天文速递 ｜ 12月篇

01  隐藏的潜在危险小行星

由于太阳炫目的光芒，近地小行星很难被发现。Credit：DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

美国国家光学红外天文研究实验室于2022年10月31日表示，通过使用安装在位于智利的托洛洛山美洲天文台的4米布兰科望远镜上的暗能量相机(DECam)，天文学家们发现了隐藏在太阳强光下的三颗新的近地小行星（NEA）；其中一颗小行星被命名为2022 AP7，这是过去八年来发现的最大的对地球有潜在危险的小行星。

NEA运行在地球或金星的轨道内，这是一个很难发现小行星的太空区域，因为当天文学家看向这个区域时，他们也是在朝向太阳的方向观测，而太阳发出的炫目光芒会让观测非常困难。例如，韦布空间望远镜和哈勃空间望远镜从不直视太阳，因为它的辐射会烧毁望远镜敏感的光学元件。由于难以对太阳附近开展观测，迄今为止科学家们仅发现了大约25颗轨道完全在地球轨道内的小行星。此次探测到的新NEA，是天文学家利用了黄昏期间短暂而有利的观测条件，即当太阳刚好落到地平线以下时，太阳光被遮挡，DECam在此期间对天空进行两次10分钟长度的扫描，通过对得到的图像进行分析，天文学家能够从暮光中挑选出暗弱的天体。

2013年，一颗直径只有20米的NEA完全没有预警地从太阳方向飞来，它在俄罗斯的车里雅宾斯克市上空爆炸，并震碎了数千座建筑物的窗户。而此次发现的2022 AP7，直径达到1.5千米，天文学家称它为“行星杀手”，因为如果它撞击地球，其影响将波及多个大陆。不过，目前没有明显的证据表明，小行星2022 AP7在可以预期的将来会与地球发生碰撞。

除了具有潜在危险的2022 AP7之外，新发现的其他两颗NEA，分别是2021 LJ4和2021 PH27；这两颗都比较小，并且它们的轨道与地球不相交，因此显得更为安全。其中2021 PH27是目前已知的最接近太阳的小行星，其表面温度足以熔化铅。更重要的是，相比太阳系中其他的任何已知天体，它承受了太阳附近弯曲空间，即广义相对论的最大影响。

天文学家目前监测着超过2200颗潜在危险小行星，这些小行星的直径超过140米，并且其轨道与地球的最小相交距离小于750万千米。潜在危险小行星是最令人担忧的，因为它们会造成广泛的破坏，可能影响整个地球。幸运的是，天文学家能够计算出未来100年的小行星轨迹，目前还没有已知的小行星让我们担心。而当具有危险的小行星出现时，我们希望能够拥有保护地球的工具。今年9月，美国航天局的双小行星重定向测试(DART) 撞击器成功改变了直径160米的小行星Dimorphos的轨道。这项实验的成功表明，只要我们知道得足够早，就有可能将具有危险的小行星拒之门外。

02  自我毁灭的火星微生物

火星耶泽洛陨石坑区域，这里有希望寻找到火星古代微生物。图片由火星勘测轨道飞行器拍摄。Credit: NASA/JPL-Caltech/USGS via AP, File

一个新的火星生态模型表明，火星古代微生物曾改变大气成分，引发了其气候变化，并开启了火星的冰河时代，使火星变得不那么适合生存，而这可能反过来最终导致了这种微生物的灭绝。此项研究发表于2022年10月10日的《自然天文学》杂志。

今天的火星干燥且极其寒冷，大气层稀薄，基本不可能在地表维持任何形式的生命。而大多数火星专家都倾向于认为，这颗行星最初的大气层比现在要稠密得多，并且富含氢气和二氧化碳。这两种温室气体可以让火星表面维持一个舒适的温度，甚至水能够保持流动，使火星表面温暖潮湿而不是寒冷干燥。而早期的这种环境也可能使微生物茁壮成长。

此项研究开展了复杂的计算机建模，使用了最先进的火星地壳、大气和气候模型，考虑了类似于古代地球上存在的耗氢微生物，模拟了火星40亿年前的大气和岩石圈的相互作用，也就是生态系统。研究表明，40亿年前，火星的表面温度在-10到20摄氏度之间，表面有河流、湖泊甚至海洋形式的液态水。火星大气中富含的氢气和二氧化碳，为耗氢产甲烷微生物提供了充足的能量供应，使它们大量存在。但随着这些微生物开始消耗氢气并产生甲烷，它们实际上减缓了火星的温室效应，因为火星大气中高浓度的氢气和二氧化碳是比甲烷更有效的温室气体。模型表明，在几万或几十万年内，火星的大气层会被微生物活动非常迅速地完全改变，大气中的氢被耗尽，火星表面温度大大降低，很多冰川逐渐形成，环境变得非常寒冷，以至于变得不适宜生存。

