天文速递 | 03月

01  地球内核的旋转正在减速

地球圈层结构的艺术图。Credit: forplayday/Getty Images

最近，来自北京大学地球与空间科学学院的研究团队发表了他们的最新研究成果，表明自上世纪70年代初起，地球内核相对于地幔在同一个方向存在着超速旋转；随后在2009年左右，减速至二者的同步旋转；并自此开始，进一步降至内核逐渐落后于地幔的旋转速度。研究人员还推断，地球内核相对于地幔的转速，可能存在约为七十年左右的振荡周期。相关研究成果发表于2023年1月23日的《自然·地球科学》杂志上。

在地表约5155千米以下，地球存在着一个固态内核，并被包裹在一个更大的液态外核之中，再向外则是地幔。研究地球内核的旋转十分重要，因为它与地球磁场和其它圈层有紧密关联：内核的旋转由外核的磁场所驱动，并被地幔的引力作用所影响。所以，内核旋转的信息可以阐明地球不同圈层是如何相互作用的。早期的研究认为地球内核的旋转速度是稳定的，并且快于地幔的旋转速度，然而事实可能并不如此。

为了弄清楚地球内核的旋转规律，北大的研究人员利用地震波对其进行分析。地震波可以在地球内部传播，而不同圈层对地震波的传播会造成不同的影响，地震波的变化就可以反映出地球内部的性质。研究团队具体采用了“重复地震”的方法，即在同一台站记录发生在同一地点、不同时间、多次地震的地震波。研究人员记录了自1964年以来，通过地球内核的重复地震的地震波，并对其波形和传播时间的差异进行了分析。他们发现，在2009年之前地震波的变化比较明显，而从2009年开始地震波几乎没有变化。

研究人员推断，以地幔为参考系，地球内核的旋转在2009年与地幔接近同步，并在此之后开始相对反向。研究人员从数据中还观察到，上一次类似的转向现象出现在上世纪70年代初。这意味着地球内核相对于地幔的转速变化，很可能存在一个七十年左右的震荡周期。该研究的结果与其它的地球物理性质的观测结果一致，尤其是地球磁场随时间的变化以及地球一天长度的变化。究其原因，可能是由于内核与地幔的引力耦合，以及地核地幔之间的角动量交换所造成的。

该研究用到的数据所覆盖的时间是目前相关研究中最长的。它为地球内部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供了全新的观测证据，有助于让我们进一步理解地球各圈层之间的动态相互作用。

02  太阳系内新的天体环

夸奥尔物质环的艺术图。Credit: Paris Observatory

一项最近的研究显示，在太阳系寒冷的边缘区域运行的一颗矮行星周围，科学家们新发现了一个物质环。而更为奇特的是，这个环距离母星太远了，根据目前的理论，组成环的物质在这个距离上应该形成一个卫星，但实际并没有。它的发现对当前关于行星环的形成理论提出了质疑。该研究由巴西里约热内卢联邦大学主导的国际团队完成，相关结果发表于2023年2月8日的《自然》杂志上。

发现拥有环的是一颗名为夸奥尔（Quaoar）的矮行星，它于2002年被发现，直径约1121千米，只有冥王星的一半，大小位列太阳系中已知矮行星中的第七。夸奥尔是在太阳系最外层行星海王星之外运行的天体，它位于柯伊伯带，拥有一颗直径160千米的卫星创卫一。而最新的观测表明，它还拥有一个物质环。

夸奥尔的物质环由于太小太暗，无法在图像中直接看到。研究人员通过一系列的掩星观测结果才证实了环的存在。当夸奥尔从地球和遥远恒星之间经过时，会发生掩星现象，即由于遮挡而导致背景恒星的光会暂时变暗，而这种现象只有非常灵敏的天文设备才能探测到。本项研究就使用了灵敏的系外行星特性探测卫星（CHEOPS），以及安装在10.4米口径加那利大型望远镜（GTC）上的极其灵敏的高速相机。主要基于这两个设备，研究人员对2018-2021年的多次掩星数据进行了分析，发现在夸奥尔的掩星过程中，除了背景恒星亮度的一个主要下降外，还可以检测到两个较小的下降，并且分别发生在主要下降之前和之后。CHEOPS的数据排除了地球大气层可能造成的影响，因此研究人员认为，夸奥尔必然有一个环在围绕着它运行。

