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2003年顶级天文学故事

探索有史以来发现的最古老的行星,揭示早期行星形成以及外星生命存在的可能性。

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对外星人的好消息

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7月,一个国际科学家团队宣布他们发现了有史以来最古老的行星,这是一个重要的发现,因为它表明在宇宙中找到生命的可能性大大增加。

人们曾认为行星是宇宙派对的迟到者,在星系和恒星形成很久之后才出现,而且只有当碳和硅等重元素在宇宙中积累起来时才会形成。但这个拥有127亿年历史的行星,一个质量是木星两倍多巨大的气态球体,打破了这种观点。

自1992年以来,天体物理学家就知道那个地方有东西存在,当时无线电信号暗示了某种存在。但大多数人认为未知质量只是一个小恒星或褐矮星,尤其因为它位于M4,一个被认为不含重元素的球状星团。当宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家Steinn Sigurdsson根据一系列哈勃太空望远镜的观测得出该天体是一颗行星的结论时,研究人员感到震惊。

Sigurdsson及其同事详细追溯了这颗未命名行星的曲折历史。它形成于M4外围的一颗黄矮星周围。然后,在大约20亿到30亿年前,它和它的恒星迁移到星团拥挤的中心,并遇到了一颗与一颗白矮星成对的中子星。

中子星捕获了行星和它的太阳,白矮星被弹开,整个系统被抛向星团的郊区。黄矮星最终演化成一颗红巨星,并将它的质量转移给了中子星,中子星加速旋转,成为一颗脉冲星。红巨星变成了白矮星。今天,我们可以看到这颗白矮星和行星绕着脉冲星运行。

Sigurdsson预测,再过10亿年,这个系统将再次迁移到星团的中心,在那里与其他恒星的碰撞将使这个组合分崩离析,“让行星独自漂浮在恒星之间的空间中,”他说。

Sigurdsson说,这颗遗迹的存在表明,非常早期的行星形成是很普遍的。这意味着生命可能在比任何人预期的早50亿到60亿年前就已经进化了。

--Kathy Svitil

已定位伽马射线暴源

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4月,一个天文学家团队终于证实了神秘的高能伽马射线暴的来源,这些伽马射线暴每天随机地充斥着宇宙大约两次。这次发现始于3月29日凌晨6:37,当时哈佛大学天文学家Krzysztof Stanek的呼叫器响了。是NASA的高能瞬态探测器卫星在呼叫。

探测器在狮子座发现了一个强大的伽马射线闪光。几秒钟内,Stanek和世界各地的其他研究人员就获得了坐标,以便他们能够将望远镜对准这次爆发——这是高能卫星探测到的最亮的爆发。

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在峰值时,这次爆发非常强大,几乎肉眼可见,发出的辐射量是太阳耀斑的1亿亿倍。“在短短几秒钟内,它产生的能量相当于我们的太阳在100亿年内产生的能量,”Stanek说。

天文学家曾推测,伽马射线是由一个名为“超新星”的大型超新星喷射出的物质流与恒星外层相互作用而产生的。但没有人有实际证据,因为伽马射线暴非常短暂且难以定位。

这一次,Stanek及其同事指示位于亚利桑那州霍普金斯山顶的6.5米多镜望远镜,在事件发生后的12天内收集了详细的光谱。天文学家计算出,如果一次超新星爆发产生了伽马射线暴,那么在接下来的一周内会出现一种独特的光。Stanek说:“这正是发生的情况。而且每天,随着超新星的增强,(光谱中的)线条都在演变。毫无疑问,那里有一颗超新星,并且它引起了这次爆发。这解决了这个问题。”

--Kathy Svitil

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已探测到原始恒星点燃的迹象

2002年底,Wolfram Freudling和他的两位同事获得了哈勃太空望远镜的观测时间,以研究宇宙早期原始的几天,即恒星爆炸将重元素播撒到星际空间之前。4月份公布的结果令他们大失所望。大爆炸后不到10亿年,宇宙就已经显示出明显的恒星污染迹象,这意味着第一批恒星比天文学家认为的要早得多。

哈勃望远镜的红外相机使位于德国加兴的欧洲南方天文台的天文学家Freudling能够分析三颗类星体的元素——这些类星体是围绕巨型黑洞旋转的热气体云,年龄高达128亿年。

