天文學新發現

劉聲遠

全球各大科學網站，幾乎每天都有天文學新研究成果發布。就讓我們來看一看最近一些引起關注的天文學新發現。

由中國發射的嫦娥5 號月球探測器，最近把一些新的月球巖石和土壤樣本帶回了地球。這是過去40 年來探測器首次把月球樣本帶回地球。根據這些新樣本，一個國際研究團隊已經確定這些月球巖石的年齡接近19.7 億年。科學家認為，嫦娥5 號帶回的樣本填補了10 億年的空白。此話怎講？

嫦娥5 號設計的任務之一，是從月面一些最年輕的火山地帶提取地質樣本送回地球。對這些樣本進行研究，有助于揭示月球的很多奧秘，而月球年輕巖石的年代測定屬于其中最早獲得的研究成果。當然，這里所說的“年輕”是相對而言的。由阿波羅號飛船帶回地球的月球火山巖石樣本的年齡都超過30 億年。而對嫦娥5 號帶回的樣本進行的測定結果表明，這些樣本比阿波羅號所帶回的樣本年輕不止10 億年。因此可以說，嫦娥5號填補了一個重要的空白。

填補這樣的空白不僅對研究月球來說很重要，而且對研究太陽系中其他巖石行星來說也很重要。作為一個行星類天體，月球的年齡大約為45 億年，也就是與地球年齡相仿。但與地球不同的是，月球沒有造山運動來逐漸消除表面的隕擊坑。因此，科學家可以利用月球上持久存在的隕擊坑來估計月面不同區域的地質學年齡，這一估計所依賴的部分依據是這些區域的隕擊坑密度。

最新研究發現，由嫦娥5 號帶回的月球巖石的年齡只有大約20 億年。能以高精度確定這些巖石的年齡，讓科學家現在能夠更準確地評估他們所采用的年代推定工具是否可靠。雖然科學家知道行星體表面隕擊坑越多則表示這些表面越古老，但要想測定這些表面的實際年齡，則必須依賴這些從表面取回的樣本。

阿波羅號當初帶回的月球巖石樣本，讓科學家能夠確定這些巖石所對應月面區域的年齡，并把這些區域的年齡和隕擊坑密度進行對照。這種隕擊坑年代學研究已經被推廣到水星和金星，即通過隕擊坑密度來相對準確地估計行星表面一些區域的年齡。

在最新研究中，科學家對嫦娥5 號所帶回巖石的測定年齡也有誤差，為±5 000 萬年。但這個測定結果依然很重要，因為以行星時間為標準來看，這是一種很準確的界定方法，由此也能很好地分辨各種年代學方法的優劣。

對嫦娥5 號所帶回樣本中玄武巖成分的研究，還取得了其他有趣的發現，對于研究月球的火山歷史很有幫助。可以預期，對這些巖石的研究將繼續獲得豐碩成果，而目前的研究結果只不過是冰山一角。科學家正在篩選這些月球樣本，從中尋找關鍵線索，以破解更多的月球奧秘。例如，從嫦娥5 號樣本中尋找來自比嫦娥5 號采樣地點遙遠得多的那些年輕隕擊坑的月壤，由此確定這些月壤的年齡，以及這些不同隕擊坑的物理特性。

在這項新研究中，中外科學家進行了良好合作。外國科學家評價說，負責對嫦娥5 號樣本進行檢測的北京實驗室是全球最好的實驗室之一，同時，中國對相關研究數據也無私地進行了的分享。

金星的質量和大小都與地球差不多，這兩顆行星的構成也都主要是巖石，而且兩者都有水和大氣層。但金星與地球的差異也很大：金星有濃密得讓人窒息的二氧化碳大氣、極端的表面溫度和硫酸云，與地球生命所需的條件毫不兼容。然而，金星是不是一直都如此糟糕？

以往有研究指出，過去，金星可能存在海洋，因此那時的金星對生命是友善的。但事實是否如此？最近，一個科學團隊專門對金星是否有過溫和時期進行了調查，其調查結果并不樂觀。

金星最近成為天體物理學家的重點研究對象。歐洲空間局和美國宇航局2021 年決定，未來10 年中將發射3 艘以上的金星探測器，以調查這顆距離太陽第二近的行星。這些探測器要回答的重要問題之一是：金星是否曾經有過海洋？而前述科學團隊則試圖用地球上的工具來回答這個問題。他們的研究方法是模擬地球和金星在剛開始演化時（即超過40 億年前）的氣候。當時的高溫意味著，任何水分都應該會以極高壓下的蒸汽形式存在。

