目录

内容简介

序言·PREFACE

美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）介绍

美国《科学新闻》杂志（Science News）介绍

I 宇宙的基石：基本粒子 Building Blocks of The Universe：Fundamental Particles

首次发现四夸克粒子

四夸克粒子

关于一种新型粒子的证据消失了

质子的半径重新修正为更小值

光子可以选择迂回的传播路径

星际尘埃粒子

神出鬼没的太阳中微子

中微子的母粒子设定速度限制

仪器问题导致了中微子超光速现象

空间中微子并非只有一个单一来源

锂平台之谜

锂谜团将更深

锂元素缺失问题延伸到银河系之外

在中子星的碎片中检测到金元素

就地取材构建生命

宇宙中复杂的分子是如何形成的

恒星诞生时喷发大量分子

气体云中发现了有分支结构的分子

氰化物标志着复杂的化学

在大尺度上的不确定性理论

实验发现相互作用大质量粒子的线索

暗物质候选体大败

共同关注暗物质

II 寻找生命：水和生命 Extraterrestrial Life Exploration：Water and Life

水星上有冰

火星上曾经可能有水

火星上是安全的，探测车开始搜寻其宜居的迹象

在火星土壤中深挖

好奇号探测器采集到火星泥土样本

火星好奇号探测器没有找到甲烷

火星探测车发现了甲烷的迹象

土星的一颗卫星上隐藏着惊喜

土卫二的冰层下隐藏着一片海洋

土卫二上的海洋是高碱性的

土卫二上的热液活动

土卫二上的间歇泉

一颗遥远的卫星上的冰

木卫二上发现了羽流

木卫二的间歇泉很难被看到

木卫二上发现了板块构造活动

木卫三拥有地下海洋

黎明号宇宙飞船到达了目的地

海水可能不是来自于彗星

水，水无处不在

月球上的水具有地球上水的特征

首次发现地球大小的行星

开普勒找到了715个新的世界

重生的开普勒发现了系外行星

开普勒找到了554颗可能的行星

大的岩质行星擅长建造海洋

寻找另一个地球

处于适当位置的行星能孕育生命

生命可能喜欢冷星附近的岩质行星

系外行星大气中的氧未必是生命的标志

系外行星地球二号位于宜居带中

系外行星开普勒-186f

超级地球位于“最好的位置”

测量系外行星质量的新方法

宜居行星的真实性有待商榷

对于生命来说，伽马射线暴是坏消息

超低温液态水打破了纪录

III 行星和卫星等 The Major Planets and Moons

最小的行星依然在给我们带来惊喜

你在这里：从远处看地球

地球周围的临时环带

地球早期经历了长期的撞击

火星极光

火星黏土曾经可能经历过火山活动

土星上的六边形云团

新行星的轨道半径可能是冥王星的两倍

月球尘埃堆积速度极快

关于月球内部的重力地图揭示了动荡的历史

中国的探测车揭示了月球的岩层

月面特征终获解释

月面闪光来自熔滴

岩石的化学揭示了月球起源的细节

土卫六朦胧的“面纱”在下落

地质构造及落水洞可能塑造了土卫六的地形

土卫八上的山脊可能来自太空

哈勃找到了第五颗冥王星卫星

灶神星：比起小行星，更像行星

小行星挤进有环天体行列

小行星产生了长期的磁性

在线追逐彗星

具有古怪轨道的天体回到了家乡

奥尔特云给天文学家抛了一个彗星弧线球

“罗塞塔”揭露了一颗复杂的彗星

彗星暴露了它的基础材料

科学家们探测新的陨石

自成一类的火星陨石

IV 人类探索的足迹 Human Explorations

哈勃年

展望哈勃的未来

天文学的艺术

小望远镜，大行星

旅行者1号仍未飞出太阳系

旅行者号进入神秘未知的领域

“旅行者1号”可能还在太阳气泡中

光荣的开普勒望远镜并未终结

开普勒太空望远镜重获新生

罗塞塔宇宙飞船到达彗星67P附近

“菲莱”着陆

“菲莱”的探索中止

火星探测器的日记

前往火星的崎岖道路

火星旅行可能意味着大量辐射

宇航员的安全问题

V 恒星和系外行星 Stars and Exoplanets

太阳风可能穿透了火星的大气

太阳的激波消失了

太阳的短周期记忆

太阳喷射出的气体包层相互碰撞反弹大质量气体球所显示的超弹性行为

庞大的等离子体回路推动了太阳的自转

日冕物质抛射活动的前兆

250光年以外存在着太阳的未来

太阳的兄弟姐妹

离太阳最近的恒星

围绕银河系系中心运动的超高速恒星

恒星婴儿图

自引力透镜双星

三合星系统提供了检验引力理论的新方法

年老的太阳系统

闪光揭示了恒星的属性

年老的恒星偷取邻近天体的气体

早期恒星的光仍未被看到

捕获到来自早期恒星的光

最早期的恒星没有我们预期的那样年老

在半人马座阿尔法星周围发现了地球大小的行星

超重的行星动摇了行星理论

怪异且遥远的行星

行星被“烧烤”后存活下来了

一对系外行星环绕着双星作轨道运动

行星的“躲猫猫”游戏

系外行星的巨型环

古怪的行星轨道

流浪行星漂浮在星团之中

漫游的世界

超级地球可能是通过两种方式形成的

搜寻行星的新方向

通过微引力透镜效应寻找行星

系外行星北落师门b的新消息

研究发现新的系外行星常常是冒充者

满天繁星都有自己的行星

恒星周围没有空房

对行星来说，拥挤的环境不安全

行星没有必要在恒星的环中

巨大的难以解释的天体盘

新生行星向恒星提供“养料”

VI 高能天体：黑洞与超新星 Objects with High Energy：Black Holes and Supernovae

巨大的黑洞

早期宇宙中质量最大的黑洞

伪双黑洞

稀有的三黑洞系统

黑洞的饕餮大餐

黑洞强烈喷流的根源

黑洞叫停恒星工厂

逃离的黑洞找到新家

小型星系是巨大的黑洞的家

一对黑洞已经准备好决战了

进入黑洞时，请系好安全带

原子测量使中子星被充分理解

最远的超新星

巡天捕获到即将爆发的超新星

行星搜寻者还发现了超新星

超新星是一个巨大的尘埃工厂

超新星遗迹中存在尘埃

引力透镜效应使遥远的超新星变得醒目

超新星诞生之谜

小行星可能会引发超新星爆发

Ⅰa型超新星的两种产生机制

新的伽马射线源

恒星爆发中的伽马射线的产生机制

VII 银河与星系 The Milky Way and Galaxies

宇宙中我们自己的家

银河系在宇宙中的位置

丢失的质量藏在银晕中

银河系中尘埃云的3D图像

“回光”返照揭示恒星历史

缺失的卫星星系之谜被解决了

银河系的新邻居

银河系将被迎面撞上

一个氢云正向银河系高速前进

一些星系中只含有少量的恒星

星光的影响会减少下一代恒星的生成

大爆炸之后，小型星系可能引发了再电离

VIII 宇宙深处 The Deep Universe

早期宇宙的遗迹

宇宙大尺度结构的形成机制

宇宙纤维

星系团异常高产

搜寻遥远的信号

探测到来自远方的射电脉冲

宇宙中一次神秘的爆发

星系的伽马射线光晕暴露了暗物质

追踪宇宙能量

宇宙射线工厂

宇宙射线暗示了暗物质的存在

暗物质，你在哪？

暗物质纤维被照亮

用DNA捕捉暗物质

分裂的星系为暗物质提供了线索

暴胀理论追踪

早期宇宙的增长速度

哈勃常数值之争

宇宙的精确图像

普朗克检验之前的研究结果：宇宙学家得到的结论大部分是正确的

原初引力波被发现

原初引力波，还是尘埃？

尘埃获胜

BICEP2低估了尘埃的影响

虚拟的宇宙重现了130多亿年的历史

Copyright © 2016，Society for Science & the Public

This edition is published by arrangement with the Society for Science & the Public，a non-proft organization based in Washington，D. C，U. S. A.

Simplifed Chinese edition copyright © 2016，Publishing House of Electronics Industry All rights reserved.

本书由电子工业出版社独家出版发行。未经书面许可，不得以任何方式抄袭、复制或节录本书中的任何内容。

图书在版编目（CIP）数据

原子与宇宙/美国《科学新闻》杂志社编著；杨冰，丁一译.—北京：电子工业出版社，2016.7（科学新探索）

ISBN 978-7-121-28888-3

Ⅰ．①原…　Ⅱ．①美…②杨…③丁…　Ⅲ．①原子—普及读物②宇宙—普及读物　Ⅳ．①O562-49②P159-49

中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第111646号

策划编辑：郭景瑶（guojingyao@phei.com.cn）　张昭（zhangzhao@phei.com.cn）

责任编辑：郭景瑶

文字编辑：秦广萍

印　　刷：

装　　订：

出版发行：电子工业出版社

北京市海淀区万寿路173信箱　邮编：100036

开　　本：720×1000　1/16　印张：26.75　字数：435千字

版　　次：2016年7月第1版

印　　次：2016年7月第1次印刷

定　　价：88.00元

凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。

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内容简介

电子工业出版社与美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）及其出版的《科学新闻》杂志（Science News）倾力合作，陆续推出《科学新探索》丛书，《原子与宇宙》正是该丛书的第二本书。本书不仅介绍了人类探索广阔的宇宙空间的重要发现，而且拉近镜头关注细节，人类力求通过研究基本粒子和作用力来找出它们所揭示的物质及其存在的本质，并且已经获得了巨大的回报。

《原子与宇宙》一书的文章均选自近几年《科学新闻》杂志中尤为精彩、受读者欢迎且值得阅读的文章。《科学新闻》杂志是美国专业、全面、及时的科学新闻来源之一。

序言·PREFACE

据估计，宇宙包含超过一千亿个星系。我们人类只占据了其中一个星系中的一颗恒星周围的一颗行星。然而人类从栖息之地出发，用坚持不懈的努力和精巧独创的设计探索着广阔的宇宙空间。我们用眼睛追踪恒星和行星的运动，在荒漠山巅架起望远镜，捕捉到宇宙中最古老的光——宇宙大爆炸的余辉。迄今为止，已经有12名宇航员在月球上行走过，有数百名的宇航员绕地球轨道运行过。那些人类不能亲身前往的地方，我们也送出了机器人使者——去往火星、彗星以及太阳系的边缘。我们不仅把眼光放向远方，而且还拉近镜头关注细节，研究基本粒子和作用力来找出它们所揭示的物质及其存在的本质。

人类因此获得了巨大的回报。首先，我们现在已经有了一个关于宇宙的动力学本质的清晰图像。大多数宇宙学家认为，宇宙源于一次大爆炸，之后在远远短于1秒的时标内以指数方式膨胀，这段时期被称为暴胀。随后，恒星、星系和行星开始形成。今天的宇宙仍在加速膨胀。这个结论来自于对遥远的超新星（大质量恒星的爆炸）的观测并获得了诺贝尔奖。这样的爆发，连同中子星碰撞和黑洞自旋一起，一次又一次震动着无垠的宇宙，在时空纤网中发送出涟漪。我们自己的太阳系同样也是活跃多变的，如火山活动、间歇泉、小行星的疾行和行星的往复运动等。在这样的环境中，生命竟然可以茁壮成长，这很令人惊奇，然而它确实发生了。

过去的五年（本书的时间范围）并没有某一个单一的发展脉络，但是对其他可能存在生命的世界的搜寻是一个一直在进行的主题。美国航天局的开普勒任务在最开始的四年内发现了超过1000颗系外行星，并且确认了第一颗处于另一颗恒星的宜居带中的地球大小的行星。火星好奇号探测器发现了这颗红色星球曾经拥有大淡水湖的证据，并且在那里第一次闻到了甲烷的味道。而木星的一颗冰质卫星——木卫二似乎具有板块构造活动。这也是一个适合生命生存的有利条件。其他在过去五年内的较大进展包括目前对一颗黑洞最详细的观测和最遥远的超新星的发现。位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机的物理学家们通过粉碎以接近光速运动的质子，发现了希格斯玻色子，填补了粒子物理学标准模型的最后一个缺口。

但是并不是所有的头条新闻都得到了证实：中微子超光速现象只是因为搭错了线。而探测到的可以用来证实暴胀理论的原初引力波也只是星系尘埃制造出来的海市蜃楼。宇宙如此广袤，错误的起点和退步是不可避免的。而且需要探索的问题如此众多：大部分宇宙是由什么组成的？星系是如何演化的？是否有一种方式可以统一自然界中的各种力？是否还有其他的“地球”？而且它们是否也有自己的宇宙探险家呢？

对宇宙的探索还在稳步进行，许多谜团仍有待揭晓。

美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）介绍

美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）是美国历史悠久的非营利机构之一，致力于鼓励公众参与科学研究和科学教育。美国科学与公众协会成立于1921年，总部设在华盛顿特区，实施会员制。作为倡导公众了解科学、重视科学的前沿阵地，协会始终坚持传播科学在人类进步过程中所起到的重要作用。

美国科学与公众协会以“传播知识、教育公众、启迪智慧”为宗旨，发起了众多备受赞誉的教育类竞赛，比如英特尔少年科学天才奖、英特尔国际科学与工程大奖赛、博通MASTERS®国际中学生科学与工程设计竞赛。此外，协会出版的《科学新闻》杂志（Science News）和《科学新闻（学生版）》杂志（Science News for Students）也屡获大奖。协会拥有近9万订阅会员，网站每年吸引1500万用户，拥有近400万社交媒体粉丝，以及5万名参加过科教竞赛的选手。不仅如此，协会还得到了众多慈善人士、一流公司和基金会以及其他机构的鼎力相助。

如果您想了解美国科学与公众协会的更多信息，请访问其官方网站societyforscience.org，也可以在脸谱网（Facebook）或推特（Twitter）上加关注。

美国《科学新闻》杂志（Science News）介绍

美国《科学新闻》杂志（Science News）由非营利机构美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）出版，出版地为华盛顿特区。纸质版《科学新闻》杂志（Science News）为双周刊，同时开通了每日更新的新闻网站（www.ScienceNews.org）。

纸质版《科学新闻》杂志拥有超过9.3万的付费订阅者，网站年独立访问量高达1200万。此外，《科学新闻》杂志在社交媒体上也十分活跃，拥有220万脸谱网粉丝和150万推特粉丝。

《科学新闻》杂志已有94年的历史，一直致力于为公众提供值得信赖的科学信息。1922年，报纸出版人爱德华·W.斯克里普斯（Edward W. Scripps）创办了《科学新闻》杂志，最初名为Science News-letter，这是美国第一份旨在为公众提供客观严谨的科学新闻的出版物。如今，《科学新闻》杂志的使命依然没有改变，始终以“传播育人”为己任，继续将各个科学领域的重要发现传递给公众。

《科学新闻》杂志由顶尖的团队撰写、编辑和设计，面向科学爱好者、希望更深了解前沿科学成果的学者，以及时刻关注其他领域发展的科学家。

《科学新闻》杂志多年来屡获大奖：

- 由美国杂志Folio主办的“埃迪和奥兹奖”（2013，2014，2015）

- 华盛顿科学作家协会“新闻摘要奖”（2012，2013，2014，2015）

- 威比奖（2014）

- 美国物理联合会“科学传播奖”（2013，2014，2015）

- 美国环境记者协会“戴维·施托尔贝格功勋奖”（2012）

- 美国气象学会“大气及相关科学杰出新闻奖”（2009，2013）

- 科维理/美国科学发展协会“儿童科学新闻奖”（2009）

I　宇宙的基石：基本粒子

Building Blocks of The Universe：Fundamental Particles

首次发现四夸克粒子

这个发现将可能揭示原子核是如何组合在一起的。

安德鲁·格兰特

第一个由超过三个夸克所组成的一种奇异粒子可能将在实验中合成。夸克是构成原子核的基本粒子。如果这与物理学家的想法相符，这个奇异粒子将为研究组成原子核的作用力和早期的宇宙提供一些线索。

明尼苏达大学的物理学家罗纳德·波林说：“我们已获得了关于这个非常规粒子的足够证据，而且它可能含有四个夸克，这是令人兴奋的结果。”关于这个粒子（命名为Zc（3900））的详细描述，已经发表于2013年6月21日出版的《物理评论快报》上。

自从20世纪60年代起，物理学家已经知道质子和中子与其他几百种粒子一样，都是由夸克组成的。所有的粒子可分为两大类：介子和重子。其中介子由两个夸克组成，重子（包括重子和中子）则含有三个夸克。

在过去的十几年里，许多物理学家包括日本的Belle实验和中国的BESIII实验在内的研究团队一直都没有找到超过三个夸克所组成的粒子。由于物理学家并不能直接观测到夸克，因此探测粒子的内部工作是相当困难的。因而科学家必须依赖于质量、电荷和由撞击粒子产生的衰变产物来寻找非平常的粒子特征属性。这些非平常的特征或许可以由一个奇特的夸克粒子组合来解释。

Belle和BESIII研究团队研究一个叫Y（4260）的奇异粒子时，发现它会衰变为另一个有趣的粒子Zc（3900）。来自BESIII团队的波林说，Zc粒子的质量表明它是一个电中性的介子，由两个夸克组成，分别含有相反的电荷，称为粲夸克和反粲夸克。但令人惊奇的是，Belle和BESIII这两个研究团队都发现Zc（3900）粒子具有一个电荷。

波林说，事实上没有双夸克或三夸克的组合能解释Zc（3900）的质量和电荷。这导致物理学家得出一个令人振奋的结论，它是一个含有四个夸克的粒子：粲夸克和反粲夸克，以及上夸克和反下夸克，这使得其质量非常轻，并含有一个正电荷。纽约锡拉丘兹大学的物理学家托马什·斯克瓦尔尼茨基说，这个粒子的电荷是四夸克状态的绝佳证据。

如果这个四夸克的构建是真的，那么下一个研究的主要问题是要知道这些夸克是如何构建在一起的。斯克瓦尔尼茨基说，Zc（3900）可能是一个四夸克粒子，也有可能是由两个介子耦合而成，就像两个原子那样形成一个分子。

波林说，对这个粒子内部结构的认知将有利于物理学家理解强原子核作用力，因为是它决定夸克如何聚并成为质子、中子和其他物质形式。

另外，物理学家认为就在宇宙大爆炸之后，物质是以一堆夸克和胶子（gluons）组成的热汤的形式存在，这些粒子具有强相互作用力。可能随着宇宙的冷却，这个热汤凝固被称为多种奇异的多夸克组合体，就像当今我们所观测的在分裂之前的Zc（3900）。波林说，随着对所有基本粒子越来越完整的认知以及它们之间的相互作用，我们将更好地理解我们是从何而来，以及我们是如何走到现在。

四夸克粒子

四夸克粒子有助于物理学家理解宇宙的第一代物质。

安德鲁·格兰特

有些科学家认为，在这个由二夸克粒子和三夸克粒子主导的宇宙中存在着四夸克粒子。2014年，一种奇异粒子的再次发现为这一观点提供了最好的证据。

美国纽约锡拉丘兹大学的物理学家托马什·斯克瓦尔尼茨基说：“通过确认这种粒子的存在，我们自动证明了四夸克态的存在。”

夸克，物质的基本组成成分之一，从来没有单独存在过。它们与一种叫作胶子的粒子束缚在一起。夸克和它的反物质对应体——反夸克，三个聚集成团形成了重子（包括质子和中子），两个聚集成团形成了介子（包括π介子和k介子）。

但是在2003年，物理学家发现了一种奇异的粒子。这种粒子被称为X（3872）。它似乎并不符合前面提到的这两种分类。根据它的质量（38.72亿电子伏特）及它衰变而成的粒子，X（3872）似乎由一个粲夸克，一个反粲夸克和至少两个其他的夸克组成。

自那时起，科学家试图研究这种无意中发现的其他可能的四夸克粒子。一个有争议的例子是Z（4430）。2008年，它的发现引起了轰动，因为与X（3872）不同，它只有一个电荷。因其粲夸克和反粲夸克的电荷相互抵消，而且研究人员已经排除了Z（4430）是一个三夸克粒子的可能性，所以许多物理学家认为Z（4430）肯定也包含了四个夸克。然而，一些人对Z（4430）的存在持怀疑态度。

现在一个实验已经确认了这种粒子的存在，印第安纳大学布卢明顿分校的物理学家马修·谢泼德表示。通过分析这些导致希格斯玻色子发现的亚原子碎片，斯克瓦尔尼茨基和其他大型强子对撞机的科学家筛选了超过25 000个介子衰变过程，最终发现了非常明确的证据，证明存在一种质量为44.3亿电子伏特、带负电的粒子。这一结果于2014年4月7日发表在arXiv.org上。

斯克瓦尔尼茨基和他的同事相信，Z（4430）是一种由四个夸克组成的单粒子。最有可能的组成方式是一个粲夸克、一个反粲夸克、一个下夸克和一个反上夸克。2013年也发现了其他一些四夸克候选体，但是那些粒子却存在诸多问题。例如，一些理论学家认为2013年6月宣布发现的Zc（3900）是一对相互作用的粒子，并非单个粒子。

物理学家希望确定Z（4430）的内部结构：它应该是两个介子的结合，或者一个真正的四夸克粒子，即四个夸克由胶子束缚在一起。“现在有这么多项目在进行中，”谢泼德说，“相信这个问题很快就可以解决了。”

斯克瓦尔尼茨基补充到，即使这些粒子在大自然中不能自由存在，但是在极早期宇宙中它们可能扮演了一个角色。在那时，热的、密集的夸克和胶子冷却并凝聚成了第一代多夸克物质。

关于一种新型粒子的证据消失了

大型强子对撞机的数据没有发现新型粒子的踪迹。

安德鲁·格兰特

物理学家认为从亚原子碎片中可能合成了一种新型粒子。然而，产生希格斯玻色子的对撞机给出的一个新的数据分析使得物理学家的希望破灭了。

“我们了解到，在希格斯粒子中没有明显隐藏着哥斯拉粒子。”加州大学的理论物理学家蒂姆·泰特说，“现在我们必须寻找这个新粒子的更微妙的迹象。”发现希格斯粒子之外的粒子可以帮助物理学家理解宇宙神秘的组成成分，例如暗物质。

2012年7月，对日内瓦附近的大型强子碰撞机（LHC）进行研究的物理学家宣布发现了希格斯玻色子。希格斯粒子是在那些被粒子物理标准模型预言的粒子中发现的最后一个粒子。

在质子碰撞碎片中发现了希格斯粒子的两个大型强子碰撞机CMS和ATLAS，没有直接观测到粒子。但是他们分析了希格斯粒子衰变时产生的碎片。希格斯粒子可以以多种方式衰变；一种情况是，希格斯粒子转变成一个顶夸克或者一个W玻色子，这两种粒子都会立即分解成两个可以长期存在且可以被观测到的光子。

在多种可以证明希格斯粒子存在的其衰变的产物中，光子是唯一一种数量比标准模型预计的生成量更多的粒子。这个有趣的光子过剩现象表明，一个希格斯粒子可以衰变成第三种未知的粒子，这种粒子会分解成更多的光子。

“我们都希望是这样。”多伦多大学的粒子物理学家、同时也是ATLAS实验小组中一员的皮埃尔·萨瓦尔表示。泰特估计，至少有100个研究人员对这种可以生成更多光子的粒子提出了构想。

但是2013年CMS更新了数据，这种光子过剩现象消失了。而且在2014年8月29日发布在arXiv.org网站上的一项研究中，ATLAS的物理学家宣布在他们的数据中光子过剩现象也消失了。

“我们没有得到存在一种新型粒子的强烈的暗示。”萨瓦尔表示。

虽然泰特承认，如果光子过剩现象得到支持，那么大家将会十分兴奋，但是他强调未来还会有大量机会。许多假定新型粒子和力的理论预测在LHC的数据和标准模型之间只有细微的偏差，在得到更多数据之前，这个影响太小而可以被忽略掉。

更多的数据正在研究当中。2013年2月，因更新设备，LHC被关闭了。但是它会在2015年春天继续工作。改进的对撞机将会使质子以更高的能量撞击在一起，这可能会产生第一代LHC无法获得的更重的粒子。另外，碰撞会更加频繁，可以提供更多的数据帮助物理学家从噪声中分离出信号。“为了找到新型粒子，我们会竭尽所能。”泰特说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ATLAS experiment © 2014 CERN

除希格斯玻色子之外，ATLAS探测器没有发现科学家一直以来怀疑的一种新粒子的踪迹。这幅图为2007年重建期间所拍摄的照片。

质子的半径重新修正为更小值

令人惊叹的测量方法将会产生新的物理学。

安德鲁·格兰特

微小的尺寸（10-18米）只有在物理学领域中会引起重大的影响。有一种新的测量方法发现质子比在以前的实验中的测量值大约小了4％。这一研究发表在2013年1月25日出版的《科学》杂志上，有一些物理学家认为，这个质子半径实验结果的差异可能会导致发现新的粒子或新的相互作用力。

美国威廉和玛丽大学（位于弗吉尼亚州威廉斯堡）的理论物理学家卡尔·卡尔森（他并没有参与这项研究）说：“戳破一个你不能解释的小效应也许正是揭示一个大的物理学分支的方法。并且这是一个特别有趣的案例。”

多年来，物理学家已经运用了两种间接的方法来测定质子大小。他们用电子束来撞击质子，并测量飞行的粒子所偏离的距离。另一种方法，物理学家研究氢原子中的电子活动。他们对原子发射一道激光，这样单电子能够跃迁到一个更高并且不稳定的能级上；当电子返回到低能级状态时，它将释放辐射，其中辐射的频率取决于质子的大小。这两种方法都得出质子有一个大约为0.88飞米（即千万亿分之一米=1毫微微米）的半径。

这种间接测量方式从未被质疑过，直到2010年当奥尔多·安托尼尼和他的团队在苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）发展出了一套新的技术来探测质子的大小。他们同样使用氢原子，但是他们改用μ介子来代替电子。μ介子粒子与电子相似，但是质量是电子的200倍。μ介子增加的重量提高了它们与质子的相互作用力，并使它们的活动更依赖于质子的大小。在测量由μ介子能级迁移所产生的X射线之后，安托尼尼团队在《自然》杂志上发表了一篇文章，文中提出质子的半径是0.84飞米，大约比以前估计的少4％。

现在这个团队用μ介子氢原子进行了复查，检测来自两个能级跃迁的X射线频率。这两种辐射导致同样的结论，即质子半径变小了。新的研究排除了系统误差的可能性，并增加了40％的测量精度。

卡尔森认为物理学家在μ介子实验或是电子实验中可能忽视了某种误差。这个案例中的研究正在寻找每个实验的细节，希望获得一致的质子尺寸的结果。

然而卡尔森情不自禁地认为这不是在尺寸测量中的人工误差，而有可能是一种新的物理学。根据物理学的标准模型，电子和μ介子应该只是在质量上不同。但是理论物理学家正在探索一种能与μ介子相互作用的未知粒子存在的可能性。卡尔森说：“这一定会引起物理学界的巨大变化。”

在接下来的两三年里，物理学家希望通过另一种独立的测量方法来测定质子大小。阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的物理学家约翰·阿林顿正在开发一种用于撞击质子的μ介子束。如果这个实验结果与μ氢实验的结果相近，那么正如阿林顿所说的那样，新物理学开始发挥作用了。

光子可以选择迂回的传播路径

双缝实验可以探测光的迂回路径。

安德鲁·格兰特

光有时候更喜欢选择风景优美的路线。现在，一个经典实验中出现的新转折可以追踪光子漫游的路径了。在2014年9月19日出版的《物理评论快报》中，研究人员提出了一项实验，会让光在打到位于开有两个狭缝的障碍物后面的屏幕上之前，倾向于选择迂回的路径。

