来自火流星 http://bolide.lamost.org/articles/article291.htm
2013年十大太空故事 |
Liz Kruesi 文 Shea 编译
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在2013年，天文学家们精化了宇宙的组成和年龄，发现有一个气体云即将被我们银河系中最大的黑洞吞食，而在俄罗斯的上空则有一颗巨大的流星发生了爆炸。
有了越来越大的望远镜和越来越先进的探测器，天文学家们就能获得越来越多有关宇宙以及其中天体的认识。在过去的一年中，有许多案例佐证了这一相关性。下面将列出由美国《天文学》杂志的编辑所评选出的2013年十大太空故事。（注：发刊时“嫦娥”-3号尚未发射。）我们不会忘记在这一年出现了两颗明亮的彗星以及百年一遇的流星爆炸——无疑对于空间科学而言，2013年是一个丰收年。
2013年大部分的天文头条都涉及到了宇宙中最极端的天体和事件，例如黑洞、高能宇宙线以及宇宙的开端。不过，行星科学在2013年也不甘示弱。
在你阅读完这份重要天文学发现的榜单之后，兴许就会明白它们上榜的理由了。
10.黑洞会射出相似的喷流
黑洞具有极端的引力和密度，而它们周围的环境则为科学家们提供了天然的物理学实验室。这些致密的天体有着迥异的质量，从几倍到到几十倍于太阳的恒星质量黑洞，再到位于星系中心数百万到数十亿倍于太阳的超大质量黑洞。在黑洞的周围有着由高温气体所组成的盘而其中还夹杂着纠缠的磁场，沿着垂直于这个盘的方向会射出由近光速运动的粒子所组成的相对论喷流。尽管天文学家们还不确切知道到底是什么过程制造并驱动了这些喷流，但是有研究表明由喷流向周围环境所注入的能量与该黑洞的质量呈正比。
天文学家已经目睹了数百个因大质量恒星坍缩成黑洞而射出的喷流，被称为γ射线暴，以及数百个来自大型星系中心超大质量黑洞所射出的喷流，被称为活动星系核。他们也通过计算机对喷流的行为进行了模拟。新的研究所给出的信息将有助于科学家们搞清楚相对论性喷流产生的机制。
[图片说明]：从星系M87中心喷射出的高速喷流。版权：NASA/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)。
为此，天文学家研究了数百个指向地球的喷流，其中54个来自γ射线暴，另有234个来自活动星系核。他们测量了这288个喷流的光度，由此可以确定其中由光子所携带的能量有多少。进而，可以估计出高速运动的粒子所携带的能量以及喷流向周围环境所注入的“动能”有多少。
天文学家分析了在这288个恒星质量和超大质量黑洞系统中光度和动能之间的关系，发现它们表现出了相同的特性。喷流的总能量中有3～15％是以辐射的形式所出现的。
因此，虽然科学家们并不清楚究竟是什么物理机制驱动了喷流，但它在质量差距悬殊的黑洞身上却遵循着相同的规律。
9.“旅行者”1号进入星际空间
在就“旅行者”1号是否越过了太阳的日球层争论了1年之后，科学家们于2013年9月12日宣布位于126个天文单位（1天文单位等于地球到太阳的平均距离）处的“旅行者”1号已身处星际空间中。不仅如此，“旅行者”1号其实在2012年8月25日就已越过了这一边界。
太阳的磁场、粒子风以及辐射形成了一个可以阻挡银河系星际介质入侵的保护罩。位于这个日球层外围的则是终端激波和太阳风层顶。“旅行者”1号于2004年穿过了终端激波，“旅行者”2号越过终端激波的时间则在2007年。
在2012年7～8月，“旅行者”1号发现来自银河系的高能量宇宙线在增多，而来自太阳的粒子则在减少。不过，它并没有探测到磁场方向的变化——科学家们相信这是“旅行者”1号已越过太阳风层顶进入星际空间的确凿证据。由此，其团队一致认为它当时正处于一个过渡性的磁场通道中。
[图片说明]：2013年获得的数据显示“旅行者”1号已于2012年8月25日进入星际空间。版权：NASA/JPL。
