04? 尋找寧?kù)o態(tài)中子星
《自然·天文學(xué)》雜志于2022年9月22日發(fā)表了中國(guó)天文學(xué)家的一項(xiàng)研究成果：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的研究人員利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）探測(cè)到一顆寧?kù)o態(tài)中子星，其沒有吸積、沒有脈沖束。這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了對(duì)寧?kù)o態(tài)致密天體（中子星或黑洞）的探測(cè)，擴(kuò)大了致密天體的樣本，促進(jìn)恒星形成和演化以及中子星和黑洞的物理性質(zhì)和形成理論的進(jìn)一步發(fā)展。
中子星是大質(zhì)量恒星演化到生命盡頭、發(fā)生超新星爆炸后形成的致密天體。天文學(xué)家通常通過脈沖星的脈沖信號(hào)來確定中子星，或者通過來自雙星系統(tǒng)中致密天體吸積伴星的氣體物質(zhì)形成的吸積盤發(fā)出的X射線來找到中子星。而近幾年隨著引力波探測(cè)的發(fā)展，雙中子星并合發(fā)出的引力波也被用以尋找中子星。
但并不是所有的致密天體都具有上述強(qiáng)烈、明顯的信號(hào)。如果致密天體沒有脈沖束，也并不處于強(qiáng)烈吸積伴星或并合的階段，它在觀測(cè)者看來就是“寧?kù)o”的，是非常不容易被探測(cè)到的。探測(cè)不到就意味著天文學(xué)家不知道有多少寧?kù)o態(tài)致密天體存在、它們的性質(zhì)如何，對(duì)整個(gè)致密天體族群的認(rèn)知可能就缺失了很大一部分。因此，找到探測(cè)這些寧?kù)o態(tài)天體的方法，是天文學(xué)家研究致密天體及其物理性質(zhì)的關(guān)鍵。
目前，國(guó)家天文臺(tái)的天文學(xué)家在利用LAMOST開展黑洞獵手計(jì)劃，希望基于LAMOST的時(shí)域巡天數(shù)據(jù)尋找中子星或黑洞等致密天體。在挖掘數(shù)據(jù)的過程中，研究人員通過視向速度監(jiān)測(cè)方法發(fā)現(xiàn)了一個(gè)光譜不同于單星的雙星系統(tǒng)LAMOST J112306.9+400736。該雙星系統(tǒng)由一顆0.6倍太陽質(zhì)量的紅矮星和一顆未被望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的不可見天體組成，距離地球大約1037光年。之后，研究團(tuán)隊(duì)利用來自美國(guó)帕洛瑪天文臺(tái)的光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)和美國(guó)凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）的高精度測(cè)光數(shù)據(jù)，對(duì)不可見天體進(jìn)行了分析。在排除了主序星和白矮星之后，認(rèn)為它是一顆約為1.2倍太陽質(zhì)量的中子星。研究團(tuán)隊(duì)還利用中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）對(duì)這顆中子星進(jìn)行了射電觀測(cè)，沒有觀測(cè)到脈沖信號(hào)或持續(xù)的射電信號(hào)，說明該中子星的脈沖信號(hào)不存在或者非常微弱，也可能其脈沖束并未指向地球。此外，現(xiàn)有的X射線巡天和伽馬射線巡天也沒有探測(cè)到LAMOST J112306.9+400736，表明系統(tǒng)中的中子星并沒有處于吸積其伴星物質(zhì)的階段。多種觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示此中子星當(dāng)前處于寧?kù)o態(tài)。
