最神秘的宇宙信号,来自哪里?

2007年,天文学家发现了一种持续时间只有几毫秒的高能天体物理现象——快速射电暴(FRB)。10多年来,它的来源众说纷纭,甚至更加神秘。发表于《自然》的最新研究,首次明确了FRB的一个来源——今年4月,两个天文台分别观测到了银河系内一颗磁陀星的射电爆,这表明磁陀星至少是部分FRB的来源。本文来自微信公众号:环球科学(ID:huanqiukexue),作者:娜迪亚·德雷克(Nadia Drake),翻译:樊亦非,审校:吴非,题图来自:电影《异次元骇客》

最近,天文学家们一直在监测着距地球3万光年处,一颗早已死亡的恒星残骸所发出的奇特高能辐射该天体属于“磁陀星”(magnetar),这是一种巨大的磁中子星。天文学家从中意外地发现了仅仅持续几毫秒的强烈射电波爆发。这也是迄今观测到的最为明亮的一次磁陀星爆发。

上述射电波爆发虽然源于我们所在的银河系,但却与一种名为快速射电暴(fast radio burst, FRB)的射电波闪变现象十分相似。FRB转瞬即逝,极为明亮。此前的观测记录尚无法确定它由什么物体发出,但它们都来自其他星系。如今的新发现确定了这颗磁陀星是一次FRB的来源,或许能够解决关于FRB起源的至少一个谜题,尽管谜底可能会引向更多谜团。

“这确实是一项突破,而不是滥用这个词。” 荷兰射电天文学研究所和阿姆斯特丹大学的杰森·赫塞尔斯(Jason Hessels)说道。此次的结果不能一下子解决所有关于FRB的问题,但可以使我们向这个目标迈出一大步。

今年4月下旬,至少有两个射电天文台发现了那次射电暴。研究团队将射电波追溯到一个高磁性中子星,也就是前文提到的那颗恒星的残骸。这颗位于银河系深处的死亡恒星名为SGR 1935 + 2154,质量是太阳的40~50倍。在大约一周的时间内,它一直在向宇宙发射高能辐射。

这是人类首次观测到伴随如此大规模伽马射线的射电暴。由于此次射电暴既明亮又短暂,如今一些天文学家把它视为研究数十亿光年以外FRB的绝佳模型。

阿姆斯特丹大学的艾米丽·彼得罗夫(Emily Petroff)表示,即便如此,要使这种微弱的联系更加明确,就需要清楚地评估该来源与先前观察到的FRB有何不同。“正如研究FRB那样,必须避免‘见树不见林’。我们需要担心的是,这个来源只是个特例。”

捕捉FRB

十多年来,FRB一直是宇宙中最难解的谜团之一。这些射电波以光速行进,通常在宇宙穿梭数十亿年之后才会被我们观测到。这意味着,释放这些射电波的天体必须十分强大。到目前为止,观测到的所有爆发均来自遥远星系。关于此现象的起源,天文学家多年来已经提出了数十种假说,其中包括正在蒸发的黑洞、爆炸中的恒星、发生碰撞的巨大天体。当然,还有一些不太正经的猜想,认为这是外星人在传输的我们听不懂的信息。

越来越丰富的观测结果使假说更加完善。天文学家观测到一些重复性的爆发,这说明其来源无论是什么,都不会在产生一次FRB后自毁。研究团队将多台望远镜对准天空中的多个位置,开始了对射电暴的实时捕捉。不久,好几次射电暴的宿主星系都被追溯到了。然而,即使天文学家已收集了数百次爆发的数据,射电暴的起源仍然被疑云笼罩。

彼得罗夫说:“我们每一次找到的新射电暴,都会与之前有所不同。我原本希望每次找到一个新的时,它都能证实我们之前所了解到的所有知识,但是现实从来不是这样的!射电暴远比我们想象的多种多样,因此我们必须更加专注。”

天文学家使用CHIME(加拿大氢强度测绘实验)射电望远镜首次发现了这次新爆发。这台位于加拿大西南部的望远镜,专门用来搜寻FRB。自2018年末启用以来,已发现了数百个此类信号。这次新爆发出现在望远镜视野的外围,但由于其十分强烈,仍然可以被轻易观测到。

图片来源:CHIME

“这是一次来自磁陀星的非常明亮的射电暴。”多伦多大学的保罗·舒尔茨(Paul Scholz)说道,他在“天文学家电报”网站上向CHIME团队实时报道了本次爆发事件。“这就是磁陀星与FRB之间的联系吗?有可能。”

接到通知后,加州理工学院的天文学家对他们在爆发后时间段内收集的数据进行了初步检查。他们的观测结果由位于加利福尼亚州和犹他州的三个射电天线共同收集,是STARE2(第2次瞬态天文射电发射调查)项目一部分,专门用于探测来自银河系内部的FRB。

与CHIME不同,STARE2从正面捕捉到了该事件,这使研究人员可以快速计算爆发的亮度。据他们估计,爆发如果发生在已知距离最近的银河系外FRB处(约5亿光年外),那么从地球上仍然很容易被检测到。对加州理工学院的斯里尼瓦斯·库尔卡尼(Shrinivas Kulkarni)而言,此次爆发的亮度和毫秒级的持续时长,是其与FRB的决定性关联。

STARE2项目的首席研究员库尔卡尼表示,根据这些观察结果,“FRB的一个合理起源,便是其他星系中的活跃磁陀星。如果我们等待得足够久,也许这个磁陀星甚至将会产生更明亮的爆发。”

第三个观测结果来自另一个使用了欧洲航天局的轨道INTEGRAL(国际伽马射线天体物理学实验室)观测台的团队,他们把射电暴与同时来自同一物体的X射线暴联系在一起,从而将其来源确定为磁陀星。在那之后,中国的500米口径球面射电望远镜(FAST)则探测到了SGR 1935 + 2154的另一次射电暴,这次爆发的来源也指向磁陀星。库尔卡尼说:“我敢用一年的工资打赌,就是这个来源。”

磁陀星爆发

几年来,已有多种证据将磁陀星认定为造成FRB的“罪魁祸首”。这些中子星旋转得极其迅速,并拥有极为强大的磁场,二者结合便可以产生巨大的辐射爆发。科学家还观察到,一些FRB具有强烈而“扭曲”的极化现象。这表明它们起源于或曾穿过强磁环境,比如这些死亡恒星的周围。

但答案的全貌尚未揭晓。赫塞尔斯说:“很长一段时间以来,人们一直在反驳说:‘但是我们从未见过银河系中的磁陀星有什么动静,它们的亮度甚至都称不上明亮。既然如此,其他星系中的磁陀星怎么就可以呢?’”

如今,有了这项新发现,天文学家正在仔细研究FRB和磁陀星之间的联系。“我不会说这就是最终的定论,或者这就是必不可少的中间环节,”彼得罗夫说,“但通过这项研究,我们距离找到银河系中天体与产生FRB的天体之间的联系更近了一步。”

天文学家指出,尽管此次爆发比从此前磁陀星中观测到的任何爆发都要明亮,但它的强度仍然比大多数FRB弱几个数量级。研究人员可能会首先发现较微弱的爆发,这在意料之中,因为微弱的爆发可能比非常明亮的爆发更多,正如轻微的地震比大地震更频繁一样。较强的恒星耀发(flare)也可能产生较强的射电暴。虽然罕见,但有些磁陀星可以产生强大的耀发,即使隔着遥远的星际距离,它们也能改变地球的电离层。赫塞尔斯说:“我很想知道,如果我们捕捉到了一次那样的巨型耀发,我们会看到堪比FRB那般明亮的爆发吗?”

