2013年十大太空故事

2013年十大太空故事Shea 發表於 2014-01-10 14:54

Liz Kruesi　文　Shea　編譯

在2013年，天文學家們精化了宇宙的組成和年齡，發現有一個氣體雲即將被我們銀河系中最大的黑洞吞食，而在俄羅斯的上空則有一顆巨大的流星發生了爆炸。

有了越來越大的望遠鏡和越來越先進的探測器，天文學家們就能獲得越來越多有關宇宙以及其中天體的認識。在過去的一年中，有許多案例佐證了這一相關性。下面將列出由美國《天文學》雜誌的編輯所評選出的2013年十大太空故事。（註：發刊時「嫦娥」-3號尚未發射。）我們不會忘記在這一年出現了兩顆明亮的彗星以及百年一遇的流星爆炸——無疑對於空間科學而言，2013年是一個豐收年。

2013年大部分的天文頭條都涉及到了宇宙中最極端的天體和事件，例如黑洞、高能宇宙線以及宇宙的開端。不過，行星科學在2013年也不甘示弱。

在你閱讀完這份重要天文學發現的榜單之後，興許就會明白它們上榜的理由了。

10.黑洞會射出相似的噴流

黑洞具有極端的引力和密度，而它們周圍的環境則為科學家們提供了天然的物理學實驗室。這些緻密的天體有著迥異的質量，從幾倍到到幾十倍於太陽的恆星質量黑洞，再到位於星系中心數百萬到數十億倍於太陽的超大質量黑洞。在黑洞的周圍有著由高溫氣體所組成的盤而其中還夾雜著糾纏的磁場，沿著垂直於這個盤的方向會射出由近光速運動的粒子所組成的相對論噴流。儘管天文學家們還不確切知道到底是什麼過程製造並驅動了這些噴流，但是有研究表明由噴流向周圍環境所注入的能量與該黑洞的質量呈正比。

天文學家已經目睹了數百個因大質量恆星坍縮成黑洞而射出的噴流，被稱為γ射線暴，以及數百個來自大型星系中心超大質量黑洞所射出的噴流，被稱為活動星系核。他們也通過計算機對噴流的行為進行了模擬。新的研究所給出的信息將有助於科學家們搞清楚相對論性噴流產生的機制。

[圖片說明]：從星系M87中心噴射出的高速噴流。版權：NASA/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)。

為此，天文學家研究了數百個指向地球的噴流，其中54個來自γ射線暴，另有234個來自活動星系核。他們測量了這288個噴流的光度，由此可以確定其中由光子所攜帶的能量有多少。進而，可以估計出高速運動的粒子所攜帶的能量以及噴流向周圍環境所注入的「動能」有多少。

天文學家分析了在這288個恆星質量和超大質量黑洞系統中光度和動能之間的關係，發現它們表現出了相同的特性。噴流的總能量中有3～15％是以輻射的形式所出現的。

因此，雖然科學家們並不清楚究竟是什麼物理機制驅動了噴流，但它在質量差距懸殊的黑洞身上卻遵循著相同的規律。

9.「旅行者」1號進入星際空間

在就「旅行者」1號是否越過了太陽的日球層爭論了1年之後，科學家們於2013年9月12日宣布位於126個天文單位（1天文單位等於地球到太陽的平均距離）處的「旅行者」1號已身處星際空間中。不僅如此，「旅行者」1號其實在2012年8月25日就已越過了這一邊界。

太陽的磁場、粒子風以及輻射形成了一個可以阻擋銀河系星際介質入侵的保護罩。位於這個日球層外圍的則是終端激波和太陽風層頂。「旅行者」1號於2004年穿過了終端激波，「旅行者」2號越過終端激波的時間則在2007年。

在2012年7～8月，「旅行者」1號發現來自銀河系的高能量宇宙線在增多，而來自太陽的粒子則在減少。不過，它並沒有探測到磁場方向的變化——科學家們相信這是「旅行者」1號已越過太陽風層頂進入星際空間的確鑿證據。由此，其團隊一致認為它當時正處於一個過渡性的磁場通道中。