经典的双缝干涉实验执行起来很简单，只需要一个持续发光的光源，例如一支激光笔，一个屏幕以及一个有着两条平行狭缝的板就可以了。照亮狭缝，然后屏幕上就会出现明暗相间的条纹。这种条纹图案说明光以波的形式传播，在狭缝之后发生了干涉现象。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：© 2014 by the American Physical Society

迂回一项新研究确定了选择迂回路线穿过三条狭缝的光（如图中紫色光子所示）的数量。物理学家习惯上只计算穿过一条狭缝的光子（绿色光子所示）。

然而，当光的强度太弱——单个的粒子或者光子陆续穿过狭缝打在屏幕上时，明暗相间的条纹模式同样仍会逐渐显现出来，即使粒子之间看似不会相互影响。这个结果说明了量子物理的基本奥秘之一。

拉曼研究所的物理学家乌尔巴斯·辛哈（Urbasi Sinha）表示，双缝干涉实验中存在一些错误的观念。物理学家通常假定条纹模式只取决于光线穿过狭缝A还是狭缝B。但是量子力学却允许光子选择其他的路径，特别是在一个有着三个狭缝的装置中。在最终击中屏幕之前，光可能会穿过一个狭缝，然后从第二个狭缝出来，随后又迂回穿过第三个狭缝。

辛哈和他的同事发现，在三缝实验中使用可见光，采取迂回路径的光子约占干涉条纹强度的百万分之一——因贡献太小了而不能直接测量。但是研究人员可以通过调整实验，使用波长比可见光波长更长的微波光子来提高所占比例。根据计算，随着狭缝相对更宽更延展，迂回的光子变得可以探测，大约为总强度的千分之一。

新墨西哥大学的物理学家霍华德·巴纳姆说：“这是一个很酷的估算。”

星际尘埃粒子

星尘号捕获到的粒子可能会说明行星的诞生。

克里斯托弗·克罗克特

美国航天局的星尘号宇宙飞船所捕获到的尘埃的微观颗粒似乎来自星际空间。这些易碎的微粒，可能是首次直接捕获到的来自太阳系之外的尘粒，它们有助于研究人员理解形成地球和它的兄弟姐妹及其他恒星周围的行星的基础材料。

在经过多年收集尘埃以及多年数以千计的人分析这个探测器收集到的尘埃后，我们最终得到了这个样本——只有七颗微粒。星尘团队的成员、加州大学的行星科学家安德鲁·韦斯特法尔说：“任何正常人都会问：为什么花费这么多年来研究星际尘埃？”他解释道：“这关乎我们的起源，与形成太阳、行星及我们的材料有关。”

星尘号宇宙飞船于1999年发射升空，目的是收集星际尘埃，即充满在整个星际空间中的煤灰似的颗粒，以及彗星的碎片。2006年，这个探测器途经地球，将它收集到的样本抛掷在了美国犹他州上的一个沙漠中。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Zack Gainsforth

用X射线爆破一颗由星尘任务收集到的粒子生成了一种衍射图样，如这幅伪色图像所示。这种图样显示了粒子的内部结构。

八年后，经过筛选这些颗粒，行星科学家认为他们最终确认了某几颗粒子为来自太阳系之外的信使。韦斯特法尔的团队在2014年8月15日出版的《科学》杂志上发表了他们的研究结果，没有任何一种描述可以囊括所有这七颗粒子。其中一些是硅酸盐矿物颗粒；其他的则含有橄榄石和尖晶石晶体，在空间经过数百年的风化后似乎已经被打磨平滑了。为了收集样本，星尘号在它的舱门外垂挂了一个形状和尺寸与网球拍差不多的网。132个气凝胶块塞满了整个网，采集器使用的是硅基固体材料，多孔结构的硅基泡沫旨在捕捉到高速尘粒且不会损坏它们。

韦斯特法尔和他的团队用一个强大的显微镜拍摄了气凝胶和这个网的铝质框架照片。然后，超过3万名志愿者仔细研究了显微镜拍摄到的图片，寻找任何击中这个网的东西留下的轨迹和撞击形成的坑。大多数人没有找到任何有趣的东西。但是最终还是找到了96个粒子候选体，研究人员测量了这些嵌入在气凝胶和飞溅在框架上的材料的组成和结构。大多数粒子是星尘号自身所携带的粒子，只有七个似乎来自太空。

韦斯特法尔和他的同事认为，根据星尘号宇宙飞船的定向，这七颗粒子可能起源于星际空间。气凝胶块指向一个已知的来自蛇夫座星座的尘埃粒子流。而气凝胶块中的这些粒子的轨迹与这个尘埃粒子流的方向一致。

这些颗粒所含的氧的同位素，与太阳系内部物质中所含的那些相类似。但是普林斯顿大学的天体物理学家布鲁斯·德雷恩表示，这并不能排除这些粒子来自一个星际尘埃源的可能性。他认为，自太阳和行星形成以来的46亿年中，环绕太阳系的气体和尘埃可能没有改变太多。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JSC，D. Frank

一颗尘埃粒子（图中圆圈所示），直径约1微米，嵌入在星尘宇宙飞船的气凝胶中。它的轨迹被红色矩形标注出来了。

德雷恩说，这七颗粒子象征着我们第一次有机会可以直接检测正在穿过太阳系的碎片。其他研究人员之前也曾发现了嵌入在陨石中的疑似星际微粒。但是，他警告道，这些颗粒有着不同寻常的化学成分，可能不是典型外来尘埃的代表。

其中几颗微粒的特性，例如硅酸盐的存在，与天文学家由太阳系外的尘埃云的观测推断出来的相匹配。但是这些尘埃也具有三两个令人惊奇的地方。例如，最大的颗粒的速度低于预期，这表明或者这些微粒与太阳风存在某种程度的相互作用，或者它们实际起源于太阳系之内。

韦斯特法尔说他的团队只生成了约半数星尘号气凝胶块的显微镜图像。除了寻找更多的尘埃颗粒，研究人员计划弄清楚如何从这七个已知的颗粒中提取更多的信息来弄清它们的起源。

他说：“我们必须超级仔细。”只有如此少量的颗粒，研究人员想方设法地避免破坏任何一个。美国航天局没有计划一个后续的项目，所以在很长一段时间内，这七颗粒子可能会是仅有的来自太阳系之外的尘埃颗粒样本。

神出鬼没的太阳中微子

探测揭示了更多关于太阳供能的反应。

亚历山大·维特兹

作为一项技术壮举，物理学家发现了长期以来一直在寻找的来自太阳的低能量中微子。这个发现证实了在核聚变循环过程中助燃恒星的两个可能初始步骤中的一个，普林斯顿大学的物理学家克里斯蒂亚诺·加比维亚蒂如是说。克里斯蒂亚诺是发现这个壮举的团队中的一员，他们将这个发现发表在2012年2月2日出版的《物理评论快报》上。

新发现的粒子是在两个质子和一个电子相互作用形成氘的过程中产生的。氘属于一种重氢，是太阳核聚变过程的“养料”。太阳上大约每400个氘原子中就有一个是在“质子-电子-质子”反应过程（pep）中产生的。

科学家可以通过研究热核反应中生成的粒子来探测太阳的内部运作，尤其是大量穿过地球但是却几乎不与物质发生相互作用的中微子。

2007年，一项被叫作Borexino的合作项目开启。这个项目的内容是试图找到这些神出鬼没的太阳中微子。该实验在意大利格兰萨索国家实验室中进行。格兰萨索国家实验室位于一座山体中，可以排除其他粒子的干扰。Borexino探测器包含一个装满液体的巨大的桶，当中微子与之相互作用时会激起微小的闪光。

科学家知道他们可以从更为普遍和高能的“质子-质子”反应过程（pp）中发现太阳中微子，但是却没有想到能够探测到“质子-电子-质子”反应过程（pep）中产生的中微子。普林斯顿大学的弗兰克·卡拉普赖斯说：“我们知道这是可能的，但是有着巨大的障碍。”

例如，即使探测器埋于山中，一些宇宙射线还是可以设法穿过山体进入实验室并产生放射性元素碳-11。它也会在预期的pep中微子的能量范围内激发探测器。但是有一些方法可以在分析中移除碳-11，这使得Borexino实验项目的科学家可以过滤出不想要的信号。一旦去除了背景干扰，科学家可以在预期的约140万电子伏特能量中发现pep中微子的蛛丝马迹。每天每100吨探测器液体大约会出现三个这样微小的闪光。

Borexino项目的技术成就已经帮助了其他实验室，比如那些寻找其他中微子事件甚至是暗物质的实验室。

中微子的母粒子设定速度限制

超光速现象违背守恒定律。

德温·鲍威尔

物理学家已经找到了另一个质疑最近关于中微子超光速现象的报道的证据。这种高速粒子的存在不仅会“搞砸”爱因斯坦狭义相对论，还会威胁动量守恒定律。

2011年9月，OPERA实验报道了他们孵化的中微子的超光速现象。从日内瓦附近的欧洲核子研究中心实验室到意大利格兰萨索国家实验室，全程730千米的旅程，这些中微子提前60纳秒到达了目的地。为了解释这个现象，两个研究小组分别检查了该中微子的母粒子。他们均发现这些被叫作介子的粒子，不太可能有足够的能量达到像OPERA实验给出的那么高的超过光速的速度。

中国科学院高能物理所的粒子天体物理学家毕效军说：“对于超光速中微子，我们给出了一个明确的限制。”他在2011年12月9日出版的《物理评论快报》上报告了他的团队的调查结果。

如果中微子速度可以超过光速，那么随着它们能量的提升，它们的质量也应该增加。所以，根据它们不稳定的母粒子介子的能量，这些中微子应该有速度上限。

在欧洲核子研究中心制造而成的、用于OPERA实验的介子，它们的平均能量是它们中微子后代的能量的3.5倍。圣路易斯华盛顿大学的物理学家拉曼斯·考希克和他的同事所给出的中微子的速度上限低于OPERA测量到的速度。这一结果于2011年12月16日发表在《物理评论快报》上。毕效军认为，OPERA实验中极高能的中微子甚至会让这个速度上限变得更低。

根据考希克（Cowsik）项目团队的计算，想要达到OPERA实验测量到的令人难以置信的速度，介子的能量需要比它们的中微子后代的能量大20倍。然而，如果能量这么高的话，介子的寿命将会延长6倍。这已经被OPERA实验的测量和其他的实验排除掉了，不可能成立。

根据考希克和其他研究人员的观点，这些问题和矛盾表明，目前人类所理解的物理定律是正确的。但是物理学家仍将会留意其他中微子实验，以检验OPERA的实验结果。研究人员认为，或许是受到了某种未知错误来源的影响，OPERA实验才得到了这样的结果。

仪器问题导致了中微子超光速现象

超光速现象归咎于线路。

德温·鲍威尔

有问题的线路被提出来是引起欧洲物理实验室所孵化的粒子出现超光速现象的罪魁祸首。

2011年9月，参与意大利OPERA实验的科学家公布了他们的发现：质量近乎为零的中微子，从日内瓦附近的欧洲核子研究中心实验室旅行至意大利格兰萨索国家实验室，全程730千米的旅程，它们的速度超过了光速，提前60纳秒就到达了目的地。这明显违背了爱因斯坦狭义相对论，立马引来很多理论家的质疑，并且给出为什么中微子速度不可能那么快的原因。

2011年11月，在实验第二次运行期间，中微子又一次提前60纳秒到达目的地。

2012年2月23日，OPERA实验团队宣布导致中微子超光速现象可能的原因：用于转播卫星GPS信号来保持实验的时钟同步的电缆连接有问题，这可能使得每个粒子的旅行看起来比实际上用时稍短些。

另一个意大利的实验ICARUS，同样也测量了来自欧洲核子研究中心的中微子的旅行所用的时间。2012年3月16日，他们小组宣布粒子速度没有超过光速，引发了对OPERA实验结果进一步的怀疑。

“我们应该对实验过程更谨慎，现在我们有点尴尬了。”卢卡·斯坦科说。他是意大利国家核物理研究所的一名物理学家，同时也是OPERA项目的一员。

空间中微子并非只有一个单一来源

很多高能粒子可能来自于银河系之外。

安德鲁·格兰特

2014年4月7日，研究人员宣称，来自可观测宇宙边缘的高能中微子正在从四面八方攻击地球。这一结论依据于冰立方中微子望远镜的数据。冰立方实验室是南极附近一个巨大的地下实验室，它在2013年首次捕捉到太阳系外高能中微子。

“这是非常重要的一步。”芝加哥大学的天体物理学家基思·贝克托尔说。“冰立方中微子打开了进入非常遥远且高能的宇宙的一扇窗。”

中微子不像其他亚原子粒子，因为它们是电中性的，很少与物质发生相互作用，所以可以提供这一窗口。通过探测这些粒子，并且绘制出它们的运动方向，“冰立方”的科学家想要确定中微子的源：恒星诞生的星系，超大质量黑洞或者可能一些未知的剧烈活动的天体。这些源可以加速中微子和其他亚原子粒子，使其能量远远超过任何人造机器可以达到的能量。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Sven Lidstrom，IceCube/NSF

三年的时间，“冰立方”的传感器伸展到南极表面之下2.5千米深处，已经探测到中微子及其他粒子与原子碰撞时产生的微弱的闪光。2013年，“冰立方”的研究人员确认了28个来自各个方向的高能中微子，几乎可以肯定它们来自太阳系之外。自那以后，研究人员又发现了九个高能中微子，其中包含迄今为止所发现的最高能的中微子。

为了补充完善这个艰难的搜索，威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家克里斯托弗·韦弗投掷出了一个更广的网，以期发现更大数量的略微低能的中微子。这个方法依赖于选择从北半球的天空落下而后通过地球内部到达“冰立方”的粒子。只有中微子可以穿过地球致密的地壳和核心。

韦弗对他的搜索进行了限制，使望远镜在某一个特定的能量（约100万亿电子伏特）进行观测。这样的话，空间中微子的数量不会被大气中生成的中微子所淹没。（“冰立方”的传感器无法区分这两种中微子。）

韦弗共捕捉到约35 000个中微子，其中至少有一些来自太阳系之外。他追踪了这些中微子的运动方向，发现它们并没有在天空某个特定的部分出现成团现象。这也证实了之前的分析，并且表明地球上呼啸而过的中微子来自四面八方。“其中大多数很可能来自银河系之外，”威斯康星大学的另一名天体物理学家南森·怀特霍恩说，“它们很可能来自宇宙的边缘。”

锂平台之谜

实验支持大爆炸元素生成理论。

安德鲁·格兰特

一个地下实验模拟了宇宙大爆炸刚刚发生之后形成宇宙中最混杂的元素锂的条件。实验结果支持主流理论，同时强化了科学家称之为锂问题的理论，即根据理论计算该元素在138亿年前应该生成的量与在古老恒星中观测到的含量之间所存在的差异。

科学家相信宇宙中所有的锂，以及大多数氦和氘（重氢），形成于大爆炸之后的几分钟，当时膨胀的宇宙足够冷却，质子和中子可以结合形成轻量级的原子核。这种描述原初元素生成的理论被称为大爆炸核合成理论。该理论成功地预测了氘和氦的丰度，这与天文学家在古老恒星中观测到的含量一致。

然而这个理论却没能成功地预测目前宇宙中锂元素的含量。古老恒星中锂-7（由三个质子和四个中子构成）的含量为理论预测的1/4～1/2，而锂-6（由三个质子和三个中子构成）的含量则超过预期值的1000倍。

在针对这种差异进行彻底解释之前，科学家希望确保他们在关于早期宇宙中锂形成占比的理论是正确的。所以米兰大学的核物理学家亚历山德拉·古列尔梅蒂和他的同事开始在实验室中重建宇宙中锂-6的形成过程。

该实验在位于意大利中部格兰萨索山之下的地下核天体物理实验室（LUNA）进行。研究人员向一个氘靶发射了一束氦原子核。与早期类似的实验所选取的地点不同，LUNA受厚约1.4千米的岩石庇护，可以免遭地面之上粒子的影响。核天体物理实验室还可以探测相当于十亿摄氏度左右的能量，而大爆炸核合成期间元素形成时的温度很可能约为十亿摄氏度。

该实验生成的锂-6与理论预测的近乎等量，并且远远低于在古老恒星中观测到的含量，研究人员在2014年7月21日出版的《物理评论快报》上发表的一篇文章中报告了该研究成果。“这是一个非常美丽的测量。”伊利诺伊大学的天体物理学家布莱恩·菲尔茨表示。将其与核天体物理实验室和其他实验室中关于锂-7的类似的发现结合，得到的结果支持宇宙大爆炸核合成理论。

这一发现也意味着，锂问题的解决方案并不会很简单。菲尔茨表示，科学家必须找到空间中锂含量测量结果中的错误，或者想出一些可以解释这种差异的早期宇宙中发生的独特的过程的理论。

菲尔茨和他的同事正在探索构成宇宙大部分质量的未知物质——暗物质对锂元素的生成造成干扰的可能性。

“早期宇宙中有很多可以引入这种差异的途径。”他说。

锂谜团将更深

黑洞可能会使一个难题变得更困难。

纳迪亚·德雷克

宇宙缺乏锂元素，一项新研究不但没有解决这个所谓的“锂问题”，反而让它变得更加复杂。

发表在2012年7月13日出版的《物理评论快报》上的一项工作表明，一些小型黑洞可以作为锂工厂。但问题在于，观测到的锂元素水平太低以致于不能和这样的生产相协调，而且比描述大爆炸后原初化学元素形成机制的强有力的理论所预测的还要低得多。

“这使锂问题变得更糟糕，”伊利诺伊大学的天体物理学家布莱恩·菲尔德说，“但是它可能指向更多大爆炸中发生的独特过程。”

锂元素，同氢元素和氦元素一起，是产生于大爆炸之后那段炙热且活跃时期的少数元素之一。但不同于氢元素和氦元素，观测到的锂元素水平比大爆炸物理学所预测的低三到四倍。

因此科学家正在寻找锂元素被破坏的潜在根源。

但是瑞典斯德哥尔摩大学的物理学家法比奥·约科提出了相反的观点：以平均约五倍重太阳质量的相对较小的黑洞形式存在的潜在锂工厂。随着其中一些黑洞吸收伴星的物质，被吸入的物质形成涡旋式的环。约科计算发现，环中物质最终以超过100亿摄氏度的高温点燃核聚变反应并合成锂元素。

根据约科的计算，即使银河系中很小一部分黑洞以这种形式吞噬物质，这个过程产生的锂元素的量也将与大爆炸过程产生的量相当。

尽管很诱人，但这项研究仍不是最终定论，瑞典乌普萨拉大学的安德里亚斯·科恩说：“我们仍缺乏一致的理论。”

锂元素缺失问题延伸到银河系之外

克里斯托弗·克罗克特

银河系中恒星的锂元素含量不像预测的那么多。现在对遥远恒星的观测结果证实锂元素缺失问题并不是只有我们银河系才有。锂元素缺失问题使天文学家很挫败，因为这可能需要重新考虑恒星的行为或者早期宇宙中的情况。在大爆炸之后的三分钟里，宇宙主要生成了氢和氦以及少量的锂。对早期宇宙中氢和氦的观测与理论预测相一致。但是在年老恒星的大气中的锂只有理论预测值的三分之一。直到现在，大多数锂元素的测量都针对的是在银河系中诞生的恒星。为了扩大搜寻范围，意大利博洛尼亚大学的阿莱西奥·穆恰雷利和他的同事将智利的甚大望远镜指向了约9万光年远的M54星团。发表在2014年10月21日出版的《皇家天主学会月报》上的观测结果表明，M54中恒星的锂元素含量与银河系中恒星的一样，说明锂元素问题是普遍存在的。

在中子星的碎片中检测到金元素

观测表明碰撞产生了重金属元素。

埃林·韦曼

死亡的恒星成了非常好的炼金师。

由哈勃空间望远镜所拍摄的照片表明金元素可能来自于中子星的剧烈碰撞，与此同时，也产生了铅、铂、铀等其他重金属元素。

这次星际碰撞是由美国航天局雨燕卫星在2013年6月3日观测到的，它探测到一个距离地球39亿光年远的伽马射线冲击波。天体物理学家认为它是一个由两颗中子星碰撞所产生的0.2秒能量脉冲波，在大质量恒星爆发后，剩下了高密度富中子的内核。

哈佛-史密松天体物理中心（位于美国麻省）的科学家埃多·贝尔热说，在探测到脉冲波九天后，由哈勃望远镜拍摄的照片表明该爆炸产生的重元素的含量约为太阳质量的1％，其中包括几倍于月球质量的金元素。他还假定了这种碰撞所产生的金元素的总量，并且假设这类碰撞所发生的频率约为每1万到10万年一次，那么这样的碰撞将足以生成宇宙中全部的金元素。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Dana Berry/Skyworks Digital，Inc.

新的观测表明中子星碰撞（图为艺术想象的中子星碰撞）可能是金和其他重金属的来源

贝尔热的研究团队于2013年6月17日将这个发现上传到arXiv.org网站上。

在20世纪70年代，詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer，现就职于纽约州大学石溪分校）和他的同事们提出了中子星碰撞能制造重元素的概念。在那个时期，中子星的观测很少，而且计算机的运算速度也很缓慢。拉蒂默说：“模型计算是相当粗糙的，我认为研究者并不太认同模型计算的结果。”

然而，大多数天体物理学家认为，比铁重的元素不是通过恒星内部的核聚变反应产生，而是来自于大质量恒星碰撞产生的超新星爆发。贝尔热说，但是计算机模拟还是花费了非常多的时间才证明了这个过程的可能性。

尽管拉蒂默说这次的发现基本上符合中子星理论，但他并不排除其他解释的可能性。哈勃望远镜照片上所显示的红外辐射爆发被贝尔热团队认为是重金属放射性元素衰变所释放的辐射特征。但是拉蒂默说，贝尔热团队还不能排除这些红外辐射是否来自于伽马射线的爆发本身。

就地取材构建生命

在恒星附近，复杂的有机化学物可能很常见。

纳迪亚·德雷克

虽然生命是一次复杂的“酿造”过程，但是它的一些组成成分也可以从地球的“后院”获取，并不需要从更遥远的星际空间“进口”。

在一项新的研究中，科学家表明复杂的有机分子，如组成蛋白质的氨基酸和形成核酸的环形基等，生长在处于“婴儿时期”的太阳系中的结满冰的尘埃颗粒上。高能紫外光子便可以引起吸附在颗粒冰冻外壳上的化学元素的重新排列。

如果形成这些有机成分如此容易，那么系外行星系统可能同样生长于这样一个肥沃的有机牧场。“任何有冰和高能紫外辐射的地方都在进行着这个过程，而且在宇宙中同时满足这两个条件的地方很常见。”亚利桑那州立大学的行星科学家但丁·劳蕾塔如是说。

2012年3月29日，这个新的研究刊登在《科学》杂志上。研究人员模拟了年轻的太阳星云——在太阳周围的一个由气体和尘埃混合而成的旋涡盘，一直到大约45亿年前行星开始形成时为止。这个团队跟踪了5000个尘埃颗粒在这100万年间的活动。这5000个尘埃颗粒都携带着有机分子，覆盖着由水、二氧化碳、甲醇和氨等混合物组成的冰。

“我们想确切知道在什么条件下那些冰粒子会被看到，”研究合作者、芝加哥大学的行星科学家弗雷德·切希拉说，“这是一个不稳定的环境，每一个粒子都遵循着它们自己的路径。”

处于旋涡盘平面之上的颗粒遇到稍高的温度和高能紫外光子时，冰层中简单的元素会被催化转变成更复杂的分子。在这种类型的反应中，光子打破化学键，建立高活性、准备重组的物质。该研究的合作者斯科特·桑福德称之为“不快乐的自由基和离子”。在高温使得冰蒸发后，那些元素可以找到同伴，形成新的分子。

即使生成这些重组的分子相对容易，科学家也无法真正预测将会形成哪种分子，因为这里发生的化学反应并不遵循我们熟悉的规则。美国航天局埃姆斯研究中心的天体物理学家桑福德说：“这有点像是在说，‘我将给你10种乐高积木，随意堆成你想要的组合’。”

“但是在早期太阳星云里有足够多的光子撞击足够多的尘埃颗粒，很难避免以这种方式形成复杂的分子。”切希拉说。

天体生物学家已经确定这样的分子在生命起源故事中扮演着某种角色，而且有大量证据证明它们可以在太空中存活。另外，科学家对陨石进行分解时也发现了氨基酸和碱基。

在实验室中，研究人员已经展示了这样的化合物是如何形成的。通过在寒冷的真空环境下将有机冰附着在微粒表面，然后对其进行辐照，研究团队制造了一批分子，其中包括一个可以自发组成细胞膜的分子，美国航天局戈达徳太空飞行中心的天体生物学家贾森·德沃金如是说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JPL-Caltech，R. Hurt/SSC and Caltech

新的模拟显示，环绕着年轻恒星NGC 1333-IRAS 4B的尘埃盘（如图所示）可能包含形成于冰颗粒上的复杂有机分子。这样的分子可以为很多行星提供构建生命的原始材料。

负载着有机物的冰颗粒在年轻太阳的周围盘旋，最终会聚集成群。形成的团块会发展成彗星和小行星，最终通过碰撞等形式将这些分子移送到地球上。德沃金认为已经可以确定地球之外的化合物是通过这种方式转移的。目前尚不清楚有多少太空旅行者对地球上的有机化合物有贡献，但是它们传递的方式必定是很方便的。桑福德说：“如果你想要建立乐高城堡，那么让乐高积木从高空散落随意组合也不是一个坏主意。”

向地球上投掷石头并非传递有机物的唯一方式。卡内基科学研究所的地球化学家乔治·科迪说：“为了理解氨基酸是如何出现在这个星球上的，我从未觉得在地球之外找到一个氨基酸的源是必要的。但是像切希拉和桑福德提出的那样，太阳星云中大量受辐照的冰质颗粒是一个诱人的天然仓库。”

科学家仍在考虑地球上的物质是否帮助提供了有机物。尽管任何复杂的分子都需要在行星剧烈的增长痉挛中努力存活下来，但是似乎岩浆海洋和极端的温度中都有它的痕迹。地球之外的和本土上发生的一些过程可能都发挥了作用。切希拉说：“这些有机物在行星形成时会被纳入行星，或者在行星形成之后被传递到行星上。这在太空生物学方面将会很有趣。”

科学家应该很快就会对小行星上的一系列分子有更好的想法。2016年，美国航天局将会向小行星1999 RQ36发射OSIRI-REx宇宙飞船，从它的表面上刮取一些样本，于2023年带回地球。这将会提供关于早期太阳系的一些可能的线索。“对于解读太阳系的历史，任何有机分子都是很有趣的，”这个项目的首席研究员劳蕾塔说，“但是对于追踪生命的起源，我们真正关注的是有机分子构建的基础材料。”

附近成长的生命“乐高积木”暗示着在其他行星系统中也很有可能存在这种有机牧场。德沃金说：“于化学而言，这似乎很普遍。”

背景材料

这些年，科学家从陨石中已经获取了许多不同类型的复杂的有机分子。1970年，科学家在坠落于澳大利亚境内的默奇森陨石中发现了构成蛋白质的氨基酸。2011年8月，研究人员在坠落于南极洲的陨石中发现了构成核酸的环形基。一些陨石中包含在地球生物学中很罕见的分子，这强烈暗示着这些分子起源于地球之外。但是这些分子是在哪里如何制成的却不清楚。早期的理论指出，形成太阳系的大分子云中的合成物暗示着生命成分是从更遥远的宇宙空间传输过来的。但是现在看来，这些分子也可以很容易在地球的“后院”甚至是整个宇宙中类似的行星环境中生成。

宇宙中复杂的分子是如何形成的

在低温下量子效应会神奇地加速化学反应。

安德鲁·格兰特

一个新的研究发现，在星际空间黑暗冰冷的真空中漂浮着的分子能够利用量子力学进行反应并产生许多复杂的化学物。研究者解释说，这个反应利用了量子物理学的一个奇特性生成了宇宙中许多复杂的有机分子，包括一些生命起源的必要物质。

