè)峰值，達(dá)5個(gè)，這是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一例。

通過對(duì)此超新星拋射物質(zhì)速度的監(jiān)測(cè)，從而推斷出拋射物質(zhì)的質(zhì)量至少是大于45個(gè)太陽質(zhì)量。對(duì)于此超新星的多次爆發(fā)并沒有一個(gè)很好的解釋，目前有科學(xué)家傾向于pusational pair-instability supernova，但是并沒有定論，對(duì)于它的理解肯定會(huì)改變我們對(duì)于超新星的認(rèn)識(shí)。

更有意思的是，天文學(xué)家在之前的Palomar的巡天數(shù)據(jù)中看到，這顆超新星早在1953年時(shí)就有過一次爆發(fā)，在1993年的另外一次巡天項(xiàng)目中就消失了，因此這顆超新星很早之前就有過類似的爆發(fā)。目前不知此超新星之后還會(huì)不會(huì)爆發(fā)，或許還有更大型的爆發(fā)在等著我們。

“悟空”獲得精度最高的電子宇宙射線能譜

暗物質(zhì)是21世紀(jì)科學(xué)研究的重要疑難問題之一。2015 年底發(fā)射升空的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”。

圖5 “悟空”衛(wèi)星得到的高精度宇宙射線電子能譜的比較 圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

暗物質(zhì)探測(cè)的主要方式有上天、入地和對(duì)撞機(jī)。就上天探測(cè)而言，WIMP的反粒子就是其本身，當(dāng)它和其他WIMP發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)湮滅產(chǎn)生特定能量的高能光子或者電子正負(fù)對(duì)。這就是上天探測(cè)的原理。中國發(fā)射的“悟空”衛(wèi)星就是用于探測(cè)高能光子和電子的能譜，從而希望發(fā)現(xiàn)可能的暗物質(zhì)信號(hào)。

“悟空”衛(wèi)星采用了中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)自主提出的分辨粒子種類的新探測(cè)技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能，能譜的準(zhǔn)確性高。

“悟空”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)初步顯示在1.4TeV處存在能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)。不過對(duì)于這個(gè)能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟壳暗闹眯哦容^低，所以還有待以后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)。“悟空”衛(wèi)星目前運(yùn)行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，或許到時(shí)真的有機(jī)會(huì)揭開暗物質(zhì)的神秘面紗。

奧陌陌：首個(gè)星際訪客

2017年10月19日，進(jìn)行常規(guī)近地天體監(jiān)測(cè)的泛星計(jì)劃偶然發(fā)現(xiàn)了第一顆系外天體，極高的偏心率預(yù)示著其獨(dú)特的來源。

泛星計(jì)劃是一臺(tái)位于夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文臺(tái)1.8 m口徑的望遠(yuǎn)鏡，希望通過全天的快速掃描，比較同一天區(qū)的不同時(shí)間圖像，從而發(fā)現(xiàn)潛在的、新的近地天體。在發(fā)現(xiàn)可能的近地天體后，進(jìn)一步計(jì)算運(yùn)行軌道，并對(duì)可能對(duì)地球造成危害的天體提前做出反應(yīng)預(yù)警。

根據(jù)現(xiàn)有的行星形成理論，恒星-行星系統(tǒng)在形成之初，會(huì)殘留有大量的小行星，這些小行星在巨行星向內(nèi)移動(dòng)的過程中會(huì)與之相互作用，很大一部分會(huì)被散射出恒星-行星系統(tǒng)，在經(jīng)歷漫長的飛行后進(jìn)入其他恒星-行星系統(tǒng)。理論學(xué)家已經(jīng)預(yù)測(cè)太陽系中存在著很多來自于其他系統(tǒng)的小天體，尤其是彗星，并為之尋找了幾十年。但是因?yàn)榻^大多數(shù)很小，或者距離地球比較遠(yuǎn)，很難被發(fā)現(xiàn)。

此系外天體是由夏威夷大學(xué)天文系博士后Rob Weryk所發(fā)現(xiàn)，之后利用更大口徑的望遠(yuǎn)鏡追蹤觀測(cè)表明，此天體的軌道非常極端：雙曲線軌道偏心率達(dá)到了1.19，這是目前已知最高的。如此高的偏心率表明這是一個(gè)來自于太陽系之外的天體，是目前為止發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)。

首次發(fā)現(xiàn)源自太陽系外的天體，不管是科學(xué)家還是大眾，都非常興奮。根據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)間和類別，被國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)。

圖6 “奧陌陌”外觀想象圖 圖片來源：ESO/M Kornmesser/PA

大型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)表明，此天體并沒有暈，所以排除了是彗星的可能性。其他的更多觀測(cè)對(duì)此天體的形狀也做出了限制，發(fā)現(xiàn)它呈現(xiàn)一個(gè)雪茄狀，大約長400 m，寬40 m，顏色偏紅，具有固態(tài)表面，不能確定是巖石還是金屬構(gòu)成。它的形狀也讓人非常困惑，到目前為止，還沒有在太陽系內(nèi)發(fā)現(xiàn)過此類形狀的小行星。按照現(xiàn)有的觀測(cè)和計(jì)算結(jié)果，此天體在2017年9月9日達(dá)到了近日點(diǎn)，以約40 km/s的速度離開太陽系，并于11月1日經(jīng)過了火星軌道上空。因?yàn)榇颂祗w很小很暗，對(duì)它的觀測(cè)將持續(xù)到2017年12月中旬，在此之后，由于太暗的緣故，即使使用地球上最大口徑的望遠(yuǎn)鏡，也很難再觀測(cè)到了。