太阳系中拥有物质环的天体虽不多见但也不罕见。土星的光环是我们所熟知的，木星、海王星和天王星也拥有环，此外矮行星、妊神星和小行星Chariklo也被证实拥有环结构。但是，夸奥尔的环却与众不同。在发现它之前，天文学家认为行星的环不会存在于其洛希极限之外。这是因为母星的潮汐力能够阻止环物质在其自身引力的作用下形成卫星，从而只能以环的形式存在。而在洛希极限之外，潮汐作用不再能够阻止物质的逐渐聚集；之前在太阳系内发现的环结构都处于母体的洛希极限之内，也印证了这一点。但是夸奥尔的物质环距离自身中心达3885千米，这是夸奥尔洛希极限的两倍，其物质并没有在自身引力的作用下形成另一颗卫星。夸奥尔的环是第一个已知的突破了洛希极限而存在的环，这也迫使天文学家开始重新思考行星环形成的经典理论。

03  新的宜居类地行星被发现

Wolf 1069 b地表的艺术图，画面中心是其母星：一颗红矮星。Credit: NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter

天文学家对于寻找宜居的类地行星一直充满兴趣。尽管目前已经发现了5200多颗系外行星，但其中只有不到200颗是岩石行星，而具有类似地球质量、并位于宜居带的行星仅仅只有12颗。因此，发现一颗新的位于宜居带的类地系外行星总是令人兴奋。在一项最新的研究中，一个由50名天文学家组成的团队证实了系外行星Wolf 1069 b的存在。更引人关注的是，Wolf 1069 b可能是一个岩石行星，其质量约为地球的1.26倍，大小约为地球的1.08倍，并且处于其母星的宜居带内，对于表面可能有液态水存在这一重要指标来说，这颗行星已经成为了重点关注对象。

Wolf 1069 b距离地球31光年，围绕着红矮星Wolf 1069运行，轨道周期15.6天，轨道半径相当于日地距离的十五分之一。Wolf 1069 b已被其母星潮汐锁定，这意味着它不像地球有昼夜循环，而是一侧始终处于白天，另一侧始终处于黑夜中。在太阳系中，水星是离太阳最近的行星，轨道周期为88天，它的表面温度高达430摄氏度。Wolf 1069 b虽然离其母星更近，但它确是位于Wolf 1069的宜居带内。这是因为Wolf 1069是一颗红矮星，它比我们的太阳小得多，相应的，其宜居带会向内移动。Wolf 1069 b接收到的辐射大约是地球接收到的太阳辐射的65%。此外，由于Wolf 1069只发出相对较弱的辐射，Wolf 1069 b可能保留了大气层并被其自身产生的磁场所保护，所以其地表温度可以上升至12.8摄氏度。在这种条件下，水将保持液态，也可能会有适合生命存在的条件。

探测像Wolf 1069 b这类的小质量行星目前仍然是一项重大挑战。研究团队在西班牙卡拉阿托天文台3.5米口径望远镜上，安装了为此项目开发的光学和近红外波段的高分辨率光谱仪，并使用径向速度的方法寻找系外行星。当行星存在时，它的引力会拉动其母星，导致恒星位置的微小摇摆。由于多普勒效应，在地球上观测到的恒星光谱的频率就会发生周期性的移动，寻找恒星光谱中的频移就是径向速度法。高分辨率光谱仪有能力分辨出频率微小的移动，从而探测到小质量行星。研究人员在Wolf 1069的光谱数据中就发现了一个清晰的周期性的微小频移，从而推断出行星的存在，并计算出其质量大约与地球相当。

Wolf 1069 b是目前离地球第六近的、处于宜居带的类地系外行星，是寻找生物特征和生命化学痕迹的潜在目标。但是可惜的是，由于Wolf 1069 b不是一颗凌星行星，天文学家无法使用透射光谱法进一步研究其大气层的化学成分。预计十年后的下一代大型望远镜可能会帮助天文学家完成这方面的研究，甚至可能能够检测到生命存在的分子证据。该项研究成果于2023年2月3日发表在《天文学与天体物理学》杂志上。

04  第二个多行星双星系统被证实

环双星行星的艺术图，远处为其所绕行的双星。Credit: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

