2014年10大太空故事（上）

谢懿

地球表面到太空中，通过尖端的仪器设备，天文学家在2014年取得了几十项大发现。科学家在土卫二的地下发现了一个苏必利尔湖大小的水体，在太阳系中又发现了另一颗矮行星，并通过勘测100万个星系精确测量了宇宙的膨胀。

10.在木卫二和谷神星上观测到水汽

在2014年，行星科学尤其抢眼。天文学家对土星的卫星土卫二、木星的卫星木卫二、两个较小的太阳系天体和冥王星轨道之外的天体展开了进一步的研究。对宇宙学来说，2014年也是令人兴奋的一年，宇宙极早期的超高速膨胀阶段——暴胀——得到了可能潜在的确认。下面列出的是其中10项最重大的发现。

2014年，在木星的卫星木卫二和小行星谷神星的稀薄大气中，天文学家探测到了来自水的信号。

虽然有越来越多的证据显示在木卫二厚厚的冰壳之下有一个全球性的海洋，但新的观测则表明某些过程可以使其把地下的液体喷射进太空。使用哈勃空间望远镜的光谱仪，天文学家解析并分析了木卫二附近的物质所反射的紫外线，结果在其南半球大气层中发现了氢和氧，它们被认为是水分子与电子发生碰撞使得水分子解体所释放出来的。

观测到这些氢和氧的信号时，木卫二位于其轨道上距离木星最远的地方，在它最靠近木星时则没有探测到这些元素的信号。这一差异表明，木卫二之所以能喷射出水蒸气是由于木星引力对它的拉伸打开了其表面裂纹。把这些观测结果与计算模型比较之后发现，200千米高的喷出物可以解释哈勃空间望远镜的观测结果。

与此同时，在另一项研究中，天文学家探测到了谷神星——小行星带中最大的天体——周围水蒸气的红外辐射。

利用欧空局的赫歇尔空间望远镜所获得的这些数据，天文学家有望确定谷神星上可能的水源地。类似于彗星，谷神星上的水可能会以喷流的形式从其表面喷出。如果其他的研究能证实这一点的话，小行星和彗星之间的界线将会进一步模糊。

目前，美国航空航天局的“曙光”探测器正在飞往谷神星的途中，计划在2015年4月抵达。如果水确实是从它的表面喷射出来的，“曙光”就会探测到它们。

09.“罗塞塔探访彗星”

2014年8月6日，在10年的征程之后，“罗塞塔”探测器成为历史上第一个环绕一颗彗星的探测器。虽然它探测67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（简称67P彗星）的任务才刚刚开始，但“罗塞塔”已经让科学家惊喜连连。在2014年7月，“罗塞塔”发现67P彗星呈哑铃形，就像一只有着头部和身体的鸭子。

到2014年10月初，“罗塞塔”已观测到了该彗星彗核的大部分区域。根据这些观测，得出67P彗星较大那部分的长宽高分别为4.1千米、3.2千米和1.3千米，而较小部分则为2.5千米、2.5千米和2.0千米。天文学家还测量了这颗彗星的质量，由此计算出它的密度为每立方厘米0.4克。相比之下，地球的密度高了近14倍。

除了搞清楚67P彗星的主要特征之外，“罗塞塔”还配备了仪器来采集和分析它的尘埃。到目前为止，它已经采集了几十个尘埃颗粒。科学家预计，一旦“罗塞塔”和67P更靠近太阳，会采集到更多的尘埃，因为太阳的热量会使得彗星上的冰汽化。这个过程会把尘埃从彗星中喷射出来，在彗星周围形成彗发以及彗尾。“罗塞塔”探测器及其“菲莱”着陆器将会见证这一转变。

到目前为止，“罗塞塔”上的相机已经看到数个从67P彗星上射出的气体羽状物，还在67P彗星周围不同的地方测量了水、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷和甲醇的含量。

“罗塞塔”会在彗星67P周围逗留1年，监视后者在2015年8月过近日点时发生的一切变化。

08.中等质量黑洞真实存在

一场持续了几十年的争论可能已经尘埃落定，它涉及宇宙中最离奇的一类天体：黑洞。这些极端致密的天体有着强大的引力，任何靠得太近的东西——包括光——都会被永远地束缚住。

尽管天文学家还未直接观测到黑洞，但根据围绕它们运动的物质可以知道它们的存在。使用基本的物理学定律——和支配行星绕太阳公转一样的法则，科学家已经知道黑洞有两种：恒星质量黑洞（从几个到约30个太阳质量）和超大质量黑洞（数百万到数十亿个太阳质量）。但是直到2014年，介于这两个极端之间的黑洞是否存在仍然扑朔迷离。为此，天文学家测量了近距星暴星系M82中的一个明亮X射线源M82X-1，发现其质量为太阳的428倍，上下有105个太阳质量误差。这个323个～533个太阳质量的范围有力地证明了中等质量黑洞的存在。