根据标准模型,第一批恒星需要至少5亿年才能开始发光,再花7亿到10亿年才能制造出铁等重元素并将其散布到太空中。因此,Freudling预计,在宇宙只有9亿年历史时仍在发光的类星体周围的气体应该是无金属的。

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相反,他和他的同事们发现类星体周围有大量的铁。这意味着第一批恒星一定在大爆炸后2亿年就已点燃,这一数字与WMAP卫星的新结果非常吻合。两组数据一起表明,宇宙在制造恒星方面出奇地高效。“下一步将是寻找和测量更早期的类星体,”Freudling说。他最终希望发现第一批恒星何时点燃。

--Kathy Svitil

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presto!时空模糊消失

物理学家们一直在绞尽脑汁地设计理论,试图证明在电子、夸克和胶子的微小世界里,空间的结构充满了空隙,时间看起来也摇摇晃晃。也许他们现在可以放松了。2月份,一个天体物理学家团队表明,时间与空间也许根本就是光滑的。

利用哈勃太空望远镜,阿拉巴马大学亨茨维尔分校的Richard Lieu及其同事拍摄了一张距离地球40亿光年的一颗星系的图像。这是一个完美的测试案例:时空的“泡沫状”结构预计会轻微改变光波穿越如此遥远距离的速度。

总而言之,这种效应会使星系的光波错相;原本均匀且同步的波到达地球时将不同步。Lieu预计这种效应会在星系周围产生轻微的模糊失真。相反,他看到了一种独特的模式,这种模式只有在所有光同时到达望远镜时才会产生。没有模糊,没有泡沫。

这项在3月份被一个独立的欧洲团队复制的结果,对天文学家和物理学家都提出了严峻的质疑。如果时空是光滑的,黑洞就不可能存在,大爆炸也不可能发生。“没有模糊,宇宙中的所有物质和能量必须在创生之初就压缩到一个体积为零、温度无限、密度无限的空间中。这是无法想象的,也无法与当前的大爆炸理论相协调,”Lieu说。

理论家们并不担心。“量子引力的最佳模型并没有被这些结果排除,”滑铁卢安大略省的非营利物理研究所Perimeter Institute的Lee Smolin说。北卡罗来纳大学教堂山分校的理论物理学家Y. Jack Ng认为这些发现存在根本性缺陷。

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他说,时空泡沫会随机影响光波,有时加速,有时减速。由于这种混合效应,一个波与邻居发生相位差的速度比Lieu的团队计算的要慢得多。“他们高估了累积的模糊效应,至少一千兆兆倍,”Ng说。“难怪他们没有发现它。”

--Kathy Svitil

我们现在能清晰地看到

银河系布满尘埃,大多数光学望远镜无法获得清晰的图像。然而,五年前开始的两微米全天巡天(2MASS)项目,利用了长波长红外光穿透尘埃障碍、生成更清晰图像的能力。

3月份,发布了一幅壮观的合成图像,该图像基于在亚利桑那州和智利的两台1.3米望远镜收集的数百万张图像。中心是银河系;中间的锈红色是浓密的尘埃云。还出现了超过100万个星系,根据距离进行颜色编码。

蓝色的是最近的,绿色的是中等距离,红色的是最远的。这幅图像显示了“宇宙的纹理,”该巡天科学团队负责人Michael Skrutskie说。“它是宇宙开端的遗迹,当时密度的微小波动增长成星系团,以及星系团的丝状结构,以及丝状结构之间的空隙。通过分析天空中星系的分布,我们可以了解到原始的密度波动情况。”

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--Kathy Svitil

海王星塑造了早期太阳系

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今天的太阳系看起来平静而有序,但Rodney Gomes发现了其混乱起源的证据。位于里约热内卢国家天文台的行星科学家Gomes一直在研究柯伊伯带,这是一个绕普鲁托运行的小行星群。2月份,他宣布其中一些天体起源于离太阳更近的地方,但被海王星的引力驱逐到了黑暗之中。

