【科技日報】2020年終盤點:這一年,宇宙“面目”愈發清晰

  深邃的星空,埋藏著無數奧秘,叩問2020年的宇宙蒼穹,陣陣回響喚起驚奇與敬畏無數:人類首次在銀河系外發現氧氣、繪制迄今最大宇宙三維地圖、發現不可能存在的中等質量黑洞……宇宙的秘密,正在一點點被揭開?;蚴巧磉叺奶煳钠嬗^,或是地外的生命跡象,我們總在追問的路上,渴望收獲更多。 

  宇宙還我們以新知,并以更多未知引領我們遙望未來。銀河系邊界探清后,身邊的星系究竟有多少?借助引力波首次探測到中等質量黑洞后,人類是否能破解超大質量黑洞形成的謎團? 

  回望2020,我們以一趟時光穿越之旅,再次與宇宙對話。 

 

氧氣現身河外星系 

 

科學家在馬卡良 231”星系發現氧氣。 

 

  氧在宇宙中的豐度僅次于氫和氦。此前,天文學家曾認為氧分子在恒星間的空間內應普遍存在,但一直未有證據表明銀河系外也有氧氣。 

  這一懸疑在今年21日《天體物理學》雜志刊發的一篇文章中被解開。在距地球5.6億光年的馬卡良231”Markarian 231)星系內,中外科學家聯手發現了氧氣。據悉,這是人類首次在銀河系外發現氧氣,也是迄今為止在太陽系外探測到氧氣最多的一次。 

  馬卡良231”位于大熊星座。此前,天文學家在銀河系內的獵戶座星云和蛇夫座星云都探測到過氧氣。據推算,馬卡良231”的氧氣比重是獵戶座星云內氧氣比重的100倍??茖W家推測,馬卡良231”內經歷了比獵戶座星云更強烈的氧氣形成過程。 

  天文學家表示,在地外物質的光譜中發現氧氣、水等存在的條件,不能就此斷言其所處的環境中一定存在著生命;看不到這些標志物,也未必沒有存在生命的可能性。 

  上述研究論文第一作者、中國科學院上海天文臺研究員王均智表示,這次在銀河系外發現氧氣,有助于進一步加深對宇宙物質組成的認識,對于星際介質中氧氣的形成和消耗等相關理論提出了挑戰。 

  此次研究是科學家首次在銀河系外發現氧氣,但氧氣在星際空間的含量為何普遍遠低于預期,仍是未解之謎。”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)首席科學家李菂表示。 

 

首次揭示月背地下結構 

 

利用玉兔二號月球車上的測月雷達,科學家首次揭示出月球背面著陸區域地下結構。 

 

  月球背面的馮·卡門撞擊坑所在地——南極艾特肯盆地,是太陽系中最古老的撞擊坑之一,形成于40億年以前,保留了原始月球的巖石,這里也是月球上已知最深的盆地。 

  201913日,嫦娥四號探測器在馮·卡門撞擊坑底部成功著陸。之后,玉兔二號月球車利用全景相機、紅外線光譜儀、測月雷達等先進儀器,對月球背面展開科學探索研究。 

  2020227日凌晨,國際科學期刊《科學·進展》在線刊載了中國玉兔二號月球車為馮·卡門撞擊坑做的“CT”結果。 

  由中國科學院國家天文臺研究員李春來、蘇彥領導的科研團隊,利用玉兔二號月球車上的測月雷達,首次揭示出月球背面著陸區域地下40米的分層結構,發現地下物質由低損耗的月壤物質和大小不同的大量石塊組成。這是人類首次揭開月球背面地下結構的神秘面紗。 

  具體來說,研究團隊沿玉兔二號行走的106米路徑,在深度40米的范圍內,識別出3個地層單元。 

  其中,第一單元為月表到地下12米的細粒月壤,內嵌有少量石塊,這一層形成于多個撞擊坑互疊的濺射物之上;第二單元為地下12米到24米的濺射物沉積層,其內部存在大量石塊,甚至形成了碎石層和碎石堆;第三單元為地下24米到40米,是更古老的濺射物在不同時期沉積和風化的產物。 