天文学家很早就知道恒星生产了各种化学元素，但是直到最近研究者才发现在宇宙空间中有复杂的有机分子悬浮在气体和尘埃云的周围。这些化合物的构成包括酒精、糖，甚至还有焦油的某种成分，所有的这一切都很难解释清楚，因为宇宙中的分子很少发生相互碰撞。

2012年，天文学家在一个气体云中发现了一个叫作含甲氧基的分子，即CH3O。当羟基（OH）和甲醇（CH3OH）相互反应时，含甲氧基的分子才会形成。然而这种反应的发生所需要的能量要比宇宙空间本身所含有的能量大得多，而且宇宙中温度仅略高于绝对零度。

尽管还没具体地去研究这个不可思议的反应，但是英国利兹大学的德韦恩·赫德和他的团队已经开始探索羟基和其他分子的反应。在这个实验反应中，研究者把两种反应物一同放置在低温容器中。他们惊讶地发现，在零下210摄氏度的反应速度是室温下反应速度的50倍，尽管冰冻状态下的分子具有很少量的能量参与反应。

赫德团队在2013年6月30日出版的《自然化学》杂志上发表的文章中解释说，他们所发现的这一现象叫作“量子隧穿”。通常情况下，一个化学反应会发生只有当反应分子有足够的能量去冲破一个界限，这个界限即我们所谓的能垒，就像是一座山。但是量子力学在其中会产生一个奇怪的结果，即分子能够在没有足够能量时，也能偶尔绕开这个能垒。“一个粒子能穿过大山的底部，几乎仿佛那里根本就没有障碍。”弗吉尼亚大学的天体化学家埃里克·赫布斯特说。

赫布斯特和他的同事发现：在低温下“量子隧道”的可能性有所提高，这是因为慢速运动的羟基和甲醇分子在相互碰撞时是粘在一起的，并不是相互之间弹来弹去。这些临时的连接为“量子隧穿”化学反应能垒提供了更多的可能性，同时也加快了反应速度。赫布斯特估计大约有1/10羟基-甲醇在空间碰撞时能产生含甲氧基的分子，如果没有“量子隧穿效应”的帮助，碰撞而产生含甲氧基分子的比例将会骤减至1/107。

其他星际间的分子要归功于量子力学效应的存在。美国伊利诺伊州阿贡国家实验室的理论化学家Stephen Klippenstein说。他又继续提到：“人们必然会发现其他类似的反应，这并不是独一无二的案例。”

恒星诞生时喷发大量分子

阿什利·耶格尔

某些分子从年轻恒星中喷发的速度和能量比以往想象的要高得多。当一个年轻的恒星形成时，它所喷发出来的物质的速度达每小时一百万千米。当这些物质与周围的气体和尘埃云发生碰撞时，这个空间区域将会发光。对于发光的赫罗（Herbig-Haro）星云HH 46/47（如左图）的观测表明一氧化碳分子在星云中的速度比以往测量的结果快5倍，HH 46/47星云位于距地球1400光年的南天船帆星座（Vela）。新观测数据的技术结果表明分子的速度达每小时14.4万千米，该研究发表于2013年8月14日出版的《天体物理期刊》。越高的分子喷发速度意味着一氧化碳分子喷出的更高的能量和动量。这些变量最终会影响到年轻恒星形成的环境，也可能影响恒星的大小。科学家通过智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）和新技术天文望远镜拍摄到这些照片。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ALMA/ESO，NAOJ，NRAO，J. Arce，Bo Reipurth

气体云中发现了有分支结构的分子

气体云分子和蛋白质的基础材料一样有分支结构。

贝丝·莫尔

银河系中心附近的一个冷的气体尘埃云或许可以创造生命所需的分子成分。

通过搜寻人马座B2云，研究人员发现星际空间中第一个有分支结构的有机化学物：异丙基氰化物。它的分支结构类似于许多构成生命的基础成分——氨基酸中的分支结构。该发现发表于2014年9月26日出版的《科学》杂志上，揭示了生命所需的化合物可能在它们来到地球和其他行星之前就已经在恒星之间生成了。

这一发现证实了从陨石中收集到的证据。科学家已经在陨石中发现了超过80种氨基酸。尽管这些分子“货物”聚集在那些太空岩石上，但是其中一些分子也可能仅仅只是乘客，而它们形成于气体尘埃云中。

使用射电望远镜，研究人员可以记录频率，用于识别化学物质。科学家已经在恒星之间弥散的物质中发现约180个分子。其中很多是在人马座B2发现的。人马座B2距离地球约26 000光年，它包含着致密的恒星形成区。但是发现的分子中大多数不是简单的直原子链就是环状结构。2003年，研究人员宣称发现了最简单的氨基酸——甘氨酸，但是该发现还存在争议。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：M. Koerber/University of Cologne

在异丙基氰化物中，一个碳原子连接了其他三个碳原子（暗灰色的大球）。

在新的研究中，研究人员使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）的强大的望远镜网络解析了来自空间的信号。ALMA包含66个位于智利安第斯山脉的射电望远镜。尽管在2012年阿诺·贝洛什与其同事搜索人马座B2时，ALMA仅有20个射电望远镜启动并运行，但是天文台得到的数据依然具有足够高的分辨率，可以用来检测异丙基氰化物的信号。

马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家贝洛什表示，这一新发现仍然不是生命所需的分子的直接证据。但是这可以证明，在星际空间中必要的分支结构是可以形成的。弗吉尼亚大学的天体化学家埃里克·赫伯斯特参与了这项研究，他也同意这个说法。他说：“这预示着氨基酸的存在。”

氰化物标志着复杂的化学

在年轻恒星周围的盘里发现了生物分子的前体。

克里斯托弗·克罗克特

根据毒理学的报告，苹果的种子里有氰化物。然而，现在在环绕着一颗年轻恒星的行星“温床”里也发现了氰化物。在行星形成盘里发现了化合物，说明在我们太阳附近的小行星和彗星里发生的有机化合物的酿造，在其他恒星系统里应该也是很常见的。

氰化氢、乙腈和丙炔腈混合而成的蒸气围绕在位于御夫座、距离我们460光年远的恒星MWC480的周围。哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家卡琳·奥伯格和她的同事在2015年4月9日出版的《自然》杂志上发表了他们的研究成果：这些分子，可能是生命所需物质的前身，它们的丰度与我们在邻近的彗星中发现的类似。

“存在的问题之一就是我们的太阳系有多独特。”奥伯格说。现在我们知道，在其他恒星的周围，行星也是很常见的，下一步就是“弄清楚我们太阳系的化学成分有多独特”。

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氰化物，更复杂的有机分子的前体细胞，在盘旋在年轻恒星周围的行星形成盘（如图所示）中可能是普遍存在的。

奥伯格和她的同事使用位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波天线阵探测这些氰化物分子辐射出的无线电波。奥伯格的团队绘制出MWC480周围约30～100倍日地距离的区域内的氰化物的丰度。他们认为这个区域可能是彗星的形成地。

“人们常说，行星盘继承了星际介质的化学组成，然后……这便是故事的结局。”图森国家光学天文台的天体物理学家琼·娜基塔说，“这些数据表明，这个故事比人们通常认为的更复杂更有趣。”

到目前为止，研究人员已经能够在年轻的行星盘上看到相对较小的分子。乙腈等物质的存在说明行星盘正在培育形成更复杂的有机分子所需的基本分子。这意味着，在彗星、小行星和行星形成时，这些成分可能存在。

当考虑到有利于生命生存的环境时，氰化物可能不是首先被想到的化学物。但是奥伯格指出，生命起源所需的分子不一定是维持生命的最佳分子。在实验室中完成的实验表明，产生乙腈的条件同样也会导致单糖的生成。而且氰化物是形成氨基酸（蛋白质的基础材料）的一种化学前体。在陨石中我们同样也发现了氨基酸。

陨石的数据显示，小行星和行星在成形时，太阳的周围漂浮着氨基酸。但是这些数据只给出太阳系早期复杂有机物的粗略的含量。“这些有机物的丰度如何？它们是在哪里合成的？”娜基塔问道。奥伯格的观测有助于将我们太阳系的演化连贯起来。

奥伯格计划对其他年轻的恒星进行研究，进一步确定复杂的氰化物是否普遍存在。

在大尺度上的不确定性理论

海森堡的理论在宏观物体上的观测。

安德鲁·格兰特

在量子力学中的海森堡不确定性原理在肉眼可见的尺度下已被证明。这项发表在2013年2月15日出版的《科学》杂志上的研究，将会帮助我们检测黑洞合并引起的空间结构中的微小扰动。

“不确定性原理在很多不同领域已经被证明，但是能够在可见的机械物体上观察到，真是太棒了。”加州理工大学的物理学家凯斯·施瓦布（Keith Schwab）说道。

1927年物理学家维尔纳·海森堡的著名理论指出，同时精确测量一个物体的位置与动量是有基本限制的。为了证明他自己的理论，海森堡给出了定位单电子的例子。要定位电子，将需要收集反射电子的光。问题是即使只有一粒光子撞击电子，电子的动量和它的位置也会因此改变。

当物体大到能够被肉眼看到时，动量与位置的关系就变得微不足道。尽管如此，物理学家托马斯·珀迪和他的团队想在宏观范围内来证明不确定性理论。因此，他们通过实验用一亿光子组成的激光来撞击一个大约由百万亿原子组成的可见物体，用于测量它的位置。

珀迪的团队开始制造一个高约0.5毫米的微小圆桶，为了消除热效应，研究者将这个圆桶冷却到大约5K（绝对温度）。他们将两个很小的镜子安装在这个圆桶的两面，然后用激光照射圆桶。

当光在两个镜面之间反复放射，大多数照射在圆桶的光子将传递它们的动量。然后将进入一个检测器来测定圆桶的位置。由于微小的光子撞击，这个圆桶将发生很小的震动（皮米量级，10-12米）。

这个测量的不确定性仅有几皮米，但它对于科学家们需要的高精度测量来说是非常重要的。

在一个被叫作激光干涉引力波天文台（LIGO）的研究项目中，物理学家用类似于珀迪的研究装置，但实际比这个研究装置更大的设备来捕捉引力波——来自宇宙空间结构的波动，引力波是由黑洞合并或其他大规模天体物理现象所引起的。

每一个LIGO实验装置是由两个相距4000米的镜子组成，激光束在其间来回反射。LIGO的物理学家用这个激光束来测定两个镜子的位置，从而测定它们之间的距离。

根据爱因斯坦广义相对论，一个引力波在经过这两面镜子时会引起所测镜子间距离的微小变化——大约十亿分之一米的十亿分之一——在极短的时间内。

工程师已经开发出精确的设备，但是他们还将面临如何将由引力波引起的距离变化和激光撞击所引起的距离变化区分开来的问题。

实验发现相互作用大质量粒子的线索

已经检测到三个暗物质的可能信号。

安德鲁·格兰特

2013年4月13日，物理学家报告称，位于地下深处、设计用于捕捉暗物质粒子的超冷晶体已经获取了三个可能的暗物质信号。

研究人员没有足够的证据表明已经发现了暗物质粒子。但这个发现可以作为这项旨在寻找宇宙中最难以捉摸的物质的、令人挫败的工作的稀有的线索。

“我们不认为这个探测结果已达到发现暗物质层面，”美国麻省理工学院的物理学家凯文·麦卡锡（Kevin McCarthy）在这个报告中说，“但它确实值得进一步调查。”

自20世纪30年代暗物质就一直困扰着科学家。因为在一个星系中，恒星、气体和尘埃并不能解释其所有的质量，因此天文学家认为，某种神秘的并不吸收或发出光的暗物质存在，它的质量至少是普通物质的5倍。因为天文学看不到暗物质，它的存在与否一直很难确定。

理论物理学家提出的一些可能构成暗物质粒子的想法，其中之一叫作大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMP）。他们的设想是，即使暗物质不经常与普通物质发生相互作用，但WIMP有时可能会与普通物质发生相互作用。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Fermilab

在明尼苏达州地下深处，一位研究员正检查用于低温暗物质搜寻的探测器。晶体振动已捕获了长期追求的暗物质三种可能的信号。

最新报告的实验是，当地球穿过银河系的暗物质海时，能够探测到WIMP的信号。深冷暗物质检测器是将硅和锗冷却到接近绝对零度时所形成的晶体网络。探测器位于在明尼苏达州的苏当地下实验室，它位于以前的铁矿地表下700多米处。

如果大质量弱相互作用粒子（WIMP）存在，它将很有可能撞击硅或锗的原子核，并导致能量的释放，从而就能检测在晶体中的振动。这个实验需在地下几百米处进行，是为了防止其他粒子干扰，如防止质子和中子进入晶体并导致假的检测信号。

麦卡锡报告称，在2007年7月和2008年9月之间的两次实验中，11硅探测器捕捉到了三个信号，这与所预测的WIMP相互作用相符。如果这3个信号是由WIMP所引起的，麦卡锡估计暗物质粒子约为质子质量的10倍，这远低于许多理论估算值。2013年4月15日，这个实验结果也出现在发表于arXiv.org网站上的一篇论文中。

虽然这个地下装置为深冷晶体探测器提供足够的屏蔽，一些非WIMP粒子也有可能影响探测结果，如在晶体表面的电子。但低温暗物质搜索团队（CDMS）的研究人员认为这3个探测信号来自于非WIMP粒子是极不可能的。

然而，布朗大学的物理学家理查德·盖茨克尔警告说：“由于WIMP所释放的能量非常小，几乎接近于检测器的最小灵敏度，错误的检测是非常有可能的。”他还认为两个晶体所捕捉的信号更值得怀疑，可能是伪信号。

来自麻省理工学院（MIT）的低温暗物质搜索团队的物理学家埃内克塔利·菲格罗亚－费利西亚诺（Enectali Figueroa-Feliciano）也和盖茨克尔一样对这个新实验数据持谨慎态度。在2009年，CDMS团队也报告称锗检测器捕捉到了两个可能WIMP的信号，当随后的分析确定他们是来自表面电子的伪信号。

菲格罗亚－费利西亚诺（Figueroa-Feliciano）说他将更愿意相信如果检测器捕捉到10～12个WIMP信号，而不仅仅是3个信号。即使如此，一个最终确定的检测将需要世界范围内多个实验，来证明得出相同的暗物质粒子的特性。

世界各地的许多其他实验都处于类似的状况。一个被称为DAMA（暗物质）的意大利团队称他们已经实验检测到暗物质，但是许多科学家对此持怀疑态度。其他实验都声称发现暗物质信号，类似于最新的CDMS计算信号，但是他们并没有明确表示观察到WIMP。

“我兴奋至极，但却无能为力，”安阿伯大学的理论天体物理学家凯瑟琳·弗里兹说，“多次实验看到相同质量的暗物质是非常令人兴奋的。”

困难的是，各个实验机构都使用不同的检测技术，并有各自的实验方案，以消除背景干扰来区分WIMP，这导致比较各个实验结果会相当困难。

至于CDMS，发现这三个可能信号的硅探测器将不再收集数据。研究人员最近用超灵敏锗探测器升级了实验设备（Soudan，明尼苏达）。在接下来的几年里，这些锗探测器将搬到一个更深的位于安大略省萨德伯里的新地下实验室，其在地表下约2千米。

暗物质候选体大败

最灵敏的实验测量发现以前的研究结果是由人为因素所导致。

安德鲁·格兰特

这种令人难以琢磨的可能占超过四分之一的宇宙质量的暗物质，现在变得更加神秘。在2013年10月30日的媒体发布会上，研究者宣布他们利用最灵敏的实验装置，至今还没有搜索到暗物质。这引起科学家极大地怀疑以前的实验结果和宣称检测到了暗物质粒子，或暗物质粒子存在的可能。

暗物质对科学家来说是一个极大挑战：科学家尽管知道暗物质在宇宙中无处不在，因为它对遥远星系的引力作用，但是科学家看不到它，也不知道它是由什么组成的。理论物理学家提出暗物质可能一直是大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP），他们已经预测了WIMP的特征。世界各地的科学家已经通过各种地下实验室来检测WIMP，因为在地下实验，泥土和岩石将保护实验装置免受其他粒子的撞击干扰。

大型地下氙检测器（Large Underground Xenon detector，简称LUX）位于美国南达科他州利德市的一个以前地下1500米处的金矿。这个实验装置是一个电话亭大小的钛储罐，内装有气液态的氙。尽管WIMP很少与平常的物质发生作用，但不时它们会撞击氙原子核，这样就会产生两种不同的闪光信号。虽然像中子或电子这样的粒子也有可能激发氙原子核得到类似的信号，但是LUX科研项目的科学家声称他们可以排除这些伪信号，从而获得前所未有的检测灵敏度。

来自布朗大学的LUX科研项目的物理学家理查德·盖茨克尔说，LUX实验装置已经在2013年夏季运行了三个月，检测到8400万个WIMP的可能信号。然而，经过详细地分析之后，LUX研究团队并没有确认任何一个信号是来自WIMP的。

LUX的实验结果对评估其他暗物质实验的研究结果有着重要影响。例如，在2013年4月，物理学家宣布在美国明尼苏达州苏当市的低温暗物质搜索实验中检测到三个可能的WIMP信号，每一个信号显示探测到的粒子质量约为10倍的光子质量。盖茨克尔说如果他们检测到的粒子质量是正确的话，LUX应当能探测到1500个WIMP，因为LUX对低质量粒子的检测灵敏度是以前其他实验装置的20倍。

LUX的实验结果也与其他宣布检测到暗物质的实验相冲突，例如CoGeNT暗物质实验（也位于美国明尼苏达州苏当市），和DAMA/LIBRA实验（意大利拉奎拉附近）。盖茨克尔说：“我们还没有获得与其他暗物质实验一致的探测结果”，他还补充说，其他暗物质探测实验的科学家可能获得的是伪信号。他说：“我们正在排除那些低质量的WIMP。”LUX将在接下的一年里继续跟踪最初观测到的结果，利用提高的实验检测灵敏度进一步揭示WIMP存在。

密西根大学安阿伯分校的理论物理学家凯瑟琳·弗里兹并不准备放弃以往的发现，即使她认为LUX实验是一个非常完美的。她说WIMP可能与氙之间的相互作用和WIMP与其他原子的相互作用有所不同，如其他实验检测器中所用的硅、锗和碘化钠。她说：“我将尽力来挽救所谓低质量WIMP粒子的发现，但说实话前景并不乐观。”

共同关注暗物质

丁肇中不会急于解决暗物质的秘密。

安德鲁·格兰特

在接近真空的外太空里，每一种罕见的少量物质都讲述了一个故事。例如，一个快速运动的质子可能是被一颗爆炸的恒星发出的激波推动的；一个弥散电子在一个黑洞的边缘摇摇欲坠，将要被扔进一个强大的灼热气体的喷流中。

自2011年以来，国际空间站进行了一项实验，旨在解读这些故事。阿尔法磁谱仪已经将超过六百亿个质子、电子和其他被称为宇宙射线的亚原子粒子编入目录。

其他实验对宇宙射线撞击地球大气层中的原子和分子产生的粒子流进行了取样。而光谱仪则仔细检查了栖息于地球上方约400千米处的原始的宇宙射线——其中一些已经旅行了数百万光年。阿尔法磁谱仪是迄今为止飞行在太空中的最灵敏的宇宙射线探测器，而且它也是最昂贵的，约20亿美元。

这个探测器进行的前所未有的粒子普查可以解开暗物质的身份。暗物质是某种神秘的、看不见的物质，而且在宇宙中的含量是普通物质的5倍。一些被仪器捕捉到的宇宙射线可能是通过星系中央的暗物质粒子互相碰撞、湮灭产生的。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA

阿尔法磁谱仪被设计用于探测宇宙射线。它在地球之上随国际空间站航行。

光谱仪也可以帮助科学家确定为什么行星、恒星以及宇宙中的其他结构是由物质而不是反物质组成的。反物质的粒子与它相对应的物质粒子拥有相反的电荷，但是在其他方面几乎都是完全一致的。大多数反物质粒子在138亿年前的大爆炸发生后就消失了，其中的原因还不是很清楚。物理学家希望找到原始的反物质来检验他们关于反物质加速灭亡的原因的理论。

该项任务已经开始了将近四年，阿尔法磁谱仪一直在传递精确的数据，而且提供了一些关于暗物质本质的线索。但是这项任务是否会实现它的雄心勃勃的目标，目前尚不清楚。宇宙射线是因磁场作用而四处游走的带电粒子，所以它们不会以直线传播，无法追溯到它的源头。为了确定特定的宇宙射线的起源是否为暗物质，科学家必须排除其他每一种可能的解释。评论家认为识别暗物质的机会非常渺茫，而且找到原始反物质也几乎是不可能的。

这样的批评几乎没有影响到该项任务的负责人、粒子物理学家丁肇中。尽管频频出现反对声，但是这位79岁高龄的诺贝尔奖得主设计制定了简洁的实验，并且使得实验得以成功进行。随后，他耐心收集并且分析数据。他的发现往往令人印象深刻，而且在公布之前，他总是反复测试，细致到极致。尽管结果可能会比大多数科学家更乐于见到的要晚一些才能得到，但是丁肇中很自信，他认为在太空中进行强大的粒子物理实验将会拓宽科学家对于宇宙的理解。

全神贯注

这些日子，丁肇中教授的基地位于欧洲核子研究中心，即日内瓦外的欧洲物理实验室。这里是任务指挥中心，并且为建造阿尔法磁谱仪提供了一部分资助。除了2014年12月的一个下午，丁肇中当时在麻省理工学院，那边有他进行的另一个实验的实验室。他的办公室设在一栋标有大写字母“J”的大楼中，这是纪念为他赢得诺贝尔奖的发现，J粒子。丁肇中访问美国的原因是与一个承包商见面，讨论他位于剑桥的家的整修问题，这仅仅只是一次很短暂的交谈。但是对于丁肇中来说，物理之外的事情都是次要的。

“如果你没有把它当作你生命中最重要的事情，那么你就不能真正进入这个领域。”丁肇中如是说。

悬挂在他办公室墙壁上的两个高清监控器令他更加痴迷。其中一个显示的是来自空间站的实时图像，主要是捕捉到的光谱仪以及我们缓慢自转的地球的颗粒状黑白图像。另一个显示器则显示的是处于运行中的仪器的计算机重建过程。近乎实时，宇宙射线穿过它的磁体，触发了用于确定粒子身份、能量以及轨迹的传感器。

丁肇中没有天体物理学背景，但是他有足够多的经验，可以从大量粒子中找到真正很酷的东西。

他从他的电脑中调出了1965年纽约时报的一篇文章。那篇文章描述了丁肇中的第一个重大发现。当时，他，利昂·莱德曼（1988年诺贝尔物理学奖得主）以及他们的同事第一次制造并且探测到反物质原子核。（很快欧洲核子研究中心的一个团队有了一个类似的发现。）观测单个反物质粒子非常困难，因为当它们与普通物质相遇时会发生湮灭，释放出能量。为了避开这个问题，丁肇中和莱德曼设法在位于纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的一个粒子加速器中，观察束缚的反物质粒子对，即反氘核。

当丁肇中描述反氘核和其他反物质时，他孩子气的好奇心让他无意中发现，大爆炸之后第一个时刻的遗迹可能正在宇宙中漂流，等着被我们发现。但是在好奇心之下同样也是极端的自信，甚至是傲慢，他认为只有他一个人知道探测这个重大问题的方法。

20世纪70年代，丁肇中开始对夸克产生兴趣。夸克是构成质子和中子这样的粒子的基本单元。物理学家已经提出，而且发现了三种夸克存在的迹象。但是丁肇中，急于想解开有关物质组成的每个细节，他与一些怀疑仍存在其他种类的夸克的物理学家组成了一个研究团队。他提出在高能环境下使粒子发生碰撞，这将会产生某种短暂存在的物质以及对应的反物质，最终这种物质会湮灭形成电子，对应的反物质会湮灭形成正电子。通过分析电子和正电子，他可以确定中间粒子的组成。

丁肇中说许多物理学家嘲笑他的提议，他们相信三种夸克就可以解释物理上所有更加复杂的粒子了。在布鲁克海文实验室同意他试一试之前，多个实验室都拒绝了他的申请。

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卓越的事业粒子物理学家和诺贝尔奖得主丁肇中研究了物质和反物质的基本成分。

1974年的夏天，丁肇中和他的团队看到了一种新型亚原子粒子存在的令人信服的迹象。这种粒子有着不同寻常的组成。但是丁肇中拒绝开放数据，直到他确信一切都是正确的。他把他的团队分成了两个小组，独立地反复分析数据。直到那一年的11月份，当一个同事在一次会议上告诉丁肇中，粒子物理学家伯顿·里克特在斯坦福线性加速器中心也看到了同样的信号，丁肇中才分享了他的发现。第四种夸克的确认为丁肇中赢得了1976年的诺贝尔物理学奖。丁肇中设计实验的技巧，结合着他的谨小慎微、智慧以及固执，使他获得了物理学的终极荣誉。那年他40岁。

从那之后，丁肇中一直追求大的项目。20世纪80年代末，他组织了一个团队为预计造价数十亿美元的超导超级对撞机设计一个探测器。这个对撞机是一个长约87千米的粒子加速器，计划建设在得克萨斯州沃克西哈奇附近。丁肇中想要建造一个7.5亿美元的设备，而美国能源部则表示探测器的花销不能超过5亿美元，所以丁肇中退出了该项目。“他非常坚持以他自己的方式来做这件事情。”加里·桑德斯说。他是一名高能物理学家，曾经是丁肇中的研究生，也是当初那个团队的一员。

1993年，国会决定取消超级对撞机项目，这对美国的物理学家来说是一个毁灭性的打击。然而，丁肇中已经向前迈进。1994年，他开始了也许是他职业生涯中最为雄心勃勃的项目。

像他第一个重要的实验一样，这项实验会寻找反氘核和其他反物质原子核。而且类似于曾使他获得诺贝尔奖的研究，该项目会使用电子和正电子作为探针来识别未被发现的母粒子。但是这次他不是通过整理在精心安排的粒子碰撞中生成的碎片来获得新发现，他想要追逐在宇宙中自然生成的粒子。阿尔法磁谱仪实验将在太空中收集和分析粒子。

美国航天局和能源部都承诺他们会支持该项目。

从实验室到发射

科学家研究宇宙射线已经有一个世纪之久，他们希望能了解到是什么机制产生了宇宙射线。但是丁肇中的提议为恰好位于地球大气上方的宇宙射线建立一次健康普查提供了难得的机会。之前大多数实验都是在气球上进行的。但是气球只能短暂飞行，而且也不能离开大气层，迫使科学家只能分析因宇宙射线撞击大气中的原子而引发的粒子流。

过去那些实验依然传递了一些引人注目的结果。1997年，高能反物质望远镜，即HEAT，一个被拴在高空气球上的宇宙射线探测器，揭示了太空中的正电子具有出奇高的浓度。当时，物理学家不知道宇宙中很多可以产生正电子的过程，所以理论家很快提出了一些想法。最有趣的一种想法是正电子是由星系中的暗物质粒子生成的，尽管暗物质粒子是无形的，但是它们偶尔也会发生碰撞，并且彼此湮灭产生伽马辐射以及可探测的粒子，包括电子和正电子。如果这些暗物质理论是正确的，那么通过对宇宙射线中的正电子进行精确的测量，物理学家可以确定暗物质粒子的本质和质量。

但是暗物质并不是唯一的解释。其他理论家也提出了一些正电子形成机制，但是与宇宙解密的相关性远低于暗物质。关于其他正电子形成机制，位于列表顶端的是脉冲星——大质量恒星爆炸后留下的致密、快速自旋的核心。脉冲星的急速旋转生成了一个强烈的电磁场，强大到足以从它的表面“撕下”电子。这些电子与光子相互作用，产生电子和正电子对。计算表明，只需一颗或者两颗脉冲星，处于距离太阳系几百光年之内的区域，就足以使得地球周围满是正电子了。

