2017年天文學熱點回眸，2018年期望得到首幅黑洞圖像

圖片來源：ALMA/ESO 2000多年前，人類對於星空宇宙的探索只能憑藉肉眼和想像，因此對宇宙的理解和發現在幾十年甚至上百年或許都不會有大的突破。然而在距今400多年前，義大利科學家伽利略將那個簡陋的望遠鏡指向天空，他從來沒有想到這個小小的舉動引發了對宇宙探索的深刻變革。從最初的2.5cm口徑望遠鏡，到目前最大10m口徑的光學望遠鏡，觀測波段從最初狹窄的可見光擴展到從射電、紅外、紫外到X射線和γ射線全部電磁波段，觀測手段從光子擴展到粒子，尤其新近探測到的引力波，打開了一個探索宇宙的新窗口。 天文學是一門觀測的學科，天文觀測設備的先進程度決定著天文學的水平程度。令人欣喜的是，中國在過去的十幾年中，望遠鏡硬體技術和空間技術逐步提高，建成了世界最大口徑的500m射電望遠鏡，發射了中國第一顆X射線衛星，也有了精度很高的暗物質探測衛星，這些不同類型的望遠鏡或探測器都在逐步彌補中國與世界天文發現和研究的差距。 在這些天文利器的幫助下，宇宙探索向著更深更大的方向發展，天文探索也是日新月異。本文遴選2017年天文學領域的5項熱點研究和4個大型天文設備進行盤點，並對未來前景進行展望。 【研究進展】 LIGO 黑洞探測成常態並獲2017年諾貝爾物理學獎，開啟多信使天文學時代 2017 年天文學的絕對熱點必然還是屬於引力波探測。引力波繼續延續著之前的探測神話，不僅發現了更多的黑洞天體，使得LIGO團隊的創始人毫無懸念地獲得了2017年諾貝爾物理學獎。與此同時，中子星合併引力波和電磁對應體的直接聯合探測，更是開啟了引力波多信使天文學，再次掀起了引力波研究的更大熱潮。 2016年2月，美國國家科學基金會宣布第一例引力波事件被LIGO在2015年9月直接探測，這次發現不僅確認了黑洞的存在，看到一個前所未見的宇宙，更重要的是打開了一扇新的觀測窗口。自從其被宣布直接探測到的那一刻起，引力波獲得諾貝爾獎的呼聲隨之響起。儘管最早的幾位創始人在2016年幾乎拿遍了所有的大獎，但遺憾的是，2016年的諾貝爾獎並沒有被授予引力波。2017年，LIGO聯合IRGO有條不紊地公布了幾次探測到新的黑洞合併事件。隨著LIGO/IRGO探測黑洞合併事件的常態化，LIGO的幾位創建者也獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。 儘管引力波為探測宇宙打開了一個新的窗口，只有引力波探測器和目前成熟的電磁波望遠鏡結合在一起才能發揮更大效用。不過遺憾的是，因為雙黑洞合併不會產生電磁輻射，所以擁有著眾多強大探測能力的電磁波望遠鏡在此發現中發揮不了作用，因此天文學家更是期盼著探測到另外一種引力波源——雙中子星合併。此類事件不僅會有引力波產生，並且伴隨很強的電磁波產生。原本這一事件預計在2020年可以看到，然而就在IRGO加入LIGO聯同觀測的2017年8月17日，這兩組望遠鏡就探測到了於這個系統的信號。此後的幾十天中，吸引了全球眾多的望遠鏡進行觀測。 2017年8月17日，分布在全球各地的天文學家獲得一個消息，LIGO和IRGO探測器探測到了一個持續100 s左右的新引力波信號，其形式與2個中子星的併合相一致。GW170817引力波信號到達之後大約1.7s，美國國家航空航天局（NASA）的費米衛星搭載的伽瑪暴監測器（GBM和歐洲INTEGRAL望遠鏡搭載的SPI-ACS探測器均探測到一個暗弱的短時標伽馬射線暴，並將其命名為GRB170817A）（圖1）。因為時間和空間的一致性，被認為是跟引力波事件成協。在得知這一令人振奮的消息幾分鐘內，世界各地的望遠鏡就開始了忙碌的觀測。之後的幾周內，天文學家在光譜不同波段上（X射線、光學和射電等）都投入了可能的觀測設備，對那一區域進行觀測。這些觀測對這一災變性事件提供了從併合前約100s到併合後數周的全面描述。儘管此源發生在南天區，中國的HXMT「慧眼」衛星和南極巡天望遠鏡AST3還是有幸參加了這次科學發現的盛事，其中AST3對其光學對應體進行了10多天的追蹤觀測，得到了重要的光學數據觀測。