另一个未解的谜题是,FRB是否可以具有多个不同的来源?迄今为止,观察到的大多数爆发都是独立的事件,但也有十几次有着神秘来源的爆发是反复发生的。距离我们最近(约有十亿光年)的重复性FRB被称为R3,每16天爆发一次。科学家怀疑,R3的周期性活动与锁定在其引力范围内的其他物体有关。但是,磁星SGR 1935 + 2154似乎没有任何类似的轨道同伴。

赫塞尔斯说:“我希望不仅只有一种FRB。我也希望通过更深入的研究,可以同时发现很多东西。”

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/magnetic-star-radio-waves-could-solve-the-mystery-of-fast-radio-bursts/ 


本文来自微信公众号:环球科学(ID:huanqiukexue),作者:娜迪亚·德雷克(Nadia Drake),翻译:樊亦非,审校:吴非                          

颠覆认知:科学家发现了一个“不该出现的黑洞”_详细解读_最新资讯_热点事件

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编者按:近日,天文学家发现了至今最强的黑洞碰撞,由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞环绕并合成为了一个142倍太阳质量的黑洞,同时8倍的太阳质量转化为能量巨大的引力波在时空中传播。问题在于,根据目前的理论计算,142倍太阳质量的黑洞是不可能存在的,处于所谓黑洞质量范围的“缺口”之中。那么,这样的黑洞又是怎样形成的呢?中等质量黑洞都存在于哪里?本文作者Dennis Overbye,原标题为”These Black Holes Shouldn’t Exist, but There They Are”,希望对您有所启发。

天文学家报告说,他们探测到了迄今为止最强的黑洞碰撞。这一碰撞发生在大约70亿年前,即太阳系和地球形成之前,黑洞的碰撞产生巨大的引力波。两个相距数千公里的探测器捕获到了同一个对应于有史以来观察到的最强大引力波源的信号,仅持续了1/10秒。在美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台(LIGO)探测器和欧洲Virgo探测器的激光束中产生的这种模式,使人们得以重构这一现象的发生方式。

来自遥远星系的短暂信号给天体物理学家们留下了新问题:黑洞是如何形成和成长的?

芝加哥大学的理论学家和LIGO团队的成员Daniel Holz称这个新发现是“LIGO/ Virgo首次惊人发现。这样的黑洞本不应该存在的。”

根据传统理论,发生碰撞的黑洞质量太大,不可能是由恒星坍缩产生的。从现有的恒星级黑洞形成理论出发,通过数据模拟演算,科学家们认为,宇宙中恒星级黑洞最大的质量,也不会超过太阳的100倍。而合并产生的更大的黑洞,其质量是太阳的142倍,属于一个全新的中等质量的黑洞类别,以前这一块是空白,这样的黑洞以前从未被可靠地发现过。

“全球引力波探测网络的又一发现,改写了我们对宇宙的认识,”哥伦比亚大学(Columbia University)致力于LIGO的天体物理学家Zsuzsanna Marka在一封电子邮件中写道。

巴纳德学院(Barnard College)的宇宙学家詹娜•莱文(Janna Levin)补充道:“自从我第一次对引力波产生兴趣以来,我就一直在等待这样的结果。”

根据描标准的宇宙学模型计算,这一事件发生在离地球远到不可想象的距离——170亿光年之外。一个质量为太阳85倍的黑洞,与一个质量为太阳66倍的黑洞发生碰撞,形成了一个质量为太阳142倍的黑洞。

2019年5月21日上午,又有大约8倍太阳的质量和能量消失在时空结构的涟漪——引力波中,在那疯狂的一瞬间,像钟声一样敲响了整个宇宙。

一个由LIGO和Virgo合作组成的国际科学家小组在《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《天体物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)上发表了两篇论文,报告了他们的发现。

他们的论文在很大程度上肯定了一个被称为GW190521事件的初步分析,该分析是由一个合作项目之外的小组做的。今年6月,由加州理工学院马修·格雷厄姆(Matthew Graham)领导的研究小组利用公开的数据进行了初步分析。

利用加利福尼亚的一台名为Zwicky Transient Facility (ZTF)的望远镜,格雷厄姆的团队发现了一道闪光,这可能是由一个遥远星系中心周围的稠密气体盘中新形成的黑洞引起的。

他们预测,最终的分析结果将显示,碰撞黑洞的质量总和将超过100个太阳质量,由此产生的黑洞将疯狂旋转,并具有较大的反冲速度。

“这正是LIGO正在报道的,”格雷厄姆(Graham)在一封电子邮件中写道。“这是LIGO的重大发现,为支持我们一直在推动的合并模式和环境提供了强有力的证据。”

大多数已知的黑洞是大质量恒星演变的,这些恒星死亡后坍塌成质量是太阳几倍的黑暗物体。但星系中存在的黑洞质量要比这个大几百万或几十亿倍。这些天体是如何变得如此巨大的,这一直是天文学的一个谜。

直到最近,还很少有证据表明存在中等大小、质量在100到100,000倍太阳质量的黑洞。GW190521合并过程中产生的黑洞就是这一“缺失环节”的第一个实实在在的例子。

“我已经寻找15年了,现在终于找到了!”佛罗里达大学(University of Florida)物理学家谢尔盖·克里门科(Sergey Klimenko)在电子邮件中写道。“这一发现是引力波天文学的一个里程碑。”

因此,他说,天文学家可能已经看到了宇宙形成黑洞的过程,聚小成大,就像2019年4月拍摄的M87星系中心的“超大质量黑洞”一样。

“这是第一次也是唯一一次对一个中等质量黑洞诞生时的质量进行可靠的测量,”西北大学的天体物理学家Vicky Kalogera在一封电子邮件中写道。“现在我们确切地知道,至少有这样一种方式。这些物体可以通过合并其他黑洞而形成。”

这一合并过程可能是一个重要的线索,可以帮助我们了解今年6月发生碰撞的两个黑洞中较重的那个黑洞的起源。这个黑洞的质量为太阳的85倍,根据标准的天体物理逻辑,它是不应该存在的。质量在50到120个太阳之间的黑洞是不可能形成的。

在质量大到足以形成如此可怕黑洞的恒星中,其内部在坍缩时变得非常热,热到光自发地产生了电子和正电子对。这使得恒星变得更热,产生更多的粒子,在失控的反应中导致了一种特别猛烈的爆炸,称为成对不稳定超新星。这样的过程之后,什么也没留下。霍尔兹说:“没有中子星,没有黑洞。什么也没有。”

他提到了GW190521中质量为85倍太阳的黑洞:“这样的黑洞处于不可能质量范围的中心,过去我们认为这种质量的黑洞并不存在,不过大自然似乎忽略了所有我们精心进行的理论计算。”

他补充说:“这样的发现既令人沮丧又令人振奋。一方面,我们所珍视的一个观点被证明是错误的。另一方面,我们发现了一些新的和意想不到的东西,现在我们要弄清楚到底是怎么回事。”

译者:Jane

百年星空

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文 & 设计:原理,审校:苟利军(国家天文台)

1920年4月26日,距阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)成名约半年后,美国华盛顿的史密森尼国家自然历史博物馆内举办了一场世纪天文大辩论。

天文学家就“螺旋星云”的本质展开了激烈的讨论,换句话说,他们想要知道的是,银河系是否是宇宙的全部?

以哈罗·沙普利(Harlow Shapley)为首的天文学家主张银河系就是整个宇宙,螺旋星云不过是银河系内的一些气体云。而以希伯·柯蒂斯(Heber Curtis)为首的一方则认为,螺旋星云实际上是独立的“岛宇宙”,是可以与银河系相媲美的星系。

这场辩论以谁也没有说服对方结束,关于宇宙大小的迷思仍没有得到解决。

宇宙究竟有多大?