該研究團(tuán)隊(duì)在2019年就利用視向速度監(jiān)測(cè)方法證認(rèn)過一顆寧?kù)o態(tài)恒星級(jí)黑洞。該方法打破了觀測(cè)脈沖信號(hào)、X射線等的局限，為發(fā)現(xiàn)寧?kù)o態(tài)致密天體開創(chuàng)了新的途徑。
05? 追尋宇宙第一代恒星
天文學(xué)家可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了第一代恒星的化學(xué)痕跡。利用位于美國(guó)夏威夷的雙子北座望遠(yuǎn)鏡，由日本東京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種不同尋常的元素比例，推斷出這只能來自于300倍太陽質(zhì)量的第一代恒星的爆炸死亡，為第一代恒星的存在提供了最直接的證據(jù)?！短祗w物理學(xué)雜志》在2022年9月28日發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
宇宙現(xiàn)在約有138億年的歷史，天文學(xué)家推斷第一代恒星很可能在宇宙只有1億年的時(shí)候形成。第一代恒星被稱為星族III恒星，是質(zhì)量巨大、溫度極高的恒星，并且它們的金屬豐度非常低（天文學(xué)中稱比氦更重的化學(xué)元素為金屬）。然而，天文學(xué)家認(rèn)為星族III恒星已經(jīng)開始產(chǎn)生金屬，這些金屬被納入下一代恒星的形成，也是形成行星、生命所必需的元素。了解第一代恒星對(duì)了解宇宙的演化至關(guān)重要，而這要求天文學(xué)家對(duì)早期宇宙進(jìn)行觀測(cè)和研究，但在此以前，天文學(xué)家歷經(jīng)數(shù)十年也沒有找到星族III恒星的直接證據(jù)。
超新星爆發(fā)是星族III恒星最后的結(jié)局，恒星中的所有物質(zhì)都會(huì)被拋射到周圍環(huán)境中。如果要找到第一代恒星的證據(jù)，目前比較可能的方法是分析早期宇宙中星際物質(zhì)的化學(xué)成分和豐度。由于化學(xué)元素會(huì)吸收和發(fā)射特定波長(zhǎng)的光，當(dāng)光穿過星際物質(zhì)時(shí)，組成物質(zhì)的元素會(huì)在光上留下獨(dú)特的“指紋”。當(dāng)這些光被觀測(cè)到后，天文學(xué)家可以從中識(shí)別出化學(xué)元素并計(jì)算出豐度。
為了研究早期宇宙中的星際物質(zhì)，該項(xiàng)研究聚焦了已知最遙遠(yuǎn)類星體的其中一個(gè)，它形成于131億年以前，當(dāng)時(shí)宇宙只有7億年的歷史。研究人員使用口徑8.1米的雙子北座望遠(yuǎn)鏡的近紅外光譜儀觀測(cè)了此類星體周圍的星際物質(zhì)，確定了其中的化學(xué)元素。同時(shí)，他們通過從觀測(cè)光譜強(qiáng)度中去除類星體本身光譜強(qiáng)度的方法，計(jì)算出了元素豐度，發(fā)現(xiàn)鐵與鎂的比例異常高，是太陽中鐵鎂比的10倍以上。
與理論模型對(duì)比后，研究人員認(rèn)為對(duì)這種異常的元素豐度最有可能的解釋是300倍太陽質(zhì)量的第一代恒星死亡時(shí)的不穩(wěn)定對(duì)超新星（pair-instability supernova）爆發(fā)的結(jié)果。這種超新星由于恒星中心的高能伽馬光子和原子核碰撞產(chǎn)生電子和正電子，導(dǎo)致恒星輻射壓下降，從而不能抵抗向內(nèi)的重力，引發(fā)坍縮，超新星爆發(fā)。與留下中子星或黑洞的普通超新星爆發(fā)不同，不穩(wěn)定對(duì)超新星事件威力更大，不會(huì)留下殘余物，恒星的全部物質(zhì)都會(huì)被拋射到周圍環(huán)境中。
該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這是迄今為止最清楚的關(guān)于星族III恒星和不穩(wěn)定對(duì)超新星的觀測(cè)證據(jù)。研究人員希望觀測(cè)更多的早期類星體的周圍環(huán)境，研究它們是否也具有這些特征，加深我們對(duì)宇宙演化的理解。