[圖片說明]：2013年獲得的數據顯示「旅行者」1號已於2012年8月25日進入星際空間。版權：NASA/JPL。

要是於1980年就已經停止工作的等離子體科學儀器仍在運轉的話，它可以在2012年就解決這個問題。然而，直到2013年4月9日等離子波子系統設備才獲得了有說服力的證據。它發現從當天到5月22日「旅行者」1號周圍的等離子體一直存在強烈的振蕩。

根據這些測量結果，科學家們獲得了「旅行者」1號周圍電子的密度，發現它當時必定位於太陽風層頂之外，因為當時測得的電子密度比太陽風層頂中預期的電子密度高了近80倍。當他們回顧以前的數據，發現從2012年10月23日至11月27日也出現了稍弱的振蕩。將這兩個次振蕩進行比較，天文學家就可以計算出等離子體環境隨著到太陽的距離是如何變化的。綜合「旅行者」1號每年向外運動約3.58個天文單位的信息，天文學家們由此得出結論，它在2012年8月25日就已進入了星際空間。

「旅行者」1號的天文學家們很謹慎，只說「它已進入了星際空間」，而非「它已經離開了太陽系」。這兩者是有明顯區別的：太陽的引力實際上可以延伸到更遠得多的地方並束縛住距離太陽10萬個天文單位處奧爾特雲中的彗星。以目前的速度，「旅行者」1號大約還需要28,000年才能離開太陽系。

8.解開輻射帶的奧秘

地球的磁場可以阻攔來自太陽的高能粒子，把它們送入兩個環繞地球的環狀帶中。其內帶的範圍是從距地表上方600千米到6,400千米，隨著時間的推移它能維持相對穩定的形態。它的外部區域則始於地表之上約13,000公里千米處，可以一直延伸到64,000千米遠；其形狀和強度在幾小時到數天的時間尺度上會發生變化。這些區域被稱為范艾倫帶，以1958年發現它們的科學家命名。

科學家們於2012年8月發射了兩個范艾倫帶探測器來對其進行研究，進而了解為什麼被束縛在其中的粒子會具有這麼高的能量。這兩個完全相同的探測器在各自的軌道上繞地球轉動，它們會經過范艾倫帶中的不同區域進而比較和測量其中輻射的變化情況。在它們最靠近地球的時候，距離地表只有600千米；當它們距離地球最遠時，可以達到37,000千米。

就在開始工作之後幾天，這兩個探測器就在兩個范艾倫帶之間發現了第三個輻射帶。這一新的輻射帶從2013年9月3日一直持續存在到了10月1日。當有物質從太陽上被拋射出時，它們會形成一道激波。當該激波擊中地球磁場的時候，它會擾亂外部的范艾倫帶，把粒子推送到第三個臨時的輻射帶中。由於能量太高無法被拋射或者散射掉，它們會逗留在新的輻射帶中，自然而然地形成等離子體波。當太陽在4個星期後又產生了一波風暴之後，它就破壞了這個臨時的輻射帶。

[圖片說明]：范艾倫探測器發現在范艾倫帶中還存在第3個臨時的輻射帶。版權：NASA/GSFC。

范艾倫探測器還目擊了范艾倫帶中的能量振蕩，從而幫助科學家解決了一個長期存在的問題：究竟是地球磁場之外的過程還是范艾倫帶內的機制把其中的電子和質子加速到了接近光速的速度？范艾倫探測器的一大任務就是區分這兩種可能性。2012年10月8日和9日，它們在范艾倫帶測量到了中間最高且向內外兩側遞減的能量分布。這一觀測結果與加速能源來自范艾倫帶內部相符。

