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【天文宇宙】新反物质陷阱可以帮助解释为什么宇宙不会自我毁灭;新的模拟技术揭示星系是如何为其超大质量黑洞提供能量的

2021-8-31 00:45| 发布者: xxxxxxxxx| 查看: 27978| 评论: 0

摘要: ▼科学家模拟土卫六环境揭示了土星最大卫星的矿物构成研究称火星沙尘暴在干燥的红色星球上发挥了巨大作用新的模拟技术揭示星系是如何为其超大质量黑洞提供能量的哈勃捕捉到罕见天体现象：赫比格-哈罗天体新反物质陷 ...

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科学家模拟土卫六环境揭示了土星最大卫星的矿物构成
研究称火星沙尘暴在干燥的红色星球上发挥了巨大作用
新的模拟技术揭示星系是如何为其超大质量黑洞提供能量的
哈勃捕捉到罕见天体现象：赫比格-哈罗天体
新反物质陷阱可以帮助解释为什么宇宙不会自我毁灭
“试管中的土卫六”模拟实验揭示了乙腈和丙腈低温下的特殊化学性质
科学家用奇异原子模拟激发的量子态来确定爆炸恒星的核反应速率
科学家正调查五个天体以试图回答围绕褐矮星的一些问题

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科学家模拟土卫六环境揭示了土星最大卫星的矿物构成

泰坦（Titan）/土卫六是土星最大的卫星，同时也是研究生命起源天然实验室。与地球一样，泰坦拥有密集的大气层和季节性天气循环，但化学和矿物组成却有很大不同。现在，地球上的研究人员在小玻璃圆柱体中重建了土卫六的条件，揭示了两种有机分子的基本特性，这两种有机分子被认为是泰坦上的矿物质。

在今天召开的美国化学学会 (ACS) 秋季会议上，研究人员展示了他们的研究成果。ACS 2021 年秋季是一场混合会议，将于 8 月 22 日至 26 日以虚拟方式和面对面方式举行，点播内容将于 8 月 30 日至 9 月 30 日提供。会议将就广泛的科学主题进行 7,000 多场演讲。该项目的首席研究员 Tomče Runevski 博士说：“地球上液态的简单有机分子在泰坦上通常是固体冰矿物晶体，因为它的温度极低，低至 -290 华氏度。我们发现泰坦上可能富含的两种分子——乙腈 (ACN) 和丙腈 (PCN)—— 主要以一种结晶形式存在，这种结晶形式会产生高极性的纳米表面，可以作为其他分子自组装的模板。益生元感兴趣的分子”。我们现在对这个冰冷世界的了解大部分归功于 1997-2017 年卡西尼·惠更斯号（Cassini-Huygens）对土星及其卫星的任务。从那次任务中，科学家们知道泰坦是研究生命如何产生的一个引人注目的地方。像地球一样，泰坦有一个致密的大气层，但它主要由氮气和少量甲烷组成。它是除地球之外唯一已知的发现了稳定的地表液体池的天体。在太阳能量、土星磁场和宇宙射线的推动下，氮和甲烷在土卫六上发生反应，产生各种大小和复杂性的有机分子。据信，ACN 和 PCN 以气溶胶的形式存在于月球特有的黄色雾霾中，它们如雨点般落在地表，以固体矿物块的形式沉淀下来。这些分子在地球上的特性是众所周知的，但直到现在还没有研究过它们在类似泰坦的条件下的特性。

