2017年天文學熱點盤點 2018年期望得到首幅黑洞圖像

2017年天文學熱點回眸，2018年期望得到首幅黑洞圖像

圖片來源：ALMA/ESO

2000多年前，人類對于星空宇宙的探索只能憑借肉眼和想象，因此對宇宙的理解和發現在幾十年甚至上百年或許都不會有大的突破。然而在距今400多年前，意大利科學家伽利略將那個簡陋的望遠鏡指向天空，他從來沒有想到這個小小的舉動引發了對宇宙探索的深刻變革。從最初的2.5cm口徑望遠鏡，到目前最大10m口徑的光學望遠鏡，觀測波段從最初狹窄的可見光擴展到從射電、紅外、紫外到X射線和γ射線全部電磁波段，觀測手段從光子擴展到粒子，尤其新近探測到的引力波，打開了一個探索宇宙的新窗口。

天文學是一門觀測的學科，天文觀測設備的先進程度決定著天文學的水平程度。令人欣喜的是，中國在過去的十幾年中，望遠鏡硬件技術和空間技術逐步提高，建成了世界最大口徑的500m射電望遠鏡，發射了中國第一顆X射線衛星，也有了精度很高的暗物質探測衛星，這些不同類型的望遠鏡或探測器都在逐步彌補中國與世界天文發現和研究的差距。

在這些天文利器的幫助下，宇宙探索向著更深更大的方向發展，天文探索也是日新月異。本文遴選2017年天文學領域的5項熱點研究和4個大型天文設備進行盤點，并對未來前景進行展望。

【研究進展】

LIGO 黑洞探測成常態并獲2017年諾貝爾物理學獎，開啟多信使天文學時代

2017 年天文學的絕對熱點必然還是屬于引力波探測。引力波繼續延續著之前的探測神話，不僅發現了更多的黑洞天體，使得LIGO團隊的創始人毫無懸念地獲得了2017年諾貝爾物理學獎。與此同時，中子星合并引力波和電磁對應體的直接聯合探測，更是開啟了引力波多信使天文學，再次掀起了引力波研究的更大熱潮。

2016年2月，美國國家科學基金會宣布第一例引力波事件被LIGO在2015年9月直接探測，這次發現不僅確認了黑洞的存在，看到一個前所未見的宇宙，更重要的是打開了一扇新的觀測窗口。自從其被宣布直接探測到的那一刻起，引力波獲得諾貝爾獎的呼聲隨之響起。盡管最早的幾位創始人在2016年幾乎拿遍了所有的大獎，但遺憾的是，2016年的諾貝爾獎并沒有被授予引力波。2017年，LIGO聯合VIRGO有條不紊地公布了幾次探測到新的黑洞合并事件。隨著LIGO/VIRGO探測黑洞合并事件的常態化，LIGO的幾位創建者也獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

盡管引力波為探測宇宙打開了一個新的窗口，只有引力波探測器和目前成熟的電磁波望遠鏡結合在一起才能發揮更大效用。不過遺憾的是，因為雙黑洞合并不會產生電磁輻射，所以擁有著眾多強大探測能力的電磁波望遠鏡在此發現中發揮不了作用，因此天文學家更是期盼著探測到另外一種引力波源——雙中子星合并。此類事件不僅會有引力波產生，并且伴隨很強的電磁波產生。原本這一事件預計在2020年可以看到，然而就在VIRGO加入LIGO聯同觀測的2017年8月17日，這兩組望遠鏡就探測到了來自于這個系統的信號。此后的幾十天中，吸引了全球眾多的望遠鏡進行觀測。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學家獲得一個消息，LIGO和VIRGO探測器探測到了一個持續100 s左右的新引力波信號，其形式與2個中子星的并合相一致。GW170817引力波信號到達之后大約1.7s，美國國家航空航天局都投入了可能的觀測設備，對那一區域進行觀測。這些觀測對這一災變性事件提供了從并合前約100s到并合后數周的全面描述。盡管此源發生在南天區，中國的HXMT“慧眼”衛星和南極巡天望遠鏡AST3還是有幸參加了這次科學發現的盛事，其中AST3對其光學對應體進行了10多天的追蹤觀測，得到了重要的光學數據觀測。