宇宙当中到底包含多少个星系?

宇宙中又有哪些惊奇的事物等待被发现?

1924年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)将当时世界上口径最大的胡克望远镜瞄准了夜空中的仙女座星云,在经历了许多个夜晚的搜索后,他终于找到了自己的目标——一颗明亮的造父变星。

这是一类亮度会呈周期性的变化的恒星,早在20世纪初,一位伟大的天文学家,亨丽爱塔·勒维特(Henrietta Leavitt)就谱写了丈量造父变星距离的方法,她发现了造父变星的光度和周期之间的关系。

根据勒维特发现的定律,哈勃计算出了那颗造父变星的距离,从而确认它不在银河系之内。仙女座星云实际上是与银河系相当的星系。

哈勃的发现不仅为世纪大辩论画上了句点,也让人们意识到,宇宙,远比想象中的巨大。

1929年,在对星系进行观测之后,哈勃再次得出了令人惊讶地结论——距离地球越远的星系,远离我们的速度越快。

这意味着什么?

过去,甚至连爱因斯坦都认为宇宙应当是静止不变的,但哈勃的观测结果却告诉我们,宇宙正在膨胀!

而在哈勃宣布这一发现的两年前,乔治·勒梅特(Georges Lemaître)就曾推测宇宙有一个开端。2018年,为了尊重勒梅特所做的贡献,国际天文联合会(IAU)将他们的发现重新命名为哈勃-勒梅特定律。

二 

弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)或许是天文学领域最不为世人所知的天才。

他的特立独行和桀骜不驯,使他的研究和预测经常被同事忽视。1925年,他进入了位于帕萨迪纳的加州理工学院。那里是一个适合进行研究的地方,在邻近的威尔逊山上,哈勃正使用胡克望远镜进行观测。

1933年,兹威基在研究了后发星系团后发现,星系团中的星系运动速度与已知的引力定律预测不符。

他大胆假设星系团中或许存在着大量看不见的物质提供了额外的引力来源。他将这些物质称为Dunkle Materie(德语,译为暗物质)

一年后,兹威基与沃尔特·巴德(Walter Baade)发表了一篇被誉为“史上最有远见”的文献之一。

他们提出当大质量恒星耗尽燃料时,恒星的核心会剧烈的压缩,以至于大部分电子和质子会挤压形成中子,最终留下一颗致密的中子星。而当时距离发现中子才仅仅过了两年。

他们还提出,恒星核心的内暴会引发外层的巨大爆发,从而形成超新星爆发。

兹威基还预测,超新星爆发会产生高速运行的亚原子粒子,即宇宙射线。

到了1937年,兹威基预测星系或星系团可以充当引力透镜。根据爱因斯坦的理论,当遥远天体发出的光线在经过天体和地球之间的星系团时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。兹威基这些看似疯狂的想法在后来都被证明是正确的。

宇宙是永恒存在的?还是有一个开端?勒梅特在上世纪20年代就给出了大胆的答案。

他认为宇宙始于一个遥远过去的炽热初始状态,他将自己的假设称为“太古原子”或“宇宙蛋”。到了1940年代,乔治·伽莫夫(George Gamow)与他的两位学生继续发展了勒梅特的思想,提出了热大爆炸宇宙学模型。他们还预言了在大爆炸不久后,应当还产生了今天仍然弥漫在天空中的热辐射。

1948年的愚人节,伽莫夫等人发表了著名的αβγ论文,解释了元素周期表中的氢、氦,以及更重的元素是如何从大爆炸中创造出来的。

但并非所有人都认同宇宙有个开端的说法。

同样是在1948年,弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)等人提出了稳恒态宇宙模型。这一模型认为随着宇宙膨胀,新的物质会不断地产生。有趣的是,“大爆炸”这一说法,实际上是霍伊尔在1949年为了讽刺伽莫夫等人的宇宙学模型才提出的。

而这一命名也带来了很大的误解,因为这里的大爆炸实际上指的是在过去的某一个时刻,宇宙开始不断膨胀。

1957年的10月,霍伊尔与其他三位科学家发表了一篇长达108页的论文《恒星中的元素合成》,详细地讨论了元素是如何在恒星生命周期的不同阶段形成的。

他们不仅解释了氢转化为氦的核合成过程,也阐明了像碳、氧、硅、铁等重元素的形成,还证明了超新星爆发是如何通过快中子捕获、产生金、铂和铀等元素,是恒星产生了生命所必须的元素,所以“我们都是星尘”。

同年10月,苏联的史普尼克1号在万众瞩目中发射升空。

这是第一颗进入太空的人造卫星,从此拉开了太空竞赛的序幕。

紧接着,史普尼克2号、探险者1号、月球2号……

它们带着不同的使命,相继升空。

在接下来的60几年,从地面上已经发射了许多的卫星和航天探测器。它们有的奔向火热的太阳,有的登上了月球表面,有的飞掠木星的大红斑,有的耗尽燃料坠入土星,有的甚至飞进了星际空间。

1960年代是大发现的时代。

1963年,马尔滕·施密特(Maarten Schmidt)探测到了一个强烈的射电源,类星体3C 273。

类星体看起来像是一个明亮的恒星。之后天文学家发现,其实类星体是星系中央的活动星系核,其中心包含了一个超大质量黑洞,而在黑洞的周围是一个吸积盘,并且会释放出相对论性喷流。

1964年,当阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时,接收到了一些未知来源的噪音。他们清理了鸟粪、移走了鸟巢,排除了一切可能性后发现噪音仍然存在。最终他们发现这些噪音实际上正是伽莫夫等人预测的大爆炸遗留下的热辐射,即宇宙微波背景辐射。

这一发现为宇宙起源之争画上了句号。

接下来的几十年,科学家陆续发射了COBE、WMAP和Planck卫星,绘制了越来越精确的宇宙微波背景图。天文学家通过分析宇宙微波背景,可以获取关于宇宙的年龄、形状、成分等信息。

1967年,乔丝琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell)通过射电望远镜探测到了一度被称作为“小绿人”信号的脉冲星。而脉冲星的本质其实就是快速旋转的中子星。

1960年代初期,天文学家在星际气体中只观测到了少数几种简单的分子,CN、CH、CH+和OH。

到了1968年,查尔斯·汤斯(Charles Townes)将一台射电望远镜指向了在射手座B2的分子云,并发现了氨分子。

今天,天文学家已经在星际介质中发现了约200种不同类型的分子。

除了这四大发现,越来越多的卫星、探测器被送往太空,人类也第一次飞向太空。

尤里·加加林(Yuri Gagarin)在1961成为首个进入太空的人。

尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)在1969年乘坐阿波罗11号抵达月球,成为首个踏足月球的人。

恒星、行星、气体、星系……这些发光的物质都属于普通物质。

上世纪70年代,薇拉·鲁宾(Vera Rubin)和肯特·福特(Kent Ford)发表了对仙女座星系自转曲线的研究。

在观测之前,他们预测看到的星系自转曲线应当与太阳系中的一样。在太阳系中,由于引力的作用与距离的平方成反比,因此靠近太阳的行星的运动速度要比远离太阳的天体快得多。如果把速度与距离的关系画出来,就会看到速度随着距离的增加而递减。

鲁宾等人专注于观测距星系中心不同距离的氢离子区,结果却发现无论氢离子区离中心多远,它们总是以相同的速度运行,而不是像预期中的那样逐渐放慢。

为什么?

