2014年十大太空故事（下）

05發現遙遠的太陽系天體

科學家在太陽系內尋找類似冥王星這樣的天體時，通過比較每間隔2小時拍攝的3幅圖像，發現了一個似乎會移動的光點。之后，他們使用6.5米的麥哲倫望遠鏡來確認它是否是一個真正的天體。根據這些后續觀測，科學家認定它確實是一個太陽系天體，將其命名為2 0 1 2 VP1 1 3，其直徑為3 0 0千米至8 0 0千米。

這個天體到太陽的最近距離（被稱為近日點）為約8 0個天文單位，最遠（被稱為遠日點）則達到約4 5 0個天文單位。1天文單位相當于地球到太陽的平均距離。它的軌道有一點類似于2 0 0 3年發現的塞德娜，后者的近日點約為7 6個天文單位，遠日點則可達1 0 0 0個天文單位。這兩個天體都遠在柯伊伯帶之外?？乱敛畮У教柕木嚯x為

3 0個至5 0個天文單位，由數千個冰巖混合天體組成，冥王星是其中最知名的成員。

2 0 1 2 V P 1 1 3與塞德娜一起佐證了內奧爾特云的存在。奧爾特云是一個巨大的球形區域，從2 0 0 0個天文單位一直延伸到 80 0 0 0個天文單位，太陽的引力只能勉強束縛其中的小天體?，F在，許多彗星都來自這一區域。

科學家還發現，2 0 1 2 VP1 1 3、塞德娜和1 0個最遙遠的柯伊伯帶天體的軌道有相似之處。這12個天體具有相似的日點角距，這個量度量的是它們的近日點與太陽系平面之間的夾角。天文學家原本認為它們是隨機取值的。一種解釋是，還存在一個大質量的天體在影響它們。不過，這需要未來的大型望遠鏡來確認。

木星、土星、天王星和海王星的軌道以紫色圓圈表示。綠點構成的區域則為柯伊伯帶。塞德娜的軌道為橙色，2 0 1 2VP1 1 3的軌道為紅色。

04原初引力波還是塵埃？

自2 0 1 4 年3 月1 7 日美國哈佛-史密森天體物理中心召開新聞發布會公布一項大發現起，興奮開始漫延。通過使用位于南極的宇宙河外偏振背景成像2（BICEP2）望遠鏡觀測微波波段的天空，科學家聲稱探測到了宇宙在其最初時刻產生的時空漣漪的信號。

也幾乎在同時，天文學界分成了兩大陣營，一些科學家認為BICEP2的發現是2 1世紀的一大突破，但也有人懷疑BICEP2團隊并沒有正確地把銀河系塵埃納入他們的分析，這會影響他們的觀測結果。BICEP 2團隊的這一結果在未經同行評審之前就先行公布更是弊大于利。

該團隊認為，他們發現充滿宇宙的微波背景輻射中存在旋渦形的圖案。宇宙微波背景輻射是宇宙在3 8萬歲時留下的遺跡，當時電子和質子結合成了氫，使得光子可以自由地在宇宙中穿行。它攜帶了早期宇宙的信息，包括當時物質是如何運動的。

和所有的光一樣，微波也會沿著一個特定的方向振蕩，這一特性被稱為“偏振”。早期宇宙中的物質會在宇宙微波背景光子中留下兩種不同的偏振模式。在高溫物質中，由壓力波導致的溫度差異會顯現出“E 模”偏振，就像車輪的輻條，但引力波——時空結構的漣漪——產生一個較為微弱的“B 模”偏振信號，呈旋渦狀。

