天文学新发现

刘声远

全球各大科学网站，几乎每天都有天文学新研究成果发布。就让我们来看一看最近一些引起关注的天文学新发现。

由中国发射的嫦娥5 号月球探测器，最近把一些新的月球岩石和土壤样本带回了地球。这是过去40 年来探测器首次把月球样本带回地球。根据这些新样本，一个国际研究团队已经确定这些月球岩石的年龄接近19.7 亿年。科学家认为，嫦娥5 号带回的样本填补了10 亿年的空白。此话怎讲？

嫦娥5 号设计的任务之一，是从月面一些最年轻的火山地带提取地质样本送回地球。对这些样本进行研究，有助于揭示月球的很多奥秘，而月球年轻岩石的年代测定属于其中最早获得的研究成果。当然，这里所说的“年轻”是相对而言的。由阿波罗号飞船带回地球的月球火山岩石样本的年龄都超过30 亿年。而对嫦娥5 号带回的样本进行的测定结果表明，这些样本比阿波罗号所带回的样本年轻不止10 亿年。因此可以说，嫦娥5号填补了一个重要的空白。

填补这样的空白不仅对研究月球来说很重要，而且对研究太阳系中其他岩石行星来说也很重要。作为一个行星类天体，月球的年龄大约为45 亿年，也就是与地球年龄相仿。但与地球不同的是，月球没有造山运动来逐渐消除表面的陨击坑。因此，科学家可以利用月球上持久存在的陨击坑来估计月面不同区域的地质学年龄，这一估计所依赖的部分依据是这些区域的陨击坑密度。

最新研究发现，由嫦娥5 号带回的月球岩石的年龄只有大约20 亿年。能以高精度确定这些岩石的年龄，让科学家现在能够更准确地评估他们所采用的年代推定工具是否可靠。虽然科学家知道行星体表面陨击坑越多则表示这些表面越古老，但要想测定这些表面的实际年龄，则必须依赖这些从表面取回的样本。

阿波罗号当初带回的月球岩石样本，让科学家能够确定这些岩石所对应月面区域的年龄，并把这些区域的年龄和陨击坑密度进行对照。这种陨击坑年代学研究已经被推广到水星和金星，即通过陨击坑密度来相对准确地估计行星表面一些区域的年龄。

在最新研究中，科学家对嫦娥5 号所带回岩石的测定年龄也有误差，为±5 000 万年。但这个测定结果依然很重要，因为以行星时间为标准来看，这是一种很准确的界定方法，由此也能很好地分辨各种年代学方法的优劣。

对嫦娥5 号所带回样本中玄武岩成分的研究，还取得了其他有趣的发现，对于研究月球的火山历史很有帮助。可以预期，对这些岩石的研究将继续获得丰硕成果，而目前的研究结果只不过是冰山一角。科学家正在筛选这些月球样本，从中寻找关键线索，以破解更多的月球奥秘。例如，从嫦娥5 号样本中寻找来自比嫦娥5 号采样地点遥远得多的那些年轻陨击坑的月壤，由此确定这些月壤的年龄，以及这些不同陨击坑的物理特性。

在这项新研究中，中外科学家进行了良好合作。外国科学家评价说，负责对嫦娥5 号样本进行检测的北京实验室是全球最好的实验室之一，同时，中国对相关研究数据也无私地进行了的分享。

金星的质量和大小都与地球差不多，这两颗行星的构成也都主要是岩石，而且两者都有水和大气层。但金星与地球的差异也很大：金星有浓密得让人窒息的二氧化碳大气、极端的表面温度和硫酸云，与地球生命所需的条件毫不兼容。然而，金星是不是一直都如此糟糕？

以往有研究指出，过去，金星可能存在海洋，因此那时的金星对生命是友善的。但事实是否如此？最近，一个科学团队专门对金星是否有过温和时期进行了调查，其调查結果并不乐观。

金星最近成为天体物理学家的重点研究对象。欧洲空间局和美国宇航局2021 年决定，未来10 年中将发射3 艘以上的金星探测器，以调查这颗距离太阳第二近的行星。这些探测器要回答的重要问题之一是：金星是否曾经有过海洋？而前述科学团队则试图用地球上的工具来回答这个问题。他们的研究方法是模拟地球和金星在刚开始演化时（即超过40 亿年前）的气候。当时的高温意味着，任何水分都应该会以极高压下的蒸汽形式存在。