Runčevski 表示：“在实验室环境中，我们在微型玻璃圆柱体中重建了泰坦上的条件。通常情况下，我们会引入水，当我们降低温度以模拟泰坦大气时，水会冻结成冰。我们在上面添加了乙烷，它变成了液体，模仿了卡西尼-惠更斯号发现的碳氢化合物湖”。向圆柱体中加入氮气，并引入 ACN 和 PCN 来模拟大气降雨。然后研究人员稍微升高和降低温度以模拟月球表面的温度波动。使用同步加速器和中子衍射仪器、光谱实验和量热测量分析形成的晶体。在计算和模拟的支持下，这项工作涉及来自南卫理公会大学的 Runčevski 团队，以及来自阿贡国家实验室、美国国家标准与技术研究所和纽约大学的科学家。Runčevski 表示：“我们的研究揭示了很多以前未知的行星冰结构。例如，我们发现 PCN 的一种结晶形式不会沿其三个维度均匀膨胀。泰坦经历了温度波动，如果晶体在各个方向的热膨胀不均匀，可能会导致月球表面开裂”。

研究称火星沙尘暴在干燥的红色星球上发挥了巨大作用

火星科学家长期以来一直怀疑，这颗曾经像地球一样温暖湿润的红色星球，已经失去了大部分的水，并其可能已“逃逸”到外太空。由于水是我们所知的生命的关键成分之一，科学家们一直试图了解它在火星上流动了多长时间以及它是如何流失的。现在，由科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室（LASP）的研究员Michael Chaffin领导的一项新的《自然-天文学》研究表明，区域性沙尘暴在使红色星球干燥方面可以发挥重要作用。

尽管像Chaffin这样的火星科学家已经假定，通常每隔一到三年就会发生的全球性沙尘暴，以及南半球炎热的夏季，在干燥的红色星球上发挥了作用，但他们没有他们所需要的测量来把整个情况联系起来。但是在2019年1月和2月，来自三个围绕火星运行的航天器的巧合观测使一个国际研究小组在一次区域性沙尘暴期间收集到了前所未有的数据。结果表明，火星在这些风暴期间损失的水量是平静时期的两倍。“直到现在，火星科学家还没有意识到区域性沙尘暴对火星大气有多大的影响，”Chaffin说。

该研究的发现表明，随着沙尘暴对大气层的“加热”，产生的风将水蒸气弹射到比平时高得多的海拔高度。在这些最高的高度，火星的大气层是稀疏的，水分子更容易受到紫外线辐射的影响，紫外线辐射会把它们分解成较轻的成分氢和氧。最轻的元素，氢，然后很容易流失到太空。Chaffin说：“你要永久地失去水，只需要失去一个氢原子，因为这样氢和氧就不能重新组合成水。因此，当你失去了一个氢原子，你就失去了一个水分子。”如果没有航天器上四个仪器的同时测量，这项研究是不可能完成的。NASA的火星勘测轨道飞行器( MRO)测量了从表面到约100公里以上的温度、灰尘和水冰浓度。在同一高度范围内，欧空局（ESA）的微量气体火星轨道器测量了水蒸气和冰的浓度，而NASA的MAVEN航天器上的成像紫外线光谱仪通过报告火星大气层中最高高度的氢气量，即离该星球表面1000公里的高度，为测量画上了句号。

这是第一次有这么多任务集中在一个单一事件上。“我们真正抓住了整个系统的行动，”Chaffin说。NASA戈达德太空飞行中心的火星水专家、Chaffin论文的共同作者Geronimo Villanueva说：“这篇论文帮助我们实际上回到了过去，并说：‘好吧，现在我们有另一种失去水的方式，这将帮助我们把我们今天在火星上的这点水与我们过去的巨大水量联系起来’。”来自MAVEN的成像紫外光谱仪的图像证实，在2019年的沙尘暴之前，可以看到冰云在火星Tharsis地区高耸的火山上方盘旋。Chaffin解释说，由于冰在温暖的表面附近无法再凝结，这些云 “在沙尘暴全面展开时完全消失了”，然后在沙尘暴结束后重新出现。