要是于1980年就已经停止工作的等离子体科学仪器仍在运转的话，它可以在2012年就解决这个问题。然而，直到2013年4月9日等离子波子系统设备才获得了有说服力的证据。它发现从当天到5月22日“旅行者”1号周围的等离子体一直存在强烈的振荡。
根据这些测量结果，科学家们获得了“旅行者”1号周围电子的密度，发现它当时必定位于太阳风层顶之外，因为当时测得的电子密度比太阳风层顶中预期的电子密度高了近80倍。当他们回顾以前的数据，发现从2012年10月23日至11月27日也出现了稍弱的振荡。将这两个次振荡进行比较，天文学家就可以计算出等离子体环境随着到太阳的距离是如何变化的。综合“旅行者”1号每年向外运动约3.58个天文单位的信息，天文学家们由此得出结论，它在2012年8月25日就已进入了星际空间。
“旅行者”1号的天文学家们很谨慎，只说“它已进入了星际空间”，而非“它已经离开了太阳系”。这两者是有明显区别的：太阳的引力实际上可以延伸到更远得多的地方并束缚住距离太阳10万个天文单位处奥尔特云中的彗星。以目前的速度，“旅行者”1号大约还需要28,000年才能离开太阳系。
8.解开辐射带的奥秘
地球的磁场可以阻拦来自太阳的高能粒子，把它们送入两个环绕地球的环状带中。其内带的范围是从距地表上方600千米到6,400千米，随着时间的推移它能维持相对稳定的形态。它的外部区域则始于地表之上约13,000公里千米处，可以一直延伸到64,000千米远；其形状和强度在几小时到数天的时间尺度上会发生变化。这些区域被称为范艾伦带，以1958年发现它们的科学家命名。
科学家们于2012年8月发现了两个范艾伦带探测器来对其进行研究，进而了解为什么被束缚在其中的粒子会具有这么高的能量。这两个完全相同的探测器在各自的轨道上绕地球转动，它们会经过范艾伦带中的不同区域进而比较和测量其中辐射的变化情况。在它们最靠近地球的时候，距离地表只有600千米；当它们距离地球最远时，可以达到37,000千米。
就在开始工作之后几天，这两个探测器就在两个范艾伦带之间发现了第三个辐射带。这一新的辐射带从2013年9月3日一直持续存在到了10月1日。当有物质从太阳上被抛射出时，它们会形成一道激波。当该激波击中地球磁场的时候，它会扰乱外部的范艾伦带，把粒子推送到第三个临时的辐射带中。由于能量太高无法被抛射或者散射掉，它们会逗留在新的辐射带中，自然而然地形成等离子体波。当太阳在4个星期后又产生了一波风暴之后，它就破坏了这个临时的辐射带。
[图片说明]：范艾伦探测器发现在范艾伦带中还存在第3个临时的辐射带。版权：NASA/GSFC。
范艾伦探测器还目击了范艾伦带中的能量振荡，从而帮助科学家解决了一个长期存在的问题：究竟是地球磁场之外的过程还是范艾伦带内的机制把其中的电子和质子加速到了接近光速的速度？范艾伦探测器的一大任务就是区分这两种可能性。2012年10月8日和9日，它们在范艾伦带测量到了中间最高且向内外两侧递减的能量分布。这一观测结果与加速能源来自范艾伦带内部相符。
尽管范艾伦探测器无法确定具体是什么东西把粒子加速到了这么高的能量，但科学家们认为穿过范艾伦带的辐射波可能是其中的原因。这一能量升高可能会导致地球卫星上的电子设备遭到严重破坏，这也正是人造卫星的轨道都远离范艾伦带的原因。了解是什么机制把粒子加速到超过光速的99％将有助于科学家们预言类似的能量振荡会何时发生进而更有效地来保护地球卫星。
7.银心黑洞撕裂气体云
2011年底，天文学家们宣布，他们发现了一个质量仅相当于3个地球的特殊天体正在接近银河系中心的超大质量黑洞。这个天体当时似乎正在远离地球，径直朝银心黑洞人马A*冲去。
在测量了该天体的温度为550开之后，该天体被判定为一个气体尘埃云，称为G2，而非一颗恒星。（由于中央的核聚变，恒星的表面温度至少是这个数值的3倍。）科学家们计算发现G2会在2013年夏天最靠近人马A*。
人马A*在一个大小约为太阳18倍的区域中拥有约430万个太阳的质量。在这么小的区域中塞入这么多的物质会使得时空结构发生极端的扭曲，任何从这个黑洞附近经过的东西都会感受到它强大的引力。G2会从距离人马A*130个天文单位的地方经过，但后者的引力甚至远在这个距离之外就开始撕扯它了。如果它是一颗恒星的话，在整个过程中它自身就会具有足够的引力来让自己全身而退。