有两种可能。一种是在星系范围,引力平方反比定律需要被修改。但所有最严苛的实验和观测都表明现有的引力理论仍然是正确的。另一种可能正如兹威基在上世纪30年代所预测的,星系中充满了大量看不见的暗物质,这也是大多数人所认同的。

但经过了几十年的搜寻,我们仍然没有发现暗物质粒子的本质。

中国的熊猫计划、悟空,以及中国暗物质实验都在通过”上天入地“的方式搜寻暗物质。

1974年,天文学家首次发现了脉冲双星系统,间接证明了爱因斯坦预言的引力波。

1979年,天文学家观测到了引力透镜效应,验证了茲威基曾经的猜想。如今引力透镜也被应用于暗物质的研究。

上个世纪70年代,天文学家逐渐发现,有一些现象是传统的大爆炸模型无法解释的。

例如,为什么宇宙各处的温度几乎都是一致的?为什么宇宙如此平坦?为什么今天的宇宙中没有磁单极子?

1981年,阿兰·古斯(Alan Guth)提出的宇宙暴胀认为,大爆炸之后,宇宙经历了一次指数式的膨胀。

如果是这样,那么以上提到的三个问题就会迎刃而解。

今天的宇宙之所以到处温度一致,是因为在遥远的过去,不同区域之间是相互“接触”的,直到暴胀将它们分开。

宇宙之所以平坦是因为暴胀将空间迅速拉开,抹平了空间中的原初曲率。

宇宙暴胀会使磁单极子互相远离,而当暴胀结束时,宇宙才再次变热,但再也无法达到创造它们时的高温。

已知的模型告诉我们,暴胀就发生在大爆炸后的10⁻³⁶秒,但究竟是什么触发了暴胀,我们还不知道。

上世纪90年代的开场白,有点浪漫。

2月14日的情人节,旅行者1号在距离地球数十亿千米之外的地方向后拍下了著名的“暗淡蓝点”,即我们的家园。

4月24日,以哈勃命名的哈勃太空望远镜升空,开启了宇宙观测的新时代。

它注定将成为探索宇宙历史中耀眼的功臣。

但在升空不久后,哈勃望远镜背后的团队就遭遇了严重的打击。因为望远镜传回来的图片画质全是模糊的。

幸运的是,在宇航员对镜片进行维修后,他们成功了。

1995年,在维修的第二年后,哈勃太空望远镜对准了大熊座方向的一小片区域,揭示了那看似空无一物的区域背后,实际上隐藏着数千颗遥远的星系。这也让我们首次意识到,宇宙中可能包含的星系数量远超想象。

到了1998年,当天文学家运用哈勃太空望远镜观测遥远的Ia型超新星后发现,宇宙正在加速膨胀!

科学家将造成宇宙加速膨胀的幕后推手称为“暗能量”。

今天,暗能量依旧是个谜团。天文学家无法确定它的本质究竟是一个固定不变的常数,还是一个随时间和空间改变的能量场。但可以确定的是,它的本质将决定着宇宙未来的命运。

在宇宙之中只有太阳系拥有行星吗?

答案是否定的。

其实人类探索系外行星的历史是很短暂的。

1992年1月,天文学家宣布他们首次确认了两颗太阳系之外的行星。但它们是绕着脉冲星旋转的。1995才发现第一颗绕着类太阳恒星旋转的行星。2019年的诺贝尔物理学奖也授予了为这一发现做出巨大贡献的科学家。

到了2009年,开普勒太空望远镜的成功发射,对探索系外行星具有划时代的意义。

开普勒望远镜所采用的探索方法被称为凌星法。这是指当行星从恒星和地球之间经过时,恒星发出的光的亮度就会下降。通过观测亮度的变化,就可以推测出许多信息。

在开普勒望远镜九年半的太空岁月中,它总共确认发现了2681个系外行星,以及2899个候选行星。

在总共5580个行星中,有大约50个可能与地球的大小和温度相似。其中只有十几个位于宜居地带。

截止到2020年10月1日,已确认的系外行星有4284个,其中76.1%都是通过凌星法发现的。

开普勒望远镜的继任者系外行星凌星巡天卫星(TESS),将继续肩负着寻找外星世界,以及可能包含生命的星球的使命。

2020年9月,天文学家宣布他们在星系M51内可能找到了行星。一旦确认,这将成为首个发现于银河系之外的行星。

在爱因斯坦提出广义相对论后,物理学家就通过求解理论的核心方程预言了宇宙中可能存在着黑洞。

上个世纪60/70年代,许多大物理学家都投入黑洞的研究。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在1974年提出的霍金辐射,更是吸引了前所未有的关注。

对于理论学家而言,黑洞领域充满了无限可能性。

时间来到2015年9月14日,在广义相对论的一百年后,地球上的激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了来自13亿光年外的双黑洞并合辐射出的引力波。

这是人类首次直接探测到引力波,也再一次验证了爱因斯坦的预言。引力波就好比是我们的“耳朵”,自此我们终于可以听到来自宇宙的声音。

在2017年8月17日,抵达地球的引力波更加特殊,因为探测到的引力波是来自双中子星的并合,所以天文学家也同时观测到了电磁波信号,开启了多信使时代。

2019年4月10日,事件视界望远镜团队在经历了漫长的数据分析后,公布了距地球5500万光年外的黑洞的照片。

这个黑洞位于M87星系中心,是一个超大质量黑洞,质量为太阳质量的64亿倍。进一步的观测或许将揭开邻近黑洞的吸积盘和喷流的许多谜题。

过去,已观测到的黑洞有两种:恒星级黑洞和超大质量黑洞。但在2019年5月21日,天文学家探测到了一起黑洞引力波并合事件。66倍和85倍太阳质量的黑洞并合形成了一个质量为142倍太阳质量的黑洞,这是中等质量黑洞存在的直接证据。

2020年,新的时代已然开始。相较于100年前,我们对宇宙的了解已经有了长足的进展。

现在我们知道,自大爆炸开始,宇宙已经经历了138亿年的演化。在半径约为460亿光年的可观测宇宙内包含了至少2万亿个星系,每个星系都包含了数量庞大的恒星和行星。而更令人惊奇的是,这些天体只构成了宇宙总质量和能量的5%,余下的则是26%的暗物质和69%的暗能量。

这会是故事的全部吗?

宇宙中还有哪些新的事物事物等待被发现?

宇宙之外又有什么?

……

有的问题或许难以有确切的答案 ,但我们仍期待着每一次探索所能带来的惊喜。

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仙女座星系:Adam Evans/Wikimedia Commons、胡克望远镜:Craig Baker/Wikimedia Commons、兹威基:Caltech Archives、中子星:NASA、超新星:NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes/STScI、Sputnik 1:Gregory R Todd /Wikimedia Commons、CMB:WMAP、脉冲星:Mysid/Wikimedia Commons、星际分子:ESO/Digitized Sky Survey 2/L. Calçada、类星体:International Gemini Observatory / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld、NGC1232:ESO、古斯的笔记:SLAClab、超新星:UNIVERSITY OF WARWICK/MARK GARLICK ALL RIGHTS RESERVED. COPYRIGHT MARK A. GARLICK、开普勒望远镜:NASA Ames/ W Stenzel、Vera Rubin:Vassar College Archives and Special Collections、黑洞并合:Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery、M87黑洞:EHT、Virgo探测器:The Virgo collaboration/CCO 1.0、ALMA:Iztok Bončina/ESO

参考来源:

https://arxiv.org/abs/2009.08987

https://arxiv.org/abs/2009.08987

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文 & 设计:原理,审校:苟利军(国家天文台)

太烧脑,引力波首次发现质量“禁区”的黑洞

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),作者:Davide Castelvecchi,头图来自:视觉中国