综合观测结果显示，在沙尘暴开始之前，低层大气中有水蒸气。随着沙尘暴的增加，加热大气层并产生风，仪器看到水蒸气被弹射到高空。微量气体轨道器在沙尘暴开始后发现中层大气中的水多了10倍，这与火星勘测轨道器上的红外辐射仪的数据正好吻合。MAVEN在离地表650英里处的观测结果也是如此，显示风暴期间氢气增加了50%。总的来说，来自这三个航天器的数据清楚地描绘了区域性沙尘暴如何帮助火星水的逃逸。Villanueva说：“这些仪器都应该讲述同样的故事，而且它们确实如此。”“我很荣幸能够领导这个出色的国际团队，并帮助将这一结果公之于众。”Chaffin说：“像这样的研究表明了跨任务和国际合作的力量，以推动火星科学的发展。”https://www.nature.com/articles/s41550-021-01425-w

新的模拟技术揭示星系是如何为其超大质量黑洞提供能量的

根据一项新的模拟，星系的旋臂负责收集气体以供给它们的中央超大质量黑洞。该模拟始于美国西北大学，是第一个非常详细地显示气体如何在宇宙中一直流向超大质量黑洞的中心。虽然其他模拟已经模拟了黑洞的生长，但这是第一个强大到足以全面说明超大质量黑洞演变过程中的众多力量和因素的单一计算机模拟。

该模拟还为类星体的神秘性质提供了罕见的洞察力，类星体是令人难以置信的发光、快速增长的黑洞。类星体是宇宙中最明亮的天体之一，它甚至经常比整个星系都要亮。西北大学的Claude-André Faucher-Giguère是这项研究的资深作者之一，他说：“我们从遥远的类星体观察到的光线是由气体落入超大质量黑洞并在此过程中被加热而产生的。我们的模拟显示，星系结构，如旋臂，利用引力来‘踩刹车’，否则气体将永远围绕星系中心运行。这种‘刹车’机制使气体转而落入黑洞，而引力‘刹车’足以解释我们观察到的类星体。”该研究于2021年8月17日发表在《天体物理学杂志》上。Faucher-Giguère是西北大学温伯格文理学院的物理学和天文学副教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的成员。康涅狄格大学的副教授、Faucher-Giguère小组的前CIERA研究员Daniel Anglés-Alcázar是该论文的第一作者。超大质量黑洞的质量相当于数百万甚至数十亿个太阳的质量，其可以在短短一年内吞噬10倍于一个太阳的质量。但是，当一些超大质量黑洞享受着持续的“食物供应”时，其他的黑洞却休眠了数百万年，只是在偶然的气体涌入下“突然苏醒”。关于气体如何在宇宙中流动以供给超大质量黑洞的细节一直是一个长期存在的问题。为了解开这个谜团，研究小组开发了新的模拟，它将许多关键的物理过程--包括宇宙的膨胀和大尺度的星系环境、重力气体流体力学和大质量恒星的反馈--纳入一个模型。Anglés-Alcázar说：“超新星等强大的事件向周围的介质注入了大量的能量，这影响了星系的演化过程。因此，我们需要将所有这些细节和物理过程纳入其中，以捕捉一个准确的画面。”在FIRE（"现实环境中的反馈"）项目以前的工作基础上，新技术大大增加了模型的分辨率，并允许跟踪气体在星系中流动，其分辨率比以前好1000多倍。Anglés-Alcázar说：“其他模型可以告诉你很多关于非常接近黑洞所发生的事情的细节，但是它们不包含关于星系其他部分正在做什么的信息，甚至不包含关于星系周围环境正在做什么的信息。事实证明，同时连接所有这些过程是非常重要的。”“超大质量黑洞的存在本身就相当惊人，然而对于它们是如何形成的却没有共识，”Faucher-Giguère说。“超大质量黑洞如此难以解释的原因是，形成它们需要将大量的物质塞进一个微小的空间。宇宙是如何做到这一点的？直到现在，理论家们开发的解释是依靠拼凑不同的想法，即星系中的物质如何被塞进星系最里面的百万分之一大小。”有了新的模拟，研究人员终于可以模拟这种情况是如何发生的。例如，新的模拟将帮助研究人员了解我们自己的银河系中心的超大质量黑洞的起源，以及Messier 87星系中心的超大质量黑洞，该星系在2019年被事件视界望远镜拍摄到。接下来，研究人员的目标是研究大型的星系统计种群及其中心黑洞，以更好地了解黑洞如何在各种条件下形成和成长。https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac09e8