采用復雜的三維大氣模型（科學家在模擬地球現行氣候和未來演化時采用的正是這種模型），該團隊探索了地球和金星的大氣層隨著時間推移的演化情況，以及是否會在演化過程中形成海洋。模擬結果是：氣候條件不允許蒸汽在金星大氣層中凝結。也就是說，金星的氣溫從來就沒有低到過足以讓大氣中的水分形成雨滴，并降落到金星表面的程度。或者說，水分一直都只是作為一種氣體待在金星大氣層中，金星上從來都沒有海洋存在。該團隊指出，他們做出如此推斷的一個主要理由是，云層主要形成于金星的背陰面（即陽光照射不到的半面），但這些云層產生很強的溫室效應，導致金星降溫不可能像科學家之前推測的那么快。

該團隊的模擬結果還表明，如果地球當初距離太陽再近一點，或者當時還年輕的太陽比今天的太陽更明亮，那么地球就很可能遭遇和金星一樣的命運。該團隊推測，年輕太陽的輻射實際上相對較弱，從而地球的降溫程度足以讓蒸汽凝結以形成海洋。長久以來，科學界有一種觀點：如果年輕太陽發出的輻射比今天的太陽輻射弱得多，那么當初的地球就會是對生命不友好的巨大冰球，換句話說，更明亮的太陽對生命有利。但該團隊認為，對非常熾熱的年輕地球來說，當時不那么明亮的太陽反而為生命誕生提供了意想不到的契機。

該團隊承認，他們的研究結論是基于理論模型做出的，因此不屬于定論。他們期待未來的金星探測器證實或推翻他們的研究結論。

科學家最近發現，火星上一個叫做阿拉伯高地的區域曾經短暫存在過水。

位于火星北緯地帶的阿拉伯高地，由一位意大利天文學家在1879 年命名。這片古老的土地所占據的面積比歐洲大陸略大。該區域包括隕擊坑、火山臼、峽谷和漂亮的條紋巖石，這些巖石帶很像地球上的沉積巖。

科學家對這些火星巖石的成因很感興趣，這是因為通過這些巖石能更好地了解40 億～30億年前火星表面的狀況，尤其是當時火星的氣候條件是否支持生命存在。而要想知道是否支持生命存在，就需要了解當時火星上有沒有穩定的液態水、液態水存在的時間有多久、大氣狀況如何，以及火星地表溫度怎樣。

為了更好地了解這些火星巖石的成因，科學家關注的是熱慣性（即改變一個物體溫度的難易程度）。例如，松軟的沙吸熱和散熱都很快，而夏天的巖石在入夜后很久仍可能是燙的。通過調查地表溫度，科學家得以確定了阿拉伯高地巖石的物理特性，即那里的物質是否較松，或者正好相反。

雖然阿拉伯高地占火星表面積的比例不小，但此前沒有人對那里的沉積巖進行過熱慣性調查。在最新研究中，科學家利用了環繞火星的飛行器搭載的遙感設備。利用遙感數據，他們調查阿拉伯高地的熱慣性、侵蝕跡象、隕擊坑狀況和當地存在哪些礦物質。根據調查結果，他們認為阿拉伯高地沉積巖的黏結力比之前認為的要低得多，因此該高地有可能在一段不長的時期中存在過水。

短暫有水的結論有可能令人失望，因為人們一般會認為，水越多、存在水的時間越長則越有利于生命存在。但對阿拉伯高地進行熱慣性調查的科學家認為，他們的調查結論之所以重要，是因為這一結論引發了一連串的新問題：是什么條件讓水在阿拉伯高地短暫存在過？火星上是否有過冰川，而冰川迅速融化是否造成洪水泛濫？火星上是否有地下水，而地下水是否會在短暫滲出地表后又回到地下？

科學家認為，就算今天的火星不存在液態水，過去的火星上也不存在生命，這類調查對于我們了解火星演化乃至其他行星類天體的演化來說也很重要。無論如何，火星探索現在已進入新的高潮。

科學家日前宣布，可能已首次探查到一顆銀河系外的行星凌日（即行星從恒星正面經過）的跡象。運用美國宇航局“錢德拉X 射線天文臺”空間望遠鏡（簡稱錢德拉望遠鏡）取得的這一探測結論，為尋找在非常遙遠距離外的行星開辟了道路。