天文学家利用引力波探测到了迄今为止最强大、最遥远、最令人费解的黑洞碰撞。这两个庞然大物在宇宙年龄只有现在一半时发生了融合,至少有一个黑洞重达太阳的85倍——天文学家曾认为这么大的质量不会发生此类事件。


根据研究人员的估计,这次并合产生了一个将近150倍太阳质量的黑洞,而这个质量范围内的黑洞之前从来没有确定性地被观测到过。

两个黑洞碰撞的艺术示意图。来源:Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library

“这次发现的方方面面都叫人目瞪口呆。”荷兰莱顿大学的计算天体物理学家Simon Portegies Zwart说。特别是它证实了“中等质量”黑洞的存在:这类天体的质量比典型恒星要大得多,但又没有星系中心的超大质量黑洞那么大。

澳大利亚莫纳什大学的理论天体物理学家Ilya Mandel称其是“超出预期的奇妙发现”。

描述此次事件的两篇论文已于9月2日发表[1,2],事件由美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的两台探测器和意大利稍小的室女座引力波探测器(Virgo)在2019年5月21日检测到,并根据发现时间命名为“GW190521”。

质量禁区

2015年至今,LIGO和Virgo通过探测引力波带来了关于宇宙的全新认识。这些时空涟漪能揭示一些很难观测到的事件,比如用普通望远镜通常难以发现的黑洞并合。

根据引力波的性质,比如频率变化,天体物理学家就能估算出在绕旋并合过程中产生这些引力波的天体的大小和其他性质。这种方法彻底改变了黑洞研究,为几十个黑洞提供了直接证据,这些黑洞的质量从太阳质量的几倍到约50倍不等。

这些质量与“传统”方式形成的黑洞相符,所谓传统方式是指非常大的恒星在燃料燃尽时,在自身重量作用下发生坍缩。但传统理论认为,恒星坍缩不会产生质量在65倍到120倍太阳质量的黑洞。这是因为在接近寿命终点时,特定大小范围内的恒星的中央会变得非常炽热,会开始把光子变成粒子和反粒子对,这种现象也被称为对不稳定性(pair instability)对不稳定性会引发氧原子核聚变爆炸,让整个恒星四分五裂,完全瓦解。

在最新发现中,LIGO和Virgo探测器只捕获到了绕旋并合的黑洞产生的最后四次引力波,频率在1/10秒内从30赫兹增加到80赫兹。相对偏小的黑洞会继续向更高的频率上调,但非常大的黑洞会更快并合,几乎不会进入探测器最灵敏的低频范围。 

在本次事件中,两个黑洞的质量估计是太阳质量的85倍和66倍。“这基本落在了我们所说的对不稳定性质量间隙(pair-instability mass gap)内。”美国西北大学的LIGO天体物理学家Christopher Berry说。

哈佛大学天体物理学家Selma de Mink把对不稳定性的下限放得更低,大概在45倍太阳质量,这让两个天体中较轻的那一个也铁定进入了禁区。“在我看来,两个黑洞都大得离谱。”她说。 

非主流黑洞

为了对观测结果作出解释,LIGO研究团队考虑了各种可能性,包括这两个黑洞可能在时间之初就存在了。几十年来,研究人员一直推测在大爆炸之后不久可能同时形成了这种大小不一的“原初”黑洞。

研究团队假设的主要情景是,这些黑洞之所以变得这么大,是因为它们本身也来自之前黑洞的并合。恒星坍缩形成的黑洞应该充斥在致密星团中,原则上可以经历反复并合。但即使是这种场景,也是不确定的,因为首次并合后的黑洞,一般会被引力波“踢”一下,把自己从星团里抛射出来。只有在极少数情况下,这个黑洞会依旧停留在可能再次发生并合的区域里。

如果这些黑洞停留在它们所在星系十分拥挤的中央区域,后续并合就更有可能发生,Selma de Mink说,那里的引力足够强,可以防止反冲天体被抛射出去。

尚不清楚这次并合究竟发生在哪个星系。但一组研究人员发现,太空中同一个区域的一个类星体——由一个超大质量黑洞驱动的一个异常明亮的星系中心——在GW190521发生约一个月后产生了耀斑现象[3]耀斑可能是反冲黑洞产生的类星体高温气体中的一个激波,但许多天文学家对这两个现象的相关性持谨慎态度。

这是LIGO-Virgo合作团队今年第二次涉足质量“禁区”了 。今年6月,他们描述了一个涉及约2.6倍太阳质量的天体的并合事件——这个质量一般对于黑洞来说太轻了,对于中子星来说又太重了[4]

参考文献:

[1]Abbott, R. et al. Phys. Rev. Lett. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102 (2020).

[2]Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493 (2020).

[3]Graham, M. J. et al. Phys. Rev. Lett. 124, 251102 (2020)

[4]Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f (2020).

原文以‘It’s mindboggling!’: astronomers detect most powerful black-hole collision yet为标题发表在2020年9月2日的《自然》新闻版块

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),作者:Davide Castelvecchi        

金星七问

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:不二北斗,题图来自:视觉中国

地球之外真的有生命吗?这是一个我们一直想要知道,也努力在寻找答案的问题。当天文学家还在为火星上的甲烷能否作为生物特征而争论时,一项新的发现却为天文学家带来了新的争论的课题:磷化氢(PH₃)能否作为寻找地外生命的化学特征?

9月14日,天文学家宣布,他们利用夏威夷和智利的射电望远镜,在金星的大气中探测到了磷化氢的光谱线。这是否意味着我们在金星上发现了生命的迹象?现在,还远不到下结论的时候。正如卡尔·萨根所说:“ 非凡的主张,需要非凡的证据。”

一、金星那么热,有适合生命生存的环境吗? 

太阳系,金星位于水星与地球之间。图片来源:Wikipedia

金星通常被称为地球的孪生兄弟,这颗与地球相邻的行星在大小、质量和岩石组成上都与地球相似。但不同的是,地球是一颗宜居的星球,有温和的海洋和湖泊,而金星对于任何生命来说都是一个非常严酷的环境。金星虽然也有着厚厚的大气层,但其表面温度可高到470℃,大气压强是地球海平面的90倍,令人窒息的金星大气比地球上最干燥的地方还要干燥

不过这次,新的研究在距离金星地表约50到60千米的大气中探测到了磷化氢,这一部分的金星大气相对温和,有着可能适合生命生存的环境,其大气压强与温度条件与地球地表有些相似。

 二、磷化氢是一种什么物质? 

金星的艺术构想图,图中的小框显示了在大气层中检测到的磷化氢分子。| 图片来源:ESO / M. Kornmesser / L. Calçada & NASA / JPL / Caltech

在金星上发现的磷化氢是一种高活性、易燃、极臭的有毒气体。磷化氢的原料是磷,在金星大气中,磷是由前苏联的维佳探测器在上世纪70年代所探测到的,他们发现它以氧化分子P₄O₆的形式出现。

在地球上,磷化氢的唯一天然来源是生活在无氧环境中的微生物。地球上的微生物是通过“厌氧”过程产生的磷化氢的。我们可以在成堆的企鹅粪便、獾和鱼的内脏中发现这种气体,这种腐烂的“沼气”能与大气中的微粒发生反应。

 三、如何确定探测到的是磷化氢? 

夏威夷的JCMT望远镜所收集到的数据中,表明金星的大气层中有磷化氢存在的迹象。| 图片来源:W Montgomerie/JCMT/EAO

通常来说,研究人员可以使用光谱学来分析大气中的气体成分。光谱学会研究光如何与分子相互作用。当阳光穿过金星的大气层时,每个分子都会吸收特定的颜色的光。利用地球上的望远镜,研究人员就可以将这些光分解成巨大的“彩虹”,而金星大气中所存在的每种类型的分子,都会在“彩虹”中产生特定的黑色吸收线,就像可识别的特殊条形码一样。以CO₂为例,它会在光谱的红外区域留下吸收线的痕迹。金星上的磷化氢是由射电望远镜ALMA和JCMT在毫米波波段探测到的。

 四、此次分析还用到了什么新技术? 