围绕双星运行的行星十分罕见，而围绕双星运行的多行星系统更加稀有，直到10年前，天文学家还不确定它们是否真的存在。最近，一个天文研究团队发现了一个拥有不止一颗行星的双星系统，这仅仅是多行星双星系统的第二个实例。该研究结果已被《自然·天文学》杂志接收，将于近期发表。

该系统被称为TOI-1338，距离地球约1300光年，是位于绘架座中的一对双星，年龄约为44亿年。系统中较大的一颗是1.13个太阳质量的主序星，较小的一颗是0.31个太阳质量的红矮星。凌星法通常用来寻找系外行星，但用来寻找环双星行星仍是很困难的。这是因为恒星会相互遮掩，使行星凌星很难辨别，并且也会导致凌星周期不规则。2017年，研究人员通过凌星找到了TOI-1338的第一颗行星TOI-1338 b。它的质量不超过22个地球，大小与土星接近。TOI-1338 b的凌星现象是非周期性的，每93到95天发生一次。

现在，天文学家发现了第二颗围绕TOI-1338运行的行星，被命名为TOI-1338/BEBOP-1c，它是利用径向速度法而不是凌星法发现的。TOI-1338/BEBOP-1c的发现得益于名为BEBOP的观测项目，其旨在使用高分辨光谱仪通过径向速度法探测环双星行星，增加已知的环双星行星数量，并提供其准确的质量测量。TOI-1338/BEBOP-1c是第一颗利用径向速度法被发现的环双星行星。分析表明它是一颗大约有65个地球质量的气态巨行星，轨道比TOI-1338 b更远，轨道周期约为215天。

环双星行星一直以来吸引着天文学家们的关注，它们在科幻作品中也很常见；但直到2011年，第一个环双星行星（Kepler-16b）才最终被发现和证实，但Kepler-16b没有发现有兄弟行星。目前天文学家已知有12个拥有行星的双星系统，其中只有两个是多行星双星系统。天文学家发现的第一个多行星双星系统称为Kepler-47，它拥有三颗系外行星。了解这些环双星行星的重要一环是探测它们的大气成分。但是它们的大多数都太暗弱，其中只有TOI-1338 b是目前唯一可能通过韦布空间望远镜进行透射光谱分析的行星，这也是阐明环双星行星大气构成的唯一可能性。

环双星行星系统比太阳系这样的单星行星系统复杂得多，它们必须应对两颗恒星的引力作用。天文学家过去认为，双星在原行星环境中会创造恶劣的条件，双星系统中的行星会遭受灾难性的碰撞，或者因为引力扰动而被抛出整个系统，最终扰乱或阻止行星的形成。但是，所有环双星行星系统的发现都表明这不一定是真的，也挑战了现有的行星形成模型。天文学家希望有机会寻找到更多的环双星行星，并分析它们与单星行星的相似点和不同点，以便更加深入理解行星的形成和迁移等问题。

05  首次直接测量非太阳孤立恒星的质量

恒星引力透镜效应的示意图。Credit: NASA, ESA, Ann Feild(STScI)

恒星质量是理解恒星演化的最重要的参数之一。除了太阳以外，可以直接推断质量的恒星都处在双星系统中，天文学家根据两颗恒星的运动应用引力理论计算质量。然而，对于孤立恒星，直接测量其质量还很难实现，目前主要通过理论模型的假设间接推断质量。最近，天文学家首次直接测量了一颗孤独的白矮星的质量，也再次验证了爱因斯坦的广义相对论。该研究发表于2022年12月6日的《皇家天文学会月刊》上。

这颗白矮星名为LAWD 37，位于苍蝇座，距离地球15光年，是一颗大约11.5亿年前死亡的小质量恒星的残骸。由于它距离地球比较近，天文学家已经得到了很多关于它的观测数据，但是其质量却一直是缺失的一环。为了测量LAWD 37的质量，研究人员求助于爱因斯坦广义相对论所预测的“引力透镜效应”。

广义相对论表明，天体会“扭曲”空间结构，质量越大，它在空间中造成的“凹陷”就越大。当背景天体的光线通过时，光线会发生弯曲，导致背景天体的位置发生明显偏移。通过测量位置偏移可以推导光线被弯曲的强度，从而计算出前景天体的质量。1919年，两位英国天文学家首次在日食期间探测并应用了这种效应。然而，爱因斯坦当时悲观地认为，在太阳系外的恒星上探测到这种效应几乎不可能，因为它会非常微弱（属于微引力透镜），当时的探测技术难以企及。不过，在2017年，天文学家就已经在双星系统中的白矮星上探测到了微引力透镜效应，并计算了其质量；但直到最近，该测量质量的技术方法才得以在非太阳的孤立恒星上实现。