圖1 LIGO引力波信號結束的時間和伽瑪暴的開始時間相差大約2s 圖片來源：LIGO-IRGO 引力波和電磁波的聯合觀測不僅促使100餘篇文章發表（包括1篇由全球953家科研機構的3674名研究人員聯合撰寫的發現性論文），也產生了許多重要的科學結果。這次觀測確認了短伽瑪暴的起源問題（圖2）：產生於2個中子星併合，確認了理論預言的千新星，同時也幫助確認了雙中子星合併是重金屬來源的一個主要方式，還獨立測量了宇宙膨脹速度。因此引力波和電磁波聯合必將對於宇宙學研究產生深遠影響。400年前伽利略將望遠鏡指向天空，從而改變了人們認識宇宙的方式。而引力波結合目前成熟的電磁波探測方式，也必將開啟一個新的觀測時代。

圖2 雙中子星旋近，最終合併產生千新星的過程 圖片來源：LIGO-IRGO 發現7顆類地行星，3顆處於宜居區 2017年2月23日NASA公布了一項令人既吃驚又興奮的新發現：科學家通過斯皮策紅外太空望遠鏡，利用凌星法，在距離地球39光年的區域，首次在恆星TRAPPIST-1周圍發現7個地球大小的行星，更重要的是，其中3顆行星位於宜居帶內（圖3）。

圖3 TRAPPIST-1系統圖 圖片來源：NASA 如果能夠找到地外生命，這將是人類歷史上最為偉大的一項發現。自20世紀50年代的費米悖論開始，科學家就通過科學方式追尋著這個目標。隨著探測技術的進步，第一顆系外行星在20世紀90年代初被發現。而在過去的幾年中探測技術日臻成熟，在太空衛星的幫助下，發現系外行星的數目激增，天文學家已經發現了3724顆系外行星（截至2017年12月24日）。作為尋找地外生命的第一步，首先是尋找可能支撐生命存在的行星，也就是宜居區內的行星。截至目前，僅發現了10多顆宜居區內的系外行星。而這10多顆中的有3顆是2017年在恆星TRAPPIST-1周圍發現的。 確認行星本身的存在和數量比較容易，而確定行星的構成則相對比較困難，需要對行星的質量和半徑進行測量後，才有可能做出估計。對於目前探測到的絕大多數系外行星而言，因為質量和半徑不易測量，因此很難最終確定行星的構成。 在此次新發現的七星系統中，7顆行星距離恆星TRAPPIST-1都非常近，行星運行的軌道平面又非常適於觀測，天文學家才有機會確定這些行星的性質。這7顆行星與它們母星的距離如果以太陽系做類比的話，這7顆地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽距離的1/100，水星到太陽距離的1/30；最遠的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽距離的1/6。正是因為距離甚近，7 顆行星的公轉周期很短——最短的1.5d，最長的也只有20d。天文學家在利用美國斯皮策紅外望遠鏡對這一系統進行了持續20d的觀測後，就很好地了解了所有這些行星的基本性質。當然，因為老七最遠，觀測時長和它的轉動周期差不多，因此天文學家在這20d里對它的了解是最少的。 無論如何，這一發現刷新了太陽系外圍繞一顆恆星運行的宜居行星數量。在此前發現的10多個宜居類地系統中，每個系統中都只有1顆宜居行星。而這一次，在一個系統中找到3顆宜居行星，是前所未有的。這是目前宜居行星最多的系統，即使在太陽系，包括可能的火星，也只有2個宜居行星。麻省理工學院教授Sarah Seager說，「從無到有（指此次在一個恆星周圍存在多個類地系統的發現）通常困難重重，但從1到更多會相對更容易。」此次多個類地行星系統的發現，或許會為地外生命的探尋開闢一個新的方向，讓我們期待來年更多的發現。 找到首顆奇特超新星，最近至少爆發5次 超新星是恆星死亡時所產生的劇烈爆發，在宇宙中極為普遍。