可见光光谱中的显示的黑色“条形码”,这些条形码代表着不同的原子和分子。| 图片来源:N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

这次在金星上探测到磷化氢,不仅依赖于天文观测结果,还得益于对这种分子的“条形码”的更详尽了解。研究人员利用计算量子化学,将目标分子输入电脑中,再解出描述其行为的方程式,来预测分子在不同区域的条形码的强度,对所有相关频率上的磷化氢的条形码进行了精确预测。再根据观测数据,研究人员调整了他们的模型,为天文学家描绘出了168亿条磷化氢条形码。

这一技术原本是用于研究木星和土星,以及一些恒星和遥远的像木星一样的系外行星。直到最近,天文化学家发现,在小型的岩石系外行星上,磷化氢不应该以可被探测到的浓度的形式出现,除非那里有生命存在。因此,在太阳系内的这颗红色岩石行星上发现磷化氢后,天文学家将考虑或许我们可以直接向金星发送探测器,以直接寻找微生物了。

五、在行星上发现磷化氢意味着什么? 

 具有恶臭和毒性的磷化氢分子,究竟是什么产生的?| 图片来源:NASA & MIT

地球大气中的PH₃含量非常微小,它在大气中的浓度在万亿分之几(ppt)的数量级上,且非常容易在地球大气的氧化过程中迅速被破坏。事实上,这种分子之所以能存在于地球大气中,正是因为地球微生物会不断地产生这种分子。因此,在岩石星球的大气中发现磷化氢,可被认为是那里有生命存在的潜在标志。

不过,现在就断言金星上的磷化氢与生命有关还为时尚早。在此之前,科学家也曾在木星和土星(气态巨行星)上发现过磷化氢,但那里并没有生命的迹象。科学家们认为,这些磷化氢是在大气深处的高压和高温下形成的,然后通过强烈的对流进入高层大气。

六、还有其他过程能产生磷化氢吗? 

 金星上的火山模拟。| 图片来源:NASA-JPL

除了生命之外,闪电、云层、火山和陨石撞击都有可能产生一些磷化氢,但由这些过程产生的磷化氢,不足以与磷化氢在金星的高氧化性大气中会受到的迅速破坏相抗衡。新研究发现,金星大气中所含有的磷化氢含量要低于木星和土星(约4.8ppm,即百万分之4.8),仅为20ppb(十亿分之20),但仍高于地球含量。这是无法忽视的高浓度,目前,科学家所能够想到的所有可在金星上制造磷化氢的化学过程,都无法给金星上的磷化氢浓度给出一个合理解释。

七、是否可能由某种已灭绝的生物制造? 

 图片来源:Wikimedia Commons

研究人员计算了金星上磷化氢的寿命,发现它们在被破坏之前的存在时间不超过1000年。所以一定有什么东西在向大气中不断地补给磷化氢,才能达到探测到的浓度。如果可能产生这种气体的是已经灭绝的生物,那它们的灭绝一定发生在不久之前。从行星的时间尺度来看,这种可能性显然是很低的。

过去,天文学家也曾在金星的大气层中发现过可能意味着与生命有关的分子存在,但这些分子除了与生命相关之外,还有无数种解释可以描述它们为何存在。而这次,由于我们认为在岩石行星上,只有生命才有可能产生磷化氢分子,使得新的发现尤其令人兴奋。

现在,一部分研究人员正在计划前往金星,以求更好地研究金星的地质和构造,进而找到金星上是否有生命存在的确切证据。

参考来源:

https://ras.ac.uk/news-and-press/news/hints-life-venus

https://theconversation.com/life-on-venus-traces-of-phosphine-may-be-a-sign-of-biological-activity-146093

https://www.sciencenews.org/article/phosphine-gas-found-venus-atmosphere-possible-sign-life

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:不二北斗

天文学家首次发现中等质量黑洞确实存在:一段引力波信号可作证明

原标题:天文学家首次发现中等质量黑洞存在的证据

中新社休斯敦9月2日消息,天文学家2日在《物理学评论通讯》和《天体物理学杂志通讯》发表研究报告称,发现的一段引力波信号可证明中等质量黑洞确实存在。

美国有线电视新闻网消息,天文学家当日表示,他们发现的这个中等质量黑洞大约是太阳质量的142倍。

据欧洲南方天文台4月16日发布消息,天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜首次观测到一颗围绕银河系中心超大质量黑洞运动的恒星,正好符合爱因斯坦广义相对论的预测。恒星运动的轨道是玫瑰花形的,不像牛顿引力理论所预测的椭圆。

黑洞是一种体积极小、质量极大的天体。根据质量不同,一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。截至目前,科学家们发现了不少恒星级和超大质量黑洞。中等质量黑洞间于两者之间,质量为太阳的100到1000倍。迄今为止,科学家没有发现任何证据证明它们的存在。

天文学家称,2019年5月21日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲处女座引力波探测器(Virgo)探测到一段微弱的信号:历时1/10秒的四条扭动的线条。在通过四种不同的算法对这段信号进行测量后,天文学家认为它可能是距今约70亿年前,在一个中等质量黑洞的形成过程中释放出的引力波信号。

天文学家认为,约70亿年前,质量分别为太阳的66倍和85倍的两个黑洞,它们靠得很近,相互围绕着对方快速旋转,最终碰撞在一起,形成了上述的中等质量黑洞,并在整个宇宙中释放出相当于7倍太阳质量的物质,还在宇宙结构中产生了涟漪,这种涟漪即为引力波。

当地时间4月2日,由NASA提供的图片显示了一颗恒星被一个有数万个太阳质量的黑洞撕碎的现场模拟图片,画面壮观瑰丽。

这段引力波源被命名为GW190521。据美国科技网站“TheVerge”报道,有研究人员认为,这一引力波信号不一定是黑洞合并时产生的。研究报告则表示,虽然只捕捉到了微弱的信号,然而,黑洞合并是对这段信号的最简单且最合理的解释。

对于这一发现,麻省理工学院天文学家塞尔瓦多·维塔勒(Salvatore Vitale)称,探测到这一微弱信号是十分罕见的事情。LIGO科学合作编辑委员会会员克里斯托弗·贝瑞(ChristopherBerry)表示,这一发现有助于解开天体物理学中最大的谜团之一——超大质量黑洞是如何形成的。

锂元素从何而来

锂(Li)是一种应用广泛的元素,从制药到电池制造,都有锂的身影。锂是从哪里来的呢?或许你会对这个显而易见的问题嗤之以鼻——当然从地球上开采的啊。但这里想要追问的是锂的宇宙起源。要回答这个问题并不容易,其实直至今日,科学家都无法为这个问题提供一个清晰明确的答案。

由SOHO空间望远镜拍摄的太阳。| 图片来源:SOHO/NASA

最近,一个国际天文学家团队在研究了成千上万颗类太阳恒星(质量和金属丰度与太阳相似)之后,意外地发现在这些恒星的生命末期,会产生大量的锂。而这一结果之所以让天文学家倍感意外,是因为现有的恒星模型并没有预测到会出现这样的情况,这表明现有的恒星理论中一定缺失了某些重要的物理过程。

锂是一种非常特殊的元素,它是138亿年前当宇宙大爆炸发生时就产生了的唯一金属。自那之后,随着恒星的演化,大量的其他元素开始产生。然而作为从一开始就已存在的金属,锂的增长量却并不显著。宇宙中只含有为数不多的锂。与此同时,科学家无法确认这些锂的来源。

