天文速递（8月下篇）
原创 赵冬瑶《天文爱好者》
图：图中模拟了黑洞如何扭曲星空背景并捕获光线，从而产生的黑洞轮廓。图源：NASA's Goddard Space Flight Center; background, ESA/Gaia/DPAC
成员来自英国开放大学和英国南安普敦大学的一个研究团队正在寻求公众的帮助，以寻找宇宙中最神秘最难以捉摸的物体——黑洞。公众可以对SuperWASP巡天项目的数据进行查验，根据星光的变化发现黑洞的存在。
我们已经知道，恒星演化到末期时，会因为中心燃料耗尽而发生坍缩；如果坍缩前的恒星质量大于2-3个太阳质量，它最后就会坍缩形成黑洞。由于黑洞的引力场非常强，没有任何物质（包括光线）可以从黑洞逃脱，因此黑洞很难被直接探测到。但是，当黑洞处于“进食”状态，即有物质正在被黑洞撕裂和吸积时，由于黑洞强大的引力，物质的运动速度会非常之快，从而温度升高并向外辐射出X射线，因此通过电磁辐射我们可以发现正在进食的黑洞的存在。
但是并非所有的黑洞都在进食。这个研究团队就在试图找到那些没有在进食的黑洞，即没有物质掉落，也没有X射线提供线索，看起来就像隐藏了起来一样。幸运的是，黑洞的引力仍然可以暗示它们的存在。这是因为黑洞的引力足够强，可以使恒星的光线弯曲，这就像放大镜一样，使恒星在短时间内显得更明亮。
SuperWASP是由英国领导的探测系外行星的巡天项目，由两个分别置于南北半球的望远镜组成，它们能够监测系外行星凌星事件，记录恒星的亮度变化。SuperWASP的单个望远镜可以同时监测数百万颗恒星，两个望远镜的数据将覆盖整个天球。目前，SuperWasp已经拥有了超过10年的观测数据。该研究团队试图挖掘这些数据，从中找到任何亮度被放大的恒星，从而为黑洞的存在提供证据。但是，在这些观测数据中，需要被查看的恒星数量非常巨大，就算是有计算机的辅助，也无法在短期内完成。因此，该研究团队向公众寻求帮助，希望更多的人参与进来。公众可以通过访问黑洞猎人计划的网站（https://www.zooniverse.org/projects/hughdickinson/superwasp-black-hole-hunters）来加入搜索黑洞。您需要做的就是先查看一些简单的图例，熟悉黑洞存在时恒星的亮度如何变化；之后查看数据库，挑选出符合亮度变化规律的恒星，并且通知研究团队。
该项目的共同领导者之一Adam McMaster说：“我迫不及待地想看到黑洞猎人计划找到的东西。我们计划寻找的没有在进食的黑洞绝对存在，但在观测上还没有找到一例。我们的搜索可以提供第一批证据，表明安静黑洞的数量有多少，这将最终帮助我们理解黑洞的形成过程。”他补充道：“找到和发现这些黑洞是一项艰巨的任务，这不是一个人或一个团队可以做到的事情。无论公众对天文学有多少了解，只要可以访问互联网，他们都可以参与其中。”
图：双星系统艺术图。图源：喻京川（北京天文馆）
宇宙中大约一半的恒星都处于双星系统中。这些成对恒星相互绕转的轨道通常非常紧致，但是物理定律对此很难解释。近期，中澳科学家合作发现了一个新的年轻的双星系统，为解释双星紧密绕转的成因提供了观测证据。此研究发表于2022年7月7日的《皇家天文学会月刊》。
我们对单个恒星的形成和演化已经了解很多，它们相对容易研究和理解。但是双星系统的本质却没有那么直观。长期以来，天文学家就它们的形成过程一直存在争论。
单个恒星，比如太阳，是由一个巨大的气体云坍缩形成的。当坍缩的气体云中心形成一个足够小而集中的气体球时，它的温度就可以达到足够高从而触发核聚变，形成一颗恒星。由此看来，形成双星系统的两颗恒星需要并排的两个气体球。如果每颗恒星都各自坍缩，它们之间的距离是由原始气体云的大小决定，这将使其远大于观测到的双星的紧致绕转轨道。如果要形成观测到的紧致轨道，在每颗恒星各自坍缩后，它们要经历某种过程相互靠近，在距离足够近时又要有某种过程使得相互靠近突然停止，这实际上是一个不可能的场景。为了对观测现象进行解释，天文学家在理论上提出了一种假设，即两颗恒星在演化过程中还被某些物质包层所包裹，物质包层导致双星在摩擦力的作用下运动速度变慢，绕转轨道变小。这种假设的结构被称为“共有包层”。但是共有包层是从何而来呢？