此时微生物面临的问题是，火星的大气层变得非常稀薄，基本上消失了，因此它们的能量来源消失了。除此之外，当地表温度降至-60摄氏度以下时，微生物必须深入到更加温暖的地壳中才能找到适宜生存的环境。模型显示，这些微生物最初在火星沙质表面下几十厘米处就可以舒适地生存，但之后它们就被迫撤退到火星地壳内超过1千米的深度，并且可能最终灭绝。

研究人员希望知道这些古老的微生物现在是否仍然可以生活在火星地壳内的任何地方。研究人员确定了三个候选地点，包括耶泽洛陨石坑（Jezero crater），美国航天局的毅力号火星车目前正在那里寻找可能蕴藏这种古代生命痕迹的岩石样本；除此之外还有两个低洼平原：南半球中纬度的赫拉斯盆地（Hellas Planitia）和火星赤道以北的伊希地平原（Isidis Planitia）。这些陨石坑和山谷的底部的气候比火星地表其他地方温暖得多，也更有可能在这些地点寻找到这些微生物的存在证据。

生命的成分在宇宙中无处不在，生命有可能会定期出现在宇宙中。但是，该项研究表明，生命可能并不像一些生物学家认为的那样，具有内在的自我维持的特性。生命可能无法在宿主环境中维持宜居条件，甚至可能由于自身与宿主环境的相互作用而使自己快速灭绝，因此，即使是非常原始的生物圈都可以产生完全自我毁灭的效果。

03  热木星帮助恒星抗衰老

此艺术图展示了一颗气态巨行星（右下）围绕其宿主恒星（左）紧密运行，远处还有此双星系统中的另一颗恒星（右上）。Credit: DOI:10.48550/arxiv.2203.13637

在利用美国宇航局钱德拉X射线天文台的观测数据对多个恒星-行星系统进行分析后，一项新研究表明，行星可以迫使其宿主恒星表现得比实际年龄更年轻。之前科学家曾经有过相关的假设，也就是行星可以明显减缓其宿主恒星的衰老过程，并在“热木星”（处于太阳-水星距离或更近的轨道上围绕宿主星运行的气态巨行星）的个例中观测到过；但此项研究的结果首次在统计上证实了这种奇异的现象，并提供了迄今为止关于行星抗衰老特性的最有力的支持证据。

领导此项研究的德国莱布尼兹波茨坦天体物理研究所的Nikoleta Ilic说：“在医学领域，你需要很多患者参加一项临床治疗的研究才能知道治疗的效果是否是普遍的。在天文学中也是如此，研究具有统计意义数量的热木星使我们有自信得出结论，即它们确实可以使其宿主恒星表现得更年轻。”

一颗热木星会通过潮汐力影响它的宿主恒星，恒星会比没有这样的行星时旋转得更快。这种更快速的旋转会使恒星更加活跃，辐射更多的X射线，而这些高能辐射通常意味着恒星是年轻的。有许多因素可以决定一颗恒星的生命力。随着年龄的增长，所有恒星都会减缓它们的自转和活动，并减少爆发。由于精确确定大多数恒星的年龄非常具有挑战性，当一颗恒星异常活跃时，天文学家一般很难确定这是因为它受到附近行星的影响使其表现得比实际年轻，还是因为它实际上就很年轻。

此项新研究通过观测双星系统来解决这个问题。在某些双星系统中，两颗恒星相距甚远，并且其中只有一颗恒星拥有围绕它运行的热木星。就像人类双胞胎一样，双星系统中的恒星是同时形成的。双星之间的距离如果足够大，它们之间就无法相互影响，或者说其中一颗拥有的热木星无法影响另一颗恒星。这意味着系统中无热木星的恒星可以被作为对照对象，即通过将一颗拥有热木星的恒星与其没有热木星的双胞胎恒星进行比较，就可以研究同龄恒星的性质差异。

研究团队在X射线波段分析了近40个双星系统，利用X射线辐射确定的恒星的“年轻”程度来寻找行星对恒星影响的证据。研究人员发现，拥有热木星的恒星在X射线中往往更亮，因此比其没有热木星的双胞胎恒星更活跃。这项研究使天文学家终于得到统计证据，证明行星确实在影响它们的宿主恒星，让它们保持活跃和年轻。未来会发现更多此类双星系统，可以更好地帮助理解行星的这种影响。此研究的结果发表于《皇家天文学会月报》。