理論認為，在大爆炸之后1 0-3 7秒，宇宙膨脹發生了極端的加速，被稱為暴脹。突然的膨脹會產生引力波，它們會產生B 模圖案和BICEP2團隊聲稱觀測到的信號。

有關的爭論源于沿著銀河系磁場排列的塵埃顆粒。它們會繞著銀河系的磁力線轉動，由此也會產生偏振。由塵埃引起的偏振信號也會顯現出B 模圖案，與原初引力波造成的類似。

2 0 1 4年9月2 2日，歐空局普朗克衛星的天文學家悄然公布了他們對整個天空中塵埃的分析結果，這個結果不利于BICEP2團隊。

BICEP2團隊只在一個頻率（1 5 0千兆赫）上觀測了一小片天區，但“普朗克”在寬得多的頻率范圍——3 0千兆赫至8 5 7千兆赫——上觀測了整個天空。“普朗克”測量了塵埃在3 5 3千兆赫上發出的輻射，因為在這個頻率上探測到的塵埃信號強過宇宙微波背景輻射的信號。天文學家由此建立了塵埃分布的模型，然后向下推到了1 5 0千兆赫，以此來和BICEP2團隊的結果進行比較。

“普朗克”團隊認為，在BICEP2團隊觀測的天區中，有比BICEP2團隊計算、預期或者納入考慮的更多的塵埃。然而，這一結果也有許多不確定性：塵埃對BICEP2團隊所觀測到的B 模偏振有多大貢獻仍不清楚。

有關B I C E P 2團隊結果的爭論仍在繼續。BICEP2團隊的科學家進行了很多測量，測出了該天區中的B 模。測量中的噪聲很小，科學家對它們的處理也十分小心謹慎?！捌绽士恕眲t測出了整個天空中塵埃的特性，結合二者你可以得到更多的信息。這是科學如何向前推進的一個很好的范例。

在將BICEP 2團隊的數據與普朗克衛星在同一天區獲得的數據進行疊加分析后，研究人員認為BICEP 2獲得信號幾乎完全來自塵埃的影響。2 0 1 5年1月，BICEP 2團隊宣布撤回了他們的論文。

BICEP2探測到的宇宙微波背景B 模偏振（螺旋形圖案）

03以1%的精度測量遙遠星系

在宇宙于1 3 8億年前誕生時，它就包含有今天宇宙結構的基本要素。我們看到的一切——恒星、氣體云、行星——都是由原子組成的，而原子則是由電子、中子和質子構成的。物理學家把中子和質子統稱為“重子”。為了研究在宇宙最初的幾十萬年內星系的分布模式，天文學家以1%的精度測量了約1 0 0萬個遙遠的星系。

早期宇宙是由重子、電子、光子和暗物質（神秘的不可見物質）組成的混合物。所有這些粒子會相互碰撞，使得宇宙呈不透明狀。這一黏稠的混合物會緩慢地晃動，由此引發類似于物質中球殼形的三維壓力振蕩。

在誕生之后3 8萬年，宇宙的膨脹使得其自身冷卻，讓質子可以俘獲電子，形成了大量的氫。此后，鮮有單個電子的存在，所以光子可以暢通無阻地在宇宙中自由穿行。 ? ?當這些逃逸的輻射掃過早先的壓強或聲學振蕩的遺跡時，重子物質的分布會保留下這些波的印跡。天文學家現在可以在整個宇宙中看到這些“重子聲學振蕩”——星系傾向沿著這些球殼的邊緣聚集。隨著宇宙的膨脹，重子聲學振蕩會增大，它們現在的半徑約為5億光年。這種一致性給了天文學家一把測量宇宙距離的尺子。

通過重子振蕩分光巡天——斯隆數字巡天中一個歷時1 4年的項目，天文學家研究了長寬高各為1 3 0億光年的范圍中近1 0 0萬個星系。使用重子聲學振蕩標尺，他們更精確地測量了這些星系的距離，精度達1%。這就好比把上海到南京的距離——約3 0 0千米——精確計算到了誤差3千米的水平。唯一不同的是，此次研究的星系遠在幾十億光年之外。

當天文學家觀測不同距離的星系時，他們看到的是它們在宇宙歷史不同時期的樣子。根據測得的精確距離計算發現，在宇宙約3 0億歲時，兩個間距為3 3 0萬光年的星系會以每秒2 2 5千米的速度遠離對方。