06? 矮星系擁有保護(hù)罩
數(shù)十億年來，銀河系最大的衛(wèi)星星系——大、小麥哲倫云，正經(jīng)歷著危險(xiǎn)的旅程：大、小麥哲倫云（矮星系）在相互繞轉(zhuǎn)的同時(shí)也被拉向我們的銀河系，在這個(gè)過程中它們已經(jīng)開始解體，氣體開始被拉出。然而，令天文學(xué)家感到困惑的是，這些矮星系比預(yù)期的要更為完整，并且仍然充滿活力，新生恒星仍在麥哲倫云中繼續(xù)形成，很多天文學(xué)家都在努力解釋其中的原因。
利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和遠(yuǎn)紫外分光探測(cè)器（FUSE）的數(shù)據(jù)，由美國(guó)科羅拉多學(xué)院的天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)找到了答案：麥哲倫云被一個(gè)冕所包圍，它是由熱氣體組成，相當(dāng)于一個(gè)保護(hù)罩。冕將兩個(gè)矮星系包裹起來，防止它們的氣體被銀河系快速吸走，從而使它們能夠繼續(xù)形成新的恒星。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2022年9月28日的《自然》雜志上。
天文學(xué)家在幾年前就預(yù)測(cè)了冕的存在，原始?xì)怏w云在數(shù)十億年前坍縮形成星系，氣體云的殘留物就形成了矮星系的冕。在計(jì)算機(jī)模擬過程中，如果在麥哲倫云落入銀河系時(shí)加入一個(gè)冕，就可以首次解釋觀測(cè)到的麥哲倫云氣體的質(zhì)量。雖然模擬對(duì)麥哲倫云的冕應(yīng)該是什么樣子做了許多預(yù)測(cè)，也預(yù)測(cè)了它們?cè)跀?shù)十億年間的演化，但這些都很難在實(shí)際的觀測(cè)中證實(shí)，因?yàn)楸M管冕從麥哲倫云延伸超過10萬光年，并覆蓋了南天的很大一部分，但它實(shí)際上太暗了，是看不見的。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，雖然麥哲倫云的冕太暗而無法直接觀測(cè)到，但它應(yīng)該可以像霧一樣遮住并吸收背景類星體的輻射，對(duì)背景類星體的光譜觀測(cè)可以間接證實(shí)冕的存在。但是得到有用的觀測(cè)數(shù)據(jù)也是困難的。冕非常彌散，還會(huì)與其他氣體混合，包括源自銀河系的氣體。因此，探測(cè)冕需要極其詳細(xì)的紫外光譜。而哈勃和FUSE的分辨率可以達(dá)到要求。研究團(tuán)隊(duì)梳理了哈勃和FUSE的近30年的存檔，找出了位于麥哲倫云后方的數(shù)十億光年之外的類星體的觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過分析28個(gè)類星體的紫外光譜，研究人員探測(cè)到了麥哲倫云周圍物質(zhì)的存在。正如預(yù)測(cè)的那樣，類星體光譜展現(xiàn)出了碳、氧和硅的獨(dú)特特征。類星體本身的光譜并沒有這些特征，它們來自于麥哲倫云周圍的熱等離子體，確認(rèn)了冕的存在。
矮星系將自己包裹在冕中，而這些冕可以作為防御其他星系的屏障。任何試圖進(jìn)入矮星系的物質(zhì)都必須首先通過冕，此時(shí)冕能吸收掉落物質(zhì)的部分影響。此外，當(dāng)大型星系吸引拉扯矮星系時(shí)，冕是首先被拉出的物質(zhì)，也就是說，在放棄一些冕的同時(shí)，矮星系內(nèi)部的氣體可以受到保護(hù)，并且能夠維持形成新的恒星。由于距離我們?nèi)绱酥?，麥哲倫云的冕為研究矮星系如何相互作用和演化提供了理想的機(jī)會(huì)。
07? 探測(cè)到最強(qiáng)伽馬射線暴