尽管HEAT揭开了这个吸引人的难题，但是一些科学家对于阿尔法磁谱仪将会为正电子起源的争论添加更多的可能性，或者对解决任何大的物理谜题持怀疑态度。然而，丁肇中下定决心要看到他的项目顺利进行。他集合了16个国家的科学家共同合作，分工进行，并且共同承担不断增长的成本。当2003年美国哥伦比亚航天飞机爆炸后，美国航天局撤销了到国际空间站的短期旅行项目，丁肇中游说国会成员，说明分析了可能隐藏在宇宙射线中的奇观，并且强调了就严谨的科学而言，国际空间站的声誉不是那么主要。

“如果你告诉丁肇中，要想得到他想要的，首先必须赢得印地500车赛，那么他将会成为世界上最好的赛车手。”麻省理工学院核科学实验室的负责人理查德·米尔纳说。丁肇中不会减少向华盛顿政府官员施加的压力，即使他的很多合作者专注于其他项目，并没有像他一样全身心投入到这个项目中。

当时一个来自得克萨斯州的美国参议员，凯·贝利·哈奇森表示，丁肇中非常有说服力。她说丁肇中使她和其他人相信这项任务值得去做，并且就被公众诟病的航天飞机项目的安全性问题作了说明。“他真是一个有远见的人。”她说。丁肇中的坚持，激励了她开启拨款小组委员会为该项目寻找资助。2008年10月，美国总统布什签署了一项增加航天飞机的法案，所以阿尔法磁谱仪可以搭乘它们其中的一个。“如果不是丁肇中坚持不愿放弃，我们不会得到它。”哈奇森说。

2008年，PAMELA，一个附着于俄罗斯侦察卫星之上的宇宙射线探测器，发现了与HEAT所暗示的同样的正电子过剩现象。美国航天局的费米伽马射线太空望远镜，同样也携带着一个宇宙射线探测器，于2011年也提出了类似的结论。然而，却没有一个探测器分辨出正电子的来源。

丁肇中的仪器在安装之后几乎立即开始了宇宙射线巡天，收集尽可能多的数据。它一天之内收集到的数据相当于PAMELA探测器50天收集的。他仔细筛选了带正电的粒子，其中大多数都是质子，然后挑出更有价值的正电子。一如既往地，丁肇中并不急于释放首次得到的结果。“我怀疑在未来20年都没人能够重复这个实验，”他说，“没有人可以检验我们的结果，所以确保结果的正确性是至关重要的。”

2013年4月，丁肇中打破沉默，在欧洲核子研究中心召开了新闻发布会。在再次雇佣两个独立的小组重新梳理数据之后，他确证了由HEAT，PAMELA和Fermi探测到的正电子过剩现象。通过分析680万个正电子和电子的特性，丁肇中的研究团队发现随着粒子能量增加，正电子的数量持续上涨。丁肇中表示，正电子的明显过剩，强化了这一观点：肯定是某种相对较近的东西生成了它们。他推进了关于暗物质的那种解释，但是也承认这种理论不是唯一的可能性。

9月份，丁肇中回来参加另一个新闻发布会。这一次，在仔细研究1090万个正电子和电子后，他们查明正电子浓度不再增加时，相对应的能量值约为2750亿电子伏特。这是一个有趣的数字，高能物理学家彼得·麦金泰尔说，因为它表明假想的暗物质粒子的质量限制了它们所产生的正电子的能量。

事实上，一些物理学家认为，尽管阿尔法磁谱仪拥有无与伦比的粒子探测技术，但是它却不能明确区分暗物质湮灭，脉冲星或者其他未被发现的、可能产生过剩的反物质“碎片”的过程。

“一颗脉冲星就可以解释阿尔法磁谱仪完成的任何观测。”密歇根大学的粒子天体物理学家格雷戈里·塔尔莱说。不管是什么正电子数据，物理学家都无法完全隔离出所谓的暗物质信号，他表示。

斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的理论天体物理学家凯瑟琳·弗里兹也认为最终通过正电子证明暗物质会非常困难。“我赌脉冲星。”她说。

其他实验也表明阿尔法磁谱仪可以在暗物质方面做出一个引人注目的项目，但是机会很渺茫。2015年1月发布于arXiv.org网站上的一项研究中，物理学家仔细研究了费米望远镜的测量结果，寻找同样是在暗物质粒子彼此湮灭时产生的伽马辐射。这个数据排除了理论家提出的大部分暗物质碰撞机制。而且2014年12月，普朗克卫星的科学家宣布，他们关于宇宙中最古老的光的研究，并没有发现暗物质碰撞产生的碎屑的迹象，如果说经过时间推移，现在它们可能已经自我消失掉了，但是在宇宙初期也应该可以被看到。

丁肇中说就像他很少关注他的批评者一样，他也很少关心其他的实验。他会关注科学文献，但是不会太相信那些只基于一组数据的没有限制条件的结论。“我在很早之前就学会了：只关心自己的实验。”他说。

他期望可以通过研究更高能量的正电子学习到更多。如果说一个暗物质粒子的质量，对应的能量是一万亿电子伏特，那么它可能不会产生超过四分之一该能量的正电子。所以如果在正电子浓度随着能量变化的图像中，正电子的浓度在到达一个新的峰值后大幅下降，那么这就暗示正电子是由暗物质粒子产生的。因为脉冲星应该产生能量连续分布的正电子，如果是脉冲星的话，正电子浓度不会下降得这么突然。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：X-ray：NASA，CXC，Univ. of Toronto，M. Durant et al；Optical：DSS，Davide de Martin

脉冲星，例如距离我们约1000光年的船帆座脉冲星，是高密度的、快速自旋的死亡恒星的核心。邻近的脉冲星可能造成阿尔法磁谱仪及其他实验探测到的正电子过剩现象。

在2016年或者接下来的两年内，阿尔法磁谱仪团队将会释放他们的第一批反质子的分析结果。丁肇中认为反质子太重，不会是脉冲星制造的，而应该是在暗物质碰撞过程中生成的。丁肇中称初步的结果是“迷人的”。但是当然，他不会提供更多，直到所有的反复测试完成。

他相信，未来的测量将会允许他明确确定正电子的起源，是来自暗物质，还是其他什么。

即使暗物质图像仍然是混乱的，阿尔法磁谱仪也将有机会探测到原初反物质。物理上最大的难题之一是为什么在一个初始物质和反物质等量的宇宙中物质会胜出。丁肇中希望找到复杂的反物质——或许反氦（由两个反质子和两个反中子组成）或者反氘核。其他科学家认为探测到这些反核子的可能性极低，因为反物质必须穿过充满物质的星系和太阳系而不被摧毁。

丁肇中并没有退缩。收集有关宇宙的深刻见解需要时间。他预计只要空间站还在运行，资金就可以维持运转，丁肇中只是想看到大自然抛给他的是什么。“如果你不去看的话，”他说，“你就不会知道。”

暗物质

脉冲星

是什么？

一种物质形式，占据了星系中大部分质量，不包含地球上发现的普通物质。

一种致密的、快速自旋的死亡恒星的残骸，比地球质量大得多。

如何产生正电子？

理论上，两个暗物质粒子可以彼此碰撞湮灭，形成电子和正电子。

被强烈的电磁场从脉冲星的表面撕扯下来的快速的电子与光子之间的碰撞可以产生电子和正电子。

意味着什么？

在暗物质中找到正电子有助于科学家确定暗物质粒子的类型和质量，解决这个长达几十年之久的谜题。

来自脉冲星的正电子将揭露一些关于脉冲星创造的粒子的信息。但是对宇宙大图景的理解没什么帮助。

II　寻找生命：水和生命

Extraterrestrial Life Exploration：Water and Life

水星上有冰

水星上的水可能来自小行星或是彗星。

塔尼娅·刘易斯

美国航天局（NASA）的“信使号”宇宙飞船找到了强有力的证据，可以证明在距离太阳最近的行星上具有冰冻水和富碳物质。

水星本身不能供养任何生命，但是这些发现提供了一些关于水和其他重要成分如何到达地球上的线索，也许是来自彗星和小行星。“在太阳系的各个地方去研究这些物质与生命的起源密切相关。”加州大学洛杉矶分校的行星科学家戴维·佩奇说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JHUAPL，Carnegie Inst. of Washington，National Astronomy and Ionosphere Center，Arecibo Observatory

来自美国国家航空航天局的“信使号”宇宙飞船的新数据显示，在水星北极附近的明亮点（用黄色表示）几乎可以确定是冰。

2012年11月29日，他和其他科学家们在在线版《科学》杂志上的三篇文章中描述了这些发现。

在20世纪90年代初，地球上雷达测量到水星两极附近的神秘亮点，暗示了有冰存在的可能。随后新的研究又揭示了这个亮点的确是冰水。而暗的区域可能是覆盖在这些冰上的富碳物质，使其与太阳光隔离。

“这两个结果的组合极好地表明了关于冰水里有碳氢化合物注入的案例。”亚利桑那大学的行星科学家奥恩·斯普拉格说。

通过使用“信使号”宇宙飞船的激光测高计对水星北极区域的最新观测结果，就可以绘制出水星的地势剖析图，以及测量出水星表面的反射度。水星表面温度的模拟结果与激光测量的结果相符。陡峭陨石坑内部阴暗处的温度低至-173摄氏度，因此固态水有可能存在。光亮区域与所预测的能让冰成稳定形态的区域一致，而黑暗区域则是冰仅在表层以下存在的温暖区域。

科学家认为水和富碳物可能是来自彗星和小行星，水星地壳最外层在经历彗星和小行星持续的撞击后而被搅乱，“这就像一堆拿着铁锹的人们，不停地在地表上工作”，佩奇说。目前发现的水星上的明亮和阴暗区域并没有被扰乱，这表明了它们是最近形成的地质结构。

火星上曾经可能有水

火星岩石揭示了适合生命居住的古老水生环境。

梅根·罗森

比起科学家曾经怀疑的，古老的火星对于生命来说可能是一个更加友好的地方。经验丰富的火星探测器机遇号已经发现，大约40亿年前，在一个被叫作“奋进”的巨大的陨石坑附近曾有地下水流过的痕迹。

2014年1月24日，研究人员在发表于《科学》杂志上的一篇文章中报告称，就像探测器新人好奇号最近在“盖尔”陨石坑探寻到的古老的湖泊一样，“奋进”陨石坑附近的水也刚好适合微生物生存：不太酸或者太咸，细胞可以繁荣生长。

“在位于这颗行星两边完全不同的两个着陆点处，我们看到了这些非常良性的、富含水分的环境曾经存在过的证据。”好奇号团队成员、加州理工学院的行星地质学家Bethany Ehlmann说，“这说明了生命有多普遍。”

十年前，当机遇号与它的孪生探测车精神号一起降落在火星上时，它便开始寻找适合微生物生存的水存在的迹象。在它为期三个月的任务结束前，机遇号发现了咸的酸性水曾经在子午线平原聚集的证据。

多年以后，火星勘测轨道飞行器在“奋进”陨石坑内，距离机遇号探测的地方超过20千米处，发现了富含铁的黏土矿物。这种矿物形成于化学温和的水存在的情况下。因为机遇号探测车行驶时间比预期长了几年，所以科学家将它送到那里进行了细致的观测。

2012年，为了指挥探测车到达正确的位置，华盛顿大学圣路易斯分校的行星地质学家雷蒙德·阿维森和他的同事锐化了飞行器传回的图像，将富含铁的黏土矿物映射到了“奋进”陨石坑的边缘处露出地面的岩石。这些矿物可能形成于微酸性水腐蚀玄武质岩的时候，阿维森如是说。

在那里，机遇号发现了穿过岩坑的奇怪的断裂。探测车用它的岩石磨损工具——一种可以旋转的砂条在断裂处研磨，分析它们的组成成分。

阿维森说：“我们进入的越深，它就越像铝黏土，而铝黏土的形成需要大量更多的水。”

黏土矿物的存在暗示着古老的水中所含的化学物质可能有利于生命生存。

机遇号在“奋进”陨石坑采样得到的其他岩石表明在这片区域有一个很久远的水的历史。覆盖在古老的岩石之上的较年轻的砂岩有酸性更强的水存在过的迹象。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，Cornell，Arizona State Univ.

在这个伪色的拼接图像中，10岁的好奇号探测车在如今已经干涸的“奋进”陨石坑投射出了一片阴影。这个探测车发现，数十亿年前这片区域拥有适合生命生存的地下水。

2004年1月24日，机遇号降落在了这颗红色行星上。在这之后将近10年，这项新的分析才姗姗来到。“我不相信这辆车依然在工作，”阿维森说，“但是这是一辆美国制造的很好的车——就像‘48雪佛兰’一样。”

火星上是安全的，探测车开始搜寻其宜居的迹象

好奇号任务将探索行星更为温暖潮湿的过去。

纳迪亚·德雷克

加利福尼亚州，帕萨迪纳——现在，真正的冒险开始了。

2012年8月5日，美国航天局的好奇号探测车在惊险下降中险象环生之后，准备开启一项探索任务。它将攀爬到一个5500米高的顶峰侧面，并且深入到在火星也许更加湿润温暖且适合生命生存的那段时期形成的地形之中。如果一切顺利的话，探测车将会在九月中旬开始它的首次试行，在火星尘埃上穿梭，并留下嵌有摩斯密码的轮辙印记，拼写出其出生地美国航天局喷气推进实验室的首字母。

“我们面前还有很多工作，但现在我们为探测车的表现感到欣喜。”火星科学实验室项目经理珍妮弗·特罗斯珀说。

就目前好奇号发回地球的数据和图片来看，它正好降落在原先计划的地点。探测车降落在盖尔陨坑，一块跨度154千米的洼地中，靠近洼地中一座名为夏普山的山峰。科学家希望好奇号的着陆地点可以刚好配合98周（一个火星年）的任务，即寻找这颗红色星球在过去甚至现在的宜居条件的证据。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JPL-Caltech

即使距离6.5千米远，夏普山在好奇号探测车的火星视野中也显得很突出。不久，好奇号将爬上山的侧面，阅读记录在层状地质沉积物上的古老环境历史。

探测车到达盖尔陨坑的过程可以说是一个技术杰作，它学习了詹姆斯·邦德电影中的“空中起重”动作特技。经过八个多月的太空旅行，宇宙飞船携带好奇号以近每小时21 000千米的速度进入火星大气层，在距火星表面11千米的地方张开降落伞。在海拔1.6千米处，尽管下落速度仍然将近每小时300千米，降落伞脱离了宇宙飞船，好奇号就如同一个巨大的软体昆虫一般折叠在降落的运载工具之下。

然后运载工具引燃制动火箭，进一步减慢俯冲，同时启动天空起重机。在距火星表面20米高时，降落速度降为每小时2.7千米，探测车通过尼龙绳索脱离母船，缓慢向表面移动。

大约15秒后，探测车安全着陆。它割断尼龙绳，使悬着的运载装置飞离，并且在尘土上开出一条650米远的沟渠。

太平洋夏令时下午10:32，工程师艾伦·陈报告称：“着陆已确认。”在同其他贴心的旅行者一样，探测车在打电话报平安后的首要任务便是发送照片。就在触地几分钟后收到的第一张照片是一张黑白条纹照片，图像中探测车的后轮位于一片碎石区域的前方，周围是盖尔陨坑凸出地面的边缘。稍后收到的关于探测车前方区域的照片中可以看到远处若隐若现的夏普山。远高于周边地形，那座由沉积物堆叠而成的山峰比美国本土任何山峰都要高，保留有可以帮助理解古代火星环境和过往宜居情况的岩石线索。从地质层形成中得到的证据证明其中一些需要有水才能形成。随着探测车攀爬夏普山，好奇号解译的线索将会帮助科学家了解一个星球如何从一个曾和地球相似的行星变为现在这个干燥、多尘的酸性球体。

该项目科学家、加州理工学院的约翰·格勒青格说：“这颗行星好像突然间变干了。”

探测车将使用各种精细仪器对岩石进行分析。其中一个是化学摄像仪器。它使用激光使远至7米外的一小块石头或者土壤样本蒸发。然后探测车所携带的设备可以对气体进行分析。另外一台仪器可以在岩石上钻孔研磨出岩石粉末，探测车吸取后可以分析如有机碳等元素存在的迹象。格勒青格认为这项工作也许是探测车将会遇到的最难的工作。“即便在地球上，这也确实是一项很困难的工作。”他说，“即使在一个充满生命的星球，有机碳也几乎不能被保存下来。”

通过对比地球和火星，也许可以帮助科学家理解环境是如何影响生命演化的。格勒青格说，在研究地球生命起源及其多样性时，科学家常常好奇如果那些特殊事件（如24亿年前地球大气的氧气洪流）没有发生将会怎么样。“是否存在你可以用来做比较的、未发生这些特殊事件的地方呢？那就是火星。”他说。

在将近2.5亿千米的范围内搜寻生命的迹象意味着科学家必须在每个火星夜给他们的机器人代理编写命令，并且依靠它们在接下来的日子里在火星上执行。因为火星日比地球日大约长40分钟，所以科学家需要依据超前的时间表工作，慢慢适应从朝九晚五再到夜班的循环工作。

“因为按照火星时间工作，我们基本有16个小时可以用来计划上行路线，而此时探测车正在火星的夜晚睡觉。”好奇号项目经理迈克尔·沃特金斯说。

在火星土壤中深挖

纳迪亚·德雷克

美国航天局的好奇号探测车并不仅仅是在火星微红的土壤上留下车辙，它在距其着陆点480米远、被称为石巢的区域里也留下了挖掘的痕迹（如下图）。2012年10月30日，美国航天局公布，探测车通过其携带的一台可以向收集的样本发射X射线的化学与矿物学X射线分析仪，已经完成了它的第一份关于火星地表的详细分析。结果表明，石巢内的土壤富含如橄榄石、长石和辉石等矿物，与夏威夷的风化了的火山土壤很像。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，MSSS

好奇号探测器采集到火星泥土样本

贝丝·莫尔

在好奇号探测器的第一次对火星泥土进行化学成分分析中发现了火箭燃料、类似于地球火山岩的黑色锥形岩，已经含有微量水的玻璃态颗粒。

美国航天局艾姆斯研究中心的天体生物学家戴维·布莱克说：“这是我们第一次精确并确定地分析这些火星土的组成”。他和其他科学家将研究分析报告发表在2013年9月26日出版的《科学》杂志上。

这些火星泥土是好奇号在一个叫“石巢”（Rocknest）的地方获取的，科学家检测到来自火山岩的晶体和玻璃态颗粒。其中一个样本含有2％的水，它可能是含在玻璃态颗粒中。这次分析也发现了氯化物，包括高氯酸盐。高氯酸盐是一种有毒的火箭燃料组成，它将是未来人类在火星上的市场变得更加复杂。目前为止，好奇号还没有探测到任何预示生命迹象的有机化合物。

研究者也分析了一块黑灰色的锥形岩石，大约有50厘米高。这种不寻常的岩石与在地球上罕见的岛屿附近的熔岩类似。加州理工学院的地质学家爱德华·施托尔珀说这个发现可为火星岩石的形成研究提供线索。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，MSSS

火星好奇号探测器没有找到甲烷

火星大气中缺乏甲烷气体，探测结果正挑战火星生命的存在。

埃林·韦曼

在2013年9月出版的《科学》杂志上，科学家报告称美国航天局（NASA）的好奇号探测器并没在火星大气中找到甲烷。

过去八个月的探测数据收集表明，好奇号仅检测到0.18 ppb（十亿分之一，10-9）的甲烷浓度。研究者说，这其实是探测设备的空白测量误差，表明在火星大气层中并没有甲烷气体。

美国航天局喷气推进实验室的行星科学家克里斯托弗·韦伯斯特作为这篇报告的共同作者，他说“这个探测结果是令人沮丧的，因为甲烷的存在是可能有生物活动的一个标志”。在地球的大气层中，微生物生产了95％的甲烷，甲烷气体的浓度约为1800 ppb。

虽然这个探测结果是火星上存在甲烷制造的微生物存在可能性变得渺茫，但也许其他不生产甲烷的微生物仍可能存在。或者说，在过去火星上可能存在生命和生产甲烷的微生物。

科学家以前已经利用地球上的天文望远镜和环绕红色星球的飞行器探测到火星上甲烷的存在。在2003年研究者探测到的甲烷浓度达45 ppb。但之后的多个实验报告的结果越来越低，甚至低于10 ppb甲烷的浓度。

为了解释这些甲烷浓度逐渐减少的测量结果，研究者认为甲烷气体可能被周期性地释放到大气，并很快被火星大气所稀释。地质活动可能会产生甲烷气体。或者是在火星冰冻层下面的微生物会产生甲烷，随着季节的融化而释放到火星大气层。

美国航天局戈达德太空飞行中心的行星科学家迈克尔·穆姆是2003年火星甲烷探测团队的成员，但他并没有参与好奇号探测。他说，好奇号探测器的发现还不能排除这些可能性。甲烷的喷发是周期性的或短暂的，并且好奇号探测器继续探测火星将会有所发现，他说美国航天局（NASA）最近已经无限期地延长了好奇号探测器的两年探测计划。

其他科学家对早期的火星甲烷发现的研究表示怀疑。美国航天局艾姆斯研究中心的行星科学家Kevin Zahnle认为，好奇号上的甲烷探测器比地球上的和太空中的甲烷探测器都要灵敏。另一个疑问是为什么甲烷会如此快速地消失，甲烷气体应该已经在火星大气层中存在了数百年。

穆姆认为火星土壤中含有的氧化物会被吹到大气中，并能将甲烷氧化。

接下来，好奇号探测器将开始用更加精密灵敏的甲烷气体探测器来搜索。韦伯斯特说，好奇号的探测精度可达50～100 ppt（万亿分之一，10-12）。如果火星大气真是含如此低的甲烷气体，那么这些甲烷很可能来自于陨石或彗星。

火星探测车发现了甲烷的迹象

好奇号报告发现了气体和其他有机化合物。

埃林·韦曼

美国航天局的好奇号探测车已经闻到火星大气中甲烷的味道，并且在火星表面上的岩石中首次发现有机分子。

“经过两年，我们基本上可以宣告我们有一个重大发现。”好奇号项目科学家、加州理工学院的约翰·格罗在2014年12月16日表示。

“好奇号”在一个站点的岩石中发现了一些有机分子，其中包括可能是氯苯之类的分子。但是该团队还不能确定这些有机物是生命的迹象还是非生物活动的结果。

类似的不确定性也适用于甲烷在生命中扮演的角色。在长达20个月的研究中，“好奇号”记录到的火星空气中甲烷的含量通常都是微乎其微的。但是在一次为期约60天的伸展期间，火星探测器收集到的甲烷的四次测量结果的平均值为7ppb左右，为地面水平的10倍。（地球大气中的甲烷含量约1800ppb。）这次甲烷含量飙升的现象说明，这颗红色星球在周期性地释放甲烷。这一结论也支持了地面望远镜和轨道太空飞船早期的观测。

研究人员还不能确定火星上甲烷的来源。在地球上，微生物制造了大部分甲烷。所以在火星上也有可能是微生物产生了甲烷，或者曾经这样过。任何由很久之前存在过的、但现在已灭绝的生物体产生的甲烷都会被深埋在行星中，并且会被周期性干扰通过裂缝排放到表面，该任务科学家、密歇根大学的苏希尔·阿特雷亚表示。甲烷也可能来自一个非生物源，可能是水和矿物质之间的化学反应或者太阳的紫外辐射和宇宙尘埃之间的反应。

“为了确定甲烷的起源，科学家需要测量气体中不同碳和氢的同位素的比例。”美国航天局戈达徳太空飞行中心的迈克尔·穆马（非好奇号团队成员）说。

“如果“好奇号”可以得到一个更大的甲烷样本，那么它就可以做同位素分析了。”阿特雷亚说。如果不能的话，那么欧洲空间局计划于2016年发射的火星探测人造卫星将能够探测到微量的甲烷，并且分析气体的化学。“这样的数据可以帮助研究人员找到下一代探测器降落的最佳地点。”穆马说。

土星的一颗卫星上隐藏着惊喜

克里斯托弗·克罗克特

土星的几个主要的卫星中最小的一个——土卫一内可能存在着一个地下海洋或者一个大致足球形状的核。这一发现可以帮助研究人员理解环绕着土星的这颗多样的冰态卫星是如何形成的。与太阳系中大多数卫星一样，土卫一在保持一面朝向它的行星的同时，在它的轴周围上下摆动。康奈尔大学的拉德温·塔杰埃迪（Radwan Tajeddine）和他的同事在美国航天局的卡西尼号宇宙飞船拍摄到的照片中注意到土卫一扭曲的程度远远超过预期。研究人员认为，土卫一内部异常的质量分布造成了这些扭曲。最可能的罪魁祸首是一个细长的核心（可能是该卫星形成时留下的遗迹）。一个地下海洋也是可能的，就像土星的另一个卫星——土卫二内部中的一样，但是土卫一没有显示出任何其他关于地下海洋的迹象。

土卫二的冰层下隐藏着一片海洋

土星卫星的重力地图揭示了液态水海洋。

克里斯托弗·克罗克特

潜水员请注意：一个地下海洋正在土星的一颗卫星上等着你们。天文学家首次测量到冰雪覆盖着的土卫二上的一个地下海洋的深度和长度。该发现支持这一概念：一个地下水库“饲养”了土卫二上的间歇泉，并且提出了关于土卫二可居住性的可能性。

天文学家曾经认为500千米宽的土卫二是一个不变的、死亡的世界。但是2004年抵达土星的卡西尼号宇宙飞船在土卫二上发现了穿过分布在南半球的裂缝向外喷射盐水冰粒子的间歇泉。裂缝随着土星的潮汐有规律地扩张、收缩。热量通过裂缝从土卫二内部升腾上来。将这些证据放在一起，许多天文学家怀疑在其内部潜藏着一个液态水海洋。

为了看一眼土卫二的内部，罗马大学的航空航天工程师卢西亚诺·艾斯，和他的同事观察了卡西尼三次飞越土卫二期间所传回地球的无线电信号的多普勒位移。无线电波频率上的细微变化可以追踪航天器的速度。每当卡西尼经过土卫二质量偏重的部分时，增加的引力会使探测器加速。艾斯和他的同事通过卡西尼速度的变化绘制出土卫二的内部情况。

研究团队得出结论，在冰壳之下30到40千米深处，土卫二的岩质内核之上存在一个10米深的海洋。这片海洋从南极一直延伸至南半球中纬度地区，它的含水量足以媲美苏必略湖。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA

土卫二的南极附近有一个地下液态水海洋，如图所示。

艾斯表示，对于这一研究结果，他并不惊讶。“如果我们什么都没有找到，我才会更惊讶。”他说。该发现发表在2014年4月4日出版的《科学》杂志上。

“这是一个重大的难题。”图森行星科学研究所的行星科学家坎迪斯·汉森说。直到现在，研究人员也只有很少的线索，暗示着可能存在一个地下海洋。“我们以为正在发生着什么是一回事，”汉森说，“数据显示我们是对的又是另一回事。”

依然不清楚的一件事情是地下海洋如何“喂养”了在其之上数万千米的间歇泉。“如果说这个湖直接连接到表面，似乎不太可能。”行星科学研究所的另一名行星科学家，约瑟夫·斯皮塔莱说。“肯定有一个中间管道系统。”

斯皮塔莱补充道，新的引力数据似乎排除了关于土卫二内部如何产生能量的一个主要的解释：土星引力引起的一个轻微摆动。新的数据并没有显示出任何摇摆的迹象。

不管土卫二内部是如何保持温暖的，艾斯表示，在海水与岩石接触的地方，一些有趣的化学可能在进行中。关于从土卫二内部升起的热量的讨论自然而然引发了人们对土卫二上存在生命的可能性的沉思。尽管没有证据表明在土卫二的海洋中存在生命，一个温暖的海水环境也增加了有趣的可能性。

