天文速递（11月上篇）

01  人类首次改变小星星

DART与双小行星系统的信息图。Credit: NASA/Johns Hopkins APL

9月26日，双小行星重定向测试（DART）撞击器撞上了一颗名为Dimorphos的小行星。按照设想，这项任务试图测试一种行星防御方法，以防大型太空岩石与地球相撞。撞击器于2021年11月发射，撞击时重约570千克，大小相当于一台自动贩卖机。科学家为DART选定的目标是小行星Dimorphos，直径约160米，绕一颗名为Didymos的较大的小行星运行，轨道公转周期为11小时55分钟。这个双小行星系统距离地球1100万千米，每2.1年绕太阳一周，其轨道不会对地球构成威胁。科学家认为它们非常适合研究行星防御的“动理撞击”方法。

DART的目标是撞击Dimorphos，将其轨道周期缩短至少73秒。10月11日，美国航天局在新闻发布会上宣布，初步计算表明，DART的确将Dimorphos改变到了更小、更快的轨道，其轨道周期缩短了32分钟，从最初的11小时55分钟减小到了现在的11小时23分钟。这是人类有史以来第一次改变了行星体的轨道，首次测试效果大大超出了科学家的预期。

在撞击过程中，DART每秒都向地球发送一张图像。当DART在最后几分钟将照片发回地球时，科学家们得以首次近距离对Dimorphos进行了观察。因为从地球上看，这个双小行星系统就只有一个点。DART的图像首先展示出了一个鸡蛋状的岩石团块，随着不断接近，之后的图片清晰展示出了小行星表面的巨石、砾石和灰尘。

新闻发布会还公布了DART撞击后的新图像。一部分新图片来自于名为LICIACube的微型卫星，它利用DART以搭便车的方式前往Dimorphos，在撞击发生前分离，并在大约三分钟后拍摄了现场的照片。LICIACube的图片显示了撞击后碎片的丰富细节，图片中每一个小斑点每一颗小粒子都是线索，展示了当物体撞击小行星时其表面会发生什么。此外，哈勃空间望远镜也对被撞击后的Dimorphos拍摄了图像，显示出了碎片壮观的长尾，在太空中延伸了10000千米，可以看出撞击后的喷出物如此之多，并且长尾已经分裂成两条。

太阳系中有数十亿颗小行星和彗星，其中只有极少数被认为对地球有潜在危险，而且预计在未来一百年左右人类都是安全的。但是等待的时间足够长，危险就可能会发生。例如，地质记录显示，6600万年前一颗直径9.6千米的小行星撞击地球，使世界陷入漫长的冬季，导致恐龙和75%的物种大规模灭绝。相比之下，Dimorphos大小的小行星只会造成区域性影响，例如毁灭一座城市，等等。

02  土星消失的卫星

哈勃空间望远镜对于土星的拍摄图像。Credit: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center), M.H. Wong (University of California, Berkeley), and the OPAL Team

由美国麻省理工学院的天文学家领导的研究团队在最新研究中发现，如今测得拥有83颗卫星的土星，曾经至少还拥有一颗额外的卫星，并在1亿多年前被摧毁。这颗被摧毁的卫星可以同时解释有关土星的重要问题：土星的倾角、土星环的形成和年龄。

目前，土星的倾角为26.7度，这是土星相对于其公转轨道平面的倾斜度。二十一世纪初，天文学家普遍倾向土星倾角的产生，是土星与海王星保持共振的结果。卡西尼号探测器在2004-2017年期间环绕土星对其进行了观测，通过对观测数据的分析，出乎意料的是，现今的土星与海王星并不共振。它们可能曾经同步，但现在已经不再同步。天文学家好奇是什么导致了土星和海王星脱离共振，土星的倾角是否受其影响？

此外，关于土星环年龄的争论已经持续了几十年。一些天文学家认为这些环可能与行星本身一样古老，年龄达到40亿年甚至更长。但在二十世纪80年代初期，研究人员根据环中冰粒子的速度以及它们相互碰撞和磨损的频率估计出环的年龄应该很短，只有1亿年。之后卡西尼号对落入环的行星际尘埃和环的质量进行了测量，支持了1亿年这个年龄估计。这相当于地球上出现第一只恐龙时土星还没有环。土星环是怎么形成的？为什么它年轻很多？

