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航天产品及知识

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2019年天文领域大事件回顾(下)
发布时间:2020-01-08

7、NASA的帕克号获得日冕与太阳风的一批重要结果

2019年12月5日,《自然》杂志发表了4篇与帕克号太阳探测器探测数据有关的论文,这些论文根据帕克探测到的数据,研究了快太阳风、慢太阳风、日冕粒子环境与光谱线。

图:帕克号探测器的艺术想象图。

耗资15亿美元的“帕克”2018年8月12日发射成功。这个探测器的主要任务是探索日冕与太阳风的奥秘。日冕因为形状像帽子而得名,温度可以达到几百万度。太阳在不断吹出高速带电粒子,这些粒子被称为“太阳风”。

61年前,31岁的尤金·帕克提出太阳风的想法,那时基本上没别人相信他的理论。第二年,太阳风被苏联和美国的航天器观测到。为纪念帕克的巨大贡献,这个探测器被命名为帕克。这是NASA首次以活着的人来命名的航天器,这得多亏帕克教授高寿,去年探测器发射时他已经91岁了。

图:在卡纳维拉尔角发射位的尤金·帕克。

按照计划,帕克探测器将用6年时间一边环绕太阳,一边靠近太阳。到今年为止,帕克号已经环绕了太阳3圈,最近时距离太阳2400万公里,这个距离已经短到只有水星与太阳距离的一半了。接下来,帕克号将被进一步变轨,让自己更靠近太阳。第4次接近太阳时,距离将缩短为1950万公里。

绕完24圈后,帕克最终到达稳定轨道,帕克与太阳最近时只有大约600万公里。为了应对高温,帕克探测器团队制造出了超级耐高温的材料:当你用喷枪烤其中一面时,另一人将手放在另外一面却不会被烫到。

8、中国国家天文台领衔的团队发现最大质量恒星级黑洞

宇宙中的黑洞多种多样。根据质量大小,可以分为超大质量黑洞、中等质量黑洞与恒星级黑洞。当一颗恒星质量过大时,就会在晚期直接收缩为一个黑洞或者先成为中子星再成为黑洞,这就是恒星级黑洞形成的途径。

最近,中国科学院国家天文台的刘继峰研究员与合作者利用6米级巡天望远镜郭守敬望远镜(英文名为LAMOST)大批量测量恒星光谱,再利用美国夏威夷Keck望远镜、西班牙GTC 获取高分辨率光谱,确认一颗恒星伴随着一个巨大的恒星级黑洞,质量达到了大约70个太阳质量。由于这个黑洞位于双星系统内,因此在成为黑洞前是一个恒星,所以这个黑洞也就是一个恒星级黑洞。

图:郭守敬望远镜(LAMOST)外景(LAMOST官网)

这个恒星级黑洞达到了70个太阳质量,这不仅破了此前同类黑洞的质量极限,也挑战当前的恒星演化理论。根据当前理论,如果一颗恒星的金属相对含量与太阳差不多,它最后即使成为黑洞,质量也不会超过25个太阳质量。但这个黑洞质量的伴星的金属相对含量却又与太阳几乎一样,这意味着它在死亡之前,金属相对含量也与太阳差不多。这就挑战了恒星演化理论。

图:70个太阳质量那么重的黑洞及其伴星的艺术想象图(上);被探测到的黑洞在银河系中的位置示意图(中)(Belczynski等人,2019,arXiv:1911.12357)。

这个成果还将大大提高人们搜寻银河系内恒星级黑洞的效率。至今为止,银河系内被被确认的恒星级黑洞大约为100颗,而LAMOST团队只需要几年时间就可以再发现100个以上恒星级黑洞。

9、中日合作项目探测到超高能光子,能量达到水滴的动能那么大

在著名的梅西耶星表中,第一个就是M1,它就是蟹状星云。蟹状星云是超新星遗迹,而且中心有一颗中子星。中子星不断不断发射能量,将大量能量倾卸到蟹状星云中,照亮了蟹状星云。在过去一些年,国际上多个小组探测到蟹状星云方向传播过来的高能量光子,最高能量记录是75TeV (1TeV = 1万亿电子伏)。

图:哈勃太空望远镜拍摄的蟹状星云,此图由不同时期拍摄的不同区域的图拼接而成(NASA)

2019年,中日合作的西藏羊八井ASgamma实验小组宣布,探测到24个能量超过100万亿电子伏(100TeV)的超高能光子,其中能量最高的达到了450万亿电子伏(450TeV)。这24个光子都破了此前探测到的光子的最高能量记录(75TeV),最高能的那个达到此前记录6倍。相关成果于2019年8月发表于物理领域顶尖期刊《物理评论快报》。

这些来自蟹状星云的光子的能量达到了可见光的光子的百万亿倍。1滴水大约0.04克,这些光子中能量最高的光子的能量相当于一滴水从手上18厘米高处滴到手上的动能。一个微观的粒子具有了宏观尺度的能量。这么高的能量是怎么来的?