[图片说明]：气体云飞掠银心黑洞的计算机模拟。版权：ESO/MPE/Marc Schartmann。
从2013年4月起，天文学家们便开始监测银心黑洞强大的引力对这团小气体云的影响。结果显示，G2的前端已经绕过了黑洞的远端，现在正在朝着地球运动。科学家们通过分析其所发出的光就能知晓这一点。当它远离我们的望远镜时，它所发出的光看上去会更红；而当它在朝向我们的望远镜运动时，它发出的光就会偏蓝。计算机模拟表明人马A*的引力会在一年的时间里一直撕扯G2直到它被撕碎。
天文学家们很少有机会能目睹超大质量黑洞撕扯途经的物质，因此把大量的仪器设备对准了G2。因为其他的超大质量黑洞都极为遥远——距离我们第二近的位于约250万光年之外的仙女星系中——地面上的望远镜不具备能看清它们周围物质细节所需的分辨率。这些相互作用可以告诉天文学家们有关黑洞周围环境的信息，那里正是极端物理过程发生的地方。
6.“开普勒”失灵
2009年3月6日开普勒空间望远镜发射升空，旨在寻找太阳系外的类地行星。在近4年的时间里，它一直凝视着约160,000颗恒星，来探测它们亮度微小的降低。这些亮度的微小降低可能是由于一颗行星从其前方经过遮挡其光线所造成的，即凌星事件。在“开普勒”的数据中，科学家们已经发现了约3,500颗行星候选体，到目前为止已经确认了156颗行星。
遗憾的是，“开普勒”所收集的数据并不足以能提供更多有关太阳系外行星的深层次信息。2012年7月，它四个反应轮中一个失灵。反应轮至关重要，正是它保持着“开普勒”的精确指向。使用3个反应轮仍能让“开普勒”始终对准同一天区，但2013年5月又一个反应轮失灵。“开普勒”的科学家试图修复一个失灵的反应轮，但无济于事。2013年8月15日，科学家们宣布“开普勒”发现太阳系外行星的时日已经结束，他们正在考虑把它用于其他研究。
在“开普勒”失灵之前，天文学家们已经在它的数据中发现了多行星系统和地球大小的行星。他们还对所观测的恒星有了更多的了解。恒星亮度的变化并不一定都源自行星对其的遮挡。恒星黑子、恒星耀斑以及恒星内部的脉动也会导致其辐射的变化。利用“开普勒”的数据，通过研究这些振荡，科学家们测定了数千颗恒星的年龄和大小。
[图片说明]：开普勒空间望远镜发现了约3,500颗行星候选体，已确认了156颗行星。版权：NASA。
科学家们至少需要三次亮度降低才能将其视为拥有行星的候选恒星。因此，如果有一颗地球大小的行星在其表面可以有液态水存在的距离上环绕一颗类太阳恒星转动的话，将至少需要3个地球年的数据来看到3次凌星事件。“开普勒”的数据中仍有半数尚未被分析，许多行星可能还隐藏在其中。所以，尽管“开普勒”已经无法再收集太阳系外行星的数据了，但这并不意味着来自“开普勒”的发现就会戛然而止。
5.彗星照亮夜空
人人都喜欢明亮的彗星。它在天空中会造就出梦幻般的景象，让整个世界为之敬畏，并为研究早期太阳系提供了一个实验室。相比任何天体，彗星能更有效地激发起大众对天文学的兴趣，这也使得在2013年出现的两颗明亮的彗星——全景巡天望远镜和快速反应系统彗星（C/2011 L4）和光科网彗星（C/2012 S1）——因此成为了全世界的人们竞相观看的目标。
虽然光科网彗星被誉为2013年的年度彗星，但占据2013年春季头条的却是另一颗彗星。它就是由全景巡天望远镜和快速反应系统在2011年6月5～6日发现的C/2011 L4，又称泛星彗星。2013年3月10日该彗星从距离太阳4,500万千米处飞过，当时南半球的观星者有着比北半球的更好的视角。泛星彗星的亮度最高达到了0.6等。虽然在夜空中是一个非常漂亮的天体，但它的亮度仍只有光科网彗星预期峰值的1/2,300。
2012年9月21日国际光学科学网络的40厘米望远镜观测到了一个暗弱的光点。进一步的分析确认它是一颗彗星，计算显示它会在2013年11月28日从距离太阳表面180万千米处——仅相当于太阳直径的1.3倍——飞过 。