现在，这些想法还只是理论上的推测。按计划，卡西尼仅仅还有三次飞越土卫二的机会。“对土卫二的观测，我们基本上已经完成。”艾斯说，“不幸的是，还需要很长一段时间，我们才能再次回到这颗有趣的卫星上。”

土卫二上的海洋是高碱性的

土卫二上的地下水能够供养外星生命。

托马斯·萨姆纳

在土星的卫星土卫二的海洋中游泳可能就像浸泡在家用的氨水中一样。

在土卫二冰壳之下的一片海洋是高度碱性的，类似于地球上的碱湖。土卫二上的化学提供了一次窥探发生在这颗卫星核心处的水岩之间相互作用的机会。水和岩石之间的相互作用创造了一个可能会出现生命的环境。

多伦多大学的克里斯托弗·格林和他的同事使用卡西尼任务传回的数据，估计了土卫二地下海水的pH值。这个探测器穿过被认为是这颗卫星的海洋喷射而形成的羽流。通过测量羽流中二氧化碳和盐分的含量，这个团队得出海水的pH值约为11～12。该研究结果已于2015年2月8日发布在arXiv.org网站上。

如此高的pH值“具有一定意义”。圣克鲁斯加州大学的行星科学家弗朗西斯·尼姆说。研究人员认为土卫二的核心就像是一堆有着角落和缝隙的碎石，在那里，水可以和岩石发生相互作用。在水以化学方式改变岩石时，它的pH值会提高。

如果水岩相互作用可以提高pH值，那么它们也可以生成生命所需的成分，例如氢分子，格林表示。氢，与之前探测到的有机化合物相结合，可以作为一种能源。“这有点儿推测性质。”他说，但是在地球上类似的环境中生命确实可以茁壮成长。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Cassini Imaging Team，JPL-Caltech/NASA，Space Science Institute

对土卫二地下海洋喷射出来的羽流进行的化学分析表明海洋是碱性的。

土卫二上的热液活动

卡西尼号暗示，土卫二的海洋拥有热水。

克里斯托弗·克罗克特

土星的卫星土卫二的核心可能正在煮着地下海洋中的水。

土星的一个环中含有富含硅元素的颗粒，它们起源于土卫二上被加热到至少90摄氏度的水中。研究人员将这一研究结果发表在2015年3月12日出版的《自然》杂志上。这些碎片可能是从土卫二海洋底部捞取上来的。它们通过水渗透岩石内核，然后穿过土卫二冰质壳层的裂缝飞进太空。在地球上的热液喷口处发现了温水与岩石之间的相互作用。如果这样的相互作用也发生在土卫二上，那么将会是这颗卫星具备适合生命生存有利条件的另一个迹象。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA

在土卫二上，热水与岩质核心混合在一起，可能正在向着土星的一个环喷涌出二氧化硅纳米粒子，如这幅艺术图像所示。

美国科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家许翔闻和他的同事使用自2004年以来环绕着土星飞行的卡西尼太空飞船收集到的数据，来测量颗粒的大小和组成成分。这些碎片主要由二氧化硅颗粒或者硅石组成。每个颗粒只有几纳米。硅是岩石与水接触时生成的一种常见的副产品。例如，冰岛上的蓝色泻湖因为水中细小的二氧化硅颗粒而呈现出乳白色的外观。许解释道，这是由于附近一个地热发电厂流出的热水将岩石中的二氧化硅溶解，从而形成了类似于土星E环中发现的那样的颗粒。

为了复制这个过程，许和他的同事将小行星和彗星中常见的粉末状混合矿物，在加压的鸡尾酒中，即120-300摄氏度的硅酸氢铵和硅酸氢钠中，放置了几个月。根据得到的二氧化硅的浓度，他们推断出在这个过程中起作用的化学反应，并且计算了形成二氧化硅颗粒所需的最低温度：90摄氏度。这个结果表明，在土卫二的海洋的底部有着一个巨大的热源。

多伦多大学的地球化学家克里斯托弗·格伦说：“这是一个特别的断言。”尽管他认同碎片是由土卫二上的岩石和水之间的相互作用生成的，但是他对于正在进行的热液活动持谨慎态度。他说，在土卫二上产生如此高的温度是很困难的。最可能的热源是土卫二因土星的引力而产生交替压缩拉伸现象时生成的摩擦力。但是似乎没有足够的能量可以将这个“恒温箱”加热至90摄氏度。

不过，他说：“土卫二似乎是一个挑战预期的大师。”一种检验许翔闻的结论的方法是寻找氢分子。在地球上的一些热液喷口处，海水与岩石的相互作用会生成高浓度的氢。格伦说，如果有热液活动，那么卡西尼号应该也可以检测到土卫二的水中的氢分子。

土卫二上缺乏热水对于生命来说并不是致命的。格伦说，即使缺乏高温条件，在水岩边界处不同化学环境的相互作用也会产生一个生物体可以利用的能量来源。

土卫二上的间歇泉

克里斯托弗·克罗克特

土星的卫星土卫二中的海洋正在喷射入太空。在土卫二的冰态表层上向太空喷涌海水的间歇泉似乎连接到卫星温暖的地下海洋，科学家在2014年7月28日出版的《天文》杂志上报告了这一发现。地下深处海洋的存在以及从卫星南极处喷发出来的冰已经使土卫二成为一个寻找外星生命的有力的候选体。因为冰态表层处沿着裂缝的摩擦也会生成热斑将冰融化，研究人员想知道间歇泉的喷雾到底起源于地下海洋还是冰态表层。基于美国航天局卡西尼号宇宙飞船超过六年的数据，新的发现显示，间歇泉周围的热斑太小了，并不能为喷流供以燃料。相反，研究人员认为，土星的引力打开了冰中的裂缝，导致海洋中的水喷射到太空中。

一颗遥远的卫星上的冰

刺穿木卫二的冰壳，寻找在其下面的生命。

梅根·罗森

在威尔士的一个异常炎热的夏天，Sanjay Vijendran和他的同事将一个火箭滑车瞄准了一块大象大小的冰块。

这个滑车处于一个凸起的金属轨道上。它携带着一捆TNT，在滑动时会被引爆，爆炸产生的推力可以将其自身以声速推出。在它的前边，第二个滑车装有一个子弹形状的罐子，其中塞有科学仪器。

欧洲空间局的物理学家维坚德拉准备将这个子弹形状的罐子扔到一个6200千克的冰块上。

研究人员看着滑车在跑道上飞奔，并将罐子以每秒340多米的速度发射到空中。罐子飞过相当于一辆校车的长度，随后几乎完全穿过这个3米长的冰块。

“这个过程不到两秒就结束了。”维坚德拉在2013年7月的测试时说，“如果你眨了眨眼睛，你就会错过它。”

维坚德拉和他的同事希望将这个令人叹为观止的过程放置在一个没人可以看到的地方。他们正在试图设计一个足以穿透木星的第四大卫星的强大的设备，以便获取在其之上的冰的样本。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA

科学家认为在木星的第四大行星木卫二的冰层之下存在着一片广阔的海洋以及地质上十分活跃的海底，这增加了木卫二的宜居性。几个团队已经设计了一些挖掘木卫二冰冻的表面之下区域的方法。

这颗卫星叫作木卫二。它看起来同太阳系较外层的其他天体一样荒凉，毫无吸引力。它冰冻的表层比地球上最寒冷的地方还要冷100多摄氏度。而且，强烈的辐射横扫其表面。但是科学家认为木卫二荒凉的表层之下存在着大量流动的液态水。这颗卫星的海底可能也充满着热液喷口和火山活动。如果表面的化学物质穿过冰渗透进去，就像一些科学家怀疑的那样，那么木卫二可能拥有生命所需的所有成分。

美国航天局喷气推进实验室的天体生物学家凯文·汉德认为，地球海底的热液喷口盛产生命。“你会得到管状蠕虫、螃蟹、鱼及微生物的生态系统，”他说，“所以大家猜测是否能在木卫二上发现管状蠕虫。”

如果它们确实存在，那么科学家必须将木卫二冰冻的外壳剥掉，将其找出来。世界各地的研究团队正试图解决如何穿透、融化或者钻穿冰外层这一难题。因为木卫二上的冰可能比地球上发现的最厚的冰层厚4倍，所以即使他们可以将钻机的工程师和笨重的机械设备送到木卫二，这也并不简单。各种对冰层厚度的估计不一，但是这个冰冻的外壳可能深达二十多千米（约53个帝国大厦逐个堆叠的高度）。

一项关于挖掘木卫二地下海洋的任务可能还需要花费数十年的时间。但是如果科学家发现了冰或者水中的微生物，那么这个发现的影响足以媲美哥白尼学说。

“如果我们在太阳系中发现了除我们之外的生命，”西雅图华盛顿大学的物理学家戴尔·瓦恩布雷纳说，“那么这就告诉我们，夜晚当你仰望星空时，你正在看着很多可能存在微生物的地方。”

攻破冰外壳

四个多世纪前，伽利略将他的望远镜指向夜空，凝视着木卫二。他的目标是木星，但是他还发现了环绕着这个气态巨行星的四颗卫星。随后科学家将它们中最小的那颗卫星命名为木卫二。

现代的天文学家在1979年当旅行者2号飞过木星时有了一次仔细观察这颗冰态卫星的机会。他们的发现令人惊讶：木卫二的表面没有老年行星的典型迹象。不像木星的其他几颗卫星，木卫二上的冰大多没有撞击坑留下的痕迹。

“这就是一切开始的地方，所有努力的出发点。”亚特兰大佐治亚理工学院的行星科学家布兰妮·施密特说。“那个时候人们才真正开始兴奋起来。”

科学家怀疑木卫二新鲜年轻的外皮可能标志着地下的地质活动。美国航天局的汉德说，当木卫二环绕木星运动时，木卫二在这颗巨行星的引力下就像一颗太妃糖一样被推来拉去。这种推拉可能在木卫二内部产生了热量，这可能有助于冰外壳的搅动，抹去过去的陨石坑的证据。这个搅动也有助于生命所需的能量进入其内部。

随后绕木星运动的航天器伽利略的观测数据表明冰壳之下有一片咸海，其所含的水是地球上液态水的两倍多。探索这片广阔的海洋的想法推动许多科学家寻求一个太空冰钻。

这样的一个设备必须以某种方法攻破木卫二的冰外壳——也许通过钻头的极高温金属或者锯齿状牙齿，而且还要携带着足以完成这项工作的电力。这个设备必须比用于挖掘地球上的冰的任何设备都更简单、更可靠。而且它必须照顾好自己，因为我们不能将一个工程师团队送到太阳系的边缘。另外，冰隧道挖掘设备包、可携带能量包及无故障包必须足够轻，才能将其发射到地球引力控制范围之外。

这是一个艰巨的任务。所以维坚德拉的团队采取了一个更温和的方式。研究人员只希望刺穿木卫二的外皮。他们的“冰贯穿器”将撞击木卫二表面，然后就像一个埋进肉中的碎片一样，嵌入在冰外壳内部。随后，设备内部的显微镜、质谱仪和电极可以分析从撞击地点撞下来的冰碎片。“这些非常基础的仪器仍可以给我们展现一幅关于冰态表层中可能的天体生物学的相当有趣的图像。”维坚德拉说。

“这与火星探测任务非常不同，在火星上你要花费数月乃至数年做实验，分析样本。”他说，“但是在木卫二上，这将是一次快速的、一次性的任务。”

它甚至可能足以钻进木卫二内部的水中。施密特和他的同事发表在2011年出版的《自然》杂志上的一篇文章中表示，一部分水可能徘徊在冰态外层本身。而且研究人员于2014年2月发表在《科学》杂志上的一项研究中称，水蒸气羽流可能从其外壳喷发出来。如果表层中的水或者水蒸气羽流中携带着微小的微生物，那么这个“冰贯穿器”应该可以探测到它们，这暗示着地下深处可能存在着更复杂的生物。

“我们可能没必要一直深入到海洋中来探究木卫二的水中是否存在生命。”施密特说。

更重要的是，研究团队所设计的贯穿系统重约150千克，这已经足够小，可以被送入太空。然而，对于携带它的航天器JUICE（木星冰态卫星探测器）——欧洲空间局即将开始的一个项目来说，它太大了。JUICE计划于2022年发射，并于2030年到达木星附近。

维坚德拉掂量他们团队设计的设备原型的重量。这个罐子约两升可乐瓶大小，但是更重。它在去年试运行后状态保持得非常良好。蓝色油漆中显露出来的小片底色暴露了它闪亮的钢材质。

在威尔士进行的那次测试证明，这个设计可以保证在撞击的同时依然保护好存放在其中的设备。2014年夏天，该团队希望建立一个可以承受与冰之间撞击的电池系统和通信系统。

与在冰层下挖掘隧道的设备相比，“贯穿器项目是很便宜的，而且每一步都能正常进行的机会更大。”得克萨斯州奥斯汀附近的斯通宇航公司的研究员维多利亚·西格尔说。

融化

然而，西格尔和其他人仍以海洋为目标。“这就是会有重要的东西出现的地方。”她说。接触到这个重要的东西比起在木卫二表面抓划更加复杂。

西格尔与其在斯通宇航公司的同事自2011年以来一直致力于研究一个可以融化木卫二冰层的设备。当刺穿木卫二冰外壳时，该设备可以融化沿路的冰，喷射出加热的熔融液喷流来扫清道路并引导方向。一旦穿过冰层，这个被称为“cryobot”的设备，将会从其腹部发射出一个微型潜艇潜入海洋中。

“这相当于一个火星探测器，但是是以水下载体的形式运作的，”西格尔说。

科学家和工程师已经制造了一个“cryobot”的原型，并且处于建立一个水下运载工具的早期阶段。这是施密特领导的一个由美国航天局提供资金的叫作SIMPLE的项目的一部分，该项目可以帮助校准冰贯穿雷达技术，以便有一天航天器可以生成一幅木卫二冰层的清晰的图像。“cryobot”和水下运载工具的总重量将达180千克左右。

“cryobot”，一个小型汽车长度的管子，有着盘绕在光滑铝制框架内的电线和五个排列在球形封头上的喷气机。通过加热风头内的铝块，“cryobot”可以将冰融化，然后吸收水并且喷出热流。为了使木卫二上极端寒冷的冰融化，“cryobot”将需要携带某种核反应堆。西格尔和她的同事使用激光将连接在机器上的一根光纤电线抽成真空，来测试它们的设备。

当团队使用光纤和激光测试这一想法时，“他们都说，‘你们将会点燃光纤，所有的东西都会变成一团烟雾。’”西格尔说。

但是这个能源正常运行了。2013年10月，该团队使用它完成了测试，“cryobot”穿过了一个2米高的冰块。

在该公司大型的仓储式工厂中，几个人聚集在“cryobot”周围。附近的一个桌子上摆放着电脑，显示器中显示着“cryobot”的温度读数，团队成员密切关注着这个数值，以确保机器不会过热。如果有错误，他们可以过来按下切断按钮。“这就像一个大红色的紧急停止按钮，”西格尔说，“它可以立即切断激光。”

该团队将“cryobot”吊起放置在一个冰块的顶部，然后发射激光。橙色安全灯闪烁，激光的冷却系统开始工作，像一个大冰箱隆隆作响。

光流过光纤到达“cryobot”，然后，西格尔说：“你瞧，它真的开始下降了。”

该机器融化冰的速度大约为每小时1米，考虑到喷射热流的两个泵中的一个出现了故障，这真的是令人印象深刻的壮举。2013年12月，西格尔在旧金山召开的一次美国地球物理学联盟会议上报告了该测试的成功。

现在，研究团队正致力于“cryobot”的导向喷流的研究，而且他们还试图将感应工具融入机器体内。2014年6月，该小组将会旅行至阿拉斯加的冰川，尝试融化穿过约30米的冰。在下降过程中，团队将会测试“cryobot”所携带的工具，以及收集关于生存在冰内的生物的数据，西格尔说。

一个摇晃的钻孔机

加州帕萨迪纳市蜜蜂机器人技术的一名工程师克里斯·扎克尼（Kris Zacny）认为钻孔是一种更简单的方法，而且它不需要像“cryobot”所需的那么多的能量。

在过去一个世纪里，石油和天然气工业使用分段的钻子钻探到达地球表面之下深处。随着工程师挖掘的隧道越来越深，他们增加了段数来延长钻头的长度，并且用泵吸入液体来清扫钻出的洞。

对于木卫二的任务来说，这些钻探设备并不是一个明智的选择：大量段数会使钻子变得很重，而且钻孔液会被冻结。所以扎克尼和他的同事与喷气推进实验室的科学家合作，以期设计一些不一样的东西。

他们想出了一个被称为“Auto-Gopher”的有线钻。它是一个22千克重的管子，长约两米，与碳酸水罐子一样粗，由一跟电线栓绳悬吊下来。

“它就像一个钓鱼竿，”扎克尼说，“在钓鱼线的最后，有一个钻子。”

团队的钻探设备会将“冰上垂钓”做到极致：它将停留在木卫二的表面，用一根栓绳摇晃地悬挂着钻子，随着钻头将冰钻碎，逐渐渗透到冰内。

“Auto-Gopher”钻的尖端，8颗锋利的尖齿从钻头伸出来。它们是用一种碳化钨材料制成的。这种材料可以设计成牢不可破的倒刺，用于刺穿岩石和冰块。当研究人员接通发动机时，一个旋转钻井系统会用曲柄驱动钻头，使尖牙向下钻孔。

碳化钨十分坚韧，但是钻掘穿过几千米的冰也会使钻头的尖牙变钝，或者钻头也可能会遇到一块特别坚硬的硬块。所以扎克尼的团队在“Auto-Gopher”的体内装备了一个敲击系统，该系统可以将钻头像一把锤子一样猛击进岩石内。

研究人员不需要太多能量来一点点除掉冰。即使钻头一直旋转，锤子系统一直敲击，支撑“Auto-Gopher”正常运作的功率也只需要约350瓦，比一个普通的吹风机使用的能量都要少。扎克尼表示，像“好奇号”之类的探测器可以携带大量的“果汁”来运行这样一个钻子及所需的科学仪器。

他和他的同事使用“Auto-Gopher”在南加州的一个石膏采石场进行了测试，“Auto-Gopher”向内钻了3米左右。这种岩石在强度和均匀性上类似于冰，他说。钻子的最高速度比斯通宇航公司的“cryobot”稍快些，每小时约1.6米。2013年3月该团队在电气和电子工程师协会（IEEE）航空会议上报告了他们的研究成果。但是研究人员遇到了一个巨大的障碍：他们不得不定期清除钻孔中的岩心。

“你可能会认为岩心都是很好的圆柱体，可以捕获并排出。”扎克尼说，并不是这样的，“有时候岩心会分解成碎片。”

现在该团队正致力于研发一个新的、改良了的钻子，“AMNH”深钻，以其资金来源——美国自然历史博物馆命名。这个钻机会在冰或者岩石碎屑中穿梭，并将碎屑收集进管子内部，而不是生成必须从钻孔中排出的岩心。而且研究人员计划在管子内部装备电子产品和设备，例如显微镜和传感器。

扎克尼看到了使用钻机系统来探索木卫二的这一理念的两大优势。首先，在突破冰壳时捕捉冰碎片，“一路走下来，你可以时时系统地获取每一步的数据。”他说。其次，通过使用一根导线悬挂钻子，团队可以避免大量增加钻子段数，以免设备过重。

但是即使每米10克左右，长达10千米的拴绳（包绕着光纤线的凯夫拉尔电缆）也将重达100千克。使用较轻的材料，例如碳纳米管，可以减轻拴绳的重量，扎克尼说。

他和他的同事计划秋天在石膏采石场测试“AMNH”深钻。这一次，它们的目标是30米的深度。

扎克尼对于团队的设计持乐观态度：“在接下来十年，配置‘AMNH’深钻是可行的。”

到达目的地

即使在未来10年内科学家已经为穿透木卫二的冰层准备好了某种技术，但是前往木星卫星的前景还远未确定。

施密特曾帮助设计了一个叫作“木卫二快船”的航天器的概念，该任务预算20亿美元。木卫二快船将会绕木星运动，在飞越木卫二时，收集并传回木卫二的数据，帮助研究人员尝试解决这颗卫星是否适合居住这一难题。

2014年3月，奥巴马总统提出为木卫二研究项目提供资金，这是遥远卫星的探索任务首次进入总统的预算。但是美国航天局希望项目成本为快船项目成本的一半。

“这有点儿像是一巴掌打在脸上。”施密特说。

对于木卫二项目进入总统的预算，她感到很激动，但是也无奈于不太理想的资金。15年来，科学家一直在研究可能的木卫二任务，施密特说，而且美国航天局在高低价格标签之间一直跳来跳去。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：S.VIJENDRAN/ESA

研磨表层为了将仪器嵌入进木卫二的冰中，一个围着木卫二做轨道运动的、由火箭输送功率的系统将减缓速度，发射欧洲空间局研发的“冰贯穿器”，将这个太空舱送到木卫二表面。在这个装置内部，寒冷的区域采集冰的样本，温暖的区域放置传输数据所需的仪器。

美国航天局的天体生物学家克里斯托弗·麦凯认为，新预算对于实施一项令人兴奋的木卫二任务来说已经足够，只要小而专就可以了。

“这使得从小的地方出发来建立任务变得更加有意义，”他说，“在10亿美元的限制内，我依然看到了各种各样的机会。”他希望在木卫二表面放置一个摄像机和扩音器，拍摄木卫二的地貌，聆听冰的声音。

“冰会说话，”他说，“它总是摇摇欲坠、呻吟、破裂，而且还会聊天。它们正在讲述一个故事，我们要做的就是把我们的耳朵放在地上聆听。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ESA

在一次测试中，木卫二的“冰贯穿器”的原型猛烈撞进一块厚厚的冰块中，喷溅出冰屑。这个“冰贯穿器”仅仅有些刮痕。

另外，他补充道，成本较低的任务可以帮助支持之后成本更高的任务。“想象一下，从木卫二地面拍摄的照片肯定会激发大家的兴趣。”

表面穿孔技术——不管它们最终什么时候会被应用——在太阳系内其他地方同样也是有用的。科学家已经标记了其他可能适合居住的地点，例如土星的富烃卫星土卫六和其潮湿的卫星土卫二。

但是对于施密特和其他科学家来说，木卫二仍是最重要的目标：它有水，大量潜在的营养成分以及一个在其表面之下可能的能源。

“我们认为地质活动是使一颗行星变得适合居住的真正重要的条件，”她说，“这就是为什么木卫二如此令人兴奋。”

探索木卫二上是否存在生命击中了“一些最大的科学问题，”华盛顿大学的瓦恩布雷纳说，“有人在那吗？如果有的话，那么生命分布得该有多广呢？”

木卫二上发现了羽流

新发现增加了木星的冰态卫星上存在生命的可能性。

安德鲁·格兰特

根据发表在2013年12月12日出版的《科学》杂志中的一项研究，在木星的冰态卫星木卫二的南极附近，水蒸气正从交错的裂缝中喷涌而出。如果被证实的话，那么这些间歇泉将会为天文学家提供一次探测这颗卫星潮湿且可能维持生命的内部的机会。

“这非常令人兴奋，”乔治亚理工学院的行星科学家布兰妮·施密特说，“它唤醒了我们关于这些世界可以做什么的思想。”

自1990年代美国航天局的伽利略任务以来，木星的第四大卫星——木卫二吸引了科学家。伽利略探测器传回了木卫二表面的照片，一个断裂的、结满冰的表面，且带有少量陨石坑，这表明木卫二有着活跃的地质活动。伽利略还发现了强有力的证据，表明木卫二含有一个因木星的引力交替推拉而被加热的、埋藏着的海洋。

然而，伽利略的主要通信天线发生了故障，阻碍了天文学家获得详细的照片和测量。从那以后，科学家一直在争论木卫二是否可以维持一个适合生命居住的海洋。如果木卫二上存在生命的话，那么几千米厚的冰层之下的水和热量必须与表面上的有机化学物质混合。

科学家已经知道土星的冰态卫星土卫二正将水喷射进太空，由西南研究所的空间科学家洛伦兹·罗斯领导的一个团队决定看看木卫二是否也喷射类似的羽流。研究人员分析了1999年10月、2012年11月和2012年12月哈勃太空望远镜对木卫二进行的数小时的观测。哈勃可以探测由氢原子和其他原子发出的紫外辐射。2012年12月的数据显示，盘旋在木卫二的南半球上的氢原子和氧原子的浓度都非常高，这暗示着水分子的存在。然而在其他两个月的数据中却没有发现类似的信号。

研究人员从2012年12月的数据中得出这样的结论：被包裹在木卫二冰壳之下的液态水通过裂缝逃逸出来，形成了水蒸气羽流。羽流喷射至约200千米的高空，这个高度近似于西雅图和温哥华之间的距离。该研究的合作者、加州大学圣克鲁兹分校的行星科学家弗朗西斯·尼姆说，木卫二上水的输出速率约为土卫二上的10倍，每秒约1000升。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：L. Roth/Southwest Research Institute，USGS

氢原子（以蓝色显示，在紫外光波段探测，并且叠加在木卫二的照片上）可能起源于从一片冰冷的海洋中喷射出来的水中。

这些羽流表明木卫二表面之下的水至少有一些到达了表面。与此同时，施密特和其他人的研究已经表明，化学物质可以穿越冰壳到达内部。2013年12月，在旧金山举办的一次美国地球物理联盟会议上，研究人员提出证据，证实木卫二有一种板块构造的形式，一层冰滑到另一层之下，进而将表面的化学物质运送到地下海洋中。

然而，科罗拉多州博尔德市空间科学研究所的行星科学家卡洛琳·波尔科说：“在我们为此跳跃庆祝之前，还需要进一步的确认。”她领导的卡西尼号探测器成像小组已经发布了关于土卫二上水蒸气羽流和冰晶的精彩的照片。土卫二上的间歇泉在其离土星最远时最活跃。哈勃的探测同样也是在木卫二离木星最远时进行的。波尔科建议，当木卫二在它3.5天的循环周期中再次来到这个点时，以及在木星的引力可能会削弱羽流的其他时刻，采取后续的测量。尼姆表示赞同，他认为额外的羽流探测将会巩固这项研究的结论。

伽利略档案中的数据可能会提供额外的证据。在伽利略某次靠近经过木卫二期间，它探测到了一个奇怪的磁场信号，天文学家一直无法解释。新的发现暗示这个信号可能是木卫二之上漂浮着的水分子的信号。“如果这个工作是正确的，那么这便是那个难题的显而易见的答案。”加州大学洛杉矶分校的地球物理学家克里尚·库拉纳说。他在1997年为伽利略团队分析了这个令人困惑的信号。

确认木卫二正将其内部的水喷射到太空中，将会提高行星科学家对于将一个机器人探测器送至木卫二的呼声。这个机器人探测器不是通过钻掘冰壳来探索这颗行星的海洋，而是通过飞越羽流并且详细调查落回表面的分子来进行研究。波尔科建议该探测器应该包含可以识别表征生命存在的分子（如蛋白质片段之类）的仪器。

木卫二的间歇泉很难被看到

对木卫二进一步的观测没有看到排放的迹象。

安德鲁·格兰特

如果木卫二正在将它松软的内部排放到太空中，那么这个过程进行得如此秘密。对木星的这颗冰态卫星的后续观测未能证实2012年由哈勃太空望远镜观测到的强大的间歇泉的存在。2014年12月19日，研究人员在美国地球物理联盟会议上报道了这一研究结果。与最近的其他研究结果结合来看，这个毫无结果的搜索表明，如果木卫二上真地发生羽流喷发，那么也是很弱或者只是零星的。

