天文速递 | 2023年8月篇
01 土星和土星环的新图像
韦布空间望远镜于2023年6月25日拍摄的土星图像。Credit: NASA,ESA, CSA, STScI, Matt Tiscareno (SETI Institute), Matt Hedman(University of Idaho), Maryame El Moutamid (Cornell University), MarkShowalter (SETI Institute), Leigh Fletcher (University of Leicester),Heidi Hammel (AURA). Image processing: J. DePasquale (STScI)
韦布空间望远镜又有了新图像。6月30日，美国航天局发布了它的第一张土星近红外图像，对这颗拥有美丽光环的气态巨行星来说，这又是一个全新的视角。
土星的新图像是“韦布保证时间观测计划1247”的一部分。它由韦布空间望远镜的近红外相机在6月25日拍摄，拍摄波长为3.23微米。在此波长下，土星大气中的甲烷气体几乎吸收了照射在土星大气层上的所有阳光。此时，图中的土星本身很暗，而且在光学波段下我们熟悉的条纹图案也不见了。这都是因为土星的上层大气富含甲烷，并遮挡住了我们的视野。此外，将图中土星的南北半球进行对比，可以观察到典型的季节变化。当前土星北半球正处于夏季，因而更加明亮，而南半球则刚刚摆脱冬季的黑暗。新图像还显示了与高空平流层气溶胶相关的特征，包括土星北极区域的大型、黑暗、弥散的结构，这些结构与行星的纬度线方向并不一致，可能是由于影响极地大气气溶胶的未知季节性过程所导致。有趣的是，在韦布空间望远镜之前对木星的红外观测中，天文学家们也发现了类似的结构。
与土星大气不同，土星环缺乏甲烷，而主要由冰组成，会反射太阳光。因此，在红外波段下，土星环的表现与光学波段下不同，在图中会显得比暗淡的行星本身要明亮许多，这让整体的图片看起来有些奇异。在这张图片中，从土星环的内侧到外侧，可以依次辨别出暗淡的C环，明亮的B环，狭窄而黑暗的卡西尼环缝，以及中等明亮的A环，及其外缘附近暗淡的恩克环缝。此外，在A环之外，还可以看到很窄的F环。如果未来对土星进行更长时间曝光，所得到的图像可能会显示出更暗的环，包括此图中没有显示的非常薄的G环和弥散的E环。
新图像还清晰显示了土星的三颗卫星：土卫二、土卫三和土卫四。韦布空间望远镜有着足够的能力，能深入探测行星及其环周围微弱卫星，对此天文学家充满信心，并期待有新卫星被发现。任何新卫星的发现，都将帮助天文学家更全面地了解土星的当前系统及其演化历史。
目前，韦布空间望远镜已经对太阳系中所有的四个气态巨行星进行了拍摄，并得到了令人惊叹的出色图像。虽然韦布空间望远镜的主要任务，是观测遥远的恒星和星系；但太阳系内的这些观测成果，也将帮助我们解开太阳系中的更多未解之谜。
02 相关性分析：
地震活动与宇宙线强度
Credit: IFJ PAN/NASA/JSC
一项新的研究表明，在全球地震活动与地球表面的宇宙线强度变化之间，二者存在明显的统计相关性。强烈地震通常会造成大量人员伤亡和财产损失，如果能够更好地预测此类灾难性事件的发生，那么其不利影响可能会大大减少。为此，波兰科学院核物理研究所的科学家们在2016年发起了一项名为CREDO（Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory）的项目，期望对这项假设进行验证，即通过检测宇宙线的变化来对地震活动进行预测。
CREDO项目作为一个虚拟宇宙线天文台，向所有人开放。它不仅收集和处理来自复杂科学探测器的数据，还收集大量的来自较小探测器、比如智能手机中的CMOS传感器的信息（当然，这里需要给手机安装免费的CREDO探测器应用程序），并进行分析处理。CREDO的主要任务之一，就是对到达地球表面的次级宇宙线流量的全球变化进行监测。次级宇宙线产生于地球大气的平流层中，是由原宇宙线粒子与大气中的气体分子碰撞而引发的次级粒子级联。