哈勃捕捉到罕见天体现象：赫比格-哈罗天体

下面这张引人注目的图片展示了一种相对罕见的天体现象，即赫比格-哈罗(Herbig–Haro)天体。这个特别的赫比格-哈罗天体被命名为HH111，由哈勃的广角相机3 (WFC3)拍摄。这些特别的天体是在非常特殊的环境下形成的。

新形成的恒星通常非常活跃，在某些情况下，它们会喷出非常窄的快速移动的电离气体喷流--这种气体非常热，其分子和原子失去了电子并使气体高度带电。电离气体流随后以每秒数百公里的速度跟新形成的恒星周围的气体云和尘埃云相撞。正是这些高能碰撞创造了赫比格-哈罗天体如HH111。WFC3在光学和红外波段拍摄图像，这意味着它在跟人眼敏感的波长范围（光学）相近的波长范围上观察物体，和人眼无法探测到的略长的波长范围（红外）上观察物体。赫比格-哈罗天体实际上会释放出很多波长的光，但它们很难被观测到，因为它们周围的尘埃和气体会吸收大量可见光。因此，WFC3在红外波段的观测能力--在红外波段的观测不受气体和尘埃的影响--对成功观测赫比格-哈罗天体至关重要。

新反物质陷阱可以帮助解释为什么宇宙不会自我毁灭

反物质是一种很难研究的物质，尤其是因为它会摧毁任何你试图放入它的容器。但现在，欧洲核子研究中心(CERN)的物理学家们已经开发出一种新的反物质陷阱，它可以在几秒钟而不是几小时内冷却样品。这一进展使得科学家们能更长时间地研究更大的样本，这可能有助于解开宇宙中一些最大的谜团。

反物质是主宰我们周围世界的常规物质的“邪恶双胞胎”。两者的主要区别是它的粒子跟普通粒子的电荷相反，但这个简单的变化却有一个主要的含义--如果物质和反物质粒子相遇它们会在能量爆发中相互湮灭。幸运的是，反物质在今天的宇宙中极其罕见，但科学家不确定为什么会这样。根据标准模型，大爆炸应该产生了等量的物质和反物质，然后它们应该在真正开始前相撞并消灭了宇宙的大部分内容。我们现在在这里质疑它的事实表明，这并没有发生，但什么使天平向物质倾斜仍是科学上最令人困惑的谜团之一。遗憾的是，反物质的稀有性和不稳定性使得研究这个问题变得困难。它只能在大型强子对撞机(Large Hadron Collider)等设备中以极少量的量产生。在这些设备中，粒子被粉碎在一起从而产生物质和反物质粒子对。然后反物质就很难储存，显然你不能把反物质放在罐子里，因为反物质一接触到物质就会突然消失。因此，科学家们将反物质储存在所谓的潘宁陷阱(Penning trap)中，这种陷阱通过利用电磁场将粒子和反粒子悬浮在真空中。这些样品通常被冷却到极低的温度以减少噪音，但通常用于物质的技术很难应用于反物质。现在，CERN的研究人员已经开发出一种用于冷却反物质的新型捕集器，它增加了反物质实验可用的样本大小并提高了测量的精度。