假设表明，在早期阶段，两颗恒星在较远的距离上互相绕转，没有太多特别之处。但是，当其中一颗恒星演化为红巨星时，它不仅会自身膨胀，同时会“拥抱”或者说吞噬它的同伴，这样这个双星系统就像处于一个共有的不透明的包层中。共有包层中的大量物质会使两颗恒星在其内部运动时产生摩擦力，使它们的速度大大降低，从而它们的绕转轨道会越来越紧。同时，摩擦引起的大量热量最终会把包层吹散。但是此前天文学家在观测上还没有找到过共有包层的证据。
此次，研究人员利用澳大利亚国立大学以及中国云南天文台的望远镜，对一个距离地球23000光年的热亚矮星双星进行了测光和光谱观测。分析发现，两颗恒星之间的距离越来越近，并且它们的周围有一个正在膨胀的壳层，这个壳层约在一万年前被吹出，正在以大约200千米/秒的速度离开双星系统。
双星处于拥有共有包层阶段的时间十分短暂，大多数双星系统都是在其共有包层被吹散后的百万甚至数十亿年被观测到，因此在观测上它还是恒星漫长而复杂的演化过程中缺失的一个链条。现在，天文学家开始努力修复该链条。此研究中发现的双星共有包层，可以使我们对双星系统的早期演化有更深入的了解，甚至可以帮助我们更好地重建引力波事件，例如黑洞合并等现象。
图：阿勒泰小行星的陨石碎片之一。图源：Leiem (CC-BY-SA-4.0)
1898年，一位农民在中国新疆阿勒泰地区首次发现了一块重达28吨的铁陨石。此后至今，多块铁陨石在该地区被发现，这些陨石陨落位置的范围从新疆木垒县沿西北方向一直贯穿至阿勒泰市郊小东沟附近，形成了一个跨度长达430千米的陨石陨落带。科学家们最初并没有意识到这些铁陨石来自同一颗小行星。直到2016年，紫金山天文台的研究人员比较了该地区发现的三个大型陨石的矿物质和微量元素组成，发现它们具有相似的特征，同属于异常型的IIIE类铁陨石，确认了它们都是同一颗小行星的碎片，并将这颗小行星命名为“阿勒泰”。目前，在该陨落带发现的铁陨石质量从0.43吨到28吨不等，总质量超过了74吨。
一般情况下，来自同一母体的陨石碎片通常相距不超过30-40千米，而阿勒泰陨落带长达430千米，是目前世界上最长的陨石陨落带，不同于科学家们之前见过的任何普通陨落带。那么阿勒泰小行星的陨落事件为何范围如此之广呢？
近期，紫金山天文台行星科学和深空探测研究部的研究团队对阿勒泰陨落带的形成机制进行了数值模拟研究。研究人员使用了小行星初始质量、速度和入射角度的数千种组合来模拟了小行星的陨落轨道和范围，找到了能够较好地解释阿勒泰陨石分布特征的模拟结果：一颗直径4.2-9.4米、质量280-3440吨的小行星以大约12-15千米/秒的速度闯入地球大气层，该小行星的入射角很低（约6.5-7.3度），以“打水漂”的方式进入大气层，飞行方向从东南向西北。
数值模拟发现，决定陨落带范围最重要的参数是入射角度。如果入射角度再大一些，小行星就会直接砸入大气层，在大气层发生爆炸，那么陨落带就不会这么长；如果入射角度再小一点，小行星就难以进入大气层，会被弹回太空。现在得到的入射角度就像打水漂一样，小行星在分裂后陨石碎片跳跃前进，陨落范围可以很大，这就解释了为什么阿勒泰小行星拥有有史以来最长的陨落带，而且数值模拟的计算结果也可以指出找到更多陨石碎片的地方。计算结果也有助于解释为什么陨石在与地面碰撞时不会形成陨石坑，这是因为陨石在长途飞行中消耗了能量。“阿勒泰”是目前已知的唯一一颗具有这种撞击轨迹的小行星。
该研究工作建立了近地小行星进入地球大气层的动力学轨道演化模型，这将帮助科学家根据小行星的轨道更准确地评估小行星的影响和风险。该研究成果发表于2022年6月24日的《科学进展》。