通常所說的系外行星，一般指位于太陽系外的行星。而這顆疑似的系外行星位于螺旋星系梅西耶51。該星系因其獨特的形狀，也被稱為渦狀星系。

在發現這顆疑似行星之前，科學家發現的所有系外行星都位于銀河系內，它們距離地球幾乎都不到3 000 光年。而這顆疑似行星距離地球大約2 800 萬光年，其距離之遙遠可想而知。科學家說，要想發現其他星系中的行星，策略之一是在X 射線的波長范圍內進行搜索。

當行星凌日時，行星會阻擋其母恒星的一部分星光，導致恒星亮度略降。利用地面和空間望遠鏡，科學家搜尋可見光和電磁輻射強度的下降，由此發現了數千顆系外行星。而在這項新研究中，科學家搜尋的是X 射線明亮雙星所發出的X 射線的亮度下降。這類雙星系統通常包含一顆中子星或一個黑洞，以及一顆伴隨恒星（簡稱伴星）。如果伴星近距離環繞黑洞，那么黑洞會抽取伴星的氣體。無論是中子星還是黑洞，靠近它們的物質都會變得超熱，并且在X 射線波長“發光”。

由于產生明亮X 射線的區域很小，因此一顆正面經過該區域的行星會阻擋大部分甚至所有X 射線，從而讓凌日容易被探查到。與現行的光學凌日調查相比，X 射線探查方法可能讓科學家探查很遠的距離。而通過可見光調查凌日時，行星只能遮擋恒星的很小一部分，所以必須探查到由此造成的很不明顯的恒星亮度下降才能得以探查。

運用X 射線凌日調查方法，科學家探查到了位于梅西耶51 星系中一個雙星系統內的一顆疑似行星。該雙星系統包含一個黑洞或一顆中子星，還有一顆質量約為太陽20 倍的伴星。他們運用錢德拉望遠鏡探測數據發現的X 射線凌日現象持續了大約3 小時，在此期間X 射線發射量降到了零。基于這一點和其他信息，科學家估計這顆疑似行星與土星大小相仿，它環繞黑洞或中子星的距離為土星與太陽之間距離的大約2 倍。

這一疑似行星是否為行星，還需要更多數據來驗證。一大挑戰是，這顆疑似行星的巨大軌道意味著它要大約70 年才會正面經過其雙星伴侶一次。換句話說，以后幾十年內科學家都不可能通過凌日觀測證實或否定該行星的存在。另一個挑戰是，就連70 年這個數據也無法確定，因此科學家根本不知道應該在何時進行觀測。

這次發現的亮度變暗，其實也可能由正面經過X 射線源頭的塵埃和氣云導致。但科學家認為，梅西耶51 星系中這個雙星系統里的凌日現象不符合云層經過的特征，而是符合行星凌日的特征。

如果這顆疑似行星最終被證實為一顆行星，那么它很可能有一段非常動蕩、暴烈的歷史。位于雙星系統中的行星一定會經歷超新星爆發的巨大沖擊，而正是超新星創生了中子星或黑洞。這顆行星的未來也危機四伏，因為與它相伴的恒星最終也可能以超新星的形式爆發，屆時這顆行星必將再次遭遇超大強度的輻射轟炸。

在這次研究中，運用錢德拉望遠鏡和歐洲空間局的XMM- 牛頓望遠鏡，科學家在銀河系外的3 個星系中觀測凌日。通過對梅西耶51星系中55 個系統、梅西耶101 星系中64 個系統和梅西耶104 星系中119 個系統的搜尋，結果只發現了這一顆疑似行星。

科學家將繼續搜索其他更多的星系。錢德拉望遠鏡能探測至少20 個星系，其中包括梅西耶31 和梅西耶33 等比梅西耶51 近得多的星系，因而可能探查到持續時間更短的凌日。另一個相關的研究方向是尋找銀河系中發生在X 射線源頭附近的X 射線凌日現象，從而發現位于非尋常環境中的新的系外行星。

自從科學家開始用顯微鏡觀察隕石，他們就一直對隕石內部的東西著迷。大多數隕石都由可追溯到太陽系形成初期（當時就連行星都還沒有形成）的微型玻璃球構成。最近的一項研究表明，隕石中的玻璃球有助于揭示早期太陽系的情況。

隕石中的玻璃球被稱為隕石球粒。科學家認為，幾十億年前，太空中飄浮的巖石碎屑最終聚合成為我們今天所見的行星，而隕石球粒是當時剩下的巖石碎屑。隕石球粒對科學家來說非常有用，因為它們是太陽系最原始的“材料”。而在地球上，所有的巖石都已被頻繁的火山活動和板塊運動改變，因而找不到太陽系初期的純凈痕跡。

