謝懿

地球表面到太空中，通過尖端的儀器設(shè)備，天文學(xué)家在2014年取得了幾十項(xiàng)大發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家在土衛(wèi)二的地下發(fā)現(xiàn)了一個(gè)蘇必利爾湖大小的水體，在太陽系中又發(fā)現(xiàn)了另一顆矮行星，并通過勘測(cè)100萬個(gè)星系精確測(cè)量了宇宙的膨脹。

10.在木衛(wèi)二和谷神星上觀測(cè)到水汽

在2014年，行星科學(xué)尤其搶眼。天文學(xué)家對(duì)土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二、木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二、兩個(gè)較小的太陽系天體和冥王星軌道之外的天體展開了進(jìn)一步的研究。對(duì)宇宙學(xué)來說，2014年也是令人興奮的一年，宇宙極早期的超高速膨脹階段——暴脹——得到了可能潛在的確認(rèn)。下面列出的是其中10項(xiàng)最重大的發(fā)現(xiàn)。

2014年，在木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二和小行星谷神星的稀薄大氣中，天文學(xué)家探測(cè)到了來自水的信號(hào)。

雖然有越來越多的證據(jù)顯示在木衛(wèi)二厚厚的冰殼之下有一個(gè)全球性的海洋，但新的觀測(cè)則表明某些過程可以使其把地下的液體噴射進(jìn)太空。使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的光譜儀，天文學(xué)家解析并分析了木衛(wèi)二附近的物質(zhì)所反射的紫外線，結(jié)果在其南半球大氣層中發(fā)現(xiàn)了氫和氧，它們被認(rèn)為是水分子與電子發(fā)生碰撞使得水分子解體所釋放出來的。

觀測(cè)到這些氫和氧的信號(hào)時(shí)，木衛(wèi)二位于其軌道上距離木星最遠(yuǎn)的地方，在它最靠近木星時(shí)則沒有探測(cè)到這些元素的信號(hào)。這一差異表明，木衛(wèi)二之所以能噴射出水蒸氣是由于木星引力對(duì)它的拉伸打開了其表面裂紋。把這些觀測(cè)結(jié)果與計(jì)算模型比較之后發(fā)現(xiàn)，200千米高的噴出物可以解釋哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果。

與此同時(shí)，在另一項(xiàng)研究中，天文學(xué)家探測(cè)到了谷神星——小行星帶中最大的天體——周圍水蒸氣的紅外輻射。

利用歐空局的赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡所獲得的這些數(shù)據(jù)，天文學(xué)家有望確定谷神星上可能的水源地。類似于彗星，谷神星上的水可能會(huì)以噴流的形式從其表面噴出。如果其他的研究能證實(shí)這一點(diǎn)的話，小行星和彗星之間的界線將會(huì)進(jìn)一步模糊。

目前，美國(guó)航空航天局的“曙光”探測(cè)器正在飛往谷神星的途中，計(jì)劃在2015年4月抵達(dá)。如果水確實(shí)是從它的表面噴射出來的，“曙光”就會(huì)探測(cè)到它們。

09.“羅塞塔探訪彗星”

2014年8月6日，在10年的征程之后，“羅塞塔”探測(cè)器成為歷史上第一個(gè)環(huán)繞一顆彗星的探測(cè)器。雖然它探測(cè)67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（簡(jiǎn)稱67P彗星）的任務(wù)才剛剛開始，但“羅塞塔”已經(jīng)讓科學(xué)家驚喜連連。在2014年7月，“羅塞塔”發(fā)現(xiàn)67P彗星呈啞鈴形，就像一只有著頭部和身體的鴨子。

到2014年10月初，“羅塞塔”已觀測(cè)到了該彗星彗核的大部分區(qū)域。根據(jù)這些觀測(cè)，得出67P彗星較大那部分的長(zhǎng)寬高分別為4.1千米、3.2千米和1.3千米，而較小部分則為2.5千米、2.5千米和2.0千米。天文學(xué)家還測(cè)量了這顆彗星的質(zhì)量，由此計(jì)算出它的密度為每立方厘米0.4克。相比之下，地球的密度高了近14倍。