目前探測到的所有超新星都是只有一次爆發，然而在2017年11月《Nature》發表的一篇文章，觀測到了一個非常奇特的超新星，這顆超新星至少爆發了多達5次，這是前所未有的。 這顆超新星最早由美國的iPTF團隊所發現，根據發現時間被命名為iPTF14hls。然而這個超新星被探測到之時，已經處於亮度下降的階段，所以當時並沒有引起該團隊的重視，也沒有公開數據。之後這個超新星也分別被其他2個不同的團隊在巡天項目中獨立發現，其中一個是清華大學教授王曉鋒的超新星巡天團隊，他們利用中國科學院國家天文台興隆觀測站80 cm的TNT望遠鏡在2014年11月14日發現了此超新星。然而在探測到之後不久，他們注意到此超新星亮度開始上升，這是前所未有的（圖4）。

圖4 超新星iPTF14hls爆發想像圖 圖片來源：NASA 2015年1月，王曉峰團隊進一步利用中國科學院國家天文台興隆觀測站的2.16 m光學望遠鏡對此超新星進行了一系列光譜觀測，得到了此超新星最早的幾條光譜，並且發表在《國際天文學通報》雜誌上。此超新星的光譜表現出很強的P Cygni線，這是一個由運動氣體的吸收和發射共同導致的譜線。根據此特徵，這個超新星被分類為IIP型，也就是富氫的大質量恆星核塌縮超新星。IIP型的超新星很普遍，並不是特別有趣。對於這個超新星最為異常的是，通常的超新星只爆發一次，在光變曲線上只有一個峰值，而對於這顆超新星結果發現了多個峰值，達5個，這是目前發現的唯一一例。 通過對此超新星拋射物質速度的監測，從而推斷出拋射物質的質量至少是大於45個太陽質量。對於此超新星的多次爆發並沒有一個很好的解釋，目前有科學家傾向於pusational pair-instability supernoa，但是並沒有定論，對於它的理解肯定會改變我們對於超新星的認識。 更有意思的是，天文學家在之前的Palomar的巡天數據中看到，這顆超新星早在1953年時就有過一次爆發，在1993年的另外一次巡天項目中就消失了，因此這顆超新星很早之前就有過類似的爆發。目前不知此超新星之後還會不會爆發，或許還有更大型的爆發在等著我們。 「悟空」獲得精度最高的電子宇宙射線能譜 暗物質是21世紀科學研究的重要疑難問題之一。2015 年底發射升空的暗物質粒子探測衛星「悟空」（DAMPE），在正常運行近2年後，於2017年12月公布首個物理結果，宣布其觀測到高能能譜。比較有趣的是，「悟空」衛星首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1 Te處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對於判定部分（能量低於1 Te）電子宇宙射線是否於暗物質起著關鍵性作用（圖5）。

圖5 「悟空」衛星得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色）、美國費米衛星測量結果（藍色）、丁肇中團隊的阿爾法磁譜儀的測量結果（綠色）的比較 圖片來源：中國科學院高能物理研究所 暗物質探測的主要方式有上天、入地和對撞機。就上天探測而言，WIMP的反粒子就是其本身，當它和其他WIMP發生碰撞時，會湮滅產生特定能量的高能光子或者電子正負對。這就是上天探測的原理。中國發射的「悟空」衛星就是用於探測高能光子和電子的能譜，從而希望發現可能的暗物質信號。 「悟空」衛星採用了中國科學院紫金山天文台自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現了對高能（5 Ge~10 Te）電子、伽馬射線的「經濟適用型」觀測。「悟空」衛星的電子宇宙射線的能量測量範圍比國外的空間探測設備（AMS-02，Fermi-LAT）有顯著提高，拓展了觀察宇宙的窗口；「悟空」衛星測量到的Te電子的「純凈」程度最高（也就是其中混入的質子數量最少），能譜的準確性高。 