在兩個不同的距離進行這些測量可以讓我們看到宇宙的膨脹是如何隨時間變化的。

02木衛二擁有板塊構造

2 0 1 4年的一項研究為建造一個專門探測木衛二的探測器提供了更多的依據。它發現木衛二有活躍的板塊構造，使得木衛二成為太陽系中除地球外唯一已知具有類似地質活動的天體。

天文學家研究了木衛二冰面上的裂縫和隕石坑，發現它們的年齡可能還不到9 0 0 0萬年。相比太陽系約4 6億年的年齡，這么小的年齡意味著一定有某種機制在重塑木衛二的表面。

木衛二上的裂縫和山脊似乎是其表面開裂和擴張出幾千米的區域，但科學家懷疑這顆衛星在過去的幾千萬年里一直在膨脹。那么，如果新的冰殼一直在形成的話，之前的冰物質去哪兒了呢？

為此，天文學家分析了美國航空航天局“伽利略”探測器的數據，以此來尋找木衛二上板塊構造的證據。他們發現了幾處構造活動的疑似地點，不過更關心的是一片位于北半球的面積為1 3 4 0 0 0平方千米的區域。

使用“伽利略”的圖像，科學家匹配出了不同的裂縫和山脊，重建出一個模型來描述該區域數百萬年前的樣子。當時，有一個寬9 9千米、占地約2 0 0 0 0平方千米的區域似乎不見了。

此外，一些裂縫和山脊也突然中斷，表明由于板塊俯沖，這些地質特征的延續部分已消失在冰殼中。與地球上地殼板塊間碰撞抬升形成喜馬拉雅山不同，木衛二上的一個板塊一直在俯沖下沉，運動到毗鄰的另一個板塊的下方。

除了表明木衛二存在地質活動之外，這一發現還暗示木衛二的內部和外部之間存在雙向的物質交流，可以讓物質從其表面進入海洋。這大大地有助于提升當地的宜居性。

雖然這項研究為木衛二的板塊活動提供了有力的證據，但要確認物質會向下運動到冰殼下方仍需要未來的探測任務。通過這些探測任務，科學家可以獲得更高分辨率的影像，如果這一現象是全球性的，還能發現更多類似的案例。未來的探測任務還能更好地測量

木衛二的地形。當然，更為重要的，則是搜尋其冰殼之下的海洋中現在或者過去存在（過）的生命跡象。

01發現宇宙塵埃的來源

我們的太陽系、銀河系乃至整個宇宙都含有大量塵埃，但天文學家長期以來一直搞不清楚它們是如何形成的。2 0 1 4年的兩項研究為“大質量恒星的爆炸死亡——被稱為超新星——制造了塵?！边@一觀點提供了有力的證據。

在第一項研究中，科學家使用位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/ 亞毫米波陣列觀測了于1 9 8 7年2月爆發的超新星1 9 8 7A。這一爆炸標志著在銀河系的伴星系大麥哲倫星云中有一顆恒星死亡了。這是最近發生的一次近距離超新星爆發，因此，是一個夢幻般的實驗室。

觀測發現，爆炸之后的幾年中產生了總質量只有太陽質量1%的塵埃，隨后，塵埃的總質量迅速增加到了太陽質量的1/3至1/2。于是，天文學家決定對它再次進行觀測，以此獲得精確的數值。在把觀測到的輻射擬合到不同的塵埃光變曲線模型之后，他們發現該超新星的內部殘骸包含了0.2 3個太陽質量的塵埃。由于這些塵埃就位于發生爆炸的地點，因此不可能是在超新星爆發之前就已經存在的，必定是在爆炸之后形成的。但這一爆炸發生在1 9 8 7年，所以問題仍然存在：在超新星遺跡中塵埃形成的速率有多快？

