天文速递（8月上篇）
原创 赵冬瑶《天文爱好者杂志》
图：盖亚航天器的艺术图，背景为银河系。图源：ESA/ATG medialab; background image: ESO/S. Brunier
欧洲航天局于2022年6月13日释放了盖亚任务的新数据，这批新数据为天文学家理解银河系的形成和演化开启了全新的阶段。盖亚（GAIA，Global Astrometric Interferometer for Astrophysics）是欧洲航天局的空间天文台任务，于2013年12月发射升空，轨道位于地日第二拉格朗日点，每两个月可以将整个天球扫描一遍。盖亚任务的目标是对银河系中的10亿颗恒星进行观测和测量，为我们的银河系创建最准确最完整的3D地图。此次的数据涵盖了2014年7月至2017年5月期间的观测时段，是盖亚任务继2016年和2018年后第三次大规模释放数据。
这批新数据是目前银河系恒星数据的最大集合，不仅包含了恒星的天体测量数据：精确的位置、与地球的距离以及视向速度等，更重要的是，还首次包含了近5亿颗恒星的天体物理参数的信息：质量、温度、光度和年龄等，以及首次包含了约200万颗恒星的详细化学成分。研究银河系并非易事， 因为我们处在银河系内部，所以很容易“只见树木不见森林”。而盖亚释放的新的测量数据能够帮助天文学家进一步全面了解银河系，比如银河系的恒星从何而来、旋臂到底是什么样子的、银河系的碰撞历史等。
利用之前两次释放的数据，天文学家已经可以模拟恒星过去的轨迹，而新释放数据中的恒星化学成分可以让我们了解更多。恒星的化学成分与这些恒星在数十亿年前所诞生的分子云的化学成分相同，将化学成分数据与恒星轨迹的建模相结合，天文学家就能够回溯恒星的出生地，了解它们的出生环境。盖亚使天文学家可以深入研究数量庞大的银河系恒星的历史，这是地面望远镜很难完成的任务。
此外，银河系的螺旋结构也是一直存在的问题。天文学家大多同意银河系有四条旋臂，但各个旋臂的大小以及它们在银盘中的确切位置仍存在很大争议。一般认为旋臂主要由年轻恒星组成，因此盖亚新数据中提供的恒星年龄可以帮助天文学家聚焦在年龄不超过1亿年的年轻恒星上，从而更深入地了解螺旋结构的性质。
盖亚的新数据还可以使天文学家进行“星系考古学”。盖亚的早期数据发现银河系在80亿至110亿年前与一个名为盖亚-恩刻拉多斯的较小星系发生过碰撞。那时的银河系比今天要小得多，在吞噬了更小的入侵者后，它得到了增长和壮大。天文学家希望利用盖亚新数据中的恒星年龄和化学成分，追踪一些更早时期、比如大约120亿或130亿年前的碰撞，并确定更多星系碰撞发生的时间顺序，以期对银河系的成长历史有更清楚的认识。
盖亚第三次释放的数据还包含很多其他信息，比如银河系双星系统的信息，太阳系小行星化学成分的数据库等。盖亚任务将继续扫描天空，直到2025年其燃料耗尽。盖亚任务所获得的数据具有巨大潜力，将会给我们带来非常多的惊喜。
图：JWST发布的最新图像。图源：NASA, ESA, CSA, and STScI
北京时间2022年7月12日，美国国家航天局发布了詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）面向公众的第一组全彩图像和光谱数据。
JWST是目前最大的空间望远镜，口径6.6米，主要在红外波段工作，安装搭载了四种超灵敏科学仪器：近红外相机、近红外摄谱仪、近红外成像仪和无缝摄谱仪以及中红外仪。JWST总共耗资约100亿美元，经过了几十年的研发和建造，于2021年12月25日发射升空。经过一个月的时间，JWST到达了距离地球约150万千米的观测位置：地日第二拉格朗日点（L2）。在这段旅途中，JWST成功展开了其约为一个网球场大小的五层遮阳板。在到达L2点后，为了让搭载的科学设备能够如期正常工作，各项准备工作仍在继续。最终在6个多月后，团队成员宣布JWST的科学仪器的所有17种模式已经全部检查完毕，意味着调试完成，可以开始全面的观测工作。JWST的科学目标涉及很多领域，包括研究近距离的太阳系、系外行星、星团、星云等，也包括研究非常遥远的第一代恒星和星系等。JWST已经拍摄了一些科学图像，质量远远超过团队的预期。
7月12日，美国国家航天局向公众公布了JWST的5张科学图像和光谱，它们揭示了JWST的四种最先进的科学仪器的能力：
南环星云：这个行星状星云是一个膨胀的气体云，围绕着一颗垂死的恒星，距离我们大约2000光年。JWST强大的红外仪器首次将其旁边第二颗垂死的恒星带入了我们的视野。JWST的能力可以深入探索年老恒星吹出的尘埃和气体外壳，即行星状星云，这些行星状星云有朝一日可能形成新的恒星或行星。