「悟空」衛星的數據初步顯示在1.4Te處存在能譜精細結構。不過對於這個能譜精細結構，因為目前的置信度較低（低於3sigma），所以還有待以後的觀測數據進一步確認。「悟空」衛星目前運行狀態良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現，或許到時真的有機會揭開暗物質的神秘面紗。 奧陌陌：首個星際訪客 2017年10月19日，進行常規近地天體監測的泛星計劃（Pan-STARRS）偶然發現了第一顆系外天體，極高的偏心率預示著其獨特的來源。 泛星計劃是一台位於夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文台1.8 m口徑的望遠鏡，希望通過全天的快速掃描，比較同一天區的不同時間圖像，從而發現潛在的、新的近地天體。在發現可能的近地天體後，進一步計算運行軌道，並對可能對地球造成危害的天體提前做出反應預警。 根據現有的行星形成理論，恆星-行星系統在形成之初，會殘留有大量的小行星，這些小行星在巨行星向內移動的過程中會與之相互作用，很大一部分會被散射出恆星-行星系統，在經歷漫長的飛行後進入其他恆星-行星系統。理論學家已經預測太陽系中存在著很多於其他系統的小天體，尤其是彗星，並為之尋找了幾十年。但是因為絕大多數很小，或者距離地球比較遠，很難被發現。 此系外天體是由夏威夷大學天文系博士後Rob Weryk所發現，之後利用更大口徑的望遠鏡追蹤觀測表明，此天體的軌道非常極端：雙曲線軌道偏心率達到了1.19，這是目前已知最高的。如此高的偏心率表明這是一個於太陽系之外的天體，是目前為止發現的第一個。 首次發現源自太陽系外的天體，不管是科學家還是大眾，都非常興奮。根據發現時間和類別，被國際天文學聯合會（Internatioanl Astronomical Union）給予了一個永久的科學名字1I/2017 U1，「1I」中的字母「I」表示星際天體，「1」是此類天體中的第一個。除科學名稱外，還有一個昵稱，作為此天體的發現者，泛星計劃望遠鏡的科學家用夏威夷當地的土語為它命名「Oumuamua」，意思是「第一位遠方的使者」，它的中文名也被全國科學技術名詞審定委員會天文學名詞審定委員會確定為「奧陌陌」（圖6）。

圖6 「奧陌陌」外觀想像圖 圖片來源：ESO/M Kornmesser/PA 大型望遠鏡的觀測表明，此天體並沒有暈，所以排除了是彗星的可能性。其他的更多觀測對此天體的形狀也做出了限制，發現它呈現一個雪茄狀，大約長400 m，寬40 m，顏色偏紅，具有固態表面，不能確定是岩石還是金屬構成。它的形狀也讓人非常困惑，到目前為止，還沒有在太陽系內發現過此類形狀的小行星。按照現有的觀測和計算結果，此天體在2017年9月9日達到了近日點，以約40 km/s的速度離開太陽系，並於11月1日經過了火星軌道上空。因為此天體很小很暗，對它的觀測將持續到2017年12月中旬，在此之後，由於太暗的緣故，即使使用地球上最大口徑的望遠鏡，也很難再觀測到了。 【天文儀器】 視界面望遠鏡首次進行黑洞成像觀測 對於黑洞的形象，即使做了幾十年黑洞研究的科學家，也不是很確定。不過在2017年，科學家終於為黑洞拍下了第一張真正的照片。在2017年4月5—14日，由麻省理工學院科學家聯合全球30多個研究所的科學家開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃，利用分布於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網路（圖7），人類或將第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網路被稱為「視界面望遠鏡」（eent horizon telescope，EHT），其有效口徑尺寸可達到地球直徑大小，它由兩個相距最遠的望遠鏡距離決定。