锂(Li)是元素周期表中的第三号元素,原子核中有3个质子。| 图片来源:geralt / Pixabay

今天,锂的来源仍是一个让科学家们争论的问题。有人认为,锂是由高能宇宙射线与星际空间中的较重的碳和氧等元素发生撞击,将它们分裂成较轻的原子所产生的。

在天文学家看来,锂是一种很脆弱的元素,因为它们很容易毁于恒星内部的高温之中。通过分析星光光谱,天文学家能确定一颗恒星所包含的各种元素的含量。从过去的对恒星表面的锂的观测中,天文学家已经得出一个结论,那就是随着恒星的变老,恒星中的锂会逐渐被摧毁。

那么,这一结论适用于所有恒星吗?答案是否定的,一组被称为“富锂巨星”的恒星就是例外。这些恒星于40年前首次被发现,它们的含锂量是其他巨星的1000倍。富锂巨星并不常见,约只有1%的巨星是富锂巨星。在很长一段时间里,富锂巨星的确切进化阶段都是未知的,它们是如何、在何时产生锂的一直是一个谜。

所有类太阳恒星在燃烧完它们核心的所有氢之后,最终都会变成红巨星,它们会变得更亮,颜色更红,体积会扩大数百倍——甚至吞没掉原本环绕它们运行的行星。

这是一张由哈勃空间望远镜拍摄的显示了恒星生命的不同阶段的图片,图中包含年轻的蓝热恒星和年长的红巨星。新的研究集中关注红巨星中的锂含量。| 图片来源:NASA & ESA & T. Brown

当恒星变成巨星时,它们会先后经历三个不同的巨星阶段:红巨星支(RGB)、红团簇星(RC)、渐进巨星支(AGB)。处于这三个不同的阶段中的恒星在颜色和亮度上都很相似,所以了解富锂的恒星在产生锂时正处于哪一个阶段至关重要。而在研究富锂巨星如何产生锂这个问题时,天文学家所面临的一个主要难题就在于,他们难以确切地得知这些富锂巨星究竟红巨星的哪个阶段。

在众多理论中,有一种已被广泛接受的主流说法。2011年,有天文学家提出,富锂巨星很可能处于第二巨星阶段,即红团簇星(RC),后来的一些实验观测也让这种说法得到了更进一步的证实。天文学家基本确定,绝大多数的富锂巨星都是红团簇星。

在最近发表的这项新研究中,研究人员通过分析100多万颗恒星的数据,对富锂巨星进行了进一步研究。其中有20万颗类太阳恒星样本证实了富锂恒星的确处于红团簇星阶段的说法;而在早于红团簇星阶段的红巨星支阶段,研究人员检测到了锂被摧毁的迹象,这一结果是符合理论预期的。

然而就在此时,天文学家注意到了一些奇怪的现象。他们发现虽然其他一些处于红团簇星阶段的恒星的锂含量不是非常高,但它们锂含量比处于红巨星支末期的恒星要多得多。这似乎表明,这些恒星在从红巨星支过渡到红团簇星的过程中产生了锂。

而且,所有处于红团簇星阶段的恒星似乎都比处于红巨星支阶段的恒星含有更多的锂。这意味着在未来的某个时刻,太阳也会像这些类太阳恒星一样产生大量的锂。

总的来说,虽然研究人员还没有彻底解开锂的富集究竟是如何发生的,但根据已有数据,天文学家已经能对其发生频率进行判断。新的研究表明,所有的类太阳恒星可能都会出现锂的富集现象,而且它们就发生在红巨星支阶段结束和红团簇星阶段开始之间的某个时间。

实际上,通过研究只占巨星总量的约1%的富锂星,天文学家或许只窥探到锂元素问题的冰山一角。在接下来的研究中,天文学家将尝试更精确地确认锂生产的时间点。这样的研究将有助于恒星理论学家确认目前恒星理论中所缺失的关于锂生产的物理过程。

此外,有一部分新产生的锂会以恒星风的形式从恒星中被带走。天文学家可以通过研究这一现象来了解恒星为星系提供了多少锂,从而最终分析出它们是如何将锂带到了像地球这样的行星之上的。

参考链接:

https://theconversation.com/revealed-the-suns-secret-plan-to-become-a-lithium-factory-141976

https://www.nature.com/articles/s41550-020-1139-7

封面图来源:NuSTAR

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来源:中科院高能所

能量足以毁灭太阳10万次的极超新星是如何诞生的?|超新星|太阳

新浪科技讯 北京时间7月21日消息,据国外媒体报道,极超新星(hypernovae)是宇宙中最强大的超新星爆发,比典型的超新星亮10到100倍。这些能量足以将我们的太阳完全毁灭10万次,或者足够供应我们现在的世界在接下来的1000亿亿亿年的总能源消耗。

然而,尽管极超新星的威力毋庸置疑,但它们也极其罕见,在过去几十年完成的宇宙调查中,天文学家只观测到了几十个例子。很少有人知道极超新星的存在,甚至天文学家们都很难对它们进行分类:有时称它们为“极超新星”,有时又称它们为“超级明亮的超新星”,有时又将它们归为常规超新星的各种子类。由于信息非常有限,天文学家甚至难以理解它们是如何形成的,以及是什么使它们的能量如此巨大。

以下就是天文学家认为推测的几种极超新星形成方式。

黑洞

当大质量恒星死亡时,往往会伴随着剧烈的爆炸而消失。在它们生命的最后几分钟,会形成致密的铁和镍核。与较轻的元素不同,铁的聚变会消耗能量,而不是释放能量。由于没有能量支撑恒星自身大气的压倒性重量,恒星就发生了灾难性的坍塌。

然而,就在这颗恒星生命的最后时刻,它被压扁的核心转变成一个几乎完全由中子组成的球,短暂地停止了坍缩,并引发了一次巨大的反弹,随后就发生了壮观的爆炸,这就是超新星爆发。

有时,残余的核心会留存下来,并像中子星一样,过渡到一个安静的、永恒的退休状态。但是当恒星的质量是太阳的40倍或更多时,这个由中子组成的致密球体就无法抵抗万有引力的巨大挤压,甚至连一丝抵抗的机会都没有。另一些时候,对于较小的恒星而言,如果条件合适,就会有足够的物质在最初的爆炸之后坍缩为新生的中子星。

在后两种情况下,中子星都会自我折叠,没有任何东西能够阻止引力做它最擅长的事情:使物体变小。于是,不可阻挡的引力终极来源就出现了:一个黑洞诞生了。

如果这颗恒星快速旋转,那么在无数吨物质的旋转和流入新生黑洞的同时,电和磁的作用会愈加猛烈,创造出发射物质喷流的合适条件。这些物质从黑洞中喷射而出,速度接近光速。这些喷流随后会与最初爆炸时产生的一切抛射物猛烈撞击,在猛烈的爆炸中重新点燃它们,从而形成我们在天空中看到的一些极超新星。

极超新星与伽马射线

虽然黑洞模型能够解释极超新星的一些行为,但并不能解释所有的现象。这些巨大爆炸的另一个潜在来源可能是恒星自身的核心。

在巨型恒星的核心内部,元素融合并以辐射的形式释放能量。这种辐射推动着周围的气体,将其从引力坍缩中支撑起来。这一切相当完美,可以让恒星持续运转数百万年甚至数十亿年。但是,你知道电子如何与它的反粒子,也就是正电子结合起来,并释放出纯能量吗?这是一种高能辐射,以伽马射线的形式出现。事实上,这一过程反过来可以很容易地发生:如果有一束高能伽马射线,某一天它可以自发地变成一对粒子,即一个电子和一个正电子。