除了搞清楚67P彗星的主要特征之外，“羅塞塔”還配備了儀器來采集和分析它的塵埃。到目前為止，它已經(jīng)采集了幾十個(gè)塵埃顆粒?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，一旦“羅塞塔”和67P更靠近太陽，會(huì)采集到更多的塵埃，因?yàn)樘柕臒崃繒?huì)使得彗星上的冰汽化。這個(gè)過程會(huì)把塵埃從彗星中噴射出來，在彗星周圍形成彗發(fā)以及彗尾?！傲_塞塔”探測(cè)器及其“菲萊”著陸器將會(huì)見證這一轉(zhuǎn)變。

到目前為止，“羅塞塔”上的相機(jī)已經(jīng)看到數(shù)個(gè)從67P彗星上射出的氣體羽狀物，還在67P彗星周圍不同的地方測(cè)量了水、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷和甲醇的含量。

“羅塞塔”會(huì)在彗星67P周圍逗留1年，監(jiān)視后者在2015年8月過近日點(diǎn)時(shí)發(fā)生的一切變化。

08.中等質(zhì)量黑洞真實(shí)存在

一場(chǎng)持續(xù)了幾十年的爭(zhēng)論可能已經(jīng)塵埃落定，它涉及宇宙中最離奇的一類天體：黑洞。這些極端致密的天體有著強(qiáng)大的引力，任何靠得太近的東西——包括光——都會(huì)被永遠(yuǎn)地束縛住。

盡管天文學(xué)家還未直接觀測(cè)到黑洞，但根據(jù)圍繞它們運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)可以知道它們的存在。使用基本的物理學(xué)定律——和支配行星繞太陽公轉(zhuǎn)一樣的法則，科學(xué)家已經(jīng)知道黑洞有兩種：恒星質(zhì)量黑洞（從幾個(gè)到約30個(gè)太陽質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（數(shù)百萬到數(shù)十億個(gè)太陽質(zhì)量）。但是直到2014年，介于這兩個(gè)極端之間的黑洞是否存在仍然撲朔迷離。為此，天文學(xué)家測(cè)量了近距星暴星系M82中的一個(gè)明亮X射線源M82X-1，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量為太陽的428倍，上下有105個(gè)太陽質(zhì)量誤差。這個(gè)323個(gè)～533個(gè)太陽質(zhì)量的范圍有力地證明了中等質(zhì)量黑洞的存在。

在這項(xiàng)研究中，天文學(xué)家使用的是美國(guó)航空航天局羅西X射線時(shí)變探測(cè)器的歸檔數(shù)據(jù)。他們?cè)谄渲袑ふ液诙粗車e盤內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的特定振蕩信號(hào)。盡管天文學(xué)家并不確切知道這些信號(hào)來自何處，但已經(jīng)可以在許多恒星質(zhì)量黑洞和一些中等質(zhì)量黑洞候選體中看到它們。

質(zhì)量較小的黑洞會(huì)具有兩對(duì)振蕩，一對(duì)的頻率在1赫茲或更小，另一對(duì)的頻率則較高。高頻振蕩對(duì)似乎總是遵循2∶3的比例?？茖W(xué)家在幾個(gè)中等質(zhì)量黑洞候選體中發(fā)現(xiàn)了低頻振蕩對(duì)，但它們的頻率在0.0001赫茲左右。為什么會(huì)有這樣的區(qū)別？

黑洞的質(zhì)量越大，其吸積盤的尺度就越大。相比質(zhì)量較小的黑洞，質(zhì)量較大的黑洞會(huì)具有頻率較低的振蕩。但此前沒有觀測(cè)到過中等質(zhì)量黑洞候選體中的高頻振蕩。

在分析了M82X-1的數(shù)據(jù)之后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了位于3.3赫茲和5赫茲上的高頻振蕩對(duì)，滿足2∶3的比例。這讓科學(xué)家相信，這些是與在恒星質(zhì)量黑洞周圍所見相同的信號(hào)。通過比較這些頻率，可以估計(jì)出它的質(zhì)量約為400個(gè)太陽質(zhì)量。

這項(xiàng)研究給出了中等質(zhì)量黑洞存在的最有力證據(jù)。它們似乎比恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞更為罕見，這同時(shí)又提出了另一個(gè)重大的問題。未來的X射線觀測(cè)設(shè)備——例如將在2016年抵達(dá)國(guó)際空間站的中子星內(nèi)部成分探測(cè)器——將幫助天文學(xué)家更多地了解這類天體。

07.來自宇宙的中微子

中微子不帶電荷，幾乎沒有質(zhì)量，與物質(zhì)間的相互作用極其微弱。這些特性使得它們難以被探測(cè)到，但只要探測(cè)到中微子，它們就可以告訴科學(xué)家很多有關(guān)其來源的信息。20世紀(jì)50年代，人類首次探測(cè)到了中微子，而60年后的今天，物理學(xué)家已能捕獲能量高得多的中微子。