  研究人員表示,該研究可幫助人們了解月球撞擊和火山活動歷史,有望為月球背面的地質演化研究帶來新的啟示。 

 

探明銀河系邊界 

 

  天文學家早就知道,銀河系中最亮的部分是呈薄煎餅狀的恒星盤,太陽便身處其中,其寬約12萬光年(1光年約為94600億千米),恒星盤之外是氣體盤。一塊巨大的暗物質光暈包裹著這兩個圓盤,并延伸到遠遠超出它們的范圍之外。但由于這個暗暈不發光,因此科學家很難測量銀河系的直徑。 

  323日,美國《科學新聞》網站報道了一項來自英國科學家的研究,英國達勒姆大學天體物理學家艾麗絲·迪森及其同事利用銀河系附近星系計算得出結論:銀河系的精確直徑為190萬光年,誤差不超過40萬光年。 

  為找到銀河系的邊界,迪森團隊利用計算機模擬了銀河系和其附近大星系——仙女座星系并排出現的情況。結果表明,位于巨大星系暗暈邊緣之外的附近小星系的速度會顯著下降。 

  利用現有的望遠鏡觀測結果,迪森團隊發現,銀河系附近的小星系也出現了同樣的速度下降情況。這種情況發生在距離銀河系中心約95萬光年的地方,此處應該就是銀河系的邊界。由此他們得出結論,銀河系寬約190萬光年。 

  美國約翰斯·霍普金斯大學天文學家羅斯瑪麗·懷斯指出,最新測量結果可以幫助天文學家厘清銀河系其他性質。例如,銀河系越大,其體重也越重,與它共舞的星系應該也會越多??茖W家迄今已為銀河系找到約60舞伴,未來應該可以找到更多。 

 

夏至巧遇金邊日食 

 

今年的日環食非常接近全食,太陽整個圓面超過99%的面積被遮住。視覺中國供圖 

 

  621日,當太陽幾乎直射北回歸線時,北半球迎來白晝最長的一天,這一天正是夏至日。同一天,天幕劇場也上演了本年度最精彩的天象演出之一——“金邊日食。 

  據中國科學院紫金山天文臺工程師胡方浩介紹,這也是21世紀唯一一次在中國可見且恰逢夏至日的日食。 

  日食食分大小取決于日、地、月三者的位置關系。中國天文學會會員、天津市天文學會理事史志成解釋說,被遮擋的太陽離地球愈遠則其視直徑愈小,而遮擋太陽的月球離地球愈近則其本影愈大,所以當太陽處于遠地點而月球處于近地點時,食分最大。 

  兩千多年前,日食就啟發人類認識宇宙,發現地球公轉的規律。當太陽被月亮遮擋時,人們更容易觀測到太陽日冕活動情況,從而有助于對其未來活動趨勢進行預測。日食作為一種天文現象,對星地通信中起到關鍵作用的電離層有一定影響。 

  與以往日環食不同的是,此次日環食非常接近全食。太陽整個圓面超過99%的面積被遮住,剩下的一圈金邊兒非常細。 

  有專家表示,在21世紀剩余的80年里,發生在我國范圍內的日環食僅剩10次,其中5次將發生在極北或極南地區,環食帶范圍小、月球地影過境時間短,不便觀測。 

 

迄今最大宇宙三維地圖出爐 

 

  宇宙誕生于約138億年前的大爆炸。對于宇宙的早期和近期,科學家都有所了解,但其間110億年宇宙究竟經歷了怎樣的變化,一直是未解之謎。 

  720日,據外媒報道,在對400多萬個星系和蘊含巨大能量的超亮類星體進行分析后,國際斯隆數字巡天調查項目(SDSS)發布了迄今最大的宇宙三維地圖,講述了宇宙在110億年間的膨脹故事,填補了人類在宇宙史探索中的空白。 

  繪出這份地圖的是多國科研人員組成的擴展重子振蕩光譜巡天項目(eBOSS),它是SDSS的一部分。這一成果的獲得,建立在世界各地數十家機構的數百名科研人員超過20年合作的基礎上。 

