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2013年十大太空故事Comments>>

发表于 2014-01-10 14:54 | Tags 标签:, ,

Liz Kruesi 文 Shea 编译

在2013年,天文学家们精化了宇宙的组成和年龄,发现有一个气体云即将被我们银河系中最大的黑洞吞食,而在俄罗斯的上空则有一颗巨大的流星发生了爆炸。

有了越来越大的望远镜和越来越先进的探测器,天文学家们就能获得越来越多有关宇宙以及其中天体的认识。在过去的一年中,有许多案例佐证了这一相关性。下面将列出由美国《天文学》杂志的编辑所评选出的2013年十大太空故事。(注:发刊时“嫦娥”-3号尚未发射。)我们不会忘记在这一年出现了两颗明亮的彗星以及百年一遇的流星爆炸——无疑对于空间科学而言,2013年是一个丰收年。

2013年大部分的天文头条都涉及到了宇宙中最极端的天体和事件,例如黑洞、高能宇宙线以及宇宙的开端。不过,行星科学在2013年也不甘示弱。

在你阅读完这份重要天文学发现的榜单之后,兴许就会明白它们上榜的理由了。

10.黑洞会射出相似的喷流

黑洞具有极端的引力和密度,而它们周围的环境则为科学家们提供了天然的物理学实验室。这些致密的天体有着迥异的质量,从几倍到到几十倍于太阳的恒星质量黑洞,再到位于星系中心数百万到数十亿倍于太阳的超大质量黑洞。在黑洞的周围有着由高温气体所组成的盘而其中还夹杂着纠缠的磁场,沿着垂直于这个盘的方向会射出由近光速运动的粒子所组成的相对论喷流。尽管天文学家们还不确切知道到底是什么过程制造并驱动了这些喷流,但是有研究表明由喷流向周围环境所注入的能量与该黑洞的质量呈正比。

天文学家已经目睹了数百个因大质量恒星坍缩成黑洞而射出的喷流,被称为γ射线暴,以及数百个来自大型星系中心超大质量黑洞所射出的喷流,被称为活动星系核。他们也通过计算机对喷流的行为进行了模拟。新的研究所给出的信息将有助于科学家们搞清楚相对论性喷流产生的机制。

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[图片说明]:从星系M87中心喷射出的高速喷流。版权:NASA/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)。

为此,天文学家研究了数百个指向地球的喷流,其中54个来自γ射线暴,另有234个来自活动星系核。他们测量了这288个喷流的光度,由此可以确定其中由光子所携带的能量有多少。进而,可以估计出高速运动的粒子所携带的能量以及喷流向周围环境所注入的“动能”有多少。

天文学家分析了在这288个恒星质量和超大质量黑洞系统中光度和动能之间的关系,发现它们表现出了相同的特性。喷流的总能量中有3~15%是以辐射的形式所出现的。

因此,虽然科学家们并不清楚究竟是什么物理机制驱动了喷流,但它在质量差距悬殊的黑洞身上却遵循着相同的规律。

9.“旅行者”1号进入星际空间

在就“旅行者”1号是否越过了太阳的日球层争论了1年之后,科学家们于2013年9月12日宣布位于126个天文单位(1天文单位等于地球到太阳的平均距离)处的“旅行者”1号已身处星际空间中。不仅如此,“旅行者”1号其实在2012年8月25日就已越过了这一边界。

太阳的磁场、粒子风以及辐射形成了一个可以阻挡银河系星际介质入侵的保护罩。位于这个日球层外围的则是终端激波和太阳风层顶。“旅行者”1号于2004年穿过了终端激波,“旅行者”2号越过终端激波的时间则在2007年。

在2012年7~8月,“旅行者”1号发现来自银河系的高能量宇宙线在增多,而来自太阳的粒子则在减少。不过,它并没有探测到磁场方向的变化——科学家们相信这是“旅行者”1号已越过太阳风层顶进入星际空间的确凿证据。由此,其团队一致认为它当时正处于一个过渡性的磁场通道中。

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[图片说明]:2013年获得的数据显示“旅行者”1号已于2012年8月25日进入星际空间。版权:NASA/JPL。