想發(fā)現(xiàn)中微子，就必須有一個(gè)巨大的探測(cè)器。冰立方中微子探測(cè)器深埋在南極原始的冰蓋之下，有5160個(gè)獨(dú)立的模塊。在花了一年的時(shí)間分析了其頭兩年的觀測(cè)數(shù)據(jù)之后，冰立方的科學(xué)家宣布，發(fā)現(xiàn)了來自宇宙的高能中微子。此后，他們又利用不同的分析技術(shù)證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。

冰立方探測(cè)到的大多數(shù)中微子是高能宇宙線轟擊地球大氣分子所產(chǎn)生的。但是，觀測(cè)到的中微子中，大約有80個(gè)的能量顯著高于上述簇射過程所產(chǎn)生的中微子。因此，這些粒子必定來自宇宙中的爆發(fā)或其他高能事件。迄今探測(cè)到的高能中微子的能量比可見光的10萬億倍還多，有兩個(gè)至少比這個(gè)數(shù)字還要高出100倍。與來自超新星1987A和太陽的中微子相比，這些中微子的能量則高了100萬倍。

要測(cè)量中微子的能量，天文學(xué)家需要分析冰立方的各個(gè)模塊所捕捉的光。如果穿過該探測(cè)器的是一個(gè)μ介子中微子，科學(xué)家可以以0.4°的精度確定它來自天空中的哪個(gè)位置。如果是一個(gè)電子中微子，則回溯的精度在10°至15°之間。

不幸的是，冰立方還沒有探測(cè)到足夠的μ介子中微子來精確跟蹤粒子的來源。其可能的來源包括活動(dòng)星系和強(qiáng)勁的γ射線暴，甚至是構(gòu)成了大部分宇宙物質(zhì)的暗物質(zhì)粒子。當(dāng)然，這些中微子還可能來自我們尚不清楚的某個(gè)來源。

06.土衛(wèi)二擁有底下海洋

當(dāng)美國(guó)航空航天局的卡西尼探測(cè)器在2004年抵達(dá)土星時(shí)，科學(xué)家做夢(mèng)也不會(huì)想到它會(huì)有這么多發(fā)現(xiàn)。然而，最令人興奮的發(fā)現(xiàn)并不是土星，而是它的一個(gè)衛(wèi)星。在2005年年初，“卡西尼”便探測(cè)到了位于土衛(wèi)二南極地區(qū)的水蒸氣噴出物。迄今，它已經(jīng)觀測(cè)到了100個(gè)這樣的羽狀噴發(fā)。但是，這些水從何而來？

天文學(xué)家認(rèn)為，土衛(wèi)二的表面冰殼之下有一個(gè)巨大的水體，產(chǎn)生了這些噴發(fā)。根據(jù)“卡西尼”的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以計(jì)算出這個(gè)海洋的大小、深度和密度。

當(dāng)“卡西尼”從土衛(wèi)二表面上方100千米處飛過時(shí)，科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了跟蹤。它受到的引力越大，它下方的物質(zhì)就越多。由此可以計(jì)算出土衛(wèi)二的重力場(chǎng)，但在此之前必須扣除太陽系其他天體的引力、太陽光壓、“卡西尼”上能源的輻射壓以及“卡西尼”在穿過噴出物時(shí)受到的阻尼。之后把測(cè)得的質(zhì)量分布與其表面的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。此前的測(cè)量結(jié)果顯示，在土衛(wèi)二的南極附近有一個(gè)巨大的凹陷，深約1千米。但新的重力測(cè)量結(jié)果則顯示那里有大量的物質(zhì)。對(duì)這一差異最可能的解釋就是當(dāng)?shù)卮嬖谝粋€(gè)巨大的水體。水的密度比冰大約8%，因此在相同的體積下會(huì)施加更多的引力。

在40千米厚的冰層之下，該水體的含水量相當(dāng)于地球上的蘇必利爾湖。這一地下水體可以在土星引力的潮汐作用下保持溫暖。但是，液態(tài)水是如何產(chǎn)生的且為什么只存在于土衛(wèi)二的南極仍是未解的謎題。也就是說，科學(xué)家并不知道是什么讓土衛(wèi)二維持其地質(zhì)活動(dòng)的。（待續(xù)）