观测木卫二上的羽流的风险很高。在这颗卫星的表面冰壳之下隐藏着一片广阔的海洋，使其成为太阳系内除地球外潜在的最适合居住的环境之一。间歇泉使海洋所包含的物质丰富起来，有水、矿物质，甚至可能有生命。“我们正在屏息观察，看看是否可以捕捉到另一个间歇泉的信号，以及什么时候会得到。”加州搜索地外文明研究所的行星科学家，辛西娅·菲利普斯说，“在那之前，间歇泉一直都是很吸引人的，却是未经证实的领域。”

2013年，科学家分析哈勃的数据时，在木卫二南半球上空的氢原子和氧原子的辐射频段发现了紫外辐射，这是第一次发现有关间歇泉活动性的迹象。圣安东尼奥西南研究所的空间科学家洛伦兹·罗斯和他的同事根据这一观测数据得出结论，这颗卫星正在向太空排放水。

这个发现为我们带来了一个可能性，引起了我们的好奇心：木星最有趣的卫星经常将它表面冰壳之下隐藏着的海洋的样本向外排出。研究人员希望后续的观测可以揭开这个类似于土卫二上的羽流那样的活动间歇泉的面纱。自2005年卡西尼号探测器发现土卫二上的间歇泉以来，它一直不断喷发。

然而，大自然没有让事情如此简单，罗斯说。2015年1月、2月，和2014年11月、12月，哈勃的多次观测显示在木卫二周围并没有水存在的迹象，他在会议上报告了这个研究结果。其中一些观测是在这颗卫星运动到原来探测到间歇泉的同一地点时进行的。

其他证据也对木卫二持续将水排放到太空中的这一想法提出了怀疑。对2001年卡西尼号由木星飞向土星途中时获得的数据进行的一次再分析显示，未发现间歇泉的迹象。2014年12月18日，研究人员在一次会议上报告了这一研究结果。这些发现同样也出现在最近《天体物理学杂志》上的一篇文章中。研究合作者阿曼达·亨德里克斯表示，如果木卫二正在向外排放水的话，卡西尼号的紫外线传感器在这颗卫星附近探测到的中性气体分子少于预期。

尽管最近的一些研究结果不尽如人意，但是很多科学家在会议上仍然对最初哈勃的探测怀有信心。“我认为在木卫二上肯定发生着什么。”亨德里克斯说。木卫二上羽流的标准输出量可能太弱了，对于遥远的设备来说，例如哈勃和卡西尼号，很难探测到。菲利普斯推测，木卫二上的间歇泉可能类似于木卫一上的火山，有着强烈喷发，但只是零星的，不像土卫二上的羽流那样频繁。

罗斯和他的团队计划使用哈勃太空望远镜进行为期45天的后续观测，来搜寻这个神出鬼没的间歇泉。与此同时，美国航天局也会组织一次会议来讨论提出的木卫二快船探测器是否可以包含一个设备来扫描来自这个潜在的间歇泉的碎片，以期发现生命的迹象。

根据哈勃太空望远镜的原始数据，200千米是木卫二喷射出的羽流的最大高度。

木卫二上发现了板块构造活动

首次在地球之外——木星卫星上发现了板块构造活动。

托马斯·萨姆纳

板块构造搅动了木卫二的冰态表层，研究人员在2014年9月7日出版的《自然地球科学》杂志上发表了这一研究成果。该发现为地球之外存在的板块构造的第一个证据。

“地球并非独一无二的——我们已经在太阳系中发现了另一个具有板块构造的天体，”莫斯科爱达荷大学的行星科学家西蒙·凯顿霍姆（Simon Kattenhorn）说，“这告诉我们，这个过程不只是发生在类似于地球这样的岩质行星上。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Ted Stryk/Galileo Project，JPL/NASA

漂浮的冰板定期更新木卫二的表面。这个寒冷的世界是除地球以外唯一已知拥有活跃的板块构造活动的地方。

在其他行星的卫星上，包括土卫六上，曾经也观测到过表面重塑过程，例如火山活动等。然而，凯顿霍姆说，木卫二却是除地球外第一个发现有板块漂移的天体。

凯顿霍姆认为，木卫二表面上冰板的上升和下沉可能为营养物从卫星表面移至其地下海洋提供了一种机制。这样的传输支持了地下海洋承载生命的可能性。亚特兰大佐治亚理工学院的天体生物学家布兰妮·施密特表示，这种机制是非常令人兴奋的，因为这会使木卫二上存在生命的机会又变大了一些。

尽管木卫二形成于40亿年前，但是木卫二的冰态表层却非常年轻。基于这颗卫星上的陨石坑的数量很少，科学家估计木卫二的表层仅为4000～9000万岁。在卫星冰冷的表面上，温暖且新鲜的冰生成的地方分布着交叉的暗带，但是依然存在着一个谜：旧的材料在哪里？

两年前，凯顿霍姆与约翰霍普金斯大学应用物理实验室的合作者路易斯·普罗克特（Louise Prockter），在美国航天局的伽利略宇宙飞船于1998年绘制的木卫二上一片路易斯安那州大小的区域的地图上，发现了奇怪的事情。在这颗卫星的北半球，一大块2万平方千米的地形不见了。就像是撕碎的照片碎片被重叠放置，木卫二上交错分布的断裂的表面没有适当地排列。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Noah Kroese/I.NK

碎冰块木卫二上的两块冰板发生碰撞，其中一块潜到另一块之下，形成一条俯冲带。下沉的冰便与木卫二地下海洋周围的较温暖的内部冰壳一起融化了。

研究人员认为，这种差异标志着两块巨大的冰板撞在了一起，其中一块下沉到另一块的下面，融入到了这颗卫星内部较温暖的冰层中。这种运动类似于地球上的俯冲带，在那里一块地壳板或者板块下跌到了另一块之下。凯顿霍姆和普罗克特研究了木卫二的地图，找到了陷入卫星内部的那块地形的位置，并且追踪了该位置沿表面超过1700千米的冰板之间的边界。他们进一步指出木卫二整个表面被分解成一个类似于地球板块的刚性链段网络。

凯顿霍姆说：“木卫二上的潜沉率可能与我们地球上的非常类似。”因为木卫二体积很小，这种潜沉率可能意味着其自身的表面循环少于9000万年。“这令人很兴奋。”他说，“因为这意味着我们现在有一种可以解释年轻表面的机制了。”

这种搅拌有益于任何可能居住在木卫二地下海洋中的生命，凯顿霍姆说。随着来自木星的辐射轰击这颗卫星的表面，简单的化学物质有可能形成有机营养物质。表面构造活动为这些表面营养物下沉到隐藏于木卫二的厚冰壳之下的液态水中提供了一种方法。

施密特说这一发现是个良机。木卫二快船，美国航天局针对这颗冰冻的卫星提出的一个项目，最近进入了它的早期设计阶段，有希望在2022年发射。

“我们已发现的关于木卫二的一切都使它越来越像地球，并且使其成为地球之外存在生命的天体的可能性越来越大，”她说，“这项研究表明，我们需要回到木卫二，而且我们应该快点儿回去。”

木卫三拥有地下海洋

克里斯托弗·克罗克特

木星最大的卫星木卫三，己经巩固了它在太阳系中地下有液态水流动的地区的名单中的会员身份。木卫三的地下海洋不是以羽流或者水塘形式显现出来的，而是通过木卫三极光中细微的变化被我们发现的。木星的磁场应该干扰了木卫三的磁场，使得这颗卫星上的极光在约6的范围内来回摇摆。然而，哈勃太空望远镜的观测却显示极光只偏移了2左右。2015年3月12日，研究人员将这一研究结果发表于在线版《地球物理学研究：空间物理学》杂志上。德国科隆大学的约阿希姆·绍尔和他的同事推断，在地壳之下，一个导电流体——例如一片海洋——将会产生一个二级磁场，抵消木星的干扰。1995至2003年，绕木星运转的伽利略探测器的观测也暗示木卫三的表面之下存在着液态海洋，但是由于飞越过程太短暂而没能提供明显的证据。木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫二也隐藏着地下海洋，研究人员怀疑在木星的卫星木卫四和矮行星谷神星的地下可能也存在着水。

黎明号宇宙飞船到达了目的地

矮行星巡天将会获得太阳系诞生的线索。

克里斯托弗·克罗克特

黎明号探测器已经抵达矮行星——谷神星。

经过在太阳系中长达七年半的艰苦跋涉，期间包括在小行星灶神星的中途停留，黎明号在2015年3月6日停在谷神星的旁边，然后通过这颗矮行星的引力作用，它来到距离谷神星更近的地方开始为期14个月的观测任务。此次观测，旨在探索太阳系形成的线索。

美国航天局行星科学部门的领导人吉姆·格林在2015年3月2日举办的新闻发布会上表示，黎明号将要“回到过去，造访那些聚集在一起最终形成行星的材料的残存者。”

研究人员认为谷神星是一颗完整的原始行星，一个形成于太阳系伊始的化石。谷神星到太阳的距离约是日地距离的2.8倍。它大概只有法国那么宽，但却是处于火星和木星之间的小行星带中的最大的天体。从2015年4月下旬开始，黎明号将会绘制谷神星详细的示意图，研究它的大小、形状及组成成分。

与其他太阳系的任务不同，黎明号的到来有点虎头蛇尾。“刚到达谷神星的时候，它简直看不到任何东西。”黎明号项目主管、帕萨迪纳喷气推进实验室的天文学家罗伯特·梅斯如是说。这个宇宙飞船是从阴面接近谷神星的，不能拍摄到任何画面，直到2015年4月底，它翻过北极之后，才可以进行拍摄任务。梅斯说：“然后闸门才会真正打开。”

黎明号已经给我们带来了一些惊喜。它发现，2005年首次报道的、在哈勃太空望远镜的图像上发现的一个明亮的点，实际上是一个坑内紧挨着的两个点。这些点“一直困惑着研究团队，”黎明号项目副首席科学家、喷气推进实验室的卡罗尔·雷蒙德说，“它们的视亮度超过了预期范围。”这些亮点可能是由于小行星撞击被挖掘出来的或者由冰冻火山喷出的冰的碎片。但是研究团队只有在黎明号更靠近谷神星之后才能了解到更多信息。

“这似乎是一个很好的开始。试图弄清楚谷神星内部是什么，以及水在扮演什么角色，才是更有趣的事。”康奈尔大学的行星科学家彼得·托马斯（非黎明团队成员）表示。研究人员怀疑在岩质地壳之下潜伏着一个覆盖全球的冰盖，它可能是地下海洋的残余。黎明号将会寻找起源于液态水与岩石之间相互作用的表面材料的证据。

谷神星的海洋可能曾经是适合生命生存的，雷蒙德表示。

谷神星是黎明号的第二站。黎明号在2011年和2012年花费了14个月的时间环绕着小行星灶神星绕转。黎明号发现了携带着富含碳的成分的黑色碎片，雷蒙德说。研究团队怀疑这些黑色碎片是经由与谷神星类似的富含水的小行星来到这里的。如果这些小行星向灶神星递送了水和其他“好吃的东西”，它们可能也向较内层的岩质行星递送了原材料，这为谷神星、灶神星和地球上的海洋之间提供了一个可能的联系。

“我们将马上得到一些答案，”格林说，“但是想要弄清楚谷神星和灶神星是如何容纳进太阳系的基础材料的这一难题，还需要几年的时间。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech，NASA

黎明号宇宙飞船（如图所示）到达了谷神星，并且很快将开始绘制这颗矮行星。

海水可能不是来自于彗星

彗星67P的氘氢比与地球的不匹配。

阿什利·耶格尔

有些科学家认为，地球上的海洋是被来自彗星的水填满的。“罗塞塔”传回的数据对这一理论提出了质疑。

从彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的稀薄朦胧的大气中探测到的水，在化学上与地球海洋中的水不匹配。这意味着，在几十亿年前，将水带到地球上的是小行星而非彗星。2014年12月9日，瑞士伯尔尼大学的行星科学家凯瑟琳·阿尔特威格在一次新闻发布会上报告了这一研究结果。

阿尔特威格和他的同事使用罗塞塔飞船上的一个设备测量了彗星67P微薄大气中的氘含量。研究结果显示，彗星中水的氘氢比值约为地球上水的三倍。

了解地球上的海洋是如何形成的可以为科学家提供关于太阳系形成时期所发生的事件的线索，并且揭示在太阳系之外的类地行星上存在水的普遍性。科学家使用氘和氢作为研究太阳系中水起源的示踪剂。如果两颗行星有类似的氘氢比，那么它们的水可能来自同一个地方。

一些科学家认为地球在它形成的时候可能就已经有水了。其他人则认为地球开始一直是干燥的，它需要某种特殊的传递方式从彗星或者小行星上获取水。科学家已经通过测量彗星和陨石中的氘氢比，验证这些想法。

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彗星稀薄朦胧的大气层的化学组成暗示了水是如何到达地球的。科学家认为像67P这样的彗星向地球输送了水。新数据增加了对于这一说法的怀疑。

20世纪80年代，一些科学家认为将水运送到地球上的是彗星。1986年，乔托号宇宙飞船穿过哈雷彗星的慧发，发现它的氘氢比值是地球上水的两倍。其他研究发现，起源于遥远的奥尔特云的彗星与哈雷的氘氢比相似。

最近，事情又有了变化。研究人员找到了与地球的氘氢比值类似的彗星。2011年，科学家宣布，来自柯伊伯带的彗星103P/Hartley 2的氘氢比值与地球的几乎相同。另一颗同样形成于柯伊伯带的彗星45P/Honda-Mrkos-Pajdušáková的氘氢比值也接近于地球。科学家开始考虑地球上的水是否只来自柯伊伯带（在太阳系外层的一个冰态碎片盘，包括冥王星）的彗星。

为了验证这一想法，阿尔特威格和她的团队测量了来自柯伊伯带的彗星67P的氘氢比值。他们发现67P的比率约为5.3×10-4，而地球的为1.5×10-4。

“我们需要更加努力思考及研究这些新数据。”加州大学洛杉矶分校的地球化学家爱德华·杨说。Hartley 2和67P这两者的氘氢比值之间存在的差异排除了彗星形成于早期太阳系中一些受限制的区域的这一简单的想法。

杨认为，这种说法——某一种类型的天体是地球上的水的唯一来源——太天真了。可能水分别来自于具有高氘氢比的彗星以及低氘氢比的小行星，它们两相混合平均得到了我们在地球上看到的氘氢比。阿尔特威格表示同意，他认为这种情况是可能的。

水，水无处不在

地球上的水来自何方。

克里斯托弗·克罗克特

地球——一个由海洋、河流和热带雨林组成的星球——成长在一个星际沙漠里。

大约46亿年前太阳系形成的时候，钙、铝钛矿物质碎片黏合在一起，形成了越来越大的鹅卵石和巨石。它们撞在一起，组建形成了岩质行星，包括地球。

但是地球的标志性组成成分——水却无处可寻。来自年轻太阳的热量将冰蒸发，使它们不敢靠近内层行星。地球相对微弱的引力无法抓住水蒸气或者任何其他气体。然而，今天的地球却是一颗充满水的星球。水调节气候，塑造或者重塑地形，而且是生命的必需品。出生时，人体内约78％的成分是水——基本上就是水做的。

地球肯定是从别的某个地方得到帮助，获取了水。

研究人员最近在一些陨石中发现蕴藏在其中的地球的“水生启动机装备”的痕迹。这些陨石是来自灶神星的“礼物”。灶神星是徘徊在火星和木星之间的小行星带中的第二大小行星。天文学家认为它的形成早于地球，大约在太阳系形成开始后的800万到2000万年。（地球的形成则需要3000万到1亿年的时间。）

最近的研究表明，恰好在岩质行星形成之前，木星之外的区域中形成了富含冰的小行星，而且随后这些小行星被挤进太阳系内层。由于木星和土星的引力，这些太空岩石被甩向我们的行星，发生碰撞并且将水传递给灶神星和地球。巨行星是帮手还是障碍都只是猜测。但是如果这里发生的一切在任何地方都可能发生，那么在其他世界里可能也普遍存在着水，这样的话，整个星系中各处可能都存在着生命。

彗星和小行星

几十年来，研究人员一直在讨论彗星或者小行星是否向地球传递了水。乍一看，彗星似乎是一个可能的来源。起始于海王星轨道之外，彗星是太阳系的深冻存储装置。太阳系形成以来，它们的内部储存了大量的冰。一些彗星在与一颗行星或者一颗路过的恒星擦肩而过时，偶尔会受引力作用，被抛向太阳系内部。在早期太阳系的混沌时期，地球应该经历了彗星袭击。彗星碰撞给地球带来了大量的水，随后地球被填满形成了海洋。

然而近年来，彗星假说已经失去支持。美国华盛顿卡内基科学研究所的宇宙化学家康奈尔·亚历山大说：“看起来彗星已经基本出局了。”通过检测，大多数彗星的水都与地球的海水不匹配。另外，将一颗彗星带向地球方向也是极其困难的。他说：“彗星应该不会再是讨论的一部分了。”

一部分问题在于地球上的水与大多数彗星中的水之间存在微妙的差异。水分子很简单，就像是米老鼠的一对耳朵：两个氢原子抓着一个氧原子。但是有时候氘，一种稍重的氢，会混进去。氘原子的原子核包含一个质子和一个中子，而氢原子只包含一个质子。在地球上，每100万个水分子中只有约156个含有氘。

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当水中的一个或者两个氢原子被氘原子取代时，水分子会变重。更重的水分子提供了一种追踪地球上水的起源的方法。

研究人员长期使用氘相对于氢的含量，也就是D/H比值，来追溯水的起源。在较低温度下，氘开始更频繁地出现在冰中。所以形成于太阳系中冰冷的角落的天体，如彗星，应该富含氘，然而婴儿时期的地球周围围绕的水蒸气中几乎没有氘。

大部分彗星似乎都遵循这样的逻辑，它们的D/H比值通常是地球上所测量到的D/H比值的两倍。

然而，有两颗彗星却向那些将彗星从地球上水的来源中排除的科学家投掷了一个弧线球。2010年，研究人员使用赫歇尔太空望远镜来测量彗星103P/Hartley的D/H比值。他们报告说，103P的水几乎与地球上的水相匹配。2013年，对45P//Honda-Mrkos-Pajdušáková的观测同样也发现异常低的D/H比值。这样的话，一颗，也可能是两颗，彗星携带着类似地球上存在的水。

氘氢比

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在太阳系的天体中，氘氢比的范围很宽。地球上水的组成与某些小行星（绿色正方形）上的水的组成相似。来自奥尔特云的彗星（橙色菱形）和来自柯伊伯带的彗星（黄色菱形）上的水的氘氢比值通常是地球上水的氘氢比值的两倍，虽然有几颗彗星上的水与地球的水接近。

木星的引力

这两颗彗星都是木星族彗星中的一员。木星族彗星起源于海王星之外布满冰封物体的柯伊伯带，冥王星就在那里。它们在海王星和木星的引力下被推到相对较内层的轨道上，来到更接近太阳的地方。之前所有对D/H比值的测量所选取的彗星都是来自更遥远的奥尔特云，一个包围着太阳系的冰壳。彗星103P和45P的研究结果说明研究人员将所有彗星都从地球上水的来源中排除的行为过于草率。或许只有木星族彗星是可能的来源。

但后来在2014年，欧洲空间局的罗塞塔探测器到达另一个木星族彗星67P/Churyumov-Gerasimenko。当飞船侧身经过彗星的时候，它从彗星提取到水的样本，发现67P的D/H比值惊人得高，比地球海洋水的D/H比值高三倍多。

夏威夷大学的行星科学家凯伦·米奇说：“每个新彗星的测量都给我们一个不同的画面。”罗塞塔探测器的研究结果表明即使是一个族的彗星，它们含有的水的组成也有着令人难以置信的多样性。她说：“彗星形成于一个很广阔的区域范围，所以毫无疑问，它们的D/H比值的范围也很大。”

但是即使一些彗星有着一个类似地球的D/H比值，让它们第一时间来到撞击地球的位置也是很困难的。法国波尔多天体物理实验室的行星科学家肖恩·雷蒙德说：“任何将要与地球猛烈碰撞的彗星都必须通过这个巨大的‘中后卫球员’——木星。”木星倾向于将靠得太近的彗星甩出太阳系。少数来到地球轨道的彗星也不能停留太久。

雷蒙德说：“彗星只有一定的机会可以接近地球，或者撞击地球，或者被分散到另一个轨道上。”

所以木星的引力可能是彗星需要克服的一个巨大的障碍。但是它也可能只是将小行星带向内部行星的门票。

一个更有“策略”的途径

2011年，雷蒙德所在的一个研究团队当时在处理另一个问题：为什么火星如此小？在46亿年前，应该有大量可用的原材料可以将火星变为大小接近金星和地球的行星。但是火星只是地球直径的一半左右，而且它的质量也只是地球的十分之一左右。一个可能的解释是某种东西过早地将这个形成初期的红色星球的“砖瓦”抢走了。

一个解决方案，称为大策略模型，描述了一个远没有我们今天所居住的环境这样安静的太阳系。在大策略模型描述的情境中，木星和土星大步来回穿越于太阳系中，像是“校园恶霸”一样，投掷石块，并且从其他行星偷取食物。环绕着太阳的气体将木星和土星向内拖拽。一旦木星到达目前火星所在轨道的附近，来自土星的引力会将木星和土星都扔回它们原来所在的地方（“大策略”中的“策略”）。木星对太阳系内层的侵占在岩质行星形成所在的碎片区域雕刻出一个间隙，夺取了火星的原材料。

与掠夺火星资源同样的行星“探戈”可能也可以解释冰质小行星是如何袭击地球的。随着木星和土星徘徊离去，它们的引力集中在形成于雪线（超过这个边界的区域温度足够低，可以形成冰）之外的小行星上，并且将这些小行星扔向太阳系内部。约1％内部含有冰的岩石被投进小行星带的较外层区域。但是对于每个迁移到小行星带的C型小行星，至少有十个被送到岩质行星成形的区域。

计算机模拟显示，在太阳系形成的几百万年后，小行星的轰击可以轻易地将足够的冰迁移到地球上，这解释了地球上海洋的形成。这些冰封锁在岩石内部，不会因太阳的热量而蒸发，而且在一些小行星中内部冰的含量约占小行星总质量的20％。在地球上，尽管地表超过70％的部分都被蓝色覆盖，但是水的质量也仅占地球总质量的0.023％。显然，与一些小行星相比，地球是十分干旱的。

大策略模型很好地解释了火星的形成，小行星带的布局以及水经由冰态小行星转移到地球上的过程。但是雷蒙德强调这只是匹配所有数据的一种途径。“这是思路上的一种进步。”他说，“但这并不意味着这就是最终的解决方案。”

相同的D/H比值这一条件，将彗星从地球上水的来源中排除之后，现在又将手指指向了这些小行星。2012年，亚历山大和他的同事得出结论，地球上大部分水是经由类似于CI碳质球粒状陨石的天体到达地球的。研究人员认为这些从形成于木星之外区域的小行星上因撞击而脱落的陨石，是太阳系最古老的天体之一。

亚历山大的研究，以及许多其他人的研究，为地球上的水和球粒状陨石上的水之间化学上的匹配提供了强有力的证据。但是它不能解决水何时到达的问题。布朗大学的地质学家阿尔贝托·萨尔认为，部分答案就在月球上。

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当早期太阳系中木星和土星来回徘徊时，它们重新安排了环绕着年轻太阳的岩石和冰碎片，如图所示。一些形成于木星轨道之外的冰态小行星结伴而行，拖着水到达太阳系较内部，并且并入到出生的岩质行星中，包括地球。一个太阳距离（AU）是太阳和地球之间的距离。

在阿波罗15和17计划期间，宇航员带回地球的月球样本包括火山玻璃。从月球内部吐出来的岩浆快速冷却形成了玻璃。2013年，萨尔和他的同事在《科学》杂志上报道了这些玻璃中所含的水的D/H比值与地球上海洋和亚历山大在碳质球粒陨石中所测量得到的D/H比值都相匹配。萨尔的发现说明了两件事：地球和月球上的水有着共同的来源，在月球形成时这些水已经在这里了。

月球的形成始于一次碰撞。在地球形成的最后时期，一个火星大小的行星撞击地球。碰撞使得地球的一部分脱落，并且和这个不幸的闯入者一起，混进围绕着地球的一个充满蒸发岩的环，它们最终黏合在一起形成了月球。萨尔指出，在碰撞的时候，一定有一部分水被封在月球内部，或者至少是在月球表面冷却和固化之前到达月球。这说明在太阳系开始之后的约1.5亿年，地球周围就存在着水。但是马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的地质学家苏涅·尼尔森说，仅仅基于月球的数据，我们还不能确定水到达的具体时间。

为了将水到达的时间限制在一个更精确的范围内，研究人员转向小行星灶神星。或者，更具体地说，在灶神星被另一颗太空岩石撞击后，灶神星的一部分脱离本体，最终以陨石形式降落在我们的星球上。伍兹霍尔的地质学家亚当·沙拉芬，尼尔森以及他们的同事分析了灶神星陨石的一个样本中的磷灰石矿物质中的少量水。2014年秋天这个团队在《科学》杂志上报告了他们的研究成果。他们发现陨石中水的D/H比值与地球上水的D/H比值相匹配。这个发现意味着不管是什么将水递送到灶神星上，它也同样将水带到了地球上，而且这些水必须在灶神星的形成结束之前就已经到达。

这个发现将水到达的时间又向前推进了很多，可能早在太阳系开始的八百万年后水就被带到了内部。尼尔森说，这是目前太阳系历史中有关水存储的最古老的日期。这些发现说明，刚好在木星和土星来回徘徊、投掷小行星之后，水就被带到太阳系内部。

确定水是何时通过什么方式被带到地球上的不只是为了了解我们的星球是如何建立的。“如果必须存在某种形式的外部传递机制，将水带到类地行星上，”亚历山大说，“那么建立一个适合居住的星球将会变得更加困难。”在其他恒星周围存在的岩质行星将会面临地球所面临的同样的问题。这些处于宜居带的行星，尽管其表面可以支持液态水的存在，但是它们形成于干燥的环境中，需要从很远的地方获取冰。地球是因为有木星和土星做邻居才变得如此幸运呢，还是有其他方式将水移至它的周围呢？

仅仅因为地球是通过一种途径形成的并不能意味着所有适合居住的行星都必须遵循相同的方式。“我将会小心谨慎”，尼尔森在讨论到气态巨行星是将水带到岩质行星的唯一的方式时，如是说。

事实上，气态巨行星甚至可能会是一个障碍。雷蒙德说：“木星和土星只会把事情搞砸。”它们的引力足够强，倾向于将小行星和彗星踢出太阳系。他指出，如果木星和土星不存在，那么地球的引力应该已经从小行星带的外边缘偷取10倍同样多的水。在没有气态巨行星的情况下，随着行星从太阳系的不同部分拉拽碎片，水的递送可以自然地发生。最近开普勒太空望远镜的观测表明在其他恒星周围，木星大小的行星是相对罕见的。或许大多数适合居住的行星确实自己就可以做得很好。

如果是这种情况的话，那么在银河系中可能充满着海洋世界，等着我们来发现。“在我看来，”雷蒙德说，“像地球一样存在水的行星是不少的。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Vesta：JPL-Caltech/NASA，UCLA，MPS，DLR，IDA；67P：NAVCAM/Rosetta/ESA（CC BY-SA IGO 3.0）

储存于来自小行星灶神星（左）的陨石中的水与地球上海洋的组成接近。一般而言，如67P（右）这样的彗星的氘氢比值太大，不能作为地球上原初水的来源。

月球上的水具有地球上水的特征

氘/氢的比例表明了一个共同的水源。

安德鲁·格兰特

深陷于月球内部的水很明显的与地球上的水来源相同。新的研究表明，在45亿年前，当一场灾难性的碰撞发生后，月球就在这个灾难发生后形成，并且就在此时月球从地球上得到了一个良好的供水补给。