儘管范艾倫探測器無法確定具體是什麼東西把粒子加速到了這麼高的能量，但科學家們認為穿過范艾倫帶的輻射波可能是其中的原因。這一能量升高可能會導致地球衛星上的電子設備遭到嚴重破壞，這也正是人造衛星的軌道都遠離范艾倫帶的原因。了解是什麼機制把粒子加速到超過光速的99％將有助於科學家們預言類似的能量振蕩會何時發生進而更有效地來保護地球衛星。

7.銀心黑洞撕裂氣體雲

2011年底，天文學家們宣布，他們發現了一個質量僅相當於3個地球的特殊天體正在接近銀河系中心的超大質量黑洞。這個天體當時似乎正在遠離地球，徑直朝銀心黑洞人馬A*衝去。

在測量了該天體的溫度為550開之後，該天體被判定為一個氣體塵埃雲，稱為G2，而非一顆恆星。（由於中央的核聚變，恆星的表面溫度至少是這個數值的3倍。）科學家們計算髮現G2會在2013年夏天最靠近人馬A*。

人馬A*在一個大小約為太陽18倍的區域中擁有約430萬個太陽的質量。在這麼小的區域中塞入這麼多的物質會使得時空結構發生極端的扭曲，任何從這個黑洞附近經過的東西都會感受到它強大的引力。G2會從距離人馬A*130個天文單位的地方經過，但後者的引力甚至遠在這個距離之外就開始撕扯它了。如果它是一顆恆星的話，在整個過程中它自身就會具有足夠的引力來讓自己全身而退。

[圖片說明]：氣體雲飛掠銀心黑洞的計算機模擬。版權：ESO/MPE/Marc Schartmann。

從2013年4月起，天文學家們便開始監測銀心黑洞強大的引力對這團小氣體雲的影響。結果顯示，G2的前端已經繞過了黑洞的遠端，現在正在朝著地球運動。科學家們通過分析其所發出的光就能知曉這一點。當它遠離我們的望遠鏡時，它所發出的光看上去會更紅；而當它在朝向我們的望遠鏡運動時，它發出的光就會偏藍。計算機模擬表明人馬A*的引力會在一年的時間裡一直撕扯G2直到它被撕碎。

天文學家們很少有機會能目睹超大質量黑洞撕扯途經的物質，因此把大量的儀器設備對準了G2。因為其他的超大質量黑洞都極為遙遠——距離我們第二近的位於約250萬光年之外的仙女星系中——地面上的望遠鏡不具備能看清它們周圍物質細節所需的解析度。這些相互作用可以告訴天文學家們有關黑洞周圍環境的信息，那裡正是極端物理過程發生的地方。

6.「開普勒」失靈

2009年3月6日開普勒空間望遠鏡發射升空，旨在尋找太陽系外的類地行星。在近4年的時間裡，它一直凝視著約160,000顆恆星，來探測它們亮度微小的降低。這些亮度的微小降低可能是由於一顆行星從其前方經過遮擋其光線所造成的，即凌星事件。在「開普勒」的數據中，科學家們已經發現了約3,500顆行星候選體，到目前為止已經確認了156顆行星。

遺憾的是，「開普勒」所收集的數據並不足以能提供更多有關太陽系外行星的深層次信息。2012年7月，它四個反應輪中一個失靈。反應輪至關重要，正是它保持著「開普勒」的精確指向。使用3個反應輪仍能讓「開普勒」始終對準同一天區，但2013年5月又一個反應輪失靈。「開普勒」的科學家試圖修復一個失靈的反應輪，但無濟於事。2013年8月15日，科學家們宣布「開普勒」發現太陽系外行星的時日已經結束，他們正在考慮把它用於其他研究。

在「開普勒」失靈之前，天文學家們已經在它的數據中發現了多行星系統和地球大小的行星。他們還對所觀測的恆星有了更多的了解。恆星亮度的變化並不一定都源自行星對其的遮擋。恆星黑子、恆星耀斑以及恆星內部的脈動也會導致其輻射的變化。利用「開普勒」的數據，通過研究這些振蕩，科學家們測定了數千顆恆星的年齡和大小。