圖1 LIGO引力波信號結束的時間和伽瑪暴的開始時間相差大約2s 圖片來源：LIGO-VIRGO

引力波和電磁波的聯合觀測不僅促使100余篇文章發表：產生于2個中子星并合，確認了理論預言的千新星，同時也幫助確認了雙中子星合并是重金屬來源的一個主要方式，還獨立測量了宇宙膨脹速度。因此引力波和電磁波聯合必將對于宇宙學研究產生深遠影響。400年前伽利略將望遠鏡指向天空，從而改變了人們認識宇宙的方式。而引力波結合目前成熟的電磁波探測方式，也必將開啟一個新的觀測時代。

圖2 雙中子星旋近，最終合并產生千新星的過程 圖片來源：LIGO-VIRGO

發現7顆類地行星，3顆處于宜居區

2017年2月23日NASA公布了一項令人既吃驚又興奮的新發現。

圖3 TRAPPIST-1系統圖 圖片來源：NASA

如果能夠找到地外生命，這將是人類歷史上最為偉大的一項發現。自20世紀50年代的費米悖論開始，科學家就通過科學方式追尋著這個目標。隨著探測技術的進步，第一顆系外行星在20世紀90年代初被發現。而在過去的幾年中探測技術日臻成熟，在太空衛星的幫助下，發現系外行星的數目激增，天文學家已經發現了3724顆系外行星。作為尋找地外生命的第一步，首先是尋找可能支撐生命存在的行星，也就是宜居區內的行星。截至目前，僅發現了10多顆宜居區內的系外行星。而這10多顆中的有3顆是2017年在恒星TRAPPIST-1周圍發現的。

確認行星本身的存在和數量比較容易，而確定行星的構成則相對比較困難，需要對行星的質量和半徑進行測量后，才有可能做出估計。對于目前探測到的絕大多數系外行星而言，因為質量和半徑不易測量，因此很難最終確定行星的構成。

在此次新發現的七星系統中，7顆行星距離恒星TRAPPIST-1都非常近，行星運行的軌道平面又非常適于觀測，天文學家才有機會確定這些行星的性質。這7顆行星與它們母星的距離如果以太陽系做類比的話，這7顆地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽距離的1/100，水星到太陽距離的1/30;最遠的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽距離的1/6。正是因為距離甚近，7 顆行星的公轉周期很短——最短的1.5d，最長的也只有20d。天文學家在利用美國斯皮策紅外望遠鏡對這一系統進行了持續20d的觀測后，就很好地了解了所有這些行星的基本性質。當然，因為老七最遠，觀測時長和它的轉動周期差不多，因此天文學家在這20d里對它的了解是最少的。

無論如何，這一發現刷新了太陽系外圍繞一顆恒星運行的宜居行星數量。在此前發現的10多個宜居類地系統中，每個系統中都只有1顆宜居行星。而這一次，在一個系統中找到3顆宜居行星，是前所未有的。這是目前宜居行星最多的系統，即使在太陽系，包括可能的火星，也只有2個宜居行星。麻省理工學院教授Sarah Seager說，“從無到有通常困難重重，但從1到更多會相對更容易。”此次多個類地行星系統的發現，或許會為地外生命的探尋開辟一個新的方向，讓我們期待來年更多的發現。

找到首顆奇特超新星，最近至少爆發5次

超新星是恒星死亡時所產生的劇烈爆發，在宇宙中極為普遍。目前探測到的所有超新星都是只有一次爆發，然而在2017年11月《Nature》發表的一篇文章，觀測到了一個非常奇特的超新星，這顆超新星至少爆發了多達5次，這是前所未有的。

這顆超新星最早由美國的iPTF團隊所發現，根據發現時間被命名為iPTF14hls。然而這個超新星被探測到之時，已經處于亮度下降的階段，所以當時并沒有引起該團隊的重視，也沒有公開數據。之后這個超新星也分別被其他2個不同的團隊在巡天項目中獨立發現，其中一個是清華大學教授王曉鋒的超新星巡天團隊，他們利用中國科學院國家天文臺興隆觀測站80 cm的TNT望遠鏡在2014年11月14日發現了此超新星。然而在探測到之后不久，他們注意到此超新星亮度開始上升，這是前所未有的。

圖4 超新星iPTF14hls爆發想象圖 圖片來源：NASA

2015年1月，王曉峰團隊進一步利用中國科學院國家天文臺興隆觀測站的2.16 m光學望遠鏡對此超新星進行了一系列光譜觀測，得到了此超新星最早的幾條光譜，并且發表在《國際天文學通報》雜志上。此超新星的光譜表現出很強的P Cygni線，這是一個由運動氣體的吸收和發射共同導致的譜線。根據此特征，這個超新星被分類為IIP型，也就是富氫的大質量恒星核塌縮超新星。IIP型的超新星很普遍，并不是特別有趣。對于這個超新星最為異常的是，通常的超新星只爆發一次，在光變曲線上只有一個峰值，而對于這顆超新星結果發現了多個峰值，達5個，這是目前發現的唯一一例。