船底座星云：JWST对船底座星云中“宇宙悬崖”的观测揭示了恒星形成的早期快速阶段。观测船底座的这个恒星形成区以及其他类似的区域，JWST可以看到新形成的恒星并研究形成它们的气体和尘埃。这是之前光学波段所不能完成的。
斯蒂芬五重奏：JWST对位于飞马座的这一紧凑星系群进行了观测。红外波段的观测穿透了分布在星系中心的尘埃，揭示了星系中心超大质量黑洞附近气体的速度和成分。现在，科学家们可以看到以前从所未有的细节，了解并合的星系是如何相互触发恒星形成，以及这些星系中的气体是如何受到干扰的。
SMACS 0723：JWST提供了迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙的红外图像，观测只用了12.5个小时。这个深场图像展现了一个前景星系团以及由于引力透镜效应被它放大了的遥远星系，可以用来寻找一些迄今为止最遥远的星系。这张图片展示了JWST研究深场和追溯宇宙早期星系演化的能力。
WASP-96b（光谱）：JWST对太阳系外这颗又热又膨胀的行星的详细观测揭示了水的清晰特征，以及之前对该行星的研究没有发现的霾和云的证据。随着JWST首次在系外行星大气中探测到水，它之后将着手研究数百个其他系统，以了解其他行星大气的具体组成。
JWST向我们展示了观测宇宙的前所未有的全新视角，其图像和数据展现出的令人难以置信的细节，这将帮助我们揭示诸多问题的答案，而有些问题，我们可能之前甚至完全没有想到过；韦布望远镜的投入使用，能够让我们更好的了解我们的宇宙，以及人类在其中的位置。
图：希格斯玻色子的艺术想象图。图源：Tobias Roetsch/Future Publishing via Getty Images
希格斯玻色子，自1964年被预言以来，一直是粒子物理学中最重要的粒子之一，是粒子物理学家一直在寻找的粒子。2012年，利用由欧洲核子研究组织在瑞士日内瓦附近的地下隧道中建成的大型强子对撞机（LHC），科学家终于找到了粒子物理学中这块一直缺失的拼图。
希格斯玻色子的重要之处还因为其具有的称为希格斯场的能量场。粒子物理学的标准模型表明希格斯玻色子具有一个独特的性质，那就是量子自旋为零，而这是由希格斯场的性质决定的。比如重力场和电磁场，它们都具有明显的来源：物体的质量或通过磁场的电流。但是，希格斯场没有任何来源，它就弥漫在宇宙中，与时空的“真空”耦合，因此该场享有真空的性质。真空没有量子自旋，因此希格斯场的载体希格斯玻色子也没有自旋。
宇宙中，由于量子波动，真空会处在高于其最低可能态的能量水平（即“假”真空），但是并不稳定，其总是倾向于释放能量向最低可能态衰减。如果衰减发生了，这对宇宙来说是灾难性的：能量衰减会产生以光速移动的能量波，会破坏宇宙中的一切并用“真”真空（真空的最低可能态）代替它们。理论表明只有希格斯场才能使真空保持在“假”真空态，防止其衰减到“真”真空态，从而形成现在宇宙中的各种结构。
在2018年结束的第二轮实验中，通过10,000万亿个质子的碰撞，LHC探测到了800万个希格斯玻色子。在2022年7月4号，LHC发现希格斯玻色子的十周年纪念日，研究人员公布了他们的研究结果：没有发现希格斯玻色子具有自旋，并且目前技术能够测量出的希格斯玻色子的性质与标准模型描述的一致。我们宇宙的存在可能的确需要感谢希格斯玻色子以及希格斯场。
此外，理论表明希格斯玻色子能够与所有大质量粒子相互作用使它们获得质量。这个性质为发现暗物质粒子、研究暗物质的本质带来前所未有的期待。众所周知，暗物质只通过引力与宇宙中其他的物质相互作用。暗物质的本质是什么一直是科学家希望解答的问题。目前物理学家对暗物质有很多猜想，比如它可能是暗辐射、迷你黑洞、修改引力、超对称粒子等等，但其中弱相互作用大质量粒子（WIMPS）还是解释暗物质最有力的竞争者。如果暗物质是大质量粒子，那么它应该会和其他大质量粒子一样与希格斯场相互作用，从中获得质量，同时希格斯玻色子衰变为暗物质。经过三年的维护和升级，LHC于2022年4月22日重启，新一轮实验的重要目标之一就是寻找暗物质粒子。LHC预计在新一轮实验期间产生约1.8亿个希格斯玻色子，这将进一步提高对颗粒间相互作用的测量精度。
希格斯玻色子的发现不仅是让物理学家从列表中勾选掉一个粒子，它还意味着一个探究物理学最深层奥秘的关键工具。它的存在及其特性，使人们引发了对基础物理领域最深刻的思考：基本粒子的关系、宇宙中的物质，以及宇宙的命运。