[圖片說明]：開普勒空間望遠鏡發現了約3,500顆行星候選體，已確認了156顆行星。版權：NASA。

科學家們至少需要三次亮度降低才能將其視為擁有行星的候選恆星。因此，如果有一顆地球大小的行星在其表面可以有液態水存在的距離上環繞一顆類太陽恆星轉動的話，將至少需要3個地球年的數據來看到3次凌星事件。「開普勒」的數據中仍有半數尚未被分析，許多行星可能還隱藏在其中。所以，儘管「開普勒」已經無法再收集太陽系外行星的數據了，但這並不意味著來自「開普勒」的發現就會戛然而止。

5.彗星照亮夜空

人人都喜歡明亮的彗星。它在天空中會造就出夢幻般的景象，讓整個世界為之敬畏，並為研究早期太陽系提供了一個實驗室。相比任何天體，彗星能更有效地激發起大眾對天文學的興趣，這也使得在2013年出現的兩顆明亮的彗星——全景巡天望遠鏡和快速反應系統彗星（C/2011 L4）和光科網彗星（C/2012 S1）——因此成為了全世界的人們競相觀看的目標。

雖然光科網彗星被譽為2013年的年度彗星，但佔據2013年春季頭條的卻是另一顆彗星。它就是由全景巡天望遠鏡和快速反應系統在2011年6月5～6日發現的C/2011 L4，又稱泛星彗星。2013年3月10日該彗星從距離太陽4,500萬千米處飛過，當時南半球的觀星者有著比北半球的更好的視角。泛星彗星的亮度最高達到了0.6等。雖然在夜空中是一個非常漂亮的天體，但它的亮度仍只有光科網彗星預期峰值的1/2,300。

2012年9月21日國際光學科學網路的40厘米望遠鏡觀測到了一個暗弱的光點。進一步的分析確認它是一顆彗星，計算顯示它會在2013年11月28日從距離太陽表面180萬千米處——僅相當於太陽直徑的1.3倍——飛過 。

大多數彗星都起源自奧爾特雲，它距離太陽20,000～100,000個天文單位，含有數萬億顆彗星。當它們中的一個進入內太陽系時，太陽的輻射會使之升溫，其所含的冰會直接升華成氣體。隨著其周圍氣體雲——彗發——的膨脹，彗星就會增亮。

光科網彗星會增亮到滿月程度的報道很快不脛而走。然而，在其沖日前一個月，預測表明它的亮度將會達到-7.8等。雖趕不上滿月，但仍將是黃昏天空中壯觀的景象。這顆彗星此前從來沒有接近過太陽，因此當時沒有人知道它將會如何表現。它有可能會被太陽的引力瓦解，也許會奉上更令人印象深刻的表演。

無論如何，光科網彗星已經滲透進了媒體、科學家的討論和普羅大眾的心中。

4.「好奇」號發現曾經宜居的火星環境

從工程上講，2012年8月6日「好奇」號火星車登陸火星表面是一件非常複雜的事情。降落到這顆紅色行星之上本身就是一個令人印象深刻的壯舉，但接下去的事情則讓人喜出望外。2013年2月8日它鑽探了第一塊岩石，採集了其中的物質樣本並對它們進行了化學和礦物學分析。對鑽探出粉末的礦物學分析發現了蒙脫石粘土，這佐證了火星早期擁有液態水的環境，而且這其中的水酸鹼性都不高也不太咸。化學分析則檢測出了生命所需的所有主要元素：硫，氮，氧，磷和碳。因此，憑藉其鑽取的第一個樣本，「好奇」號就證明火星曾經擁有一個宜居的環境。

[圖片說明]：「好奇「號火星車。版權：NASA。

此外，它還發現了其他表明曾有液態水在火星上流淌的證據。這其中就包括了與地球河床上的極為相似的鵝卵石和沙子。根據嵌在礫岩中礫石的形狀，可以計算出水的深度和流速。結果顯示其流速與步行的速度相當，差不多每秒1米，其深度則從沒過腳踝到及腰深不等。