因此,在一颗恒星核心的“熔炉”中,这种粒子的“成对产生”一直发生着。电子和正电子很快就会找到对方,再次变成辐射,使恒星维持自身平衡。但是,如果这个循环失去平衡,哪怕只有一点点,就会形成过多的粒子对。如果发生这种情况,在粒子再次变成伽马射线之前的超短时间内,恒星就无法继续维持。

在刹那之间,一颗比太阳大几十倍的恒星就崩溃了,在一场超新星爆炸中释放出远超过正常水平的能量,从而导致极超新星爆发。

相邻恒星爆发

有时恒星会自行消亡,就像上述的几种情况。但有时,恒星会在“朋友”的注视下死去,事情会很快变得非常糟糕。当一对恒星中的一颗爆发并留下一颗中子星后,它的恒星“兄弟”也会被激发,发生剧烈的爆发。

另一些情况下,如果条件合适,爆发的恒星会向其中子星邻居倾倒足够多的物质,从而引发失控的核反应。这和激发Ⅰa型超新星的爆发过程是一样的,只是规模放大了。换句话说,这就是极超新星。

目前天文学家尚不确定哪种机制最为常见,但无论自然界以何种方法制造出这些无比壮观的事件,这都将是天文学中最引人入胜的课题之一。(任天)

潮科技 | 不只是“星链”,天文学家还担忧其它大星座_详细解读_最新资讯_热点事件

图 | OneWeb

编者按:本文来自微信公众号“航小宇”(ID:hangxiaoyucasc),作者航小宇,原文题目《不只是“星链”,天文学家还担忧其它大星座》,36氪经授权发布,略有删减。

过去一年里一直在担忧太空探索公司“星链”卫星影响的天文学家们称,他们还越来越担心其它拟建巨型星座的影响。

去年5月首批60颗卫星发射后,天文学家对于“星链”卫星会带来的影响变得警觉起来。打那以来,美国天文学会(AAS)下设的一个委员会就一直在同太空探索公司商讨对策。该公司先是在1月份发射了一颗实验性的“暗星”,对其表面做了暗化处理,以减少阳光反射。它接下来又在6月3日最新发射的一批“星链”卫星中安插了一颗“罩星”,想利用遮阳罩来挡住阳光,使其不要照到卫星各个反射面上。

“罩星”效果到底如何需等其进入最终轨道后才能测定,但天文学家表示,他们对于太空探索公司在该问题上所采取的配合态度感到高兴。史密斯学院的洛温撒尔6月3日在AAS第236届会议的一场新闻发布会上说:“最起码来说,太空探索公司正在向这些技术解决方案投入大量资源。”

然而,想建巨型星座的并不只有太空探索公司。洛温撒尔说,天文学家们同其它卫星运营商进行的磋商要少多了。他6月2日在会上做报告时说,“我们只同一网开过一次电话会议,但然后他们就宣布破产了”;“我们同其它运营商还没有开展过重要的对话”。

包括一网在内的一些公司新近提出的星座扩建方案让问题变得更加严重。尽管已在3月份申请美国破产法第11章下的破产保护,但一网5月26日向美联邦通信委员会(FCC)提交了把其星座卫星数量增至4.8万颗的方案,称这是为了给其“带来更大的灵活性,以满足正在快速增长的全球连通性需求”。

密歇根大学的塞策在会上称,“局面肯定是变得更糟了”。塞策一直在研究“星链”等星座项目对天文学的影响。一网等公司新提交的方案将会让各拟建系统组网卫星总数在原先6万颗的基础上再增加多达5万颗。塞策说,这是个非常严重的问题。

一网的方案是把卫星部署到约1200公里高的轨道,远高于“星链”的550公里。塞策说,在那个高度上,卫星在日落后和日出前能被看到的时间将更长。根据研究,从智利在建的维拉·鲁宾天文台观测时,在一种情况下,到夏季整晚都将随时有至少500颗卫星能被看到。在那一高度上,假如新星座仍采用与一网现有卫星类似的设计,那些卫星将不足以用肉眼看到。不过,塞策说,它们的亮度仍将足以让鲁宾天文台的灵敏仪器饱和,从而干扰观测。

其它天文台也对这些新星座项目心存担忧。洛温撒尔在发布会上说,AAS对全球各地23家天文台进行了相关调查,首先是“星链”一期1584颗卫星会造成的影响。他说,参与调查的大多数天文台都表达了严重担忧,认为这会带来严峻挑战,并预计这会造成大笔的费用。他说,受影响的研究包括无法避开从视场内穿过的卫星的宽视场巡天观测以及时效性要求很高的瞬变现象观测。

洛温撒尔说,在被要求就各巨型星座在轨卫星总数达到2万颗时会带来多大影响做出评估时,大多数天文台都表示,这将会让它们的几乎所有观测都受到影响。他说,约有半数的天文台表示,他们的设施将会出现关键性失效。

AAS将在6月底举行一场在线研讨会,以同天文学家和卫星公司讨论这一问题。洛温撒尔说,除太空探索公司外,正在研制名为“柯伊伯项目”的一个卫星系统的亚马逊也打算参加。他说,那些提出要建巨型星座的公司是否都会成为“好市民”不得而知。他警告说,这类系统有可能会在夜空中“拉上百叶窗”。

天文学家发现了一类新的宇宙爆炸现象|宇宙|爆炸

来源:cnBeta.COM

据外媒SlashGear报道,天文学家们近日发现了两个新天体,这来个天体是2018年发现的奇特天体的补充,它们结合在一起构成了一类新的宇宙爆炸。这类新型爆炸与大质量恒星的超新星爆炸和产生伽马射线爆发的爆炸有一些共同的特征。尽管有相似之处,但这种新的爆炸类别与其他类别的爆炸有着明显的区别。

2018年6月,天文学家首次观测到了一个具有惊人特征和行为的宇宙爆炸。该天体被称为AT2018cow,或被昵称为“奶牛”(The Cow)。由于该天体与超新星爆炸具有一些共同的属性,但在一些关键特征上又有所不同,因此“奶牛”引起了全世界科学家的关注,并被广泛研究。这两个新的爆炸是CSS161010和ZTF18abvkwla或 “考拉”(The Koala)。第一个是在2016年被发现的,距离地球约5亿光年。

另一个是在2018年发现的,距离地球34亿光年。这两个天体都是通过使用类似可见光的望远镜扫描大面积夜空的自动天体勘测发现的。研究 “考拉”的科学家们注意到,该天体的射电波发射量与伽马射线暴的射电波发射量相当。调查CSS161010的研究人员说,它以超过光速一半以上的速度向星际空间喷出了“令人意想不到的”物质。

在这两种情况下,后续观测表明,这两个天体与“奶牛”有着共同的特征。科学家们得出的结论是,这些事件被称为“快速蓝色光学瞬态”(FBOTs),代表了一种明显不同于其他类型的恒星爆炸。快速蓝光瞬态的开始方式与某些超新星和伽马射线爆发的开始方式相同,差异表现出来的地方是在最初的爆炸之后。

科学家们确定,“快速蓝色光学瞬态”具有其他类型爆炸中看到的所谓 “引擎”,但它被厚厚的物质包裹着,很可能是恒星在爆炸前脱落的。爆炸后,当恒星附近的厚厚物质被爆炸后的爆炸波冲击,就会出现明亮的可见光爆,这就是这些天体的不同寻常之处。科学家们表示,致密物质的笼罩意味着原生恒星与导致伽马射线爆的恒星不同。科学家们认为,像这样的爆炸发生在小型的矮星系中,这些星系的特性允许一些非常罕见的恒星演化路径并导致了独特的爆炸。