采用复杂的三维大气模型（科学家在模拟地球现行气候和未来演化时采用的正是这种模型），该团队探索了地球和金星的大气层随着时间推移的演化情况，以及是否会在演化过程中形成海洋。模拟结果是：气候条件不允许蒸汽在金星大气层中凝结。也就是说，金星的气温从来就没有低到过足以让大气中的水分形成雨滴，并降落到金星表面的程度。或者说，水分一直都只是作为一种气体待在金星大气层中，金星上从来都没有海洋存在。该团队指出，他们做出如此推断的一个主要理由是，云层主要形成于金星的背阴面（即阳光照射不到的半面），但这些云层产生很强的温室效应，导致金星降温不可能像科学家之前推测的那么快。

该团队的模拟结果还表明，如果地球当初距离太阳再近一点，或者当时还年轻的太阳比今天的太阳更明亮，那么地球就很可能遭遇和金星一样的命运。该团队推测，年轻太阳的辐射实际上相对较弱，从而地球的降温程度足以让蒸汽凝结以形成海洋。长久以来，科学界有一种观点：如果年轻太阳发出的辐射比今天的太阳辐射弱得多，那么当初的地球就会是对生命不友好的巨大冰球，换句话说，更明亮的太阳对生命有利。但该团队认为，对非常炽热的年轻地球来说，当时不那么明亮的太阳反而为生命诞生提供了意想不到的契机。

该团队承认，他们的研究结论是基于理论模型做出的，因此不属于定论。他们期待未来的金星探测器证实或推翻他们的研究结论。

科学家最近发现，火星上一个叫做阿拉伯高地的区域曾经短暂存在过水。

位于火星北纬地带的阿拉伯高地，由一位意大利天文学家在1879 年命名。这片古老的土地所占据的面积比欧洲大陆略大。该区域包括陨击坑、火山臼、峡谷和漂亮的条纹岩石，这些岩石带很像地球上的沉积岩。

科学家对这些火星岩石的成因很感兴趣，这是因为通过这些岩石能更好地了解40 亿～30亿年前火星表面的状况，尤其是当时火星的气候条件是否支持生命存在。而要想知道是否支持生命存在，就需要了解当时火星上有没有稳定的液态水、液态水存在的时间有多久、大气状况如何，以及火星地表温度怎样。

为了更好地了解这些火星岩石的成因，科学家关注的是热惯性（即改变一个物体温度的难易程度）。例如，松软的沙吸热和散热都很快，而夏天的岩石在入夜后很久仍可能是烫的。通过调查地表温度，科学家得以确定了阿拉伯高地岩石的物理特性，即那里的物质是否较松，或者正好相反。

虽然阿拉伯高地占火星表面积的比例不小，但此前没有人对那里的沉积岩进行过热惯性调查。在最新研究中，科学家利用了环绕火星的飞行器搭载的遥感设备。利用遥感数据，他们调查阿拉伯高地的热惯性、侵蚀迹象、陨击坑状况和当地存在哪些矿物质。根据调查结果，他们认为阿拉伯高地沉积岩的黏结力比之前认为的要低得多，因此该高地有可能在一段不长的时期中存在过水。

短暂有水的结论有可能令人失望，因为人们一般会认为，水越多、存在水的时间越长则越有利于生命存在。但对阿拉伯高地进行热惯性调查的科学家认为，他们的调查结论之所以重要，是因为这一结论引发了一连串的新问题：是什么条件让水在阿拉伯高地短暂存在过？火星上是否有过冰川，而冰川迅速融化是否造成洪水泛滥？火星上是否有地下水，而地下水是否会在短暂渗出地表后又回到地下？

科学家认为，就算今天的火星不存在液态水，过去的火星上也不存在生命，这类调查对于我们了解火星演化乃至其他行星类天体的演化来说也很重要。无论如何，火星探索现在已进入新的高潮。

科学家日前宣布，可能已首次探查到一颗银河系外的行星凌日（即行星从恒星正面经过）的迹象。运用美国宇航局“钱德拉X 射线天文台”空间望远镜（简称钱德拉望远镜）取得的这一探测结论，为寻找在非常遥远距离外的行星开辟了道路。