目前「好奇」號正在駛向其所著陸的環形山中央峰的頂端。它的發現將會繼續激發行星科學家和公眾的熱情。

3.尖端設備觀測早期宇宙

約138億年前，宇宙始於一個高溫高密的狀態，之後便一直在膨脹和冷卻。在早期的宇宙中，電子、質子和光子會不斷地彼此碰撞。在約37萬年後，當宇宙冷卻到了3,000開左右，電子和質子開始結合，由此光子可在宇宙中暢通無阻地運動。在這一「最後散射時刻」的物質分布會在漫天的輻射中留下印跡。天文學家可以研究這一宇宙微波背景輻射來了解宇宙，因為它是在光與物質分離時所形成的。

幾十年來科學家們一直在分析宇宙微波背景這個寶庫，每一架新的望遠鏡都能告訴我們更多有關宇宙的細節。最近，普朗克衛星對宇宙微波背景進行了測量，揭示了宇宙的特性。「普朗克」發射於2009年5月，在2013年3月公布了其第一幅全天宇宙微波背景觀測結果圖。根據這一觀測結果，宇宙包含了4.9％的普通物質（如恆星，氣體和行星），26.8％的暗物質（一種不可見的質量）以及68.3％的暗能量（驅動宇宙加速膨脹的神秘的力量）。

天文學家們還使用了「普朗克」的數據研究了宇宙的大尺度結構。宇宙微波背景中的光子需要花數十億年的時間才能到達我們，它所經過的每一樣東西的引力都會使得它的路徑發生非常微小的彎曲。通過分析宇宙微波背景的這一「引力透鏡」可以給出從最後散射時刻到現在宇宙中所有物質（包括普通物質和和暗物質）的分布。

[圖片說明]：精密測量宇宙微波背景輻射的南極望遠鏡。版權：Jeff McMahon。

「普朗克」的科學家們希望在2014年中釋放其下一批的數據並給出宇宙微波背景中另一個更加難以測量的量——偏振。宇宙微波背景中的光波並不是沿著隨機的方向振動的。相反，它們會遵照兩種模式：E模或B模。當宇宙微波背景光子與宇宙中的電子發生碰撞時，它們會以一個特定的方向被散射，這被稱為E模。然而，B模偏折的信號則小得多，從而更難被觀測到。一種類型的B模偏振來自宇宙誕生之後不久超高速膨脹期（即暴脹）中的引力擾動。

已運轉近7年的南極望遠鏡正在尋找這些偏振信號。它於2013年7月22日宣布在宇宙微波背景中發現了因引力透鏡而導致的B模偏振。雖然這並非是天文學家們一直在尋找的暴脹所留下的印跡，但它仍然是該研究領域一個重要的里程碑，它表明科學家們正在越來越深入地了解宇宙微波背景。

2.超新星加速宇宙線

1912年，物理學家赫斯乘坐氣球飛到5,350米的高空，他發現在這一高度上的輻射比3,000米高的地方增加了4倍。這些宇宙輻射來自四面八方。在過去的幾十年中，科學家們已經知道，宇宙線中的90％是高能質子，電子和原子核則佔據了其他的10％。然而，要找到這些粒子的源頭並搞清楚它們令人難以??置信的能量來源則非常困難。

我們的銀河系具有磁場，而宇宙線粒子都帶有電荷——質子和原子核帶正電，電子則帶負電。當帶電粒子在磁場中運動時，其路徑會發生改變，因而很難追查其最初的源頭。

但天文學家們另闢蹊徑，發現了宇??宙射線從何而來。一個快速運動的質子（例如，宇宙線）與星際氣體中的一個質子發生碰撞會產生一個被稱為中性介子的基本粒子。該粒子隨後會衰變成2個γ射線光子，每一個都具有中心值在6,750萬電子伏特的特定能量。γ射線光子是電中性的，因而不會受到磁場的影響。如果你能觀測到特定能量的γ射線，那麼你就找到了宇宙線。