乍一看，地震和宇宙线之间存在关联的想法可能很天马行空，因为原宇宙线主要来源于太阳和宇宙空间，但其中涉及的物理关联是合理的。科学家认为，二者之间的相关性可以用地球液体核中的涡流来解释。涡流是地球磁场产生的原因。一方面，科学家认为剧烈的地震可能与涡流的运动有关，继而会影响改变地球磁场；另一方面，由于地球磁场会使原宇宙线的带电粒子的路径发生偏转，因此地球磁场的改变会影响原宇宙线粒子的轨迹，从而对次级宇宙线粒子的总量产生影响。因此从理论上看，当剧烈地震发生时，探测器应该能检测到次级宇宙线流量的相应变化。
CREDO项目的科学家对来自中子监测数据库项目过去半个世纪的宇宙线强度数据，以及皮埃尔·俄歇天文台自2005年以来的宇宙线强度数据等进行了分析。选择这两个数据源，其是因为这两个台站位于赤道两侧，并各自使用了不同的探测技术。所研究的数据还包括了太阳活动的变化情况，来源于太阳影响数据分析中心的数据库。而有关地球地震活动的关键信息，则来自美国地质调查计划。科学家使用多种统计技术，将这些数据进行了交叉检查和分析，发现在数据所涵盖的时间内，次级宇宙线强度的变化与所有震级大于或等于四级的地震的总震级之间，二者存在着明显的相关性，并且排除了此相关性仅来源于偶然的可能性。此外，当宇宙线数据比地震数据提前15天时，这种相关性才会凸显出来。宇宙线的变化发生在地震之前，这个事实表明，这种相关性可以用作未来地震预警系统的基础。
不过，这种明显的相关性，可能还很难用来精准预测地震的发生地点。研究团队发现在特定地点的分析中，宇宙线强度的变化与地震之间的相关性并不明显，相关性仅在考虑全球范围内的地震活动时才会出现。该研究结果发表在2023年6月的《大气与日地物理学》杂志上。
03 不应该存在的行星
艺术图：一颗行星正在经历其主恒星转变为红巨星的过程。Credit: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko
当太阳的生命到达终结时，它将变为红巨星，并膨胀到目前大小的100倍，将地球包裹其中。在其他系外行星系统中，随着主恒星的衰老，许多行星也会面临像地球一样类似的厄运。不过，并不是完全没有希望。最近，美国夏威夷大学的天文学家有了一项出人意料的新发现：他们探测到一颗行星，它本应葬身于主恒星晚期膨胀，但最后却幸存了下来。该研究于2023年6月28日发表在《自然》杂志上。
这是一颗类木行星，质量约为木星的1.7倍。它的官方名称为Halla（8 UMi b），围绕着主恒星Baekdu（8 UMi）运行，于2015年利用径向速度法被发现。研究团队使用凯克望远镜和加拿大-法国-夏威夷望远镜对其进行了新观测，数据证实了Halla在一个周期约为93天的近圆轨道上运行。Halla和Baekdu的距离约为7400万千米，大约是日地距离的一半，约为0.46 个天文单位。
利用美国航天局凌星系外行星巡天卫星（TESS）对Baekdu的恒星振荡的观测，天文学家发现这颗恒星的核心正在燃烧氦。处于主序的恒星，例如太阳，中心正在发生着氢聚变反应，聚变反应提供了向外的辐射压力以对抗向内的自身重力，防止恒星塌缩。当中心氢燃烧殆尽时，恒星外层仍在进行氢聚变，外层将会膨胀，进入红巨星阶段。之后，恒星核心塌缩，触发氦聚变反应。因此，发现Baekdu核心正在燃烧氦，意味着它曾经一度膨胀成红巨星。处于红巨星阶段时，Baekdu的半径会膨胀至1.05亿千米，约是Halla轨道距离的1.4倍，在此过程中它会吞没其半径内的行星。红巨星阶段过后，Baekdu核心会继续氦聚变，半径逐渐缩小到目前的大小，仅为红巨星时的十分之一。
得知Baekdu的半径曾经要比Halla的轨道半径更大，研究人员对此感到很讶异。这意味着Halla是一颗不应该存在的行星，按预想它已经被Baekdu摧毁了。这也是目前观测到的第一个此类系统：一颗行星如此紧密地围绕着一颗核心氦燃烧的恒星运行。这颠覆了天文学家的认知，表明当恒星膨胀成红巨星时，并不是所有邻近的行星都会面临命运的终结，行星可以在其主恒星的不稳定演化中幸存下来。
