2014年十大太空故事（下）

05发现遥远的太阳系天体

科学家在太阳系内寻找类似冥王星这样的天体时，通过比较每间隔2小时拍摄的3幅图像，发现了一个似乎会移动的光点。之后，他们使用6.5米的麦哲伦望远镜来确认它是否是一个真正的天体。根据这些后续观测，科学家认定它确实是一个太阳系天体，将其命名为2 0 1 2 VP1 1 3，其直径为3 0 0千米至8 0 0千米。

这个天体到太阳的最近距离（被称为近日点）为约8 0个天文单位，最远（被称为远日点）则达到约4 5 0个天文单位。1天文单位相当于地球到太阳的平均距离。它的轨道有一点类似于2 0 0 3年发现的塞德娜，后者的近日点约为7 6个天文单位，远日点则可达1 0 0 0个天文单位。这两个天体都远在柯伊伯带之外。柯伊伯带到太阳的距离为

3 0个至5 0个天文单位，由数千个冰岩混合天体组成，冥王星是其中最知名的成员。

2 0 1 2 V P 1 1 3与塞德娜一起佐证了内奥尔特云的存在。奥尔特云是一个巨大的球形区域，从2 0 0 0个天文单位一直延伸到 80 0 0 0个天文单位，太阳的引力只能勉强束缚其中的小天体。现在，许多彗星都来自这一区域。

科学家还发现，2 0 1 2 VP1 1 3、塞德娜和1 0个最遥远的柯伊伯带天体的轨道有相似之处。这12个天体具有相似的日点角距，这个量度量的是它们的近日点与太阳系平面之间的夹角。天文学家原本认为它们是随机取值的。一种解释是，还存在一个大质量的天体在影响它们。不过，这需要未来的大型望远镜来确认。

木星、土星、天王星和海王星的轨道以紫色圆圈表示。绿点构成的区域则为柯伊伯带。塞德娜的轨道为橙色，2 0 1 2VP1 1 3的轨道为红色。

04原初引力波还是尘埃？

自2 0 1 4 年3 月1 7 日美国哈佛-史密森天体物理中心召开新闻发布会公布一项大发现起，兴奋开始漫延。通过使用位于南极的宇宙河外偏振背景成像2（BICEP2）望远镜观测微波波段的天空，科学家声称探测到了宇宙在其最初时刻产生的时空涟漪的信号。

也几乎在同时，天文学界分成了两大阵营，一些科学家认为BICEP2的发现是2 1世纪的一大突破，但也有人怀疑BICEP2团队并没有正确地把银河系尘埃纳入他们的分析，这会影响他们的观测结果。BICEP 2团队的这一结果在未经同行评审之前就先行公布更是弊大于利。

该团队认为，他们发现充满宇宙的微波背景辐射中存在旋涡形的图案。宇宙微波背景辐射是宇宙在3 8万岁时留下的遗迹，当时电子和质子结合成了氢，使得光子可以自由地在宇宙中穿行。它携带了早期宇宙的信息，包括当时物质是如何运动的。

和所有的光一样，微波也会沿着一个特定的方向振荡，这一特性被称为“偏振”。早期宇宙中的物质会在宇宙微波背景光子中留下两种不同的偏振模式。在高温物质中，由压力波导致的温度差异会显现出“E 模”偏振，就像车轮的辐条，但引力波——时空结构的涟漪——产生一个较为微弱的“B 模”偏振信号，呈旋涡状。

理论认为，在大爆炸之后1 0-3 7秒，宇宙膨胀发生了极端的加速，被称为暴胀。突然的膨胀会产生引力波，它们会产生B 模图案和BICEP2团队声称观测到的信号。

有关的争论源于沿着银河系磁场排列的尘埃颗粒。它们会绕着银河系的磁力线转动，由此也会产生偏振。由尘埃引起的偏振信号也会显现出B 模图案，与原初引力波造成的类似。

2 0 1 4年9月2 2日，欧空局普朗克卫星的天文学家悄然公布了他们对整个天空中尘埃的分析结果，这个结果不利于BICEP2团队。

BICEP2团队只在一个频率（1 5 0千兆赫）上观测了一小片天区，但“普朗克”在宽得多的频率范围——3 0千兆赫至8 5 7千兆赫——上观测了整个天空。“普朗克”测量了尘埃在3 5 3千兆赫上发出的辐射，因为在这个频率上探测到的尘埃信号强过宇宙微波背景辐射的信号。天文学家由此建立了尘埃分布的模型，然后向下推到了1 5 0千兆赫，以此来和BICEP2团队的结果进行比较。

“普朗克”团队认为，在BICEP2团队观测的天区中，有比BICEP2团队计算、预期或者纳入考虑的更多的尘埃。然而，这一结果也有许多不确定性：尘埃对BICEP2团队所观测到的B 模偏振有多大贡献仍不清楚。

有关B I C E P 2团队结果的争论仍在继续。BICEP2团队的科学家进行了很多测量，测出了该天区中的B 模。测量中的噪声很小，科学家对它们的处理也十分小心谨慎。“普朗克”则测出了整个天空中尘埃的特性，结合二者你可以得到更多的信息。这是科学如何向前推进的一个很好的范例。