发表在2013年5月9日出版的《科学》杂志上的最新研究中，布朗大学的地球化学家阿尔贝托·萨尔和他的团队分析了阿波罗宇航员在20世纪70年代从月球上带回来的两块石头。这两块石头可能是由掩埋的岩浆所形成的。这个被掩埋的岩浆也许是在年轻时的月球上发生了一次火山爆发而喷射到表面的。

团队还测量了氢以及比氢多一个中子的氘的浓度。这两种同位素的比例反映出水的来源。在太阳系外形成的彗星所含水的氘/氢比例要比陆地上的水的氘/氢比例高。

阿波罗样本的氘氢比与地球上以及陨石中的水的氘氢比极其相似，这表明地球和月球上的水都源于几十亿年前相同陨石相撞而成。“地球上的水源与月球上的一致。”萨尔说。

并不是所有人都赞成这一观点。法国里昂高等师范学校的地球化学家弗朗西斯·阿尔巴雷德指出萨尔所选的研究样本要比其他阿波罗样本所含有的水和易挥发分子要多得多。他继续说道，这样就没有办法去证明这些样本代表了早期月球的组成情况。

“这些石头样本属于非代表性样本，”阿尔巴雷德说，“我不认为它们能代表月球的内部状况，所以我也不认为我们能对月球上的水的含量发表任何见解。”

首次发现地球大小的行星

开普勒望远镜首次发现两颗地球大小的行星。

纳迪亚·德雷克

2012年1月，行星搜寻者开普勒望远镜发现了两颗地球大小的岩质行星。这两颗行星共同围绕着一颗距离我们950光年的类太阳恒星开普勒-20绕转。

在这之前，开普勒团队还发现了一颗绕类太阳恒星转动的比地球稍大些的行星。它们之间的距离刚好适宜生命生存。虽然新发现的这两颗行星太靠近恒星并不适于生命生存，但作为开普勒团队首次确定的地球大小的天体，这是一个很大的进展。开普勒团队的终极目标就是找到适合居住的遥远世界——离恒星的距离刚好允许液态水存在的地球大小的行星。

哈佛-史密松天体物理中心的天文学家戴维·沙博诺说：“这项搜寻任务将发现一颗同时满足这两个条件的行星——一个真正的地球的孪生体。”戴维·沙博诺同时也是一个描述小型行星的研究项目的合作者，该项研究于2011年12月20日发表在《自然》杂志上。

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首次发现的两颗地球大小的系外行星，开普勒-20e比金星（20e）稍微小一些，开普勒-20f比地球（20f）稍微大一些。

行星开普勒-20e，比金星稍微小一些，是地球大小的0.87倍，轨道周期为6.1天。另一颗行星，开普勒-20f，它的大小是地球的1.03倍，地球上一年的时间相当于这颗行星上的19.6天。因为这两颗行星很小，所以它们的组成成分可能与地球的相似。

根据它们的诞生位置以及形成方式，开普勒-20f曾经可能有过一层水蒸气大气层，加州大学圣克鲁兹分校的行星科学家乔纳森·福特尼如是说。“如果一开始这颗行星上的水跟地球和金星上的量差不多，那么它上面的水可能同金星上的一样早就荡然无存了，但是如果这颗行星有更多的水，那么它可能还有一些残余。”

开普勒-20恒星系统是由三颗巨行星（开普勒-20b，c，和d）和两颗地球大小的行星组成的，它们与恒星的距离都比水星到太阳的距离更近。这五颗行星大小不一，两颗地球大小的行星分别夹在三颗巨行星中间，从里往外分别是开普勒-20b，开普勒-20e，开普勒-20c，开普勒-20f，开普勒-20d。

“这是我们观测到的最令人震惊的系统结构之一，”沙博诺说，“系外行星给我们带来了很多惊喜，但是也都很难解释清楚。”

开普勒找到了715个新的世界

新方法可以快速确认系外行星。

克里斯托弗·克罗克特

银河系变得更加拥挤了。天文学家使用开普勒太空望远镜的数据确认了环绕着305颗恒星的715颗行星的存在，将已知行星的总数增加至1700左右。这是有史以来宣布的所确认行星的最大数量。

美国航天局艾姆斯研究中心的行星科学家杰克·利索尔说：“我们已经找到了主矿脉。这是一个系外行星的富矿带。”

新发现的行星大多都很小，94％都没有海王星大。它们与姊妹行星一起环绕着它们的恒星运动，轨道紧凑、呈圆形，且都在同一个平面上。这项新发现使确认的地球大小的行星数目增加了4倍。

这种行星排列“使我们想起了我们自己的家，”地外文明探索协会（SETI）的天文学家詹森·罗说，“我们正在看着缩小版的太阳系。”

这次确认的数量使开普勒自2009年发射以来确认的行星数量增加了一倍以上。开普勒通过寻找行星周期性在它的恒星前面穿过时造成的星光变暗现象（凌日现象）来搜寻行星。然而，凌日行星不是造成恒星星光闪烁的唯一原因。最常见的星光变暗是由于一对“食双星”（一对互相绕转的恒星，其中一个偶尔会挡住另一个的光线）偶然处于一条直线上。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Graph：W. Stenzel/NASA Ames，Adapted by M. Atarod. Planets：Lunar and Planetary Institute

开普勒太空望远镜新确认的行星（橙色）大大增加了已知位于太阳系之外的行星的总数量。这些新发现的世界中的大多数都比海王星小，然而大多数之前已知的行星（蓝色）则与木星大小相当，或者更大。

该研究团队使用了一种新方法来排除这些伪信息，可以快速确认一群行星候选体。项目科学家认为，在一颗单独的恒星周围探测到的几次信号不大可能是伪信号。“这个结果非常令人兴奋。”华盛顿大学的天文学家罗里·巴尔内斯说。该团队的推理是基于可靠的数学运算，他补充道。

开普勒的科学家计算出，食双星不太可能导致一颗恒星的多次星光变暗现象。尽管一对食双星有这种现象是可能的，但是两对就不太可能了，三对或四对几乎是不可能的。因为比起根据双星的随机对齐情况预期的，天文学家看到了更多似乎拥有多颗行星的恒星，几乎所有的系统都肯定是另一个真实的太阳系，研究人员解释道。科学家在发表于2014年3月20日出版的《天体物理学杂志》上的两篇文章中描述了他们的确认技术及发现。

在这之前，一个团队需要花费几个月的时间来用地面望远镜确认每一颗行星。超过3600个开普勒已确认的候选体需要用地面望远镜来确认，这是多么惊人的工作量。现在，天文学家可以成批确认系外行星系统了。“计算一下，”华盛顿大学的另一名天文学家萨拉·巴拉德说，“这就像是行星确认的‘Costco’（美国科斯科连锁企业）。”

开普勒团队的下一步工作是仔细研究剩余的数据。从确认的候选体中脱颖而出的715颗行星只是来自开普勒最初两年的观测数据。但是在2013年5月，开普勒四个反作用轮中的第二个轮子坏了之前，它还额外观测了两年。该任务的科学家相信，这种技术将会发现几百个更多的系外行星。

与此同时，天文学家现在有额外的300个太阳系需要仔细考虑。这些系统的紧密度，以及小型行星的普遍性，都很令人惊讶。理论学家将忙碌于弄清楚为什么这些行星的大小在达到地球或者海王星的之后就停止增长了，以及所有这些世界最终会如何排列分布在靠近它们恒星的地方。开普勒对那些轨道紧密的行星更敏感，所以确定这种类型的排列是否是一种常态还为时尚早。

之前发现的系外行星往往比新发现的这些大，这明确表明银河系中分布着十分多样化的行星系统。

重生的开普勒发现了系外行星

克里斯托弗·克罗克特

自2013年夏天由于用于稳定自身的一部分零件损坏而被停工的开普勒太空望远镜，在获得新生后已经捕获了它的首个被确认的行星。这颗行星，叫作HIP 11645b，位于180光年远的双鱼座中。开普勒通过HIP 11645b在望远镜和它的恒星之间经过时引起的星光短暂变暗现象发现了这颗行星。它的直径约为地球的2.5倍。意大利望远镜伽利略对其进行的后续观测给出了这颗行星的质量：约为地球质量的12倍。HIP 11645b可能是一个有水的世界，或者是一个迷你版的海王星。这一发现是K2任务即开普勒重获新生后的首个发现。在失去两个反作用轮的平衡作用后，开普勒再也无法保持足够的稳定来凝视恒星和探测行星了。工程师提出将开普勒的太阳能屋顶指向太阳，通过来自阳光的压力平衡来稳定宇宙飞船。2014年2月，科学家在测试这个计划是否可行时发现了HIP 116454b。

开普勒找到了554颗可能的行星

数据增加了八个可能能够拥有生命的世界。

克里斯托弗·克罗克特

2015年1月6日天文学家宣布，开普勒太空望远镜已经又为持续增长的太阳系之外行星世界的列表增加了554个行星候选体。此外，开普勒的研究人员已经确认了另外八个有潜力拥有液态水的世界。

开普勒发现的行星候选体的总数已经增至4157，其中包括超过800个地球大小的行星。在这些遥远的世界里，有一些可能与我们居住的家园没有特别不同。

“这些是到目前为止与我们的地球-太阳系统最类似的系统。”美国航天局艾姆斯研究中心的天文学家弗加尔·马拉利说。其中一个这样的候选体，它的宽度约为地球的1.3倍，轨道周期刚好一年，所环绕的恒星的温度与太阳类似。而且这颗行星处于宜居带，在它表面上的水可以以液态形式存在。

研究人员在分析开普勒最后一年的数据时发现了新的候选体。从2009年到2013年，这个行星猎人凝视着天鹅座和天琴座中的15万颗恒星，寻找行星在它的恒星前面经过时留下的身影。直到现在，开普勒主要找到了一些轨道相对较短的行星。因为它们在各自的恒星前面经过的频率更高，所以我们有足够多的机会来确定可能的候选体。有了额外一年的数据，研究人员最终可以建立一个在类太阳恒星周围处于宜居带的地球大小的行星的令人信服的样本。

马拉利很谨慎。他认为科学家仍需要验证所有可能的行星是否真的是行星。开普勒通过行星在它的恒星和望远镜之间经过时造成的星光周期性下降的现象来探测行星。但是伴星或者其他的现象也可以模仿这样的信号。理想情况下，天文学家会使用地面望远镜通过寻找由行星的引力引起的其母恒星的微小的晃动，来确认这些探测。但是这些世界中的很多都太小，而且离它们的恒星太远，不会对其恒星造成可以探测到的晃动。而研究人员将不得不计算出每个探测是一个真正的世界的可能性。

研究人员将这样的计算运用到了前三年的数据上，而且已经证实了八个之前的候选行星可能处于恒星的宜居带中。这使得确认的潜在适合居住的世界的数目增至13。这八颗行星中的两颗是岩质行星，比地球稍大一些。它们都围绕着一颗比太阳温度低很多的冷星运动。

“开普勒做得很出色。”宾夕法尼亚州利哈伊大学的天文学家约书亚·佩珀说。开普勒不只是发现了地球大小的、可能适合居住的行星，他说，它还向大家展示了各种各样的行星系统。了解什么类型的恒星会拥有行星以及那些行星是如何分布的，将会帮助未来的任务选择去哪里寻找更多的行星。

大的岩质行星擅长建造海洋

克里斯托弗·克罗克特

星系中最好的“海滨不动产”可能在一颗2～4倍地球质量的行星上。数十亿年来，在这样的超级地球上，海洋稳步增长；反之，在质量较小的行星上，海洋枯竭速度则相对较快。研究人员在2015年1月5号报道了这一研究成果。

哈佛-史密松天体物理中心的劳拉·谢弗利用计算机模拟研究了一颗行星的质量对它的水循环有何影响。质量较小的行星建造海洋很迅速，但是却不能维持它的水循环。根据板块构造论，质量较小的行星之上的水会被引进地幔和火山中，被蒸发后返回大气。一颗这样的行星之上的水最终会被困在地幔中。然而，在超级地球内部，高压会保持水循环运行至少100亿年。

寻找另一个地球

被推荐的望远镜可能会找到存在生命的行星。

克里斯托弗·克罗克特

1990年当旅行者1号从海王星之外的区域向后旋转朝向地球时，它捕捉到了一个被列为最著名太空图片之一的画面：暗淡蓝点。图像中地球看起来就像一个孤独的光点。天文学家现在在设计新一代的望远镜，希望拍摄到另一个淡蓝色的点——围着一颗遥远恒星绕转的一颗行星的照片。

2014年6月4日，科学家提出制造可以同时拍摄到潜在适合居住行星的图片以及测量到它们大气的化学组成的航天器。为了做到这一点，科学家需要阻止来自遥远恒星的光。科学家提出的设计提供了两种截然不同的方案：一种在望远镜旁边有着一个巨大的遮蔽物，另一个在望远镜内部装有变形镜。

美国航天局的开普勒太空望远镜已经表明，小的岩质行星很常见。但是开普勒的数据无法从粗糙的，更像金星、火星或者没有想到过的什么的天体中分辨出类地行星。通过分析系外行星的化学，推荐的新一代望远镜可能能够进行区分。如果外星生命与地球上的生命类似，那么它将会在大气中留有化学痕迹——像氧气和甲烷。

拍摄一颗系外行星的照片是极其困难的。从地球就能看出，一颗行星拥抱着其母星。恒星的光度比任何行星都要亮约十亿倍，这就增加了挑战性。任何在看向太阳时曾试图看到某些东西的人都知道应该做什么：将太阳锁定在你手中。事实证明这一策略可能也可以用于寻找系外行星。

麻省理工学院的天体物理学家塞拉·赛格提出了一个关于望远镜的设计，被称为Exo-S，即为一个简单的太空望远镜搭配一个星翳。这个遮蔽物为一个34米宽的花形盘，漂浮在望远镜附近数万千米远处。这个星翳不同寻常的构造——28个花瓣，每个7米长，伸展在太空中——最大限度地减少泄漏到望远镜中的星光。

赛格说，这个设计的一大优势是它不需要一个大型的、复杂的望远镜。没有星翳的话，望远镜则需一面大镜子来捕捉行星所发出的昏暗的光，以及看到蜷缩在恒星附近的天体。她说，有了这个星翳，原则上望远镜的直径可以仅有1厘米。实际上，Exo-S需要一个直径近一米宽的望远镜，但这仍不到哈勃太空望远镜直径的一半。

另一个不同的提案，被叫作Exo-C，是要求在太空望远镜中放置一个小的遮光盘——日晷仪。望远镜本身则需要一个比Exo-S更复杂的设计。为了精确引导分散的星光，Exo-C将依赖于自适应光学，放置在望远镜中的镜子会根据需求改变形状。

“令人惊讶的是，现有的变形镜技术可以做到这些。”美国航天局戈达徳太空飞行中心的天体物理学家卡尔·斯塔佩尔费尔特（Karl Stapelfeld）如是说。从另一个更亮十亿倍的光点处区分出一个光点的能力已经在实验室中被证实过了，他说。

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“星翳”伴随着行星搜寻望远镜，如图所示，将会阻止星光，使得望远镜探索绕遥远恒星运动的行星变得更简单。

但是一个关于亮点简单的照片并不能帮助天文学家辨认出适合居住的世界。为了搜寻一个真正的地球的孪生兄弟，这两款设计都包括一个分光仪，这种装置可以将一颗系外行星反射的光分裂成不同颜色，其中便记录着这颗系外行星大气中的化学混合物的信息。

“这两种设计都是很酷的概念。”另一个麻省理工学院的天体物理学家Nikole Lewis表示，并且还补充道，这两种概念都各有利弊。Exo-C的日冕仪类似于一些地面行星搜寻望远镜中已经使用过的装置。Exo-C通过再聚焦于一颗潜在拥有行星的恒星也可以很快对地面望远镜的发现做出响应。

相比之下，Exo-S则因移动望远镜以及与其连接在一起的星翳时会比较困难，故而需要几天或者几个星期的时间来将它的视野从一颗恒星转向另一颗。然而，与日晷仪设计相比，Exo-S可能可以看到更靠近其恒星的、更暗弱的行星。尽管这种星翳技术还不成熟，但是路易斯说：“它有着一个看到淡蓝色的点的更好的机会。”

这些设计的开发是对作为2013年美国航天局为了创新的系外行星任务所提出的请求的回应。这些系外行星任务以不同类型的恒星和行星为目标，预计花费不到10亿美元就可以完成。这两个设计中任一项目都将补足一些美国航天局已经支持的、处于早期阶段的系外行星项目。在未来十年左右的时间里，至少有三架望远镜会将系外行星包含在自己的任务中。然而只有一个——掩星系外行星巡天卫星——是专门为行星搜寻设计的。

天文学家仍在对这些相互竞争的构想进行更细节的设计；最终报告将于2015年1月得到。不管哪个构想被选中，美国航天局希望在2017年开始设计项目，并在2024年左右发射升空。如果任何一个计划成功的话，那么人类将会在下一个十年结束之前首次直接看到一个孪生地球。

处于适当位置的行星能孕育生命

新确认的分类中的第一颗可能的行星。

纳迪亚·德雷克

一颗潜在的宜居行星正在围绕着50光年外的恒星格利泽163运动。该行星比地球大，质量大约是地球的七倍，位于该恒星宜居带的内边缘。2012年8月30日，法国格勒诺布尔天文台的蒂埃里·福韦耶报告了关于这颗行星的研究结果。根据它的构成和大气的绝热方式，该行星也许能够支持生命存在。

“我会说那是颗宜居行星。”芝加哥大学的雷蒙德·皮埃安贝尔说。它不太可能经历过任何一种会把它加热到超过宜居点的失控温室效应。

福韦耶和他的同事使用智利的望远镜通过寻找宿主恒星的摆动现象发现了这颗行星。天文学家计算得出，这颗被称为格利泽163c的行星所接收到的能量比地球从太阳接收到的能量多出了30％到40％。因其半径未知，所以该行星的组成成分还不清楚，但科学家推测它是由水和岩石混合构成的。

格利泽163是一颗比太阳小且暗的M型矮星，至少有两颗行星。最内侧的行星被称为格利泽163b，其质量为地球质量的11倍，它公转一圈只需要8.6天；下一颗稍外层的行星是格利泽163c，其质量为地球质量的7倍，轨道周期为25.6天。而且，在更远的地方还有一颗潜在的行星，其质量约为地球质量的20倍，轨道周期为699天。

天文学家认为，在M型矮星周围搜寻宜居行星可以作为寻找类地行星的捷径，“在M型矮星的宜居带内找到地球大小的行星更容易。”哈佛—史密松天体物理中心的考特尼·德雷辛说。

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格利泽163c（左侧示意图；右侧伪色图），处于一颗50光年外恒星的宜居带内。

生命可能喜欢冷星附近的岩质行星

大气加热可能会逃脱潮汐锁定，有助于可居性。

克里斯托弗·克罗克特

相比我们之前认为的，宇宙中可能有更多类似于地球的环境。温暖的岩质行星，靠近它们的恒星绕轨道运动。像我们认为的那样，它不会有一边处于永恒的白昼，使其可以维持一个适合生命生存的环境。

研究人员首次发现恒星的引力对行星稀薄的大气层“温柔”地拖拽可以使行星保持自旋，即使是在其他力将要使它慢下来的时候。长期以来，行星科学家一直怀疑这个过程使金星保持缓慢转动。同样地，这个机制应该也可以作用于一颗不具有像金星那样那么大质量的大气的行星。2015年1月15日，多伦多大学的天体物理学家热雷米·勒孔特和他的同事将这一研究结果发表在在线版《科学》杂志上。

星系中大多数恒星都是M型矮星，一种红色的恒星，比太阳稍小稍暗些。因为这些恒星相对较冷些，所以它们的宜居带，即恒星周围水可以以液态形式存在于行星表面上的一个区域，很窄。行星不得不“蜷缩”在恒星附近来保持温暖。对于靠恒星这么近的行星，恒星的引力会减缓它们的自旋，所以行星的一面总是会面向着恒星。这种现象被称为潮汐锁定。一颗被锁定了的行星上的气候对生命来说可能太严酷了。白昼侧温暖会吹起猛烈的大风；而阴面的所有水则可能都会冻结成冰。

勒孔特和他的同事利用计算机模拟来确定一颗行星的大气中的热量可能会阻止潮汐锁定现象。行星赤道上的热量驱动了风，将空气吹向阴面。当恒星“拖拽”行星的大气时，这种拖拽作用对质量偏重的一侧影响更大，这将逐渐导致行星自转加快。研究人员发现，如果地球离太阳距离像金星一样，那么这些微妙的推动将会使我们的一天变得越来越短。“这给人的印象相当深刻，”勒孔特说，“大气…可以使整个行星的自旋加快。”

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在寒冷的红色恒星附近的小的岩质行星（如图所示）可能比之前认为的更适合生命居住。

位于地球到太阳的实际距离处，这些大气因素的影响可以忽略不计。但是在一颗M型矮星的宜居带区域的一个地球大小的世界上，恒星的引力对行星大气的“无情地拖拽”足以保持行星的自旋。

这些结果应该会刺激很多研究，芝加哥大学的行星科学家埃德温·凯特表示。“这是合理的，虽然没有被证实，”凯特说，“大多数处于宜居带的行星围绕着一颗M型矮星转动。”因为在太阳附近，M型矮星远远多于其他恒星，所以它们附近的行星更有可能成为最近的适合居住的行星。计划于2018年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜，应该可以探测到M型矮星周围的岩质行星的大气，以及检验关于它们的宜居性的理论。

系外行星大气中的氧未必是生命的标志

水和紫外光可以产生气体。

克里斯托弗·克罗克特

外星生命的首个迹象可能不会来自一艘降落在某行星表面的宇宙飞船或者外太空的无线电传输。它最可能被记录在一颗遥远行星的大气层的化学中。在地球上，氧显露了生命存在的迹象。但是在一颗系外行星的大气中的氧未必象征外星生命的存在。两名研究人员认为，一颗沐浴在其恒星的紫外线中、拥有海洋的行星可以伪装成一个存在生命的世界。

地球上的氧气是由光合作用产生的。但是芝加哥大学的地球物理学家罗宾·沃兹沃思和雷蒙德·皮埃安贝尔怀疑还有另外一种方式可以使一颗岩质行星拥有大量的氧气。他们考虑了一种看似简单的情况：一颗缺乏其他某种气体的行星，例如氮。地球上的氮所担任的角色之一是帮助在大气层中形成一个被叫作“冷阱”的低温层，使水不能通过。在一颗没有氮气的行星上，沃兹沃思说，水会漂移到一个高度，在那里行星的大气层不能再保护它免受其恒星的紫外线辐射的影响。紫外线会将水分子分解成氢和氧，其中的氢会逃到太空，而氧则会留下。

沃兹沃思和皮埃安贝尔认为，最终足够的氧气可以建立一种不同类型的冷阱，稳固并且维持这样一个氧气大气层长达几十亿年。没有这个冷阱的话，氧气最终会跟随氢进入太空或者被岩石吸收。

“它们的做法很聪明。”康奈尔大学的天文学家乔纳森·路宁说。直到现在，天体生物学家一直都认为只有在类似于金星这样的行星上的水才是一种潜在的氧源。在这种行星上，失控的温室效应会使温度螺旋上升，越来越高，最终将海水煮沸。很久之前，高温就已经打破了金星的冷阱，导致其失去了它所含的水，并且使氢跑到太空中。如果天文学家在数十亿年前将望远镜指向我们所说的方向，那么他们将会在金星的大气层中短暂探测到氧气，但是这并不是生命的迹象。“这实际上是一颗垂死的行星发出的信号。”路宁说。

沃兹沃思的工作将之前关于在类似于金星的世界上的水的毁灭的想法，延伸到了任何处于恒星宜居带（恒星周围的一定区域，在这个区域内水可以以液态形式存在）的岩质行星。

哈佛-史密松天体物理中心的天文学家丽萨·卡尔特内格说，大多数科学家并不认为单单是氧气就足以断言生命的存在。天体生物学家会从大局考虑：行星的轨道，其组成成分以及氧气连同其他由生命产生的气体（例如甲烷等）的存在。

路宁补充道，沃兹沃思和皮埃安贝尔给出的图景中存在一个问题：一颗没有氮气的行星是如何存在的。虽然地球上氮气的起源是一个谜，但是它可能是由小行星和彗星传递到地球上的。科学家认为，其他恒星系统应该也是类似的过程。“但是宇宙依然一直在给我们带来惊喜。”他说。

目前的望远镜没有关于测试这些想法的任务。从一颗系外行星的大气中读出化学信息只可能在环绕着附近恒星运动的类似于木星这样的巨行星上实现。但是即将发射的望远镜，包括计划于2017年发射的凌日系外行星勘测卫星和2018年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜，可以让天文学家敲敲一颗孪生地球的门，看看是否有人在家。

系外行星地球二号位于宜居带中

大小、位置使地球二号有希望承载生命。

纳迪亚·德雷克

很多科学家一直致力于搜寻另一个地球，试图找到另一个适合人类居住的天体。他们找到了一个很有希望的候选体：一颗质量至少为4.5倍地球质量的系外行星，而且它处于宜居带中，它与母恒星之间的轨道距离使得在它之上可以有液态水的存在。

这颗行星叫作GJ 667Cc。它属于一个三星系统，围绕着其中的一个成员绕转。这个三星系统位于天蝎座弯曲的尾巴的附近，距离我们22光年。

与最近的其他有趣发现不同，这颗行星同时满足所在区域处于宜居带以及尺寸大小刚好适合生命居住的这两个条件。但是科学家们警告，这并不意味着GJ 667Cc就是适宜人类居住的。

“它无疑是最佳的候选体，”波多黎各大学的天文学家阿贝尔·门德斯说，“如果它是岩质的，那么我们将更加相信这是一个真正适合居住的星球。”

这颗行星是一个国际小组在高精度径向速度法行星搜寻器（HARPS）的数据中发现的。这是瑞士领导的一个项目，监控恒星因绕其运行的行星的引力而产生的前后晃动的现象。根据恒星的摆动情况，科学家可以测量绕其运行的行星的质量。但是行星的半径、密度以及组成成分就不得而知了。

天文学家都在争论是谁真正发现了GJ 667Cc。最新的消息是来自一个提出了一种处理HARPS数据的新方法的团队。德国哥廷根大学的吉扬·安格拉达-埃斯屈德和他的同事发现了围绕着恒星GJ 667C运行的三颗行星的信号。这一发现刊登在《天体物理学杂志快报》上。

离恒星最近的那颗行星，同样也是一颗超级地球，轨道周期是7.2天。第二颗行星，也就是我们感兴趣的那一颗，稍微“懒惰”一点，轨道周期是28.15天。第三个信号可能是一颗轨道周期为75天的行星，但是也可能只是恒星活动性的一个假象。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Habitable Exoplanets Catalog PHL/UPR Arecibo

这张图显示了每颗行星分别对应的最佳宜居带，以地球所处的位置为单位。GJ 667Cc（#2）在地球相似指数列表中获得了高分（指数值如上图所示）。

系外行星开普勒-186f

在恒星宜居带中发现的最小的外星世界。

克里斯托弗·克罗克特

地球，见见你的远房表亲。开普勒太空望远镜已经发现了一个可能载有水的、近乎地球大小的世界。这颗系外行星是目前在恒星的宜居带（环绕着一颗恒星的温带区，适合液态水的存在）中发现的最小的一颗行星。

这颗行星叫作开普勒-186f，比地球大10％左右。它围着一颗叫作开普勒-186的M型矮星（一种比太阳更小更冷更暗弱的红星）绕转，轨道周期为130天，比水星轨道略小。美国航天局艾姆斯研究中心的天文学家埃莉莎·昆塔纳和她的同事在2014年4月18日出版的《科学》杂志上报告了关于这颗行星的信息。

