在星團中“太陽兄弟”周圍發(fā)現(xiàn)首顆行星

在星團M67中新發(fā)現(xiàn)行星的藝術概念圖。版權：ESO/L. Cal?ada。

現(xiàn)在已經(jīng)知道，太陽系之外的行星非常普遍。它們所圍繞的宿主恒星有著各異的年齡和化學組成。但在星團中僅發(fā)現(xiàn)了極少量的行星，而大多數(shù)的恒星卻都形成于星團之中。天文學家想知道，星團中的行星形成過程是否有其自身的特殊性。

為此，在6年的時間里，他們監(jiān)測了星團M67中的88顆恒星。如果有行星存在，那么它們就會具有朝向或者遠離地球的微小運動。這個星團位于巨蟹座，距離地球2,500光年，包含了約500顆恒星。不過，其中許多恒星過于暗弱，不適合來搜尋其周圍的行星。通過這些觀測發(fā)現(xiàn)了3顆行星，2顆圍繞著與太陽相似的恒星，1顆圍繞著大質量紅巨星。前兩顆行星的質量都約為木星的三分之一，公轉周期分別為7天和5天。第三顆行星的質量則比木星還大，其公轉周期為122天。

這里第一顆行星的宿主恒星是一顆引人注目的恒星。它是目前已知與太陽最相似的恒星之一，幾乎和太陽一模一樣。這是第一次在一個星團中的“太陽兄弟”周圍發(fā)現(xiàn)行星。這三顆行星中有兩顆屬于熱類木星。它們有著與木星相當?shù)拇笮?，但到其宿主恒星的距離比木星到太陽的近得多，因此溫度也高得多。所有這三顆行星都太靠近它們的宿主恒星，因而都不處于可以有液態(tài)水存在的宜居帶中。

甚大巡天望遠鏡拍攝的礁湖星云

甚大巡天望遠鏡所拍攝的礁湖星云。版權：E S O/ VPHAS。

位于人馬座，距離我們約5,000光年的礁湖星云是一個絢麗的天體。也被稱為M8，這個巨大的星云直徑100光年，其中有新的恒星正在形成。這些新生恒星所發(fā)出的強勁輻射會雕琢周圍的氣體和塵埃，形成各式各樣的結構和形狀。這幅礁湖星云的圖像由歐洲南方天文臺專門用來巡天的甚大巡天望遠鏡所拍攝。

甚大巡天望遠鏡并沒有專門對準礁湖星云，相反它所成像的范圍覆蓋了銀河中大得多的區(qū)域。這幅圖像是更大規(guī)模巡天的一部分。這些巡天涉及到現(xiàn)代天文學中許多重要的問題。它們包括探究暗能量的本質，搜尋早期宇宙中的明亮類星體，探測銀河系的結構，尋找不同尋常的天體，詳盡地研究大小麥哲倫云等。歷史已經(jīng)證明，巡天往往會發(fā)現(xiàn)意料之外的天體，為天文學研究帶來突破性的進展。

對于天文愛好者來說，礁湖星云也是夏季夜空中易于觀測的天體。僅次于獵戶星云，它是北半球觀測者可見的最明亮的恒星形成區(qū)。這個星云的外形呈現(xiàn)出不平衡的態(tài)勢，西側要比東側更臃腫一些。如果夜空足夠黑，你可以嘗試使用雙筒望遠鏡尋找一下把這個星云一分為二的黑色礁湖，5.9等星人馬9就位于它的西側。

黑洞釋放極端能量

使用美國宇航局的錢德拉X射線天文臺和其他望遠鏡，天文學家們發(fā)現(xiàn)了迄今最強勁的黑洞之一。這個黑洞在其周圍的高溫氣體中雕鑿出了巨大的結構，使得數(shù)萬億顆恒星無法形成。這個黑洞位于星系團RX J1532.9+3021中，距離地球39億光年。這幅圖像是使用“錢德拉”和哈勃空間望遠鏡的數(shù)據(jù)合成的。該星系團中發(fā)出X射線的高溫氣體用紫色表示，可見光數(shù)據(jù)則用黃色表示。這個星系團在X射線下極為明亮，暗示其質量約為太陽的一千萬億倍。在其中央有一個巨大的橢圓星系，在后者的中心則有一個超大質量黑洞。