理论研究认为,蟹状星云内部的强烈冲击波,将电子加速到极端高速,这些高速高能的电子撞击周围的微波背景辐射光子,将后者加速为极端高能光子。这就是这些极端高能光子的最可能起源。

10、丹麦团队在中子星并合后的“灰烬”中确认锶元素

理论研究认为,中子星与中子星并合或者黑洞与中子星并合后,甩出的一些高速运动的中子星碎片会迅速解压,并形成大量重元素,其中就包括这些年经常在媒体上被提及到的稀土元素、核电站需要的铀、以及金银等贵重金属。

图:中子星碰撞的艺术想象图(NASA/Dana Berry)

理论还认为,中子星碎片里产生的众多重元素中具有放射性的元素会通过裂变、衰变等过程释放出巨大能量,将碎片自身加热,使其发出强烈光芒,类似于超新星爆发。这样的现象被称为“千新星”。千新星就像这类并合事件之后的灰烬。

图:中子星碰撞后的碎片产生的千新星的艺术想象图(NASA's Goddard Space Flight Center and CI Lab)

人类第一次明确探测到千新星,是在2017年。那一年的8月17日,引力波探测器LIGO探测到一对中子星并合后发出的引力波。仅过了大约11小时,地面上的几台望远镜就探测到中子星并合后的碎片形成的千新星,首次证实了千新星的理论。这颗千新星被命名为SSS17a或AT2017gfo。伽玛射线卫星、X射线卫星、射电望远镜分别探测到这对中子星并合发出的伽玛射线、X射线、与射电辐射。

2019年10月24日,丹麦哥本哈根大学的Darach Watson领衔的一个小组在《自然》发表论文,论文宣布:他们利用光谱分析方法分析了千新星AT2017gfo的光谱,从中确认出锶元素。他们所用的光谱是欧洲南方天文台(ESO)的8.2米口径的甚大望远镜(VLT)上的光谱仪(X-shooter)获得的。

这是首次在千新星内部发现具体的元素,因此这个成果对于我们理解宇宙中重元素的形成机制有重要推动作用。此前人们已经确认了氢元素、中等质量元素的起源;但大部分重元素的起源这个问题,一直悬而未决。

首次在千新星中探测到一种具体的元素,意味着人们终于可以确定:千新星的确会合成重元素。虽然人们预言千新星中还富含黄金白银等元素,但事实上到现在还未确认出来,反倒是看似默默无闻的锶被首先确认出来了。

锶与我们的生活并不遥远,人体任何器官都含有锶,特别是骨骼与牙齿,我们经常喝的矿泉水中就有锶元素,如果人体内缺乏足够的锶,就会引发骨质有关的疾病。金银是身外之物,哪有锶重要?

11、中国科学家发现双中子星并合后形成大质量中子星的可能证据

2019年4月11日,中国科学技术大学天文系薛永泉教授领衔的一项研究发表于《自然》,这项研究首次发现双中子星并合形成磁星的证据。薛永泉教授为论文第一作者兼通讯作者,其研究生郑学琛与美国内华达大学张冰教授为共同通讯作者,紫金山天文台吴雪峰研究员与当时在北京大学的李晔为论文主要作者。

这项研究用到了NASA耗资30多亿美元的钱德拉X射线天文台。薛永泉教授长期使用钱德拉望远镜进行X射线天文学的研究,被钱德拉官网认定为钱德拉深场项目的重要参与者。

这次,薛永泉教授团队在其申请到的700万秒钱德拉南天深场(7Ms CDF-S)拍下的图像中发现了一个持续了大约7小时的特殊X射线爆发,它被命名为CDF-SXT2,简称XT2。根据计算,这个源距离地球大约66亿光年。

根据这个X射线源的演化特征、其在星系中的位置以及对此类时间爆发率的计算,研究小组认为这些辐射很可能原子大质量磁星的辐射,而这个大质量磁星来自两个中子星并合。

图:薛永泉教授团队探测到的X射线的亮度演化数据与理论上的解释(左);探测到的X射线在其星系中的位置。

磁星也是中子星,但其磁场远超过普通的中子星。这个结果表明:有一部分中子星在并合之后依然会是中子星,只是质量会比并合之前大。

此前,南京大学天文学院戴子高教授于2006年在理论上预测了这种可能性。XT2的发现证实了这个可能性。这个结果可以限制中子星的一些重要性质。

图:磁星SGR 1900+14 (图中心)以及周围7光年跨度的环状结构。前者由X射线望远镜成像,后者是红外望远镜成像。X射线与红外线都没有颜色,图中只是用颜色表示,属于“伪色”成像。(NASA/JPL-Caltech)

12、美国引力波探测器LIGO首次发现可能的中子星与黑洞并合事件

由加州理工学院与麻省理工学院主导、多个国家与地区科学家参与的“激光引力波天文台”(LIGO)在过去几年大放异彩。2015年9月14日,LIGO探测到两个黑洞并合所发出的引力波,这是人类首次直接探测到引力波。LIGO小组的三位还在世的领袖人物因此获得了2016年的诺贝尔物理学奖。2017年8月17日,LIGO探测到两颗中子星并合所发出的引力波。一个很自然的期望就是:探测到中子星与黑洞并合的引力波。

2019年8月14日,LIGO探测到疑似的中子星与黑洞并合的引力波。尽管很多媒体宣布LIGO已经探测到中子星与黑洞并合的引力波,但事实上并没有这么确定。根据这次探测,LIGO组推断出这是一个质量超过5个太阳与一个质量低于3个太阳的天体的并合。根据分析,这次引力波事件有99%以上的概率是中子星与黑洞并合事件。

图:黑洞与中子星构成的双星的艺术想象图(Carl Knox/OzGrav ARC Centre of Excellence)

为什么不能百分之百确定那是一颗中子星与黑洞并合的事件呢?这是因为:质量超过5个太阳的致密天体显然是一个黑洞,但质量低于3个太阳的天体却未必是中子星。中子星的极限质量至今还未被确定,可能在3个太阳质量左右。一个天体在3个太阳质量以下,也有可能是黑洞,所以这次并合事件依然有可能是双黑洞并合。因此,这次疑似的中子星与黑洞并合事件没有掀起大风浪。不过,既然有这么大的概率,还是值得一提的。

结 语

2019年过去了,我很怀念它。


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