04  距离最近恒星级黑洞被发现

Gaia BH1所在双星系统的艺术图。credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zaman

距离我们最近黑洞的记录刚刚被改写。一项新研究确认了一个位于蛇夫座、质量约为太阳10倍的恒星级黑洞，它潜伏在距离地球仅仅1560光年外。这是之前的纪录保持者——麒麟座X射线双星——到地球距离的三分之一。这项研究于2022年11月4日在《皇家天文学会月刊》发表。该黑洞被命名为Gaia BH1，处于一个双星系统之中。该系统中的另一个成员是一颗类太阳恒星，与黑洞的距离大约与日地距离一样。以太阳系为例，在太阳所在的地方放置一个黑洞，在地球所在的地方放置太阳，就得到了这个系统。

天文学家认为，银河系中存在大约1亿个恒星级黑洞，这些黑洞的质量大约是太阳的5-100倍。然而，它们的小尺寸使得这些天体相对难以被发现。迄今为止数量有限的、被证实了的恒星级黑洞几乎都是处于双星系统中的“活跃”黑洞。当黑洞在进食伴星物质时，即当黑洞拉拽来自伴星的尘埃和气体盘旋进入它内部时，这些物质的高速运动会发出强烈的X射线辐射，这些X射线的明亮光芒可以被望远镜观测到。然而，并非所有处于双星系统中的恒星级黑洞都在积极地进食，处于休眠状态的黑洞只会与周围环境融为一体。找到这些休眠黑洞更加困难，需要从其伴星入手。

此项研究的结果就是通过对伴星的运动进行仔细观测而实现的。研究团队最初分析了来自欧洲航天局盖亚航天器（Gaia）的观测数据。盖亚航天器可以精确绘制银河系中大约20亿颗恒星的位置、速度和轨迹，它可以捕捉到由看不见的大质量天体的引力所引起的恒星运动中的微小不规则性。研究人员发现其中一颗恒星（即Gaia BH1的伴星）的运动显示出了微小的不规则性，这表明有某种巨大的、看不见的东西正在通过引力牵引着它，而这很可能就是黑洞。但研究人员需要更多的数据才能确定。因此，他们使用了多个地面望远镜进行了后续观测，包括双子北座望远镜、凯克望远镜等，精确测量了伴星绕行时的速度及其轨道周期。综合所有观测数据，研究人员确定，伴星是类太阳恒星，而系统中看不见的天体约为太阳质量的10倍，并且大约每186个地球日绕系统的质心运行一周。研究人员找不到其他的合理解释，来描述这个系统轨道的性质，它一定是一个黑洞。

除了Gaia BH1是迄今发现的最近的黑洞外，它所在的双星系统也非常特别，它是银河系中的恒星-黑洞双星系统中，首次明确探测到处在如此近轨道距离的类太阳恒星，这也挑战了目前的双星系统演化模型。Gaia BH1的质量表明，产生它的前身恒星的质量一定是非常巨大的，至少是太阳的20倍；在传统模型中，这样的大质量恒星的寿命只有几百万年，它将很快变成一颗超巨星，快速膨胀，并吞没其伴星，因此在这种情况下，类太阳质量的伴星在演化为燃烧氢的主序星之前就会被吞没摧毁。因此，Gaia BH1的类太阳伴星是如何幸存下来的，就很难被解释；或者，即使伴星幸存下来，它应该最终进入一个比目前轨道更紧密的轨道。该研究表明我们，对于黑洞如何在双星系统中形成和演化仍然存在很多空白，需要进一步探讨。

05  “饭后打嗝”的超大质量黑洞

TDE的艺术图。被撕裂的恒星的部分物质没有被黑洞吞噬，反而是被抛回星际空间。credit: DESY, Science Communication Lab空间。credit: DESY, Science Communication Lab

最近，一个距离地球6.65亿光年的超大质量黑洞所做的事情让天文学家目瞪口呆：三年前它撕裂并吞噬了一颗恒星，而如今这个超大质量黑洞再次辐射出巨大能量、又明亮了起来；这次并不是因为它吞噬了任何东西，而是它吐出了物质。天文学家之前从来没有观测到过这样的现象。

2018年10月，这个超大质量黑洞被观测到撕裂了一颗运行到距离它太近的恒星。这是一个潮汐瓦解事件（TDE），被命名为AT2018hyz。恒星之类的天体接近超大质量黑洞时，黑洞巨大的引力作用产生的潮汐力会将恒星向一个方向拉伸，同时在另一个方向对其挤压，从而使恒星被撕裂。当被撕裂的恒星物质被吸积进入超大质量黑洞时，它们会升温并产生一道闪光，这就是TDE，这个现象可以在数百万光年外被观测到。TDE并不令人惊讶，天文学家已经观测到为数不少的TDE。