大多数彗星都起源自奥尔特云，它距离太阳20,000～100,000个天文单位，含有数万亿颗彗星。当它们中的一个进入内太阳系时，太阳的辐射会使之升温，其所含的冰会直接升华成气体。随着其周围气体云——彗发——的膨胀，彗星就会增亮。
光科网彗星会增亮到满月程度的报道很快不胫而走。然而，在其冲日前一个月，预测表明它的亮度将会达到-7.8等。虽赶不上满月，但仍将是黄昏天空中壮观的景象。这颗彗星此前从来没有接近过太阳，因此当时没有人知道它将会如何表现。它有可能会被太阳的引力瓦解，也许会奉上更令人印象深刻的表演。
无论如何，光科网彗星已经渗透进了媒体、科学家的讨论和普罗大众的心中。
4.“好奇”号发现曾经宜居的火星环境
从工程上讲，2012年8月6日“好奇”号火星车登陆火星表面是一件非常复杂的事情。降落到这颗红色行星之上本身就是一个令人印象深刻的壮举，但接下去的事情则让人喜出望外。2013年2月8日它钻探了第一块岩石，采集了其中的物质样本并对它们进行了化学和矿物学分析。对钻探出粉末的矿物学分析发现了蒙脱石粘土，这佐证了火星早期拥有液态水的环境，而且这其中的水酸碱性都不高也不太咸。化学分析则检测出了生命所需的所有主要元素：硫，氮，氧，磷和碳。因此，凭借其钻取的第一个样本，“好奇”号就证明火星曾经拥有一个宜居的环境。
[图片说明]：“好奇“号火星车。版权：NASA。
此外，它还发现了其他表明曾有液态水在火星上流淌的证据。这其中就包括了与地球河床上的极为相似的鹅卵石和沙子。根据嵌在砾岩中砾石的形状，可以计算出水的深度和流速。结果显示其流速与步行的速度相当，差不多每秒1米，其深度则从没过脚踝到及腰深不等。
目前“好奇”号正在驶向其所着陆的环形山中央峰的顶端。它的发现将会继续激发行星科学家和公众的热情。
3.尖端设备观测早期宇宙
约138亿年前，宇宙始于一个高温高密的状态，之后便一直在膨胀和冷却。在早期的宇宙中，电子、质子和光子会不断地彼此碰撞。在约37万年后，当宇宙冷却到了3,000开左右，电子和质子开始结合，由此光子可在宇宙中畅通无阻地运动。在这一“最后散射时刻”的物质分布会在漫天的辐射中留下印迹。天文学家可以研究这一宇宙微波背景辐射来了解宇宙，因为它是在光与物质分离时所形成的。
几十年来科学家们一直在分析宇宙微波背景这个宝库，每一架新的望远镜都能告诉我们更多有关宇宙的细节。最近，普朗克卫星对宇宙微波背景进行了测量，揭示了宇宙的特性。“普朗克”发射于2009年5月，在2013年3月公布了其第一幅全天宇宙微波背景观测结果图。根据这一观测结果，宇宙包含了4.9％的普通物质（如恒星，气体和行星），26.8％的暗物质（一种不可见的质量）以及68.3％的暗能量（驱动宇宙加速膨胀的神秘的力量）。
天文学家们还使用了“普朗克”的数据研究了宇宙的大尺度结构。宇宙微波背景中的光子需要花数十亿年的时间才能到达我们，它所经过的每一样东西的引力都会使得它的路径发生非常微小的弯曲。通过分析宇宙微波背景的这一“引力透镜”可以给出从最后散射时刻到现在宇宙中所有物质（包括普通物质和和暗物质）的分布。
[图片说明]：精密测量宇宙微波背景辐射的南极望远镜。版权：Jeff McMahon。
“普朗克”的科学家们希望在2014年中释放其下一批的数据并给出宇宙微波背景中另一个更加难以测量的量——偏振。宇宙微波背景中的光波并不是沿着随机的方向振动的。相反，它们会遵照两种模式：E模或B模。当宇宙微波背景光子与宇宙中的电子发生碰撞时，它们会以一个特定的方向被散射，这被称为E模。然而，B模偏折的信号则小得多，从而更难被观测到。一种类型的B模偏振来自宇宙诞生之后不久超高速膨胀期（即暴胀）中的引力扰动。
已运转近7年的南极望远镜正在寻找这些偏振信号。它于2013年7月22日宣布在宇宙微波背景中发现了因引力透镜而导致的B模偏振。虽然这并非是天文学家们一直在寻找的暴胀所留下的印迹，但它仍然是该研究领域一个重要的里程碑，它表明科学家们正在越来越深入地了解宇宙微波背景。
2.超新星加速宇宙线