在将BICEP 2团队的数据与普朗克卫星在同一天区获得的数据进行叠加分析后，研究人员认为BICEP 2获得信号几乎完全来自尘埃的影响。2 0 1 5年1月，BICEP 2团队宣布撤回了他们的论文。

BICEP2探测到的宇宙微波背景B 模偏振（螺旋形图案）

03以1%的精度测量遥远星系

在宇宙于1 3 8亿年前诞生时，它就包含有今天宇宙结构的基本要素。我们看到的一切——恒星、气体云、行星——都是由原子组成的，而原子则是由电子、中子和质子构成的。物理学家把中子和质子统称为“重子”。为了研究在宇宙最初的几十万年内星系的分布模式，天文学家以1%的精度测量了约1 0 0万个遥远的星系。

早期宇宙是由重子、电子、光子和暗物质（神秘的不可见物质）组成的混合物。所有这些粒子会相互碰撞，使得宇宙呈不透明状。这一黏稠的混合物会缓慢地晃动，由此引发类似于物质中球壳形的三维压力振荡。

在诞生之后3 8万年，宇宙的膨胀使得其自身冷却，让质子可以俘获电子，形成了大量的氢。此后，鲜有单个电子的存在，所以光子可以畅通无阻地在宇宙中自由穿行。    当这些逃逸的辐射扫过早先的压强或声学振荡的遗迹时，重子物质的分布会保留下这些波的印迹。天文学家现在可以在整个宇宙中看到这些“重子声学振荡”——星系倾向沿着这些球壳的边缘聚集。随着宇宙的膨胀，重子声学振荡会增大，它们现在的半径约为5亿光年。这种一致性给了天文学家一把测量宇宙距离的尺子。

通过重子振荡分光巡天——斯隆数字巡天中一个历时1 4年的项目，天文学家研究了长宽高各为1 3 0亿光年的范围中近1 0 0万个星系。使用重子声学振荡标尺，他们更精确地测量了这些星系的距离，精度达1%。这就好比把上海到南京的距离——约3 0 0千米——精确计算到了误差3千米的水平。唯一不同的是，此次研究的星系远在几十亿光年之外。

当天文学家观测不同距离的星系时，他们看到的是它们在宇宙历史不同时期的样子。根据测得的精确距离计算发现，在宇宙约3 0亿岁时，两个间距为3 3 0万光年的星系会以每秒2 2 5千米的速度远离对方。

在两个不同的距离进行这些测量可以让我们看到宇宙的膨胀是如何随时间变化的。

02木卫二拥有板块构造

2 0 1 4年的一项研究为建造一个专门探测木卫二的探测器提供了更多的依据。它发现木卫二有活跃的板块构造，使得木卫二成为太阳系中除地球外唯一已知具有类似地质活动的天体。

天文学家研究了木卫二冰面上的裂缝和陨石坑，发现它们的年龄可能还不到9 0 0 0万年。相比太阳系约4 6亿年的年龄，这么小的年龄意味着一定有某种机制在重塑木卫二的表面。

木卫二上的裂缝和山脊似乎是其表面开裂和扩张出几千米的区域，但科学家怀疑这颗卫星在过去的几千万年里一直在膨胀。那么，如果新的冰壳一直在形成的话，之前的冰物质去哪儿了呢？

为此，天文学家分析了美国航空航天局“伽利略”探测器的数据，以此来寻找木卫二上板块构造的证据。他们发现了几处构造活动的疑似地点，不过更关心的是一片位于北半球的面积为1 3 4 0 0 0平方千米的区域。

使用“伽利略”的图像，科学家匹配出了不同的裂缝和山脊，重建出一个模型来描述该区域数百万年前的样子。当时，有一个宽9 9千米、占地约2 0 0 0 0平方千米的区域似乎不见了。

此外，一些裂缝和山脊也突然中断，表明由于板块俯冲，这些地质特征的延续部分已消失在冰壳中。与地球上地壳板块间碰撞抬升形成喜马拉雅山不同，木卫二上的一个板块一直在俯冲下沉，运动到毗邻的另一个板块的下方。

除了表明木卫二存在地质活动之外，这一发现还暗示木卫二的内部和外部之间存在双向的物质交流，可以让物质从其表面进入海洋。这大大地有助于提升当地的宜居性。

虽然这项研究为木卫二的板块活动提供了有力的证据，但要确认物质会向下运动到冰壳下方仍需要未来的探测任务。通过这些探测任务，科学家可以获得更高分辨率的影像，如果这一现象是全球性的，还能发现更多类似的案例。未来的探测任务还能更好地测量

木卫二的地形。当然，更为重要的，则是搜寻其冰壳之下的海洋中现在或者过去存在（过）的生命迹象。

01发现宇宙尘埃的来源

我们的太阳系、银河系乃至整个宇宙都含有大量尘埃，但天文学家长期以来一直搞不清楚它们是如何形成的。2 0 1 4年的两项研究为“大质量恒星的爆炸死亡——被称为超新星——制造了尘埃”这一观点提供了有力的证据。