該星系團中心附近的大量高溫氣體給天文學家出了個難題。發(fā)出X射線的高溫氣體應該會冷卻，星系團中心的稠密氣體則冷卻得最快。其壓強會隨之降低，使得外部的氣體向內沉降，沿途形成數(shù)萬億顆恒星。但在這個星系團的中心卻沒有出現(xiàn)這一現(xiàn)象。在其他星圖中也發(fā)現(xiàn)了這一情況，不過RX J1532.9+3021是個極端。觀測顯示，在中央星系兩側的高溫氣體中存在兩個巨大的空腔。它們極有可能是其中央超大質量黑洞所射出的高速噴流所開鑿出的。這一能量注入會使得大部分氣體無法冷卻，因而也無法形成恒星。

利用“錢德拉”和“哈勃”觀測結果合成的星系團RX J1532.9+3021的圖像。版權：X射線：NASA/ CXC/Stanford/J.Hlavacek-Larrondo等人；可見光：NASA/ESA/STScI/M.Postman & CLASH team。

探明大質量橢圓星系的演化過程

使用美國宇航局的哈勃空間望遠鏡和歐洲空間局的赫歇爾空間望遠鏡，天文學家們拼合出了致密橢圓星系演化的整個序列。這些星系在宇宙的早期就會出現(xiàn)大規(guī)模的恒星形成并很快燃燒殆盡。

得益于“哈勃”的紅外觀測能力，天文學家們首次獲得了極端致密橢圓星系的光譜信息。這些星系中的恒星形成過程在大爆炸后30億年時就已終止，這個時間尚不足宇宙目前138億年的四分之一。斯皮策空間望遠鏡以及其他地面望遠鏡也共同參與的這項研究解決了一個存在十年之久的謎題，即今天我們所看到的質量最大的橢圓星系是如何生長的。這是了解和認識這些星系形成和演化中缺失的一環(huán)。

新的觀測為宇宙中這些最大質量星系的演化過程提供了清晰的圖像，從最初的星暴一直到最終演化成巨橢圓星系。通過這項研究，天文學家們發(fā)現(xiàn)，致密橢圓星系會狼吞虎咽地消耗其用于恒星形成的氣體，直到再也無法制造出新的恒星。隨后它們通過與較小的星系并合來形成巨橢圓星系。出乎天文學家們意料的是，在這些燃燒殆盡的星系中，恒星的密度比在近距宇宙中所看到大質量橢圓星系中的還高10～100倍。

小行星多樣性佐證太陽系動蕩歷史

小行星組成的多樣性證明巨行星的遷移攪動并混合了太陽系中的物質。版權：David A. Aguilar/CfA。

我們的太陽系似乎是一個整潔而有序的地方。較小的類地行星位于內側，較大的類木行星位于外側。然而，太陽系的真實歷史可能要動蕩得多。巨行星曾經(jīng)發(fā)生過向內和向外的遷移，把形成行星的原材料散射到更廣大的區(qū)域中。研究表明，小行星帶為此提供了新的線索。

在火星和木星之間，有數(shù)百萬顆小行星在圍繞太陽公轉。這一小行星帶被稱為主小行星帶。傳統(tǒng)上認為，它們是因為木星的強大引力而沒有聚集成行星的原始物質。由于到太陽的距離各異，因此它們的含水量也有所差別。

在太陽系的早期，巨行星會橫沖直撞，向內或者向外大幅遷移。木星可能向內運動到了火星現(xiàn)在所處的位置，在這個過程中它清除掉了主帶中99.9%的原始物質。隨著它們的遷移，它們也混合了太陽系中的不同成分。來自水星附近以及海王星附近的物質都被送入了主小行星帶。使用斯隆數(shù)字巡天的數(shù)據(jù)，天文學家們研究了數(shù)千顆主帶小行星的成分，發(fā)現(xiàn)它們比之前所想象的更為多樣。這一發(fā)現(xiàn)也會對地球產(chǎn)生影響。因行星遷移而被散射的小行星可能為地球上的海洋帶來了大量的水分。