在这项研究中，天文学家使用的是美国航空航天局罗西X射线时变探测器的归档数据。他们在其中寻找黑洞周围吸积盘内的物质转动时产生的特定振荡信号。尽管天文学家并不确切知道这些信号来自何处，但已经可以在许多恒星质量黑洞和一些中等质量黑洞候选体中看到它们。

质量较小的黑洞会具有两对振荡，一对的频率在1赫兹或更小，另一对的频率则较高。高频振荡对似乎总是遵循2∶3的比例。科学家在几个中等质量黑洞候选体中发现了低频振荡对，但它们的频率在0.0001赫兹左右。为什么会有这样的区别？

黑洞的质量越大，其吸积盘的尺度就越大。相比质量较小的黑洞，质量较大的黑洞会具有频率较低的振荡。但此前没有观测到过中等质量黑洞候选体中的高频振荡。

在分析了M82X-1的数据之后，天文学家发现了位于3.3赫兹和5赫兹上的高频振荡对，满足2∶3的比例。这让科学家相信，这些是与在恒星质量黑洞周围所见相同的信号。通过比较这些频率，可以估计出它的质量约为400个太阳质量。

这项研究给出了中等质量黑洞存在的最有力证据。它们似乎比恒星质量黑洞和超大质量黑洞更为罕见，这同时又提出了另一个重大的问题。未来的X射线观测设备——例如将在2016年抵达国际空间站的中子星内部成分探测器——将帮助天文学家更多地了解这类天体。

07.来自宇宙的中微子

中微子不带电荷，几乎没有质量，与物质间的相互作用极其微弱。这些特性使得它们难以被探测到，但只要探测到中微子，它们就可以告诉科学家很多有关其来源的信息。20世纪50年代，人类首次探测到了中微子，而60年后的今天，物理学家已能捕获能量高得多的中微子。

想发现中微子，就必须有一个巨大的探测器。冰立方中微子探测器深埋在南极原始的冰盖之下，有5160个独立的模块。在花了一年的时间分析了其头两年的观测数据之后，冰立方的科学家宣布，发现了来自宇宙的高能中微子。此后，他们又利用不同的分析技术证实了这一发现。

冰立方探测到的大多数中微子是高能宇宙线轰击地球大气分子所产生的。但是，观测到的中微子中，大约有80个的能量显著高于上述簇射过程所产生的中微子。因此，这些粒子必定来自宇宙中的爆发或其他高能事件。迄今探测到的高能中微子的能量比可见光的10万亿倍还多，有两个至少比这个数字还要高出100倍。与来自超新星1987A和太阳的中微子相比，这些中微子的能量则高了100万倍。

要测量中微子的能量，天文学家需要分析冰立方的各个模块所捕捉的光。如果穿过该探测器的是一个μ介子中微子，科学家可以以0.4°的精度确定它来自天空中的哪个位置。如果是一个电子中微子，则回溯的精度在10°至15°之间。

不幸的是，冰立方还没有探测到足够的μ介子中微子来精确跟踪粒子的来源。其可能的来源包括活动星系和强劲的γ射线暴，甚至是构成了大部分宇宙物质的暗物质粒子。当然，这些中微子还可能来自我们尚不清楚的某个来源。

06.土卫二拥有底下海洋

当美国航空航天局的卡西尼探测器在2004年抵达土星时，科学家做梦也不会想到它会有这么多发现。然而，最令人兴奋的发现并不是土星，而是它的一个卫星。在2005年年初，“卡西尼”便探测到了位于土卫二南极地区的水蒸气喷出物。迄今，它已经观测到了100个这样的羽状喷发。但是，这些水从何而来？

天文学家认为，土卫二的表面冰壳之下有一个巨大的水体，产生了这些喷发。根据“卡西尼”的数据，科学家可以计算出这个海洋的大小、深度和密度。

当“卡西尼”从土卫二表面上方100千米处飞过时，科学家对其进行了跟踪。它受到的引力越大，它下方的物质就越多。由此可以计算出土卫二的重力场，但在此之前必须扣除太阳系其他天体的引力、太阳光压、“卡西尼”上能源的辐射压以及“卡西尼”在穿过喷出物时受到的阻尼。之后把测得的质量分布与其表面的地形数据进行比较。此前的测量结果显示，在土卫二的南极附近有一个巨大的凹陷，深约1千米。但新的重力测量结果则显示那里有大量的物质。对这一差异最可能的解释就是当地存在一个巨大的水体。水的密度比冰大约8%，因此在相同的体积下会施加更多的引力。

在40千米厚的冰层之下，该水体的含水量相当于地球上的苏必利尔湖。这一地下水体可以在土星引力的潮汐作用下保持温暖。但是，液态水是如何产生的且为什么只存在于土卫二的南极仍是未解的谜题。也就是说，科学家并不知道是什么让土卫二维持其地质活动的。（待续）