要是于1980年就已经停止工作的等离子体科学仪器仍在运转的话,它可以在2012年就解决这个问题。然而,直到2013年4月9日等离子波子系统设备才获得了有说服力的证据。它发现从当天到5月22日“旅行者”1号周围的等离子体一直存在强烈的振荡。

根据这些测量结果,科学家们获得了“旅行者”1号周围电子的密度,发现它当时必定位于太阳风层顶之外,因为当时测得的电子密度比太阳风层顶中预期的电子密度高了近80倍。当他们回顾以前的数据,发现从2012年10月23日至11月27日也出现了稍弱的振荡。将这两个次振荡进行比较,天文学家就可以计算出等离子体环境随着到太阳的距离是如何变化的。综合“旅行者”1号每年向外运动约3.58个天文单位的信息,天文学家们由此得出结论,它在2012年8月25日就已进入了星际空间。

“旅行者”1号的天文学家们很谨慎,只说“它已进入了星际空间”,而非“它已经离开了太阳系”。这两者是有明显区别的:太阳的引力实际上可以延伸到更远得多的地方并束缚住距离太阳10万个天文单位处奥尔特云中的彗星。以目前的速度,“旅行者”1号大约还需要28,000年才能离开太阳系。

8.解开辐射带的奥秘

地球的磁场可以阻拦来自太阳的高能粒子,把它们送入两个环绕地球的环状带中。其内带的范围是从距地表上方600千米到6,400千米,随着时间的推移它能维持相对稳定的形态。它的外部区域则始于地表之上约13,000公里千米处,可以一直延伸到64,000千米远;其形状和强度在几小时到数天的时间尺度上会发生变化。这些区域被称为范艾伦带,以1958年发现它们的科学家命名。

科学家们于2012年8月发射了两个范艾伦带探测器来对其进行研究,进而了解为什么被束缚在其中的粒子会具有这么高的能量。这两个完全相同的探测器在各自的轨道上绕地球转动,它们会经过范艾伦带中的不同区域进而比较和测量其中辐射的变化情况。在它们最靠近地球的时候,距离地表只有600千米;当它们距离地球最远时,可以达到37,000千米。

就在开始工作之后几天,这两个探测器就在两个范艾伦带之间发现了第三个辐射带。这一新的辐射带从2013年9月3日一直持续存在到了10月1日。当有物质从太阳上被抛射出时,它们会形成一道激波。当该激波击中地球磁场的时候,它会扰乱外部的范艾伦带,把粒子推送到第三个临时的辐射带中。由于能量太高无法被抛射或者散射掉,它们会逗留在新的辐射带中,自然而然地形成等离子体波。当太阳在4个星期后又产生了一波风暴之后,它就破坏了这个临时的辐射带。

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[图片说明]:范艾伦探测器发现在范艾伦带中还存在第3个临时的辐射带。版权:NASA/GSFC。

范艾伦探测器还目击了范艾伦带中的能量振荡,从而帮助科学家解决了一个长期存在的问题:究竟是地球磁场之外的过程还是范艾伦带内的机制把其中的电子和质子加速到了接近光速的速度?范艾伦探测器的一大任务就是区分这两种可能性。2012年10月8日和9日,它们在范艾伦带测量到了中间最高且向内外两侧递减的能量分布。这一观测结果与加速能源来自范艾伦带内部相符。

尽管范艾伦探测器无法确定具体是什么东西把粒子加速到了这么高的能量,但科学家们认为穿过范艾伦带的辐射波可能是其中的原因。这一能量升高可能会导致地球卫星上的电子设备遭到严重破坏,这也正是人造卫星的轨道都远离范艾伦带的原因。了解是什么机制把粒子加速到超过光速的99%将有助于科学家们预言类似的能量振荡会何时发生进而更有效地来保护地球卫星。

7.银心黑洞撕裂气体云

2011年底,天文学家们宣布,他们发现了一个质量仅相当于3个地球的特殊天体正在接近银河系中心的超大质量黑洞。这个天体当时似乎正在远离地球,径直朝银心黑洞人马A*冲去。

在测量了该天体的温度为550开之后,该天体被判