天文学家最近意识到,柯伊伯带包含两个族群。一个是由绕太阳运行的灰色岩石组成,与地球处于同一平面。另一个是倾斜的红色族群,以倾斜高达40度的轨道绕行。这些倾斜天体的起源一直是个谜。要使它们的轨道如此倾斜,这些小行星必须遇到具有强大引力作用的天体——例如行星。海王星具有必要的质量,但它似乎离得太远,不足以造成麻烦。

当Gomes进行计算机模拟时,他意识到海王星很可能就是罪魁祸首。第二族天体可能形成于海王星附近,然后当它们过于靠近海王星时被抛出到遥远、倾斜的轨道上。Gomes的模型暗示,其他柯伊伯带天体也可能形成于比现在近得多的地方。“这意味着形成行星的盘面比通常认为的要紧凑得多,其外缘就在今天海王星的位置,”Gomes说。“这些发现可能对其他恒星周围的行星系统如何形成以及行星可能在哪里以及有多大产生影响。”

--Kathy Svitil

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中子星熄灭

宇宙中大多数恒星(包括我们的太阳)的命运是内爆,从数百万英里宽的巨大质量坍缩成一个仅10英里宽、每秒旋转数百次的球体。天体物理学家对这些被称为中子星的奇特残骸的了解,大部分基于理论和有限的观测。因此,研究人员在6月份得知,对一颗年轻中子星磁场的第一次准确测量出乎所有预测,感到震惊。

法国图卢兹空间辐射研究中心主任Giovanni Bignami,将XMM-Newton轨道X射线天文台搭载的灵敏相机对准了一颗名为1E1207.4-5209的年轻中子星。经过三天的跟踪,Bignami及其同事收集了详细的X射线光谱,并仔细观察了这颗恒星的磁场。

理论预测,中子星在大小上有所欠缺,但会在强大的磁场上弥补,这些磁场是由带电粒子在恒星内部无电荷中子组成的极度致密球体周围的铁地壳中噼啪作响而产生的。虽然一颗普通恒星的磁场约为100高斯,但中子星的磁场被认为高达1万亿高斯。但Bignami的团队计算出,1E1207.4-5209的磁场强度只有理论值的三分之一。“要么这意味着理论是错误的,”Bignami说,要么这颗恒星“可能围绕着一个碎片盘,就像一个原行星盘或一个巨大的土星环系统,它可能产生了相同的效应。”

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--Kathy Svitil

等离子体恶魔点亮太阳

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6月,一个天文学家团队宣布,太阳表面的新图像可以解释为什么我们的恒星在11年的周期中会变亮和变暗。研究人员使用一台专门用于研究太阳的瑞典望远镜,记录下了巨大的等离子体墙,即翻滚的超高温气体。它们高200英里,宽达1000英里,像一层保鲜膜一样覆盖着太阳表面。

该团队由科罗拉多州博尔德国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research)的Bruce Lites和加利福尼亚州帕洛阿尔托洛克希德·马丁太阳与天体物理学实验室(Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory)的Tom Berger领导,报告称等离子体墙的侧面比顶部亮得多。当在太阳周期高峰期形成更多墙体时,更多的这些明亮侧面就会沿着太阳的边缘可见。结果,更多的太阳辐射射向地球。

Berger说:“我们需要确切了解这种(辐射)的强度,以及它是否对我们的气候有任何影响。”

—Jeffrey Winters

等离子体恶魔点亮太阳

6月,一个天文学家团队宣布,太阳表面的新图像可以解释为什么我们的恒星在11年的周期中会变亮和变暗。研究人员使用一台专门用于研究太阳的瑞典望远镜,记录下了巨大的等离子体墙,即翻滚的超高温气体。它们高200英里,宽达1000英里,像一层保鲜膜一样覆盖着太阳表面。

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该团队由科罗拉多州博尔德国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research)的Bruce Lites和加利福尼亚州帕洛阿尔托洛克希德·马丁太阳与天体物理学实验室(Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory)的Tom Berger领导,报告称等离子体墙的侧面比顶部亮得多。当在太阳周期高峰期形成更多墙体时,更多的这些明亮侧面就会沿着太阳的边缘可见。结果,更多的太阳辐射射向地球。

Berger说:“我们需要确切了解这种(辐射)的强度,以及它是否对我们的气候有任何影响。”

—Jeffrey Winters

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