  研究顯示,構成宇宙結構的細絲和空隙始于宇宙誕生僅30萬年時。此外,宇宙在大約60億年前開始加速膨脹,且此后一直持續膨脹。這種加速膨脹似乎是由暗能量所驅動,這一點與愛因斯坦廣義相對論所預言的一致。 

  此外,研究人員指出,天體物理學家早在多年前就知道宇宙在膨脹,但一直無法精確測量宇宙膨脹的速度——哈勃常數。eBOSSSDSS的調查結果表明,宇宙目前的膨脹速度和早期由其他研究得出的膨脹速度不匹配,仍需科學家進一步的研究調查。 

 

找到不可能存在的中等質量黑洞 

 

  92日,據美國激光干涉引力波天文臺官網報道,該天文臺與位于意大利的室女座引力波天文臺攜手,探測到了一個142倍太陽質量的黑洞,這是科學家首次探測到此類中等質量黑洞。 

  研究人員指出,此前所觀測到的黑洞大致分為兩類:恒星質量黑洞和超大質量黑洞,前者質量為太陽質量的數倍到數十倍不等,被認為是大質量恒星死亡后形成的;后者質量約為太陽的數十萬倍到數十億倍。中等質量黑洞介于兩者之間,質量為太陽質量的1001000倍。在收到這次信號前,科學家沒有發現任何證據證明它們的存在。 

  這個黑洞由兩個分別約85倍太陽質量和65倍太陽質量的黑洞并合而成,并合釋放出的8倍太陽質量的能量以引力波形式彌漫于宇宙中,被兩大探測器攜手逮個正著。 

  研究人員在2019521日探測到引力波信號GW190521,該信號持續時間不到0.1秒??茖W家推測,GW190521最有可能是擁有特殊性質的雙黑洞并合產生的信號。 

  迄今為止,幾乎所有被驗明正身的引力波信號均來自雙星并合,包括雙黑洞并合以及雙中子星并合等。 

 

水分子現身月球光照區 

 

  月球究竟有沒有水?科學家從未停下探索的腳步。此前科學家推測,月球背面常年陰暗的隕石坑里可能藏有冰。如今,最新研究證實,月球光照面也可能存在水。 

  1026日,《自然·天文學》發表文章稱,美國國家航空航天局依靠平流層紅外天文臺索菲亞,在月球光照區——月球南半球的克拉維斯環形山表面,首次探測到了水分子。 

  這一發現表明,水可能分布在整個月球表面,而不僅限于陰暗的月背。換句話說,即使在太陽輻射下,水也能在月球表面存在。 

  在陽光照射的月表,水分子想保留下來非常不易。此次的探測數據顯示,水被困在月球表面的土壤中,濃度為百萬分之100~400,相當于每千克月壤中含有100~400毫升水,這比撒哈拉沙漠還要干燥100倍,不過精確的水含量需要進一步驗證。 

  另據論文介紹,探測到的水可能儲存在月球表面的玻璃般物質中或是晶粒之間,這些玻璃般物質或晶粒能在惡劣環境中對水起到保護作用。 

  沒有大氣層保護,月表太陽照射面的水源是否可以利用?這還需要弄清楚水在月表的分布范圍、埋藏深度、是否能長期保存等。南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇認為,這需要搞清楚水含量是否足夠高,在哪些地區富集,是否能達到開采的級別,水在月表儲存的機制是什么,需要用什么樣的技術才能把水有效地收集起來。 

  這些發現確實令人興奮,很有研究和應用的前景,但成本目前還無法預料。周禮勇說。 

 

中國天眼看見快速射電暴源頭 

 

  快速射電暴,宇宙中一種神秘的射電波暴發現象。它的持續時間短到只有幾毫秒,但在這靈光乍現的幾毫秒中,卻蘊藏著巨大的能量,它可以把地球上幾百億年的發電量,完全以射電波的形式釋放掉。 

  過去十幾年,天文學家一直在探尋它的來源,又包含了哪些信息? 