“赫歇爾”發(fā)現(xiàn)谷神星上有水

谷神星上有水蒸氣溢出的藝術概念圖。版權：ESA/ATG medialab。

使用歐洲空間局的赫歇爾空間望遠鏡，天文學家們首次發(fā)現(xiàn)了谷神星上存在水蒸氣的確鑿證據(jù)。谷神星是主小行星帶中最大且最圓的天體。當其表面的冰被稍稍加熱時，這些水蒸氣就會周期性地被釋放出來。

1801年首次被發(fā)現(xiàn)時，谷神星曾被認為是一顆位于火星和木星之間的行星。上個世紀，科學家們則已經(jīng)知道谷神星是太陽系中最大的小行星。但在2006年，國際天文學聯(lián)合會將直徑950千米的谷神星重新分類為矮行星，其大小介于小行星和行星之間。天文學家們認為，谷神星有著一個巖質的核心以及一層由冰組成的厚地幔。這層冰幔的含水量要超過地球上的水。這些物質可能來源于太陽系歷史的極早期，當時行星還尚未形成。

之前有關谷神星上存在冰還僅僅是理論猜測，沒有探測到任何決定性的證據(jù)。但“赫歇爾”的遠紅外觀測能力則清晰地探測到了水蒸氣的光譜信號。不過“赫歇爾”并非在每一次觀測中都看到了水蒸氣。在它的4次觀測中有1次沒有探測到水蒸氣。這是因為當谷神星通過其軌道上靠近太陽的部分時，其表面會被加熱到足以能讓水蒸氣溢出，速率大約是每秒6千克。當谷神星運動到遠離太陽的地方時，水就不會蒸發(fā)。

首幅褐矮星云圖

甚大望遠鏡重建出的褐矮星Luhman 16B表面的云圖。版權：ESO/ I.Crossfield。

褐矮星是介于氣態(tài)巨行星和低溫暗弱恒星之間的天體。它們沒有足夠的質量來點燃核心處的核聚變反應，因此只能發(fā)出微弱的紅外輻射。20年前天文學家才發(fā)現(xiàn)了首顆褐矮星，目前已知的褐矮星總數(shù)也不過幾百顆。

距離地球最近的褐矮星位于一個褐矮星雙星系統(tǒng)Luhman 16AB中，距離我們僅6光年。這個系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)于2013年初，是距離我們第3近的天體，僅次于比鄰星和巴納德星。隨著其自轉，每過幾個小時，較暗弱子星Luhman 16B的亮度就會發(fā)生微小的變化，暗示它可能具有表面結構。使用歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡，天文學家們不僅獲得了這兩顆褐矮星的圖像，還探測出了Luhman 16B表面明暗不同的區(qū)域。為了做到這一點，天文學家們使用了特殊的技術。他們使用甚大望遠鏡上的低溫高分辨率紅外階梯光柵攝譜儀對Luhman 16B進行了觀測。由此既可以看到它隨轉動而出現(xiàn)的亮度變化，還能看到其明暗區(qū)域的來和往。綜合這些信息就可以構建出其表面明暗區(qū)域的分布圖。

褐矮星的大氣與太陽系外高溫氣態(tài)巨行星的十分相似。因此通過更易于觀測和研究的褐矮星，天文學家們就能對年輕巨行星的大氣有更多的了解。

大幅晃動的太陽系外行星

想象一下你居住在一顆季節(jié)劇烈變化的行星上，才過夏季轉瞬就是冬季。這正是太陽系外行星“開普勒-413b”所經(jīng)歷的情況。它位于天鵝座，距離地球約2,300光年。每過66天它就會圍繞一個雙星系統(tǒng)公轉一周，這個雙星由一顆橙矮星和一顆紅外星所組成。使得這顆行星與眾不同的是，它的自轉軸會大幅度地擺動，即進動。在11年的時間里其自轉軸的傾角可以變化多達30°，使得其季節(jié)發(fā)生快速而劇烈的變化。作為比較，地球自轉軸變化23.5°則需要26,000萬年的時間。