天文學家們已在超新星遺迹中尋找了這些特定的輻射。在超新星爆炸中，恆星外部層殼的物質會飛離其核心，它們會壓縮和加熱周圍的氣體，形成激波。長期以來，科學家們推測，這些激波正是質子間頻繁發生碰撞的區域，因此可能是超新星加速了宇宙線。但是一直沒找到有關的直接證據——特定能量的輻射。

[圖片說明]：費米γ射線空間望遠鏡的觀測確認了宇宙線起源自超新星遺迹。版權：NASA。

2013年2月，天文學家們宣布發現了這些特定能量的輻射，從而證明超新星就是宇宙線的源頭。費米γ射線空間望遠鏡觀測了超新星遺迹IC 443和W44，觀測到的能譜與中性介子衰變成γ射線的完美相符。

那麼，超新星遺迹是如何把粒子加速到如此高的速度的呢？這是因為激波波前糾纏著磁場。這些磁場會把帶電粒子束縛在激波的周圍，使得它們在激波處來回震蕩。每一次的振蕩都會使得它們獲得一點點能量，如此往複幾千年之後，它們最終獲得了足夠的能量進而逃逸，開始在銀河系中傳播，成為了宇宙線。

在赫斯發現宇宙線之後一個世紀，科學家們終於搞清楚了它們的來源。但是，這並不意味著他們已經徹底了解了這些無所不在的宇宙輻射。下一步是確定這一加速度過程的細節並研究宇宙線質子的能量最高究竟能達到多少。

1.俄羅斯上空百年一遇的火流星爆炸

2013年2月15日上午9時22分，俄羅斯車裡雅賓斯克的寧靜被驟然打破。就在此時有一顆直徑17～18米的流星闖進了地球大氣層。地球大氣層的摩擦使之減速並升溫，讓它變成了一個發光的火球。約35秒後，這顆流星在海拔高度為23千米處發生爆炸。它所產生的衝擊波震碎了窗戶、觸發了汽車報警器並且嚇壞了地面上的數十萬人。它所產生的碎片使得約1,000人受傷，所幸沒有致命。

這一流星體沿著太陽的方向、以較小的14°角進入地球大氣，因此幾乎不可能事先預警。其爆炸所釋放的能量相當於44萬噸TNT炸藥，其碎片則散落在幾十平方千米的範圍之內。對其碎片進行分析顯示，它屬於球粒隕石，是落到地球上最常見的隕石類型。

[圖片說明]：2013年2月15日有一顆火流星在俄羅斯車裡雅賓斯克上空發生爆炸。版權：Marat Ahmetvaleev。

儘管2013年2月15日發生的這一事件很轟動，但這並不是它被選為這份榜單頭名的原因。相反，這一流星爆炸事件提醒了我們所有人，地球在宇宙中並不是孤立的。地球一直在與小天體發生碰撞。有時是一幢房子那麼大的天體，就像2013年這一次，它會造成顯著的破壞。如果來犯的天體更大，破壞則會更加嚴重。

這也正是天文學家們想對直徑超過140米的近地天體登記造冊的原因。但是陽光會遮蔽位於其附近的小天體。車裡雅賓斯克流星事件表明，人類需要更好的方法來發現和編目近地天體並做好應對的預案。

美國宇航局計劃在2023年前往一顆小行星，對其進行採樣並將樣品送回地球。此後，它還公布了一個小行星俘獲任務。該任務的目的是在2020年前發射一個探測器，它將捕捉一顆直徑7～10米的小行星並將其運送到月球軌道。在那裡，宇航員可以對它進行取樣探測。這一項目不僅將激勵新的載人航天技術，還將為改變近地天體的軌跡提供重要的信息。

[Astronomy 2014年1月]

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