圖7 望遠鏡全球分布示意 圖片來源：「科技導報」公眾號 黑洞，一個連光都難以逃脫的天體，自從被廣義相對論在1916 年理論預言，人們就一直對它充滿了好奇。20世紀60年代天鵝座黑洞X-1的偶然發現，成為黑洞的第一個候選體。到目前為止，天鵝座X-1黑洞已經被確認，許多其他的黑洞也已經被發現。根據黑洞質量的大小，天文學家將之劃分為恆星量級的黑洞和超大質量的黑洞。天鵝座X-1黑洞就是恆星量級黑洞的經典代表，而銀河系中心的黑洞Sgr A*是超大質量黑洞的代表。 黑洞自身不發光，難以直接探測，科學家通常採用「曲線救國」方式，即利用觀察周圍恆星的運動來測量質量，如果超過一定質量或者在狹小的空間之內質量過大，就可以判斷其為黑洞，然而最為確定的方式是直接觀測到黑洞。 視界面望遠鏡此次觀測目標主要有兩個，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位於星系M87 中的黑洞。之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標，是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的。其他黑洞因為距離地球更遠或質量大小有限，觀測的難度更大。 要想看清楚兩個黑洞視界面的細節，視界面望遠鏡的空間解析度要達到足夠高，需比哈勃望遠鏡的解析度高出1000倍以上。科學家之前可以利用單個望遠鏡實現黑洞周圍恆星位置的測量，但是相較於恆星與黑洞之間的距離尺度（約在光年尺度以上，1光年=9.5× 10 12km），視界面的尺度太過微小（至少小105倍），因此利用單個鏡面很難完成。為增強空間解析度，需採用「干涉」技術，即利用多個位於不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測，最後將數據進行相關性分析後合併，這一技術在射電波段已相當成熟。 根據視界面望遠鏡項目組成員、馬普射電天文研究所所長Michael Kramer所言，「所有觀測結果都很好，而且南極觀測數據也已經拿到」。因為視界面望遠鏡要處理的數據量巨大，為黑洞「洗照片」的耗時恐怕有些漫長，黑洞的面貌究竟是否真如作家、藝術家或電影導演所呈現的那般，讓我們期待2018年。 「慧眼」衛星發射成功，開啟中國X射線天文學時代 2017年6月15日上午11時，中國第一顆X射線天文衛星「慧眼」（HXMT）從酒泉衛星發射中心順利升空（圖8）。

圖9 「卡西尼號」墜落想像圖 圖片來源：NASA 該探測器20年間22次穿越土星與土星環之間，收集重要數據並拍下珍貴照片，總共向地球傳回635 GB科學數據、執行了250萬條指令，圍繞土星軌道近300次，發現了6個衛星，並為泰坦（土衛六）海底可能存在海洋提供了證據。 「卡西尼號」是「卡西尼-惠更斯號」探測器的一個組成部分。「卡西尼-惠更斯號」是美國國家航空航天局、歐洲航天局和義大利航天局的一個合作項目，攜帶了27種最先進的科學儀器設備，主要任務是對土星系進行空間探測。「卡西尼號」探測器以義大利出生的法國天文學家卡西尼的名字命名，其任務是環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察。而搭載的「惠更斯號」是用來探測土星最大衛星土衛六的探測器。 1997年10月15日，「卡西尼-惠更斯號」從美國的卡納維拉角發射升空。從地球到土星，「卡西尼號」飛了7年。藉助引力彈弓效應，先後2次掠經金星（1998年4月和1999年6月）、1次掠經地球（1999年8月）、1次掠經木星（2000年12月），最終抵達土星。 「卡西尼號」從2004年進入土星軌道以來，已經運行了13年，飛掠泰坦多達127次。