AT2018hyz是研究团队在多波段的档案数据中，寻找过去几年发生的TDE时注意到的，它的射电观测数据尤其引人关注。通常，TDE发生后的较短时间内在射电波段会探测到相应的射电辐射，这是因为恒星被超大质量黑洞吞噬时会喷出物质，即一部分恒星物质没有被黑洞吞噬，反而会被抛射到星际空间中，同时伴随着强烈的射电爆发。AT2018hyz的不寻常之处在于：自从2018年吞噬了质量约为太阳十分之一的一颗小质量恒星后，这个超大质量黑洞就没有吃过任何东西，在三年中都是射电宁静的；而它似乎在2021年6月神秘地复活了，在射电波段又变的非常明亮。这就好像AT2018hyz在“饭后打嗝”，时隔多年后正在从其最后一餐中喷出物质。此外，研究人员分析后发现AT2018hyz的物质正以大约4.8亿千米/小时的速度从黑洞中喷出，这大约是光速的一半。相比之下，TDE通常喷出的物质的速度只有大约10%的光速。

AT2018hyz是天文学家第一次目睹TDE进食和喷出之间存在如此长时间的延迟。为什么这个超大质量黑洞需要这么长时间才能以如此高速吐出最后一餐，这还是一个谜。研究团队将寻找更多的TDE，探究如此长时间的延迟是否是AT2018hyz所独有的，或者它是否是天文学家错过的更常见的事件，这会帮助天文学家更好地了解超大质量黑洞的“进食”过程。该研究工作于2022年10月11日发表在《天体物理学杂志》上。

06  发现最遥远超新星

最远超新星和星系团Abell 370的哈勃图像。credit: NASA, ESA, STScI, Wenlei Chen (UMN), Patrick Kelly (UMN), Hubble Frontier Fields

2010年，哈勃空间望远镜拍摄并发布了多张星系团Abell 370的图像，当时并未觉得有何特殊之处。但是，由美国明尼苏达大学双城分校的天文学家领导的一个国际研究团队，重新系统地查看了哈勃的档案图像，在这些图像中发现了一些令人难以置信的现象：这是一张在宇宙早期刚爆发不久的超新星的图像。这颗超新星爆发于大约115亿年前，而哈勃的图像拍摄于爆发后仅仅数小时后。

该研究项目的主要目的，是试图利用引力透镜寻找暂现事件。引力透镜是爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象。由于时空在大质量天体附近会发生畸变，光线在经过大质量天体附近时会发生弯曲。如果在从光源到观测者的直线上有一个大质量天体，则观测者会看到由于光线弯曲而形成的光源的一个或多个像；并且光源的辐射被放大，这种现象称之为引力透镜。引力透镜可以帮助天文学家寻找遥远宇宙中的（暗弱）天体，加深对早期宇宙演化的理解。

这颗超新星隐藏在星系团Abell 370后面。由于Abell 370质量巨大，它会使经过的光线弯曲，产生引力透镜效应。它就像一个天然的放大镜，可以将哈勃空间望远镜的能力提升八倍，使这颗超新星可以被观测到。利用哈勃图像分析超新星的亮度和颜色等细节后，研究人员确定了这颗超新星的原始恒星很可能是一颗直径约为太阳直径530倍的红超巨星。此外，研究团队还利用LBT大型双筒望远镜得到了这颗超新星的光谱。由于宇宙膨胀，光的波长被拉伸并移向光谱的红边。研究人员发现这颗超新星具有很高的红移，位于红移3处，这相当于离现在约115亿年前。这比之前观测到的最远的超新星还要远60倍，使其成为迄今观测到的最古老、最遥远的超新星。

在哈勃图像中可以看到这颗超新星的三个像。尽管这三个像同时在图像中，但它们是超新星不同年龄（即不同时间点）时的像：图中的3是恒星坍缩爆炸后六小时的像，图中的2和1分别是爆炸后大约21天和30天的像。研究人员通过分析这组图像，能够基本重建超新星在爆炸后的最初几天的冷却过程，发现它在迅速冷却。

这项研究是对非常早期宇宙中的超新星的首次详细观测，天文学家对此非常兴奋，因为他们可以在宇宙不到当前年龄的五分之一时详细了解一颗恒星，并了解数百亿年前存在的恒星是否与当前的恒星不同。该项研究发表在2022年11月9日的《自然》杂志上。