激光冷却是一种领先的技术，本质上说，当一个原子被激光束击中时，它吸收并重新释放光子，这改变了它的动量。尽管CERN的另一个项目最近在该领域取得了突破，但很难让反物质直接响应这种方法。相反，反物质可以通过激光冷却附近的离子间接冷却，然后吸收反物质粒子的热量。不过问题又回到了把物质和反物质放在同一个陷阱里。为此，在新版本中，CERN的BASE科学家们用了一个3.5英寸的超导谐振电路连接了两个潘宁陷阱--一个含有一团铍离子，而另一个则含有一个反质子。当铍被激光冷却时，能量从反质子转移到离子，然后通过电路，从而冷却反质子。研究团队表示，这种方法可以比通常更快地将样品冷却到更低的温度。“这是精密潘宁陷阱光谱学的一个重要里程碑，”该研究的论文作者之一Christian Smorra说道，“通过优化程序，我们应该能达到20到50毫李克文(mK)量级的粒子温度，理想情况下冷却时间是10秒量级。之前的方法可以让我们在10小时内达到100兆瓦。”这为更精确的测量铺平了道路，而更精确的测量反过来可以解释为什么宇宙中反物质如此之少。人们认为，电荷是物质和反物质之间唯一真正的区别（）以及量子数的细微变化），但最好不要依赖假设。科学家们正在研究反物质的一些基本属性，并将它们跟其他物质进行比较--如果有什么不同的话，它可能是解开整个谜团的关键。“我们的愿景是不断提高物质-反物质比较的精度以更好地理解宇宙物质-反物质的不对称性，”该研究的论文作者之一Stefan Ulmer说道，“这项新开发的技术将成为这些实验的关键方法，这些实验旨在在万亿次水平测量基本反物质常数。”

“试管中的土卫六”模拟实验揭示了乙腈和丙腈低温下的特殊化学性质

虽然代号“泰坦”的土卫六很是冰冷，但它还是很像地球的一个孪生兄弟，并且蕴藏了许多奥秘。据悉，土卫六是太阳系中唯一一个以有机分子主、并且充满了湖泊与河流的奇异世界。尽管它与我们所在的家园并不完全相同，且雨水可能灼伤皮肤，但土卫六还是成为了探寻外星生命的一个热门地点。

（图自：NASA / JPL-Caltech）按照计划，美国宇航局将在 2027 年的“蜻蜓”（Dragonfly）任务期间，向土卫六派去一架“大型旋翼无人机”，以期探寻到一些非同寻常的东西。不过在发射升空后，该飞船仍需经历 7 年的时间，才会抵达距离地球近 10 亿英里的最终目的地。与此同时，许多研究人员正在努力了解那里的环境。举个例子，南卫理公会大学的一支研究团队，就在通过一项在试管中开展的新实验，来模拟土卫六的环境状况。在美国化学学会（ACS）秋季会议上，该校助理教授、实验首席研究员 Tomče Runčevski 在演讲中称：

土卫六存在许多与地球类似的有机分子，只是环境更加冰冷。如果我们要研究土卫六上的矿物质，就绕不开这些常见的有机分子，但要换一种视角去考量它们。

这项被称作“试管中的土卫六”（Titan-in-a-glass）的实验，就旨在做到这一点。研究人员在玻璃圆柱体中设置了泰坦的特征，例如骤降的温度和特征液体。然后添加了存在于土卫六大气中的两种分子，分别是乙腈（acetonitrile）和丙腈（propionitrile）。结果将分子混在一起后，研究人员观察到了一些惊奇的现象：

实验期间，两种分子的结构序列发生了变化，高温与低温多晶型物（同质多形体）都变得更加稳定，且化合物的特性也略有不同。这是非常有趣且重要的一点，毕竟到目前为止，所有针对乙腈而开展的大量研究，都假设其具有低温多晶型物。而在土卫六上，温度则要低得多。

据悉，土卫六的“冰点”低至 -290℉（-179℃）但这并不妨碍其生成“高温”多晶型物。换言之，土卫六不仅仅对其产生了温度上的化学影响。Tomče Runčevski 补充道：在土卫六上，我们不能假设这些分子是单独存在的。此外有关乙腈和丙腈特性的新发现，或解决许多困扰我们已久的地球化学问题。