通常所说的系外行星，一般指位于太阳系外的行星。而这颗疑似的系外行星位于螺旋星系梅西耶51。该星系因其独特的形状，也被称为涡状星系。

在發现这颗疑似行星之前，科学家发现的所有系外行星都位于银河系内，它们距离地球几乎都不到3 000 光年。而这颗疑似行星距离地球大约2 800 万光年，其距离之遥远可想而知。科学家说，要想发现其他星系中的行星，策略之一是在X 射线的波长范围内进行搜索。

当行星凌日时，行星会阻挡其母恒星的一部分星光，导致恒星亮度略降。利用地面和空间望远镜，科学家搜寻可见光和电磁辐射强度的下降，由此发现了数千颗系外行星。而在这项新研究中，科学家搜寻的是X 射线明亮双星所发出的X 射线的亮度下降。这类双星系统通常包含一颗中子星或一个黑洞，以及一颗伴随恒星（简称伴星）。如果伴星近距离环绕黑洞，那么黑洞会抽取伴星的气体。无论是中子星还是黑洞，靠近它们的物质都会变得超热，并且在X 射线波长“发光”。

由于产生明亮X 射线的区域很小，因此一颗正面经过该区域的行星会阻挡大部分甚至所有X 射线，从而让凌日容易被探查到。与现行的光学凌日调查相比，X 射线探查方法可能让科学家探查很远的距离。而通过可见光调查凌日时，行星只能遮挡恒星的很小一部分，所以必须探查到由此造成的很不明显的恒星亮度下降才能得以探查。

运用X 射线凌日调查方法，科学家探查到了位于梅西耶51 星系中一个双星系统内的一颗疑似行星。该双星系统包含一个黑洞或一颗中子星，还有一颗质量约为太阳20 倍的伴星。他们运用钱德拉望远镜探测数据发现的X 射线凌日现象持续了大约3 小时，在此期间X 射线发射量降到了零。基于这一点和其他信息，科学家估计这颗疑似行星与土星大小相仿，它环绕黑洞或中子星的距离为土星与太阳之间距离的大约2 倍。

这一疑似行星是否为行星，还需要更多数据来验证。一大挑战是，这颗疑似行星的巨大轨道意味着它要大约70 年才会正面经过其双星伴侣一次。换句话说，以后几十年内科学家都不可能通过凌日观测证实或否定该行星的存在。另一个挑战是，就连70 年这个数据也无法确定，因此科学家根本不知道应该在何时进行觀测。

这次发现的亮度变暗，其实也可能由正面经过X 射线源头的尘埃和气云导致。但科学家认为，梅西耶51 星系中这个双星系统里的凌日现象不符合云层经过的特征，而是符合行星凌日的特征。

如果这颗疑似行星最终被证实为一颗行星，那么它很可能有一段非常动荡、暴烈的历史。位于双星系统中的行星一定会经历超新星爆发的巨大冲击，而正是超新星创生了中子星或黑洞。这颗行星的未来也危机四伏，因为与它相伴的恒星最终也可能以超新星的形式爆发，届时这颗行星必将再次遭遇超大强度的辐射轰炸。

在这次研究中，运用钱德拉望远镜和欧洲空间局的XMM- 牛顿望远镜，科学家在银河系外的3 个星系中观测凌日。通过对梅西耶51星系中55 个系统、梅西耶101 星系中64 个系统和梅西耶104 星系中119 个系统的搜寻，结果只发现了这一颗疑似行星。

科学家将继续搜索其他更多的星系。钱德拉望远镜能探测至少20 个星系，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，因而可能探查到持续时间更短的凌日。另一个相关的研究方向是寻找银河系中发生在X 射线源头附近的X 射线凌日现象，从而发现位于非寻常环境中的新的系外行星。

自从科学家开始用显微镜观察陨石，他们就一直对陨石内部的东西着迷。大多数陨石都由可追溯到太阳系形成初期（当时就连行星都还没有形成）的微型玻璃球构成。最近的一项研究表明，陨石中的玻璃球有助于揭示早期太阳系的情况。

陨石中的玻璃球被称为陨石球粒。科学家认为，几十亿年前，太空中飘浮的岩石碎屑最终聚合成为我们今天所见的行星，而陨石球粒是当时剩下的岩石碎屑。陨石球粒对科学家来说非常有用，因为它们是太阳系最原始的“材料”。而在地球上，所有的岩石都已被频繁的火山活动和板块运动改变，因而找不到太阳系初期的纯净痕迹。