2022年10月9日，包括中國(guó)在內(nèi)的世界多地的地面和空間望遠(yuǎn)鏡都探測(cè)到了有史以來最亮的伽馬射線暴（GRB）事件——GRB 221009A。此事件輻射出的光子能量最高達(dá)到了18萬億電子伏，是之前觀測(cè)到的最強(qiáng)伽馬射線暴的18倍。此外，GRB 221009A距離地球僅24億光年，比GRB到地球的平均距離近約20倍。輻射如此之強(qiáng)、距離如此之近的GRB百年一遇。GRB 221009A的觀測(cè)結(jié)果于2022年10月9日首次發(fā)表于天文學(xué)家電報(bào)（The Astronomer's Telegram）。
GRB是二十世紀(jì)60年代美國(guó)軍用衛(wèi)星意外發(fā)現(xiàn)的，屬于河外天體。GRB是已知存在于宇宙中的具有最高能量的電磁爆發(fā)，其通常釋放的能量與太陽在整個(gè)100億年生命周期內(nèi)產(chǎn)生的總能量相當(dāng)。目前觀測(cè)到的GRB被分為兩類。一種為短GRB，爆發(fā)持續(xù)時(shí)間不超過兩秒，約占所有GRB事件的30%，被認(rèn)為是由致密天體（中子星或黑洞）的并合引起的。另一種為長(zhǎng)GRB，爆發(fā)可以持續(xù)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘，可能是由極超新星爆發(fā)產(chǎn)生的。極超新星爆發(fā)是特大質(zhì)量恒星在耗盡其核心的氫燃料后死亡的結(jié)果，亮度是超新星爆發(fā)的100倍。GRB 221009A爆發(fā)持續(xù)了數(shù)百秒，似乎是一個(gè)長(zhǎng)GRB，初步分析認(rèn)為它可能是由一顆30倍太陽質(zhì)量以上的大質(zhì)量恒星死亡所引起的。這顆恒星可能以極超新星爆發(fā)，中心坍縮成黑洞，周圍物質(zhì)落入黑洞形成吸積盤，并以99.99%的光速噴射出能量流。目前對(duì)于GRB 221009A還沒有定論，它的余輝目前被世界各地的科學(xué)家持續(xù)關(guān)注，后續(xù)的多波段觀測(cè)會(huì)幫助深入研究它的物理機(jī)制。
中國(guó)天文學(xué)家和中國(guó)的地面、空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)這次GRB事件反應(yīng)非常迅速。中國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）、“高能爆發(fā)探索者”衛(wèi)星（HEBS）和“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）三大科學(xué)裝置，同時(shí)探測(cè)到了GRB 221009A，并獨(dú)家實(shí)現(xiàn)了從最高的十幾萬億電子伏光子（LHAASO）到百萬電子伏伽馬射線（HEBS）和千電子伏X-射線（Insight-HXMT）的多譜段精細(xì)測(cè)量，跨越9個(gè)量級(jí)。中國(guó)天文學(xué)家在爆發(fā)后不到兩天內(nèi)就通過GRB協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)（GCN）向國(guó)際同行發(fā)布了初步觀測(cè)結(jié)果。
GRB 221009A是有史以來離地球最近的GRB，它對(duì)地球電離層中的無線電通信產(chǎn)生了一些影響，但總體來說其距離對(duì)地球來說還是很安全的。如果GRB的距離更近，就會(huì)對(duì)我們的星球造成災(zāi)難性的影響。在距地球數(shù)千光年的范圍內(nèi)，如此高能的爆發(fā)將剝離地球的臭氧層，失去保護(hù)后，地球上的生物可能會(huì)大規(guī)模滅絕。事實(shí)上，據(jù)美國(guó)宇航局稱，科學(xué)家認(rèn)為地球歷史上最大的大規(guī)模的滅絕事件之一—發(fā)生在4.5億年前的奧陶紀(jì)大滅絕，就可能是由這樣的爆發(fā)導(dǎo)致的。