1912年，物理学家赫斯乘坐气球飞到5,350米的高空，他发现在这一高度上的辐射比3,000米高的地方增加了4倍。这些宇宙辐射来自四面八方。在过去的几十年中，科学家们已经知道，宇宙线中的90％是高能质子，电子和原子核则占据了其他的10％。然而，要找到这些粒子的源头并搞清楚它们令人难以置信的能量来源则非常困难。
我们的银河系具有磁场，而宇宙线粒子都带有电荷——质子和原子核带正电，电子则带负电。当带电粒子在磁场中运动时，其路径会发生改变，因而很难追查其最初的源头。
但天文学家们另辟蹊径，发现了宇宙射线从何而来。一个快速运动的质子（例如，宇宙线）与星际气体中的一个质子发生碰撞会产生一个被称为中性介子的基本粒子。该粒子随后会衰变成2个γ射线光子，每一个都具有中心值在6,750万电子伏特的特定能量。γ射线光子是电中性的，因而不会受到磁场的影响。如果你能观测到特定能量的γ射线，那么你就找到了宇宙线。
天文学家们已在超新星遗迹中寻找了这些特定的辐射。在超新星爆炸中，恒星外部层壳的物质会飞离其核心，它们会压缩和加热周围的气体，形成激波。长期以来，科学家们推测，这些激波正是质子间频繁发生碰撞的区域，因此可能是超新星加速了宇宙线。但是一直没找到有关的直接证据——特定能量的辐射。
[图片说明]：费米γ射线空间望远镜的观测确认了宇宙线起源自超新星遗迹。版权：NASA。
2013年2月，天文学家们宣布发现了这些特定能量的辐射，从而证明超新星就是宇宙线的源头。费米γ射线空间望远镜观测了超新星遗迹IC 443和W44，观测到的能谱与中性介子衰变成γ射线的完美相符。
那么，超新星遗迹是如何把粒子加速到如此高的速度的呢？这是因为激波波前纠缠着磁场。这些磁场会把带电粒子束缚在激波的周围，使得它们在激波处来回震荡。每一次的振荡都会使得它们获得一点点能量，如此往复几千年之后，它们最终获得了足够的能量进而逃逸，开始在银河系中传播，成为了宇宙线。
在赫斯发现宇宙线之后一个世纪，科学家们终于搞清楚了它们的来源。但是，这并不意味着他们已经彻底了解了这些无所不在的宇宙辐射。下一步是确定这一加速度过程的细节并研究宇宙线质子的能量最高究竟能达到多少。
1.俄罗斯上空百年一遇的火流星爆炸
2013年2月15日上午9时22分，俄罗斯车里雅宾斯克的宁静被骤然打破。就在此时有一颗直径17～18米的流星闯进了地球大气层。地球大气层的摩擦使之减速并升温，让它变成了一个发光的火球。约35秒后，这颗流星在海拔高度为23千米处发生爆炸。它所产生的冲击波震碎了窗户、触发了汽车报警器并且吓坏了地面上的数十万人。它所产生的碎片使得约1,000人受伤，所幸没有致命。
这一流星体沿着太阳的方向、以较小的14°角进入地球大气，因此几乎不可能事先预警。其爆炸所释放的能量相当于44万吨TNT炸药，其碎片则散落在几十平方千米的范围之内。对其碎片进行分析显示，它属于球粒陨石，是落到地球上最常见的陨石类型。
[图片说明]：2013年2月15日有一颗火流星在俄罗斯车里雅宾斯克上空发生爆炸。版权：Marat Ahmetvaleev。
尽管2013年2月15日发生的这一事件很轰动，但这并不是它被选为这份榜单头名的原因。相反，这一流星爆炸事件提醒了我们所有人，地球在宇宙中并不是孤立的。地球一直在与小天体发生碰撞。有时是一幢房子那么大的天体，就像2013年这一次，它会造成显著的破坏。如果来犯的天体更大，破坏则会更加严重。
这也正是天文学家们想对直径超过140米的近地天体登记造册的原因。但是阳光会遮蔽位于其附近的小天体。车里雅宾斯克流星事件表明，人类需要更好的方法来发现和编目近地天体并做好应对的预案。
美国宇航局计划在2023年前往一颗小行星，对其进行采样并将样品送回地球。此后，它还公布了一个小行星俘获任务。该任务的目的是在2020年前发射一个探测器，它将捕捉一颗直径7～10米的小行星并将其运送到月球轨道。在那里，宇航员可以对它进行取样探测。这一项目不仅将激励新的载人航天技术，还将为改变近地天体的轨迹提供重要的信息。
（本文已刊载于《天文爱好者》杂志2014年第1期） |
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