阿塔卡馬陣列的觀測集中在射電波段，因此看到的是低溫塵埃。另一個天文學家團隊則使用甚大望遠鏡在可見光和近紅外光波段觀測了另一個超新星遺跡，因此看到的是高溫塵埃。一個物體的溫度決定了它發出光的類型。作為比較，在這兩項觀測中研究的溫度分別為2 6K 和2 0 0 0K。

在第二項研究中，天文學家研究了星系UGC5189A 中新近出現的超新星SN 2010jl，它的溫度更高。在SN 2010jl的亮度抵達其峰值后的第26天至第2 3 9天，他們對它進行了9次觀測，在第6 2 9天時又對它進行了一次觀測，以此來確定該超新星在最初的2.5年中塵埃的量是如何變化的。

他們在最后一次觀測中發現了比之前9次觀測到的多得多的塵埃。如果這些塵埃是以觀測到的形成速率產生的話，天文學家預期該超新星遺跡會在之后的2 0年里制造出大約0.5個太陽質量的塵埃。那么，它是如何制造出塵埃的呢？天文學家認為，大質量恒星會在爆炸之前吹出一些物質。一旦發生爆炸，快速運動的激波會撞上這些

物質，變成一個運動速度較慢且溫度也較低的殼層，塵埃顆粒會在那里凝結。

科學家還把這些塵埃的光信號和計算機模型做了比較，以此確定這些塵埃顆粒的大小。銀河系星際介質中一般的塵埃顆粒要比這些塵埃小得多。事實上，超新星SN 2 0 1 0jl 中的塵埃要比銀河系中的約大4倍。科學家認為，這么大的尺寸有助于塵埃保護自己免受超新星爆炸的沖擊和隨之而來的極端溫度的破壞。

1.M104： 草帽星系

醒目的螺旋星系M1 0 4以它側面寬廣的圈狀黝黑塵埃帶著稱。這幅清晰影像結合了哈勃空間望遠鏡、昴宿星團望遠鏡和業余天文愛好者拍攝的彩色影像。經過處理的影像除了讓星系擁有自然的色彩之外，也讓以往被明亮核心的絢麗光芒淹沒的細微結構得以顯現出來。M1 0 4俗稱草帽星系，亦名NGC 4 5 9 4，在所有電磁波段都可見，因此，一般認為它的核心藏有超大質量黑洞。

2 恒星、“紅色精靈”、云和極光

天空中的這些紅色光痕是什么？攝影師在拍攝籠罩在遠處雷暴系統上空的極光時，意外地捕捉到了“紅色精靈”這種不尋常的現象。這群攝于美國明尼蘇達州天空的“紅色精靈”，可能是由一道極強烈的低空閃電誘發的。在主題影像中，前景可見一棟房舍和電線桿、低層大氣中厚厚的云層，地平線附近有雷暴系統，遠方高空的背景恒星上，飛舞著“紅色精靈”和綠色極光。

3 當老鼠星系互撞這兩個龐大的星系正在撕開對方。它們都擁有長長的尾巴，因此這對星系擁有“老鼠”的昵稱。星系前端和后端受到的重力差是形成這些長尾的原因。

編號為NGC 4 6 7 6的這對老鼠星系位于后發座內，離我們約有3億光年遠。這張照片是由哈勃空間望遠鏡的先進巡天相機拍攝的。在接下來的數十億年間，這對宇宙級的“老鼠”會不?；プ?，直到成為單一星系。

4 土衛四的地圖

這幅圓柱投影影像是6幅土星中型衛星的新彩色地圖之一，建構自“卡西尼”號累積了1 0年的影像數據。影像中，這顆受潮汐力鎖定的衛星的淡色半球（右側）與較黝黑的半球在色澤上有顯而易見的差異。如同其他軌道在E 環之內的土星衛星一樣，土衛四領頭的半球之所以常保雪白，是因為不停地鍍上來自暗環的冰物質。而E 環物質則由土衛二南極的噴泉源源不斷地補充。淡色、較新的表面裂隙，看似也穿入了黝黑的、滿是撞擊坑的落后半球。