该研究最初的目标是想解决土星倾角的问题。研究人员首先对土星、其现有卫星以及海王星的历史演化进行了模拟，发现它们不能造成土星现在的倾角。之后，研究人员发现如果假设土星曾经还有一颗卫星，那么问题就可以得到解决，这个额外的卫星被命名为“蛹”（Chrysalis）。建模发现，这颗卫星的大小和土星第三大卫星，也就是土卫八相当，它围绕土星运行了数十亿年，期间对土星不断进行拉拽，使其与海王星共振，形成倾角。大约在1-2亿年以前，卫星蛹与土星的其他大型卫星多次近距离交会，其轨道变得非常不稳定，当某次离土星太近时，卫星蛹被撕碎。失去卫星蛹使土星脱离了海王星的共振，并让它保持了今天观测到的倾角。此外，研究人员推测，虽然卫星蛹的大部分碎片最后与土星发生了撞击，但剩余的一部分可能仍然维持在了轨道上，最终分裂成小的冰块，形成了土星标志性的环。就像蝴蝶的蛹一样，这颗卫星长期处于休眠状态，然后突然变得活跃起来，并且导致了环的出现。该研究结果于2022年9月15日发表在《科学》杂志上。

03  轨道周期最短的激变变星

激变变星的艺术图，白矮星（右）和其伴星（左）相互绕转形成此系统。Credit: Mark Garlick/Getty Images

在银河系中，将近一半的恒星像太阳一样孤独，是单星系统；而另一半恒星则处于相互绕转的双星或多星系统。近期，美国麻省理工学院的天文学家及其合作者发现了一个迄今为止观测到的最短轨道的双星系统ZTF J1813+4251，它们距离地球3000光年，每51分钟就绕彼此一圈，并且此系统是比较罕见的激变变星。研究结果发表于2022年10月5日的《自然》杂志上。

美国帕洛玛天文台的Zwicky Transient Facility（ZTF）拍摄了超过10亿颗恒星的图像；其中每一颗恒星都拍摄了1000张以上的图像，记录了每颗恒星在数天、数月和数年内亮度的变化，ZTF J1813+4251就来自于其中。该项目的研究人员希望从数据中找到在不到一个小时的时间内反复闪烁的恒星，这个频率通常表明一个轨道紧密的食双星系统，即一个恒星与另一个恒星快速绕转并周期性的挡住它的光。研究人员开发了一种算法，从10亿多颗恒星中筛选出了大约100万颗每隔一个小时左右闪烁的恒星。最终，ZTF J1813+4251以51分钟的轨道周期脱颖而出，并且被确认是激变变星。系统中恒星的半径和质量也被精确的测量了出来：一颗是白矮星，半径是太阳的1/100，质量只有太阳的一半；而另一颗是处于生命后期的类太阳恒星，半径是太阳的1/10，质量与太阳相当。

当致密的白矮星从伴星的氢包层中吸积气体，流入白矮星的表面时，随着积累物质的密度增加，它会被点燃爆炸。然而，爆炸的威力不足以摧毁恒星，因此吸积、爆炸会周期性地发生，导致系统周期性地变亮，得名“激变变星”。但是，一般认为太阳质量的恒星在双星系统中的轨道周期最短不会小于8小时。ZTF J1813+4251的发现证明了一个30年前的理论：激变变星最终将转变为超短周期双星。

研究人员对ZTF J1813+4251的演化过程进行了模拟，发现此系统目前正处于转变的过渡阶段：类太阳恒星已经演化到红巨星，其氢包层的大部分都被白矮星吸积，而富含氦的核心已经暴露出来，可以使整个系统处于一个非常紧致的轨道上。随着吸积的不断进行，7000万年后，类太阳恒星将被完全剥离成一个密集的氦核，此双星系统会以更近的距离绕转，轨道周期届时只需要18分钟，形成超短周期双星。可吸积的气体耗尽后，双星就会开始慢慢分开。ZTF J1813+4251是第一次直接观测到的这种过渡系统。

超短周期双星是探测引力波的候选体。不过到目前为止，还没有从ZTF J1813+4251探测到引力波。此系统的频率和波长很难用地基的LIGO引力波探测器进行探测，而欧洲空间局将在2030年左右发射的LISA（激光干涉仪空间天线）可能可以探测到它的引力波。