這顆氣態(tài)巨行星到其宿主雙星的距離位于該系統(tǒng)可以有液態(tài)水存在的宜居帶內邊緣的里側。它的質量則約為地球的65倍，屬于超級海王星。它的軌道平面與其宿主雙星軌道平面的夾角為2.5°。在11年的時間里，它的軌道也會發(fā)生進動。使用開普勒空間望遠鏡，天文學家們通過其特殊的凌星模式發(fā)現(xiàn)了這顆行星的獨有特點。太陽系外行星的凌星現(xiàn)象通常是非常規(guī)律的。但“開普勒-413b”因其軌道進動，它凌星發(fā)生的時刻也會隨之發(fā)生大幅度的改變。天文學家們目前正在試圖解釋在這個系統(tǒng)中所觀測到的現(xiàn)象。這可能與附近還存在其他的行星或者恒星有關。

解剖名為“絲川”的小行星

花生形的“絲川”其兩部分可能有著不同的密度。版權：ESO/JAXA。

根據(jù)觀測資料畫出的Kepler-413b雙星系統(tǒng)。版權：NASA/ESA/STScI。

通過非常高精度的地面觀測，天文學家測量了近地小行星“絲川”的自轉速度及其隨時間的變化，由此進一步了解了小行星是如何輻射熱量的。使用歐洲南方天文臺的新技術望遠鏡，天文學家們從2001年到2013年對小行星“絲川”進行了長期的觀測，測量其亮度隨自轉的變化。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以十分精確地確定它的自轉周期及其隨時間的變化情況。把這些信息和“絲川”特殊的花生形狀相結合，天文學家就可以研究它的內部結構，進而首次揭示出了其內部構造的復雜性。

小行星和其他小天體的自轉會受到陽光的影響。當被吸收的太陽光以熱量的形式從小行星的表面被再次輻射出去時，就會引發(fā)這一效應。因為小行星的形狀通常都極不規(guī)則，所以熱輻射并不均勻，由此會產(chǎn)生微小但卻連續(xù)的力矩，這會改變它的自轉速率。測量發(fā)現(xiàn)，這一效應正在以每年0.045秒的幅度緩慢地加快“絲川”的自轉速率。這與預期的差異極大，只能用這顆小行星花生形狀的兩部分有著不同的密度來解釋。

這是天文學家們第一次獲得了小行星有著高度不同的內部結構的證據(jù)。之前有關小行星的內部結構信息只能通過整體密度來進行推測。這一結論也為“絲川”的起源帶來了疑問，一種可能性是它是由兩顆小行星聚集而成的。

半人馬A的新貌

“錢德拉”新近拍攝的半人馬A及其噴流的圖像。版權：NASA/CXC/U.Birmingham/M.Burke等人。

就在1999年美國宇航局的錢德拉X射線天文臺開始運轉之后幾周，它便對準了星系半人馬A。這個星系距離地球1,200萬光年，從其中央的超大質量黑洞射出了一道巨大的噴流。從那時起，“錢德拉”便不斷地觀測這一星系，一點一點地積累數(shù)據(jù)。同時，新的數(shù)據(jù)處理技術也向天文學家們呈現(xiàn)出了它新的細節(jié)。這幅半人馬A的新圖像包含有1999年至2012年的觀測數(shù)據(jù)，相當于超過9.5天的觀測量。其中，“錢德拉”所探測到的能量最低的X射線用紅色表示，中等能量的X射線用綠色表示，最高能的則用藍色表示。

亦如之前的半人馬A影像，這幅新的圖像也呈現(xiàn)出了壯觀的噴流。它從圖像的中心射出，直沖左上角，由該星系中央的巨型黑洞所驅動。在這些高能圖像中還能看到該星系中間的塵埃帶。天文學家們認為，這是它和小型星系在數(shù)百萬年前發(fā)生碰撞所留下的痕跡。針對“錢德拉”所獲得的有關半人馬A的大量數(shù)據(jù)，天文學家們進行了各種各樣的研究，由此找到了其中許多點狀的X射線源。它們大部分是正在吸積伴星物質的致密天體——要么是黑洞，要么是中子星。中子星形成與大質量恒星的坍縮，而形成黑洞的恒星質量甚至比形成中子星的還大。

（責任編輯 張長喜）

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