通過對此超新星拋射物質速度的監測，從而推斷出拋射物質的質量至少是大于45個太陽質量。對于此超新星的多次爆發并沒有一個很好的解釋，目前有科學家傾向于pusational pair-instability supernova，但是并沒有定論，對于它的理解肯定會改變我們對于超新星的認識。

更有意思的是，天文學家在之前的Palomar的巡天數據中看到，這顆超新星早在1953年時就有過一次爆發，在1993年的另外一次巡天項目中就消失了，因此這顆超新星很早之前就有過類似的爆發。目前不知此超新星之后還會不會爆發，或許還有更大型的爆發在等著我們。

“悟空”獲得精度最高的電子宇宙射線能譜

暗物質是21世紀科學研究的重要疑難問題之一。2015 年底發射升空的暗物質粒子探測衛星“悟空”。

圖5 “悟空”衛星得到的高精度宇宙射線電子能譜的比較 圖片來源：中國科學院高能物理研究所

暗物質探測的主要方式有上天、入地和對撞機。就上天探測而言，WIMP的反粒子就是其本身，當它和其他WIMP發生碰撞時，會湮滅產生特定能量的高能光子或者電子正負對。這就是上天探測的原理。中國發射的“悟空”衛星就是用于探測高能光子和電子的能譜，從而希望發現可能的暗物質信號。

“悟空”衛星采用了中國科學院紫金山天文臺自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現了對高能，能譜的準確性高。

“悟空”衛星的數據初步顯示在1.4TeV處存在能譜精細結構。不過對于這個能譜精細結構，因為目前的置信度較低，所以還有待以后的觀測數據進一步確認。“悟空”衛星目前運行狀態良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現，或許到時真的有機會揭開暗物質的神秘面紗。

奧陌陌：首個星際訪客

2017年10月19日，進行常規近地天體監測的泛星計劃偶然發現了第一顆系外天體，極高的偏心率預示著其獨特的來源。

泛星計劃是一臺位于夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文臺1.8 m口徑的望遠鏡，希望通過全天的快速掃描，比較同一天區的不同時間圖像，從而發現潛在的、新的近地天體。在發現可能的近地天體后，進一步計算運行軌道，并對可能對地球造成危害的天體提前做出反應預警。

根據現有的行星形成理論，恒星-行星系統在形成之初，會殘留有大量的小行星，這些小行星在巨行星向內移動的過程中會與之相互作用，很大一部分會被散射出恒星-行星系統，在經歷漫長的飛行后進入其他恒星-行星系統。理論學家已經預測太陽系中存在著很多來自于其他系統的小天體，尤其是彗星，并為之尋找了幾十年。但是因為絕大多數很小，或者距離地球比較遠，很難被發現。

此系外天體是由夏威夷大學天文系博士后Rob Weryk所發現，之后利用更大口徑的望遠鏡追蹤觀測表明，此天體的軌道非常極端：雙曲線軌道偏心率達到了1.19，這是目前已知最高的。如此高的偏心率表明這是一個來自于太陽系之外的天體，是目前為止發現的第一個。

首次發現源自太陽系外的天體，不管是科學家還是大眾，都非常興奮。根據發現時間和類別，被國際天文學聯合會。

圖6 “奧陌陌”外觀想象圖 圖片來源：ESO/M Kornmesser/PA

大型望遠鏡的觀測表明，此天體并沒有暈，所以排除了是彗星的可能性。其他的更多觀測對此天體的形狀也做出了限制，發現它呈現一個雪茄狀，大約長400 m，寬40 m，顏色偏紅，具有固態表面，不能確定是巖石還是金屬構成。它的形狀也讓人非常困惑，到目前為止，還沒有在太陽系內發現過此類形狀的小行星。按照現有的觀測和計算結果，此天體在2017年9月9日達到了近日點，以約40 km/s的速度離開太陽系，并于11月1日經過了火星軌道上空。因為此天體很小很暗，對它的觀測將持續到2017年12月中旬，在此之后，由于太暗的緣故，即使使用地球上最大口徑的望遠鏡，也很難再觀測到了。