而隨「卡西尼號」一起的「惠更斯號」在2005年登陸泰坦，收集到了這顆土星衛星的第一手數據，土衛六是太陽系中的第二大衛星，因為其表面分布著大量液態烷烴，被懷疑可能存在生命。美國國家航空航天局猜測液態烷烴的海洋能夠支持生命，因為在地球早期也有類似的大氣成分，嗜好烷烴的生命有可能在那兒生存。 「卡西尼號」原計劃在2008年就達到其設計壽命，2017年「卡西尼號」攜帶的燃料所剩無幾，已經沒有能力來改變它的飛行軌道。為了避免失去動力的飛船撞向土星的衛星，破壞後續的探測任務，因此NASA選擇讓它墜入土星大氣層自毀。「卡西尼號」以極超音速進入土星大氣層，短短几分鐘內便會熔化，化為灰燼。因為探測器不會有任何大的有機分子倖存，而且土星並不是一顆適居性星球，這也是NASA決定讓「卡西尼號」墜毀土星的原因。 儘管「卡西尼號」已墜毀，它的2個繼任者已經在籌備當中，即將探索稍微靠近的木星系統。歐洲航天局的「果汁」（JUICE）任務將於2022年發射，探索木星和木衛三系統。同年，美國國家航空航天局將利用新型超級運載火箭SLS發射「歐羅巴快帆號」。這項任務投資20多億美元，將45次近距離飛躍木衛二歐羅巴，研究這顆衛星的宜居性。 FAST首次探測到脈衝星 2017年10月10日，中國科學院國家天文台公布了500 m口徑球面射電望遠鏡（fie-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）在竣工後1年取得的首批成果，包括探測到數顆優質脈衝星候選體，其中2顆已通過國際認證。這不僅是中國歷史上首次利用自行研製的天文學設備探測到脈衝星，也表明望遠鏡調試進展超過預期，在1年內實現了基本觀測功能。 位於中國貴州省平塘縣克度鎮大窩凼喀斯特窪坑的FAST又稱「中國天眼」，是目前世界最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡。由4450 塊反射面板單元、6670根主索、2225根下拉索和2225個促動器組成的主動反射面系統，接收面積相當於30個足球場大小，比此前最大、被譽為人類20世紀十大工程之首的美國Arecibo望遠鏡（300 m口徑）的靈敏度還要高2倍多。基於3項全部中國知識產權的自主創新——選址方法、索網主動反射面、柔性索結合併聯機器人的饋源支撐，突破了射電望遠鏡工程極限。 如此龐大複雜的FAST，其建設和調試難度可想而知。FAST於2016年9月26日竣工，隨後進行了調試、標定望遠鏡性能及試觀測等工作，2017年8月27日，FAST首次實現跟蹤觀測，並穩定地獲取目標源的信號。隨後，又成功地實現了換源、編織掃描、跟蹤等多種觀測模式。至此，FAST完成瞭望遠鏡的功能性調試。 中國科學院國家天文台將在未來2年繼續對FAST進行調試，以期達到設計指標，通過國家驗收，實現面向全國學者的開放。同時進一步驗證、優化科學觀測模式，繼續催生天文發現，力爭早日將FAST打造成為世界一流水平望遠鏡設備。 【結論與展望】 2017年，天文事件精彩紛呈，最為突出的依舊是引力波探測，有設備才能有大發現，這也體現了天文學是發現型學科的本質。視界面望遠鏡觀測成功，數據處理正在進行中，期望2018年得到人類歷史上第一幅黑洞圖像，能看到它的真實面目，著實令人興奮。中國的HXMT「慧眼」衛星運行超乎想像的好，正式觀測在即，必將做出很多意想不到的發現。FAST 在2018年3月即將對收集信號的饋源做出升級，從現有的一個像素更新到19個饋源，這樣會使觀測效率大為提高，因此可以預計無論是從發現脈衝星或者做出其他發現的速度將會得到大大加快。另外暗物質探測衛星「悟空」運行狀態也很好。可以看到中國的觀測設備在迎頭趕上，並且有超越之勢。期待中國的天文設備能夠順利運行，發現更多的宇宙神秘現象。 （本文有刪節，全文發表於《科技導報》2018年第1期）

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