但究竟是什么机制导致了陨石球粒的形成？有关这个问题的理论至今与50 年前没有区别。

通过观察陨石中某一元素的不同类型，科学家能找到有关太阳系形成之初的线索。一种元素可以有多种不同的形式，这些不同形式的元素被称为同位素。根据陨石诞生的环境条件（例如温度高低、降温快慢）的不同，每块陨石中的同位素比例也不同。由此，科学家能构想出陨石形成时期的环境条件。

为了搞清陨石球粒当初遭遇了什么，科学家精确测量在陨石中少见的两种元素——钾和铷的各种同位素比例，这样的测量有助于确定太阳系早期最可能发生的情况。科学家认为，钾和铷当初是尘埃的一部分，而尘埃在高温下熔化后又气化，钾和铷大多逃逸掉，但随着这些物质降温，其中一部分重新聚合成陨石球粒。科学家推测，当时降温非常迅速，因此有些物质还未凝结。科学家估算的当时降温的速度为每小时大约500℃。

根据以上推测，科学家进一步判断当时发生了什么事件而导致陡然、极端的加热和冷却。其中一种可能性是，大规模的冲击波穿透早期的太阳星云。换句话说，附近的大型行星类天体可产生冲击波，冲击波在穿越星云的过程中可导致尘埃迅速加热和降温。

过去50 年中，人们对陨石球粒的成因提出了多种可能，其中包括闪电和岩石间的碰撞。而上述新研究则表明，冲击波才是目前看来陨石球粒的最可能成因。几十年来，有关“中度挥发性”元素（例如钾和铷）的一个发现让科学家很困惑。按照流行的太阳系成因理论，地球上的中度挥发性元素应该比现在多。科学家一直认为，对此的解释可能与复杂的加热和降温链有关，但其中具体的机制之前并不明朗。现在看来，冲击波理论不失为一种很好的解释。当然，这种解释也不是定论，还有待更确凿的证据来检验。

美国宇航局发射的帕克太阳探测器（以下简称帕克探测器）已经抵达太阳的外大气层——日冕，并且在那里待了5 小时。这是第一艘进入太阳外沿的地球飞行器，也标志着日冕物理学的新纪元。在此之前，科学家对太阳大气层的了解仅限于估测。

太阳的外沿始于阿尔芬临界表面：在这个表面下，太阳以其引力和磁力直接控制太阳风。许多科学家认为，太阳磁场的突然反转就出现在阿尔芬临界表面下。

送探测器进入太阳的磁化大气层这个理念，早在几十年前就有。2018 年，帕克探测器升空，目的是进入日冕，也就是人类探测器首次造访恒星。2021 年4 月，帕克探测器在阿尔芬临界表面下待了5 小时，在此期间直接接触太阳的等离子体。在这一表面下，太阳磁场的能量和压力强于太阳粒子的能量和压力。帕克探测器当时在该表面上下来回了3 次。

科学家分析帕克探测器的探测数据发现，阿尔芬临界表面居然有皱纹。这些数据表明，其中最大的一个遥远皱纹由伪流光（一种巨型磁结构，发现于太阳大气下方可见深度的最深处）。科学家仍不清楚伪流光为什么会把阿尔芬临界表面推离太阳。科学家还注意到，在阿尔芬临界表面下方磁场反转数量远少于在这个表面的上方。这可能意味着磁场反转并非形成于日冕内部。或者，太阳表面较低的磁重连速度可能导致较少的物质进入可观测到的太阳风，从而造成较少的反转。

帕克探测器也记录到了日冕内部能量陡升的证据，这可能意味着未知的物理学机制在影响加热和散热。科学家观测太阳和日冕已有几十年，并且意识到太阳上有奇异的物理学机制在加热和加速太阳风等离子体，但并不清楚是什么物理学机制。随着帕克探测器进入日冕，科学家期待着对这一神秘机制的更多了解。

帕克探测器对日冕的上述观测发生在它第8次飞近太阳期间。该探测器是迄今飞得最快的人造飞行器，它升空后已经取得了多项重要发现，其中包括产生太空天气和超快尘埃风险的太阳爆发。这些新发现意味着，由飞行器对太阳做直接观测更有助于了解日冕加热和太阳风形成的机制。在完成“触摸”太阳的目标后，帕克探测器将会进入太阳大气层更深处，并且待得更久。