  科學家在《自然》雜志上分別發表了3篇關于快速射電暴的研究成果,利用500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),他們捕捉到快速射電暴起源的一些蛛絲馬跡。 

  北京大學教授、中國科學院國家天文臺研究員李柯伽研究團隊,在12小時的觀測時間里,利用FAST探測到了快速射電暴爆發源FRB 18030115次暴發,每次暴發的強度曲線各不相同。這是國際上首次發現該爆發源的輻射具有非常豐富的偏振特征。FAST觀測到的偏振變化多樣性明確說明:宇宙中快速射電暴的爆發源可能來自致密天體磁層中的物理過程。 

  類似于地球,磁星也會形成磁層。我們這次的觀測結果是快速射電暴來源于磁層的一個最直接證據。李柯伽說。 

  此外,包括北京師范大學林琳博士、北京大學張春風博士、中國科學院國家天文臺王培博士在內的聯合研究團隊,利用FAST對銀河系磁星軟伽瑪重復暴源SGR 1935+2145進行多波段聯合觀測。觀測結果表明,快速射電暴與軟伽瑪射線重復暴發具有較弱的相關性,磁星暴發產生快速射電暴必須依賴于極其特殊的物理條件。 

 

金星大氣首現磷化氫 

 

  914日,《自然·天文學》雜志發表文章稱,包括英國卡迪夫大學科學家簡·格里弗斯在內的研究團隊,于2017年和2019年,分別利用麥克斯韋望遠鏡(JCMT)和阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA),在金星上探測到只屬于磷化氫的光譜特征,并估算出了金星云層中的磷化氫豐度。 

  這是科學家首次在金星大氣中探測到磷化氫。研究人員認為,探測到磷化氫尚無法作為微生物生命存在的有力證據,但可以表明金星上可能發生著未知的地質或化學過程。 

  環境惡劣的金星,因為磷化氫的蛛絲馬跡,讓人看到生命的希望,但好消息沒有持續多久,便遭遇質疑。 

  1026日,一項發表在《自然·天文學》雜志上的最新研究指出,此前被認為是磷化氫的光譜數據,實際上非常接近二氧化硫,后者在金星大氣中很常見。 

  另一項由荷蘭萊頓大學主導的研究顯示,ALMA獲得的光譜數據可以用磷氣體以外的化合物來解釋。據此,他們得出結論:在金星大氣層中沒有檢測到具有統計學意義的磷化氫。 

  不過金星上的生命希望并未就此終結。格里弗斯團隊重新檢驗最初數據后,再次發布結論稱,ALMA的數據顯示了一種光譜特征,這種特征只能用磷化氫化合物來解釋,根據最新數據,磷化氫的含量只有最初發布結果的1/7。 

  金星大氣層中是否真的存在磷化氫?磷化氫究竟來自何處?它們是否帶有生命的印記?這些都值得我們期待。 

 

GECAM引力波探測器升空 

 

引力波暴高能電磁對應體全天監測器在軌運行藝術圖。 

 

  1210414分,西昌衛星發射中心,長征十號運載火箭搭載引力波暴高能電磁對應體全天監測器GECAM)成功發射并將其送入預定軌道。 

  該衛星載荷總師李新喬介紹,GECAM將是幾年之內在軌運行的伽瑪暴探測靈敏度最高的天文衛星,也是對磁星暴發、快速射電暴、地球伽瑪閃等暴發事件綜合探測能力最強的衛星。它將對引力波伽瑪暴、快速射電暴高能輻射、特殊伽瑪暴和磁星暴發等高能天體暴發現象進行全天監測,研究中子星、黑洞等致密天體及其并合過程。此外,GECAM還將探測太陽耀斑、地球伽瑪閃和地球電子束等空間高能輻射現象,為進一步揭示其物理機制提供科學觀測數據。 

  引力波伽瑪暴是GECAM最重要的科學探測目標。對于引力波的探測,地面設備的空間定位精度不高。因此,科學家需要一臺能夠以較高精度及時給出引力波暴發方位的衛星——GECAM應運而生。 

  李新喬介紹:“GECAM可以對和引力波伽瑪暴幾乎同時發生的同源伽瑪暴的能譜和光變,進行連續高精度觀測,同時可以給出精度較高的引力波事件的方位信息,把地面引力波探測設備定位的幾十到上百平方度范圍縮小。這將有助于空間及地面其他波段的觀測設備更好地確定其對應天體源,并開展后續觀測。(科技日報記者金鳳) 

 

來源:科技日報


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