该研究项目的完成得益于盖亚天文卫星和哈勃空间望远镜。盖亚天文卫星精确测量了大约20亿颗银河系恒星的位置，其数据可以让天文学家追踪恒星的运动。据此，研究团队预测了LAWD 37的轨迹，发现它会在2019年11月从一颗背景恒星前经过，这是可以检测微引力透镜效应的绝佳机会。根据预测的时间，研究人员将哈勃空间望远镜对准LAWD 37进行观测，记录下了背景恒星的位置变化。分析表明，背景恒星位置的偏移量非常微小，相当于从地球上测量月球上汽车的长度，比1919年日食时测量到的位置偏移量小625倍。根据位置偏移量，研究人员最终计算得到了LAWD 37的质量，约为太阳质量的56%。这是首次对孤立恒星的质量进行直接测量。此外，LAWD 37质量与理论预测的一致，证实了当前关于白矮星演化的理论。研究人员计划继续探测不同类型恒星的微引力透镜效应，并得到它们质量的直接测量值。

06  千新星的前身双星系统

SGR 0755-2933双星系统的演化示意图。它是第一个被确认的千新星前身系统。Credit: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

在最近的一项研究中，天文学家发现了一个极其罕见的双星系统，证明了它最终将以两颗中子星并合并触发千新星强烈爆发而告终。这是天文学家首次观测并证实的、确定产生千新星的前身双星系统。

这个双星系统距离地球约1.14万光年，由一颗中子星（SGR 0755-2933）和一颗大质量恒星（CPD-29 2176）组成，CPD-29 2176每60天绕SGR 0755-2933运转一周。通常情况下，当双星系统中的大质量恒星燃烧完氢并接近其主序阶段的末尾时，它会开始将质量转移到其伴星。之后，其不再燃烧的核心在引力作用下坍缩，产生超新星爆炸，外部壳层物质被抛散到星际空间，中心留下一颗中子星。在这种正常的超新星爆发的情况下，爆炸产生的能量会非常高，导致伴星会被踢远并进入高度椭圆的轨道。

而SGR 0755-2933所处的并不是一个普通的中子星双星系统。研究人员在分析托洛洛山美洲天文台的光谱数据时，发现该双星系统中的大质量恒星CPD-29 2176拥有一个高度圆形的轨道，而非一般中子星双星系统中伴星高度椭圆的轨道，这是一个不寻常的特征。研究人员将数千个双星系统的模型与观测对比，匹配的模型显示该双星系统的中子星SGR 0755-2933只能来源于一颗超剥离超新星（Ultra-Stripped Supernova）。

研究人员认为SGR 0755-2933的前身星在很大程度上与其他燃料耗尽的大质量恒星一样：在生命尽头，它开始将质量转移给它的伴星CPD-29 2176，自身缩小成一颗中心是氦核的小质量恒星。然而与众不同的是，在质量转移的过程中，SGR 0755-2933的前身星失去了过多的质量，以至于其生命终结时氦核外面的壳层中没有留下足够多的物质，继而所产生的爆炸也就没有足够的能量可以将其伴星踢远使其进入典型的椭圆轨道。超剥离超新星也解释了为什么SGR 0755-2933和CPD-29 2176可以保持紧密轨道相互绕转。

模型表明这颗超剥离超新星的爆发发生在几百万年前，而大质量恒星CPD-29 2176至少在一百万年内仍会保持现状，其结局与SGR 0755-2933非常相似，也将演化为一颗超剥离超新星，并最终形成一颗中子星，从而系统成为双中子星双星。之后，由于在相互绕转的过程中损失轨道能量，这两颗中子星在之后的数百万年间将逐渐靠近，最终相撞并合，触发千新星爆发。这种爆炸是宇宙中大量重元素的来源，如铂、氙、铀和金等元素将会被抛入星际空间。

很长一段时间以来，天文学家都在猜测最终可能导致千新星爆发的确切条件。该研究的结果表明，当中子星在没有经典超新星爆发的情况下产生时，它们可以最终并合形成千新星。研究的相关文章发表在2023年2月1日的《自然》杂志上。