那么Halla到底是如何幸存下来的呢？研究人员认为一个可能的理论是，Halla从未面临过被吞噬的危险。Baekdu最初可能是两颗恒星，这两颗恒星的并合会触发氦聚变，并且会阻止其中任何一颗恒星膨胀到足以吞噬Halla的大小。另一种可能的理论是当Baekdu变成红巨星时，Halla还并不存在。Halla可能是一颗刚刚诞生的“第二代”行星。这种情况下，Baekdu仍被认为处于一个双星系统，两颗恒星最终并合前，在周围会形成类似原行星盘的物质盘，并最终导致新行星诞生。
04 产生射电辐射的
最冷褐矮星被发现
褐矮星的艺术图。Credit: NASA/JPL-Caltech
近期，澳大利亚悉尼大学的天文学家发表了他们的新发现：探测到了来自一颗小而暗弱的褐矮星的射电波段辐射。这是有记录以来，发现的可以产生射电辐射的最冷褐矮星。此次发现利用了澳大利亚平方千米阵探路者（ASKAP）的最新观测数据，并由澳大利亚望远镜致密阵和南非的MeerKAT望远镜的后续观测所证实。
褐矮星被如此命名，是因为它们的质量不足以触发类似太阳核心发生的氢聚变反应，所以相应辐射出的能量很少，对于观测者来说非常暗弱。天文学家一直认为，在可以触发氢聚变的最小质量恒星和类似木星的最大气态巨行星之间，缺失了演化的一环，而褐矮星可能就能填补这块空缺，它们在恒星演化中非常重要。
这颗褐矮星名为T8 Dwarf WISE J062309.94-045624.6，是由美国加州理工学院的天文学家于2011年利用广域红外巡天探测者（WISE）所发现。这颗褐矮星距离地球约37光年，其尺寸约为木星的65%-95%，但它的质量比木星大：至少是木星质量的4倍，但不超过44倍。而太阳质量是木星的1000倍。这颗褐矮星的表面温度约为425摄氏度，比地球上的篝火温度还低。与表面温度约为5500摄氏度的太阳相比，它是一个很冷的天体。然而，T8并不是迄今为止发现的最冷的褐矮星。有些褐矮星被发现时，表面温度可以低至-23摄氏度，但这些褐矮星并没有发出射电辐射。T8是目前为止在射电波段探测到的最冷的褐矮星。
可以产生射电辐射的褐矮星非常罕见，研究表明只有不到10%的褐矮星会在射电波段被探测到。这可能是因为褐矮星的动力学通常不会产生磁场；而磁场会产生射电辐射，从而被观测者探测到。虽然天文学家已经有所了解，像太阳这样的主序星是如何产生磁场和射电辐射的；但仍然不清楚为什么只有一小部分的褐矮星才会产生射电辐射，褐矮星的内部动力学如何产生射电辐射仍是一个悬而未决的问题。而此次的褐矮星T8在如此低的温度下可以产生射电辐射，这是令天文学家意想不到的。
研究人员猜测，超冷褐矮星的快速自转可能帮助它们产生了强磁场。当磁场以与褐矮星电离大气不同的速度旋转时，就会产生电流。在这种情况下，电子流入恒星磁极区域，从而产生射电辐射，甚至产生规律的重复射电爆发。对T8的进一步研究，可能有助于最终解决这个难题，并且帮助天文学家更加深入地理解恒星的演化。此次研究结果于2023年7月14日发表在《天体物理学报通信》上。
05 探测到纳赫兹引力波
艺术图：脉冲星受到遥远星系中超大质量黑洞并合所产生的引力波的影响。
近期，包括来自中国、澳大利亚、北美、欧洲的世界多地的研究团队发表了一系列最新文章，证实探测到了纳赫兹引力波，表明天文学家在低频引力波的研究上实现了突破。研究结果于2023年6月发表在《天体物理学报通信》《天文学和天体物理学》《天文和天体物理学研究》等杂志上。
2015年，天文学家利用激光干涉引力波观测台（LIGO）首次探测到了引力波。但LIGO只能捕获高频引力波，因为它能探测的引力波波长仅限于几千米，这意味着它只能探测到源自于较小的恒星级黑洞的引力波，黑洞的质量估计不超过10倍太阳质量。而宇宙演化中的重要一环是星系之间的碰撞和并合，星系中心的超大质量黑洞会最终近距离相互绕、而并合在一起。在这个过程中，超大质量黑洞周围的时空会被扰乱并产生“涟漪”，即也会产生引力波。但超大质量天体产生的引力波非常微弱，频率极低，主要集中在纳赫兹波段，引力波信号振荡的时间尺度为几年到几十年，引力波波长可达数光年。由于宇宙演化以来星系就在不断的并合，理论上一直认为存在一个纳赫兹引力波背景。如果可以探测到此引力波背景，科学家就能够更加深入地理解宇宙结构形成、超大质量黑洞演化、时空基本物理定律等关键问题。近十几年来，科学家们一直在努力寻找引力波背景。迄今为止，对具有极高稳定性的毫秒脉冲星进行长期观测，是唯一已知的有效探测纳赫兹引力波的方法。