在第一项研究中，科学家使用位于智利的阿塔卡马大型毫米波/ 亚毫米波阵列观测了于1 9 8 7年2月爆发的超新星1 9 8 7A。这一爆炸标志着在银河系的伴星系大麦哲伦星云中有一颗恒星死亡了。这是最近发生的一次近距离超新星爆发，因此，是一个梦幻般的实验室。

观测发现，爆炸之后的几年中产生了总质量只有太阳质量1%的尘埃，随后，尘埃的总质量迅速增加到了太阳质量的1/3至1/2。于是，天文学家决定对它再次进行观测，以此获得精确的数值。在把观测到的辐射拟合到不同的尘埃光变曲线模型之后，他们发现该超新星的内部残骸包含了0.2 3个太阳质量的尘埃。由于这些尘埃就位于发生爆炸的地点，因此不可能是在超新星爆发之前就已经存在的，必定是在爆炸之后形成的。但这一爆炸发生在1 9 8 7年，所以问题仍然存在：在超新星遗迹中尘埃形成的速率有多快？

阿塔卡马阵列的观测集中在射电波段，因此看到的是低温尘埃。另一个天文学家团队则使用甚大望远镜在可见光和近红外光波段观测了另一个超新星遗迹，因此看到的是高温尘埃。一个物体的温度决定了它发出光的类型。作为比较，在这两项观测中研究的温度分别为2 6K 和2 0 0 0K。

在第二项研究中，天文学家研究了星系UGC5189A 中新近出现的超新星SN 2010jl，它的温度更高。在SN 2010jl的亮度抵达其峰值后的第26天至第2 3 9天，他们对它进行了9次观测，在第6 2 9天时又对它进行了一次观测，以此来确定该超新星在最初的2.5年中尘埃的量是如何变化的。

他们在最后一次观测中发现了比之前9次观测到的多得多的尘埃。如果这些尘埃是以观测到的形成速率产生的话，天文学家预期该超新星遗迹会在之后的2 0年里制造出大约0.5个太阳质量的尘埃。那么，它是如何制造出尘埃的呢？天文学家认为，大质量恒星会在爆炸之前吹出一些物质。一旦发生爆炸，快速运动的激波会撞上这些

物质，变成一个运动速度较慢且温度也较低的壳层，尘埃颗粒会在那里凝结。

科学家还把这些尘埃的光信号和计算机模型做了比较，以此确定这些尘埃颗粒的大小。银河系星际介质中一般的尘埃颗粒要比这些尘埃小得多。事实上，超新星SN 2 0 1 0jl 中的尘埃要比银河系中的约大4倍。科学家认为，这么大的尺寸有助于尘埃保护自己免受超新星爆炸的冲击和随之而来的极端温度的破坏。

1.M104： 草帽星系

醒目的螺旋星系M1 0 4以它侧面宽广的圈状黝黑尘埃带著称。这幅清晰影像结合了哈勃空间望远镜、昴宿星团望远镜和业余天文爱好者拍摄的彩色影像。经过处理的影像除了让星系拥有自然的色彩之外，也让以往被明亮核心的绚丽光芒淹没的细微结构得以显现出来。M1 0 4俗称草帽星系，亦名NGC 4 5 9 4，在所有电磁波段都可见，因此，一般认为它的核心藏有超大质量黑洞。

2 恒星、“红色精灵”、云和极光

天空中的这些红色光痕是什么？摄影师在拍摄笼罩在远处雷暴系统上空的极光时，意外地捕捉到了“红色精灵”这种不寻常的现象。这群摄于美国明尼苏达州天空的“红色精灵”，可能是由一道极强烈的低空闪电诱发的。在主题影像中，前景可见一栋房舍和电线杆、低层大气中厚厚的云层，地平线附近有雷暴系统，远方高空的背景恒星上，飞舞着“红色精灵”和绿色极光。

3 当老鼠星系互撞这两个庞大的星系正在撕开对方。它们都拥有长长的尾巴，因此这对星系拥有“老鼠”的昵称。星系前端和后端受到的重力差是形成这些长尾的原因。

编号为NGC 4 6 7 6的这对老鼠星系位于后发座内，离我们约有3亿光年远。这张照片是由哈勃空间望远镜的先进巡天相机拍摄的。在接下来的数十亿年间，这对宇宙级的“老鼠”会不停互撞，直到成为单一星系。

4 土卫四的地图

这幅圆柱投影影像是6幅土星中型卫星的新彩色地图之一，建构自“卡西尼”号累积了1 0年的影像数据。影像中，这颗受潮汐力锁定的卫星的淡色半球（右侧）与较黝黑的半球在色泽上有显而易见的差异。如同其他轨道在E 环之内的土星卫星一样，土卫四领头的半球之所以常保雪白，是因为不停地镀上来自暗环的冰物质。而E 环物质则由土卫二南极的喷泉源源不断地补充。淡色、较新的表面裂隙，看似也穿入了黝黑的、满是撞击坑的落后半球。