但究竟是什么機制導致了隕石球粒的形成？有關這個問題的理論至今與50 年前沒有區別。

通過觀察隕石中某一元素的不同類型，科學家能找到有關太陽系形成之初的線索。一種元素可以有多種不同的形式，這些不同形式的元素被稱為同位素。根據隕石誕生的環境條件（例如溫度高低、降溫快慢）的不同，每塊隕石中的同位素比例也不同。由此，科學家能構想出隕石形成時期的環境條件。

為了搞清隕石球粒當初遭遇了什么，科學家精確測量在隕石中少見的兩種元素——鉀和銣的各種同位素比例，這樣的測量有助于確定太陽系早期最可能發生的情況。科學家認為，鉀和銣當初是塵埃的一部分，而塵埃在高溫下熔化后又氣化，鉀和銣大多逃逸掉，但隨著這些物質降溫，其中一部分重新聚合成隕石球粒。科學家推測，當時降溫非常迅速，因此有些物質還未凝結。科學家估算的當時降溫的速度為每小時大約500℃。

根據以上推測，科學家進一步判斷當時發生了什么事件而導致陡然、極端的加熱和冷卻。其中一種可能性是，大規模的沖擊波穿透早期的太陽星云。換句話說，附近的大型行星類天體可產生沖擊波，沖擊波在穿越星云的過程中可導致塵埃迅速加熱和降溫。

過去50 年中，人們對隕石球粒的成因提出了多種可能，其中包括閃電和巖石間的碰撞。而上述新研究則表明，沖擊波才是目前看來隕石球粒的最可能成因。幾十年來，有關“中度揮發性”元素（例如鉀和銣）的一個發現讓科學家很困惑。按照流行的太陽系成因理論，地球上的中度揮發性元素應該比現在多。科學家一直認為，對此的解釋可能與復雜的加熱和降溫鏈有關，但其中具體的機制之前并不明朗。現在看來，沖擊波理論不失為一種很好的解釋。當然，這種解釋也不是定論，還有待更確鑿的證據來檢驗。

美國宇航局發射的帕克太陽探測器（以下簡稱帕克探測器）已經抵達太陽的外大氣層——日冕，并且在那里待了5 小時。這是第一艘進入太陽外沿的地球飛行器，也標志著日冕物理學的新紀元。在此之前，科學家對太陽大氣層的了解僅限于估測。

太陽的外沿始于阿爾芬臨界表面：在這個表面下，太陽以其引力和磁力直接控制太陽風。許多科學家認為，太陽磁場的突然反轉就出現在阿爾芬臨界表面下。

送探測器進入太陽的磁化大氣層這個理念，早在幾十年前就有。2018 年，帕克探測器升空，目的是進入日冕，也就是人類探測器首次造訪恒星。2021 年4 月，帕克探測器在阿爾芬臨界表面下待了5 小時，在此期間直接接觸太陽的等離子體。在這一表面下，太陽磁場的能量和壓力強于太陽粒子的能量和壓力。帕克探測器當時在該表面上下來回了3 次。

科學家分析帕克探測器的探測數據發現，阿爾芬臨界表面居然有皺紋。這些數據表明，其中最大的一個遙遠皺紋由偽流光（一種巨型磁結構，發現于太陽大氣下方可見深度的最深處）。科學家仍不清楚偽流光為什么會把阿爾芬臨界表面推離太陽。科學家還注意到，在阿爾芬臨界表面下方磁場反轉數量遠少于在這個表面的上方。這可能意味著磁場反轉并非形成于日冕內部。或者，太陽表面較低的磁重連速度可能導致較少的物質進入可觀測到的太陽風，從而造成較少的反轉。

帕克探測器也記錄到了日冕內部能量陡升的證據，這可能意味著未知的物理學機制在影響加熱和散熱。科學家觀測太陽和日冕已有幾十年，并且意識到太陽上有奇異的物理學機制在加熱和加速太陽風等離子體，但并不清楚是什么物理學機制。隨著帕克探測器進入日冕，科學家期待著對這一神秘機制的更多了解。

帕克探測器對日冕的上述觀測發生在它第8次飛近太陽期間。該探測器是迄今飛得最快的人造飛行器，它升空后已經取得了多項重要發現，其中包括產生太空天氣和超快塵埃風險的太陽爆發。這些新發現意味著，由飛行器對太陽做直接觀測更有助于了解日冕加熱和太陽風形成的機制。在完成“觸摸”太陽的目標后，帕克探測器將會進入太陽大氣層更深處，并且待得更久。