毫秒脉冲星就像宇宙中的精确时钟。如果地球和脉冲星之间的宇宙空间完全是真空的，那么地球接收到的脉冲星脉冲信号间隔是一致的（忽略星际介质以及地球的运动等因素的影响）。而引力波会拉伸和压缩地球和脉冲星之间的时空结构，实际上改变了地球与脉冲星之间的距离，导致脉冲更早或更晚地到达，使得非常规则的脉冲信号变得不规律，打破其稳定的节拍。通过分析脉冲间隔的微小变化，天文学家可以判断是否存在引力波正在穿过其间。
世界多地的研究团队各自收集了几十颗不等的毫秒脉冲星的数据，时间跨度最长达25年。这些数据来源于世界各地射电望远镜长时间的协同观测，创建出了高灵敏度的数据库。利用这些数据，天文学家计算了脉冲的实际到达时间和理论预测的差异，精度可以达到百万分之一秒之内，相当于在千分之一毫米内的精度上测量地月距离。最终，不同研究团队独立获得的结果彼此一致，首次证实探测到了令人信服的纳赫兹引力波的证据。
在此项研究中，中国天文学家团队占有一席。中国天文学家利用500米口径球面射电望远镜（FAST）对57颗毫秒脉冲星进行了41个月的规律监测，提供了纳赫兹引力波存在的关键证据。虽然FAST的观测时间相对较短，但由于FAST的高灵敏度，41个月的观测数据已经与其它长时间的观测数据的质量相似。利用脉冲星对纳赫兹引力波的探测，其灵敏度强烈依赖于观测时长，即灵敏度随着观测时间的增加而快速增高。这意味着未来FAST在探测纳赫兹引力波的工作上会发挥更大作用。
06 早期宇宙缓慢的时间流逝
类星体的艺术图。Credit: ESO/M. Kornmesser
近期，科学家们首次观测到了时间延缓，早期宇宙的时间在以非常缓慢的速度流逝，证实了爱因斯坦关于宇宙膨胀的预言之一。该研究发表在2023年7月3日的《自然天文学》上。
爱因斯坦的广义相对论表明，从我们的位置观测早期宇宙，应该会看到时间流逝的速度比现在慢得多。时间延缓效应是时空拉伸产生的相对论效应之一。但是，想要了解和测量数十亿年前的时间是如何流逝的却是非常困难的。最近，由澳大利亚悉尼大学和新西兰奥克兰大学的科学家们组成的研究团队，利用类星体作为“标准时钟”，在宇宙这一令人费解的方面取得了进展。
类星体是宇宙中最明亮的天体之一，它们通常是极其活跃的超大质量黑洞，位于星系中心，通过剧烈吸积围绕它们运行的气体、尘埃、恒星等物质而向宇宙发射大量辐射。类星体的高光度可以使它们在早期宇宙中也可以被我们观测到，使它们成为遥远的早期宇宙的主要观测候选者。利用来自190个类星体的数据，研究团队可以追溯到宇宙年龄仅为约十亿年时的时空，并对时间延缓效应进行测量。他们发现在宇宙大爆炸后约十亿年时，时间的流逝速度似乎比现在慢了五倍。
如果一个人回到早期宇宙，时间在他看来流逝的速度似乎并没有什么变化。在早期宇宙中，一秒看起来就还是一秒。但从我们现在来看，即在距离早期宇宙120亿年后的未来，那个早期的时间被拉长了。更具体的例子来说，人类眨眼大约需要三分之一秒。当一个人处在宇宙大爆炸后十亿年时，他的眨眼速度仍是三分之一秒。但在120亿年后的我们看来，由于时间延缓，这一眨眼则需要约1.7秒。类星体的持续辐射就像眨眼一样，并且可以被测量。研究团队分析了类星体发出的不同波长的光，标准化了它们的“时间刻度线”，之后使用贝叶斯分析的统计技术，发现了类星体的每个滴答声中都印有宇宙的膨胀率。研究结果也进一步证实了爱因斯坦相对论关于宇宙膨胀的预言。
此前，天文学家曾利用超新星作为“标准时钟”， 证实了在宇宙年龄为现在年龄的一半时，时间流逝的这种“慢动作”。虽然超新星相比其它天体已经非常明亮，但在早期宇宙所在的极远距离上还是很难被观测到。而通过观测类星体，天文学家可以追溯到宇宙年龄仅为现在年龄的十分之一时的情况，并量化研究宇宙膨胀的影响。