在地球条件下，这些化学物质仍是液体状态，因而无人关心其固态到底是什么样子。得益于围绕土卫六开展的相关研究，人们终于开始直面这些基本问题，同时也让此类研究得到了振兴。

最后，研究团队希望根据 NASA 卡西尼-惠更斯（1997 - 2007）土星探测器任务期间收集的光谱数据，对其研究结果展开进一步的验证。

科学家用奇异原子模拟激发的量子态来确定爆炸恒星的核反应速率

萨里大学核物理小组的新研究表明，用奇异原子模拟激发的量子态是可能的，这为下一代放射性光束设施，如稀有同位素光束设施（FRIB）的建设开辟了大量的可能性。该项目由萨里大学和美国密歇根州立大学合作完成，其成果于2021年1月发表在《物理评论》上。主要作者是萨里大学博士生Samuel Hallam，他也在萨里大学攻读本科物理学学位。

图中显示了一个逃离超新星爆炸的铝-26原子核（绿色），它随后将通过伽马射线发射而衰变
核物理学的最大挑战之一是测量发生在激发量子态上的反应，例如在爆炸的恒星中因极端温度和密度而发现的反应。到目前为止，物理学家不得不通过理论估计来确定在这些条件下发生核反应的速率。这项开创性的研究首次表明，通过使用一个完全独立的原子核来模拟一个激发的量子态是可能的。Gavin Lotay博士解释说。"我们的结果现在表明，对铝-26（在恒星中发现）的第一个激发态的质子捕获可能比以前从理论估计中预期的慢十倍。这为陨石材料的分析提供了关键的见解，并对未来爆炸恒星中核合成的理论研究产生了影响。"这项研究已经得到了全世界的极大关注，美国能源部最近将其选为其重要的科学亮点之一。

科学家正调查五个天体以试图回答围绕褐矮星的一些问题

一项新的研究试图回答围绕褐矮星的一些问题。褐矮星是一种质量介于行星和恒星之间的物体。科学家想要回答的问题之一是质量极限在哪里，因为褐矮星与低质量的恒星非常相似。科学家们正在努力学习如何区分褐矮星和极低质量恒星。日内瓦大学和瑞士国家研究行星中心（Swiss National Center of Confidence in Research Planets）的科学家以及伯尔尼大学的研究人员已经确定了五个据信质量接近区分恒星和褐矮星的极限的物体。该小组希望这些物体能够帮助他们了解褐矮星的性质。木星和其他像它一样的气态巨行星，主要由氢和氦组成。恒星是由类似的材料构成的，但其质量之大，引力之强，使其内部的氢原子发生融合，产生氦气，从而释放出能量和光。相比之下，褐矮星的质量不足以像恒星那样产生热量和光。然而，褐矮星可以融合氘，这是氢的一个重原子版本。由于这一过程不像融合氢原子产生氦那样强大，褐矮星产生的光和热明显较少。科学家们认为，褐矮星的质量极限可能因其化学成分的不同而不同。它们也可能根据它们的形成方式和初始半径而变化。科学家们必须对多个例子进行详细研究，以了解更多关于它们的信息，但它们是罕见的。到目前为止，只有30颗褐矮星被确认。然而，研究小组已经将使用TESS识别的五个同伴定性为TESS感兴趣的物体或TOI。它们包括TOI-148、TOI-587、TOI-681、TOI-746和TOI-1213。每个天体都以5到27天的轨道周期围绕各自的恒星运行，其半径是木星的0.81到1.66倍，质量是木星的77到98倍。它们的大小和质量使它们处于褐矮星和恒星之间的边界。研究小组认为，这五个天体具有宝贵的信息，可以揭示出有关褐矮星的线索，包括大小和年龄之间的关系。科学家们认为，褐矮星随着年龄的增长而缩小，因为它们燃烧了氘的储备，使它们变得更冷。他们希望能够确定感兴趣的物体是否是褐矮星。然而，他们承认它们可能是低质量的恒星，还需要更多的研究。