这颗恒星位于490光年远处的天鹅座中。除了开普勒-186f，它还拥有另外四颗大约地球大小的行星。开普勒之前的数据显示，另外这几颗行星离它们的恒星都太近了，轨道周期只有3.9天左右。这几颗行星都是通过“凌日”现象被发现的，当行星在开普勒-186正前方经过时，开普勒-186的星光会略微变暗。

“M型矮星现在成为了所有人的宠儿。”地外文明探索协会研究中心的前主任，吉尔·塔特如是说。潜在适合居住的行星更容易在M型恒星周围发现，因为宜居带离这些冷的恒星相对较近。而离恒星较近的行星比起遥远的那些行星在它们的恒星正前方经过的机会更多。

M型恒星也是银河系中最常见的恒星，占已知恒星总数的四分之三左右。“如果我们发现在M型恒星宜居带周围的地球大小的行星很常见，”该研究的另一个合作者，同样也来自美国航天局艾姆斯研究中心的天文学家托马斯·巴克利说，“那么这就意味着在整个银河系中，处于宜居带的地球大小的行星很常见。”

但是，他补充道：“只是因为它们处于宜居带，并不意味着它们适合居住。”因为行星环绕着一颗遥远暗弱的恒星，所以后续的观测将会很困难。如果没有检测行星的大气层，或者甚至不知道它是否有大气层，研究人员不能确定在其表面是否有液态水的存在。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA Ames，SETI Institute，JPL-Caltech

开普勒-186f，如这幅艺术图像中所示，一颗大约地球大小的行星在它的恒星的宜居带（绿色区域）中做轨道运动。因为恒星开普勒-186比太阳更冷更暗弱，所以他的宜居带比太阳系中的更紧密。

即使行星上有液态水，它可能也不适合生命生存。一些M型恒星容易爆发强烈的耀斑，辐射出紫外线和X射线。而且在一颗M型恒星的宜居带中运行的行星可能离恒星太近，以至于行星的一面会永远朝向它的恒星，进而产生极端气候。但是开普勒-186f有一些优势，巴克利说。它的恒星是一颗相对安静的M型恒星，而且它离恒星足够远，可以逃脱耀斑的冲击。同时，它与母恒星之间较远的距离也使得行星可以自转，这将有助于热量循环。

尽管耀斑可能会消灭生命或者剥掉行星的大气层，但是实际上，M型恒星周围波动的环境也可以提供一些好处。“改变可能是灾难性的。”全球科学研究所的天体生物学家玛格丽特·特恩布尔说，但是它也可以是“生命的催化剂。”例如，地球与小行星的灾难性的碰撞，不仅引发了大规模的灭绝，但也开启了生命蓬勃发展的新纪元。

如果开普勒-186f上有生命存在，那么它将生活在一个与地球完全不同的环境中。M型矮星主要向外辐射出红光和红外线。而在地球上，植物会吸收较高能波段的光进行光合作用。但是也有一些蓝藻会吸收比可见光略红的光进行光合作用。

虽然对开普勒发现的这些遥远行星的进一步观测很艰难，但是开普勒的数据将会帮助工程师设计下一代的望远镜，并且知道应该将它们指向哪里。凌日系外行星巡天测量卫星，计划于2017年发射，将寻找M型恒星周围与地球最接近的行星。詹姆斯韦伯太空望远镜将于2018年发射，它将会检测这些行星的大气层。特恩布尔说：“要说我们没有被这些拥有行星的恒星包围着，是没有根据的。”

超级地球位于“最好的位置”

距离地球只有42光年远的适宜居住的行星候选体。

塔尼娅·刘易斯

天文学家四处寻找潜在可居住的行星，他们发现了一个新的候选体：邻近一个太阳系中的一颗质量至少为地球质量七倍的行星。

这颗行星绕转的恒星位于画架座中，距离地球约42光年远。这颗恒星，HD 40307，被认为只有三颗行星，但灵敏的数据过滤方法认为还有三颗更多的行星。这些行星中最远的一颗位于最合适的位置，在那里液态水和生命可能会存在于其上。

“如果得到证实，我认为这将是一个重大的发现，因为我们没有很多这样的行星的例子。”瑞士日内瓦大学的天文学家克里斯托弗·洛维斯说。

如果这个最外层的行星存在的话，那么这颗行星距离其恒星约9000万千米，这样的距离使其温度在能够维持生命存在的范围内。更妙的是，它没有被潮汐力锁定，即不会总是呈现出一个面朝向它的恒星，而其他可能适合居住的行星则离它们的恒星太近了。因此，这颗新发现的行星应该有白天和黑夜的循环，休·琼斯说。他在2013年发表于《天文学和天体物理学》杂志上的一篇文章中报告了关于HD 40307行星的研究结果。

他和他的同事通过仔细研究天文学家用欧洲南方天文台拉西亚望远镜上的高精度径向速度行星搜索器（HARPS）收集到的数据发现了这些行星。HD 40307所发出的光的变化表明这颗恒星正在被其行星的引力拉扯着。

“有了这项技术，我们能够更深入地挖掘数据，检测更微弱的信号。”来自赫特福德郡大学的琼斯说。在其他天文学家确认之前，新发现的行星依然是一个候选体。

测量系外行星质量的新方法

新方法也许会帮助查明可能适合居住的世界。

安德鲁·格兰特

通过研究63年前穿过一颗遥远行星的大气的光，研究人员确定了该行星的质量。这种测量质量的新技术使研究人员可以识别出环绕着其他恒星的行星中可以供养生命的行星。

为了确定一个有可能存在生命、真正类似地球的系外行星，天文学家需要确认三个特征：一层包含如氧分子和水分子等维持生命的分子的大气，再加上类似于地球的大小和质量。现在唯一一个容易测量的特征是大小：望远镜通过测量行星在它的恒星前方穿过时留下的阴影，为我们提供了很好的估计值。

很快，对系外行星大气进行精细的观测将成为可能。美国航天局的詹姆斯韦伯太空望远镜将于2018年发射，届时天文学家将可以用它分析穿过行星大气的星光，即透射光谱。这种光谱可以揭示行星大气中所含的分子的种类。

但是一颗大气中含有水分子且地球大小的行星也可能是由气体组成的。这就是为什么天文学家需要知道行星的质量来确定它的组成的原因。天文学家可以使用径向速度法来测其质量。这种方法是测量行星对其恒星的引力拖拽作用，但是主要应用于距离恒星较近的大型行星。然而行星距离恒星太近的话，并不适合生命居住。

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根据一种新的测量技术，蓝色的气态巨行星HD 189733b，如图所示，其质量为木星质量的1.15倍。这种测量技术会帮助天文学家找到适合生命居住的行星。

麻省理工学院的天文学家朱利安·德维特并没有测量系外行星的质量，他感兴趣的是它们的大气。但是他和麻省理工学院的同事萨拉·西格尔意识到行星的大气和质量是联系在一起的：对于相同大小的行星来说，质量更大的那些将因其更强大的引力而拥有较薄的大气层。而且，较重的分子倾向于向表面下沉，这也会使行星的大气层变薄。

研究人员在2013年12月20日出版的《科学》杂志中总结道，通过确定行星的大小和大气组成，他们可以计算出行星的质量。这项技术需要天文学家仔细分析用于描述行星大气层的透射光谱。西雅图华盛顿大学的天文学家罗里·巴尔内斯（并没有参与这项研究）说：“这就像是你可以免费做这个分析。”

为了测试这项技术，德维特和西格尔计算了HD 189733b的质量。HD 189733b是一颗极热的气态巨型行星，位于63光年远处的狐狸星座中。因为这颗行星很大，所以它的质量也用径向速度法进行过估计。最终这两种方法得到的结果几乎完全一致。

因为詹姆斯韦伯太空望远镜将能够测量遥远行星的透射光谱，所以研究人员应该也可以推导出行星的质量。这将使天文学家能够评估在广泛的一系列的世界中有生命生存的可能性，包括那些因太小太远而不能用径向速度法测量重量的行星。德维特说：“这可能是得到那些可能适合居住的行星的质量的唯一方法。”

巴尔内斯质疑这种方法测量某些行星的能力，特别是那些大气层被高的厚厚的云遮盖着的行星。但是这项技术仍然是无价的，他说。“显而易见，只要有机会可以测得行星质量，我们都想试一试。”

宜居行星的真实性有待商榷

恒星的地磁活动可能带来了伪信号。

安德鲁·格兰特

两颗被列在最有希望成为太阳系外存在生命的候选体名单中的行星其实并不是真实存在的，科学家在2014年7月3日出版的《科学》杂志上报告了该研究成果。嵌入在星光中的信号之前被认为归因于两颗行星，而新的观测结果则表明信号可能是恒星格利泽581中变化的磁场活动造成的。

虽然该研究不是关于这些诱人但有争议的世界的最终定论，但是科学家称，它加强了对来自那些由恒星上的斑点和耀斑生成的单独的行星信号进行细致分析的必要性。“这是一个关于将（微弱的）信号解释为行星的重要的警告，”日内瓦大学的天文学家斯特凡·乌德里说。

格利泽581位于约20光年远的天秤座中，是一个小而暗淡的恒星，与银河系中其他数百亿颗恒星相类似。然而，它因其假定的6颗行星中的两颗非常有趣而引起了天文学家的注意。发现于2007年的格利泽581d是报道的第一颗看起来适合生命生存的太阳系外行星。随后在2010年，格利泽581g上了头条，当时该行星的共同发现者、加州大学的史蒂文·沃格特表示：“这颗行星上存在生命的几率是100％。”

从那时起，很多争议便一直围绕着格利泽581的行星，特别是格利泽581g。尽管沃格特的团队坚持他们的说法，但是多个研究都未发现格利泽581g存在的证据。与此同时，一项研究质疑格利泽581d的存在。除了行星d、g，更远的一颗行星也被一项新的研究排除在外，格利泽581可能只拥有三颗行星，而且这三颗行星的温度都太高了，不能支持生命的存在。

宾夕法尼亚州立大学的天文学家保罗·罗伯逊决定分析这颗令人困惑的恒星。他利用搜寻行星的径向速度法分析了从以前的研究中得到的数据。行星微弱的引力拖拽会引起恒星自身运动时发生摆动现象，而根据摆动的方向，星光的颜色则会轻微改变。天文学家可以通过研究星光来测量这种摆动。罗伯逊专注于格利泽581表面的磁场活动的研究。这是一种类似于太阳黑子的现象。罗伯逊想确定这种现象是否可以模糊光线，使得天文学家测量到的摆动情况不准确，进而可能误以为探测到了行星。

与之前研究过这些数据的团队不同，罗伯逊和他的同事研究了作为格利泽581磁场活动的指示体的激发态氢原子发出的光。他们发现，在测量到的摆动幅度和恒星表面磁场活动之间有一个清晰的联系。当罗伯逊和他的团队将这个被认为是来自恒星表面的信号移走后，其中三颗行星存在的证据变得更强了。但是另外三颗存在的证据，包括581d和581g，却几乎完全消失了。

罗伯逊表示，该研究是确定行星d和g不存在的致命一击。发现581d的乌德里说，这一证据令人信服，但是还需要进一步的分析。沃格特和另一位发现581g的科学家对此没有做出回应。

加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格·劳克林对该研究持怀疑态度，他在格利泽581的争论中没有偏袒任何一方。他认为该研究只分析了这颗恒星上可得到的测量的一小部分。“10年来，这颗恒星一直‘抗拒’严密的分析，”他说，“我不相信，我们已经可以确定（行星）最终的位形。”

不过，天文学家仍然认为该研究凸显了找到其他地球的挑战性。在最新的望远镜设备的帮助下，径向速度的测量已经变得如此精确，天文学家需要协定严格的测试来从噪声中分离出信号。“如果你想要确信自己找到了一颗令人兴奋的行星，”罗伯逊说，“那么你必须进行这种类型的分析，来确保你没有被其恒星所欺骗。”

对于生命来说，伽马射线暴是坏消息

地球可能曾被摧毁过，导致了大量物种的灭绝。

安德鲁·格兰特

宇宙中致命的高能辐射喷流可能会缩短生命体的寿命。约90％的星系中都会爆发伽马射线暴。它足以使行星成为不毛之地，包括那些适合生存的理想的世界，发表在2014年12月5日出版的《物理评论快报》上的一篇文章中总结道。研究表明，地球本身就曾被摧毁过，进而可能导致大量物种的灭绝。

一些科学家认为，该研究没有合理解释生命的恢复力，特别是在海洋或者冰的保护之下的生命。尽管如此，这些发人深省的结论可能调和了最近对于围绕着遥远恒星的地球大小的行星上存在外星生命的前景过分乐观的情况。

伽马射线暴（GRB）是大质量恒星爆发或者某些成对的恒星碰撞时喷射出来的最强能量形式的电磁辐射喷流。美国航天局费米伽马射线太空望远镜每天大约可以探测到一个伽马射线暴。“因为它们太亮了，在整个宇宙各处你都可以看到它们，所以我们才会看到这么多。”美国航天局戈达徳太空飞行中心的天体物理学家尼尔·葛罗斯说。

伽马射线暴对生命的危害

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生命的可能性因为伽马射线暴在银河系中心附近发生更频繁，所以距离银心更远的行星上存在生命的可能性更大，科学家总结道。

大约20年前，计算机模拟显示，邻近一次爆发产生的伽马射线辐射的震击会破坏地球的臭氧层。随后，太阳的紫外辐射会危害地面生物的DNA，并且消灭世界上大部分浮游生物，而浮游生物是海洋食物链的基础。“这对于地球上的生物来说是一个潜在的重大打击。”美国堪萨斯大学的天体生物物理学家艾德里安·梅洛特说。

巴塞罗那大学的理论物理学家劳尔·希门尼斯和希伯来大学的理论物理学家茨维·皮兰筛选了最近关于在不同类型的星系中爆发频率的数据，并且重新评估了传送一个致命的打击所需的能量。“我们认为GRB无论如何没有任何影响。”希门尼斯说。

令他们吃惊的是，他和皮兰发现，几乎可以确定地球已经经历过一次致命的爆发。而且有一半的概率，在过去的5亿年内地球曾经历过一次致命的爆发，在这段时期里发生过五次大规模的物种灭绝。

然而地球所处的位置很有利，距离银心约28 000光年。GRB在银心发生的概率远远高于在外层发生的概率。如果地球到银心的距离减半，那么它将会变成一个不毛之地，研究人员总结道。“我们距离银心足够远，不能被完全消灭。”希门尼斯说，“但是要说GRB对我们完全没有影响，还远远不能这么说。”

超低温液态水打破了纪录

超速激光记录了-46℃的液滴。

安德鲁·格兰特

使用微型水枪和强力的激光，研究人员探测到温度在-46℃的微小水滴，这是迄今为止所发现的液相普通水所处的最低温度。

“这是一个世界纪录，而且很难想象会有温度比其更低的情况。”波士顿大学的物理学家尤金·斯坦利如是说。

科学家在2014年6月19日出版的《自然》杂志上报告，他们已经观测到了处于低温地区的液态水，在该地区，水不同寻常的特性将会变得更加离奇。通过研究如此寒冷的条件，研究人员希望理解在所有温度之下的水的“怪癖”。

水的一些奇怪的特性，包括其吸收热量的能力以及它的低压缩性，在温度非常低时会突变。科学家一直渴望探索在极端寒冷的情况下引发了这些变化的是什么。“如果你能理解在那种极端情况下的水的特性，那么你就完全了解它。”斯坦福直线加速器中心（SLAC）和国家加速器实验室成员、斯坦福大学的物理学家安德斯·尼尔森如是说。

虽然它通常会在0℃冻结，但是纯净水可以在温度远低于0℃时保持液态。这种“过冷的”水看起来就像是从水龙头中流出的水，但是它相对微妙得多：当它遇到一个异质表面时，例如一个尘埃颗粒、制冰格或者一个巡航飞机的窗户，它就会凝结。之前的实验已经发现了温度在-38℃的水，但没有更冷的，尽管科学家怀疑它可以维持到更低的温度。

为了使水一直处以低温状态以及免受污染，尼尔森和同事将约为红细胞大小的小水滴注射进一个真空容器。当每颗水滴运动时，它的一些分子会蒸发，释放出热量，导致液滴的温度下降高达10℃每毫秒。

研究人员使用了SLAC的X射线激光作为一个闪光照相机。激光发射出超短脉冲撞击到其中一些水滴，每个脉冲持续时间为10-16秒。激光的能量导致每个不幸被击中的水滴爆炸，但是在此之前，X射线已经穿过并且将相当于一次“医疗扫描”的信息传递给另一边的探测器。

结果显示，一些以液态形式存在的水滴的温度可以低至-46℃，而且在冻结之前持续了约1毫秒。这比一些科学家预期的时间要长，普林斯顿大学的化学工程师巴勃罗·德韦内德蒂表示。“这是一个重要的实验成果。”他说。

这项新工作还表明，当温度降低时，水的异态会变得更加极端，斯坦利说。这支持了斯坦利和他的同事在24年前提出的一个观点：过冷的水在-50℃左右经历了一个相变，变成了两种之前从未观测到过的液体状态。其中一种异常相态只存在于水处于高压环境中时。尼尔森计划将水滴置于低温高压相结合的环境中来观察这两种相态。

德韦内德蒂和同事在同一期《自然》杂志上描述的一个新的计算机模拟提供了进一步的证据，证明在低温条件下水会分裂成两种液相。

III　行星和卫星等

The Major Planets and Moons

最小的行星依然在给我们带来惊喜

水星的内部结构复杂，曾有活跃的地质活动。

纳迪亚·德雷克

美国航天局的信使号水星探测器显示，水星比我们预期的更神秘而且古怪。

首先，水星的内部构架不同于科学家们绘出的蓝图。与地球不同，水星核心半径占据总半径的85％，共有三个分层。最内层可能是一个固体层，中间是一个旋涡状的液态铁层，最外层是一个固态铁硫层。

研究者在2012年3月21日出版的《科学》杂志上发表了两篇文章。一篇文章讨论了重力测量引出的关于水星内部的新模型，另一篇则描述了水星北半球的表面特征。

协调水星表面的物质成分和它的密度之间的关系一直困扰着科学家。按照统一标准，如果水星的核心是两个分层的话，那么它表面上的岩石不可能包含足够的重金属，例如铁和钛，来解释已观测到的密度。

“所以我们必须问自己：‘这是怎么形成的？’。”克利夫兰凯斯西储大学的史蒂文·豪克说。这个包围着核心的铁硫壳层解决了这个问题，很好地弥补了丢失的质量。他说：“铁硫层位于岩层的底部，而且在它的下面，固体层的一部分也含有高密度的金属。”

图片权利和来源（IMAGECREDIT）：NASA，JHUAPL，CIW-TDM，GSF，MIT，Brown Univ.，Rendering by James Dickson and Jim Head

水星上的火山平原图像显示出了低海拔区域（紫色）和高海拔区域（白色），表明这颗行星有着一个活跃的地质历史。

但是研究人员对于这个最内层固体核的存在并不支持。“还有供选择的模型，”豪克说，“但是基于观测数据，这是更可能的模型。”

科学家同样也确认了水星表层的特征——水星的核心冷却收缩时形成的褶皱冲断带。当核心收缩时，水星外层地壳肯定也会收缩。在这个过程中，一部分地壳会滑动到另一部分地壳之下，华盛顿卡内基科学研究所的保罗·伯恩如是说。伯恩和他的同事利用新的地形数据测量了弯曲褶皱的长度，其中一些覆盖了1000多千米。

另外，新地形地图表明水星有一个比预期更加活跃的地质历史。在一些区域，环形山的地面是倾斜的。而且在一些地方，卡路里盆地的基底高于边缘。麻省理工学院的玛丽亚·朱伯说，水星内部某些非常活跃的过程已经将物质推到了高于环形山边缘的位置。

科学家曾经以为水星与月球很相似，但是现在却怀疑水星在经历迅速冷却之后变成了一个没有生命的大块岩石。朱伯说：“水星有着一个非常活跃的中年时期。”

你在这里：从远处看地球

安德鲁·格兰特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，Space Science Institute

在这张2013年7月19日拍摄到的照片中，地球是一个明亮的蓝色斑点，而不是一个暗淡的蓝点，尽管它看起来还是非常的微小。这张照片是由美国航天局的卡西尼号探测器所拍摄，卡西尼号探测器位于离地球14亿千米远的绕土星的轨道上。地球就在照片的正中心，月球在地球的右侧隐约可见。26年前，美国航天局的旅行者1号还少有人知，当时它拍摄了一张著名的地球照片——暗淡蓝点。在那张照片中，地球在浩瀚的宇宙太空中只有一个斑点那么大。土星占据了照片的整个左上角，土星环显得非常的明亮。这次拍摄的照片更进一步地显示了这一点。旅行者号团队的卡罗琳·波尔科正领导着卡西尼号探测器的拍摄工作，他表示最新的照片拍摄于2013年6月。从2004年以来，卡西尼号已经开始探测土星以及土星的卫星。这张新的照片是他们拍摄的33张照片的其中一张，包含了整个土星以及土星环系统。

地球周围的临时环带

两个辐射带临时变成了三个辐射带。

普利特·卡利普拉

在2012年9月的四周里，有第三个高能带电粒子环浮在地球表面的高空中。这个临时的环可能是由于经过地球的太阳冲击波导致的。这项研究发表在2013年2月28日出版的《科学》杂志上。

这一发现会促使科学家重新讨论数十年前的“范艾伦辐射带”的结构，其中“范艾伦辐射带”是指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的大量带电粒子聚集而成的像甜甜圈形状的辐射层。对这个辐射带的重新研究能改善太空气象预报并增加科学家们对地球附近空间环境的了解。有了这几方面的提高，我们才能更好地保护在地球附近——即近宇宙空间中航行的载人或不载人的宇宙飞船。

“这是一项非常重大的发现。”加州大学洛杉矶分校（UCLA）的尤里·施普里茨说。在发现范艾伦辐射带半个世纪之后，这个有大量人造卫星在其中运转的重要宇宙地带又给我们呈现了新的课题。

在新的发现出现之前，研究者原本以为这个“范艾伦辐射带”总是包含两个区域的高能级电子：内部区域由大量的质子和一些电子组成，而外部区域则被电子所占据。“范艾伦辐射带”位于大气的最外层，大约距离地球表面有1000千米，相当于5～6倍地球的半径。

破坏地球磁场的这个干扰会导致外部区域电子的增加或减少。在2012年8月30日，美国航天局（NASA）同时发射了两个航天探测器去研究这个“干扰”的细节，以及“范艾伦辐射带”的组成。

就在探测器发射不久之后，由美国科罗拉多大学的丹尼尔·贝克教授所带领的研究者就观测到了第三个环在两个已存在的环中间冒了出来，并且外环正在向外扩张。又经过一个月之后，新出现的第三个环以及扩张的外环一起消失了，暂时只剩下一个环。再经过接下来的几个月后，原本的两环结构又渐渐地重现了。

研究者指出，在2012年9月初经过地球的由太阳产生的冲击波可以产生第三个环，而另一个在2012年10月初产生的冲击波可以消除外层的两个环。

贝克指出，借助探测器能够知道第三个环形成的频率。

地球早期经历了长期的撞击

分析发现，撞击持续了超过20亿年。

纳迪亚·德雷克

地球形成初期经历了一个长期的碰撞过程，这早已不是什么秘密。但是现在看来，早期地球所承受的“轰炸”比我们最初预想的持续时间要久得多。

科学家认为这个持续的撞击，也就是在被称为“晚期重轰击期”的这段时间内猛烈地冲撞，至少持续几亿年。但是数值模拟表明，地球经受的撞击的持续时间超过20亿年。

该项研究的合作者之一、博尔德西南研究所的威廉·博特克说：“看起来这些撞击极有可能影响了地球生物圈。”

早期太阳系的重建促使了41亿年前轰炸的开始。当时，外层行星轨道发生了巨大的变动。木星和土星的轨道变化引发了引力潮汐波，将它们巨大的富含冰的同胞送向更远的地方，同时一些小行星和彗星被推向地球方向。

早先的理论显示，这次动荡结束于37亿年前。然而有证据表明在18亿年前地球仍然有剧烈的撞击迹象。“这些撞击来自哪里？我们肯定漏掉了一个来源。”博特克说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Bruce M. Simonson

在地球的早期轰炸时期因剧烈碰撞而形成的微小玻璃球有助于科学家估计碰撞小行星的大小。

在新的研究里，小行星带的内部边界更接近火星现在所在的位置，而不是在日地距离2.1倍的地方。数值模拟显示，在太阳系外层行星的轨道重建的时候，小行星带受到扰动，其内的小行星被推向太阳系内部。这些小行星，比现在大多数小行星更热，可以解释这个新近的撞击。

这个持续的轰炸与嵌入在地球沉积物中微小的“撞击球粒”所暗示的结果相吻合。巨大的撞击使得蒸发岩体四处喷射，覆盖全球。这些玻璃球粒就是在这之后形成的。地质学家对这些球粒进行了研究。它们的年龄表明随着时间的推移，地球受到的撞击逐渐减少。“这是地质学与实验室中完成的模型和计算之间很好的结合。”斯坦福大学的地质学家唐纳德·洛说。

这些玻璃球粒形成岩层，在陨石坑被构造活动抹去后保存了下来。“如果你发现了一个球粒岩层，那么你可以估算它的厚度，而且可以估算形成这个球粒岩层的小行星大小。”普渡大学的布兰登·约翰逊说。

火星极光

美国航天局的火星大气与挥发演化任务提供了见解，引起关于火星大气的问题。

克里斯托弗·克罗克特

火星极光！神秘的尘埃云！美国航天局最新的火星探测器才开工几个月就在火星大气中不断地发现各式各样奇怪的东西。2015年3月18日，该项目的研究人员在举办于得克萨斯州伍德兰市的月球与行星科学大会上报告了他们的研究成果。

2014年9月到达火星后不久，火星大气和挥发物演化任务，即MAVEN，发现了火星表面上方几百千米处悬浮着的一层细微的尘埃层。随后在2014年12月的5天里，探测器探测到了一个紫外线光晕。光晕类似于地球上的北极光，覆盖了这颗红色星球的北半球。一个剧烈的太阳风暴恰好也在这几天发生，使得整个太阳系都被带电粒子淹没了。

“没人想到在火星北半球会看到极光，”科罗拉多大学波德分校的行星科学家尼克·施奈德说，“这改变了我们对于太阳与火星之间如何相互作用的观点。”

2005年，火星快车探测器在火星的南半球探测到了极光，但是它们集中在火星表面孤立的磁点上。在地球上，极光通常只出现在高海拔地区。地球的磁场区域使得太阳的电子和质子加速并且成漏斗状向两极移动。粒子在两极与大气中的氧和氮猛烈撞击，产生了一种缥缈的光晕。

火星上没有一个全球性的磁场来引导粒子，所以研究人员并没有预期会看到北极光。但是一些太阳粒子在没有任何来自磁场的帮助下钻入了大气中。在地球上，保护磁泡会使那些高能粒子发生偏转，远离地球。然而在火星上却没有这样的防御措施。

施奈德说：“MAVEN善于研究当太阳向着火星投掷东西时火星会发生什么。”此项研究计划花费一年的时间测量分子离开大气时的速度，以期更好地理解古代火星的气候可能会是怎样的。

因为来自火星极光的紫外线与来自地球极光的一样明亮，施奈德猜想这也同样适用于可见光。他说：“我敢打赌，未来的宇航员将可以看到极光。”

虽然极光是一个意外的惊喜，但是研究人员认为他们明白其中的原因。然而，他们却被悬浮着的尘埃云难住了。

科罗拉多大学的另一位行星科学家，布鲁斯·捷克斯基说：“这完全出乎意料。”

MAVEN一打开它的设备，就发现了尘埃。尘埃多悬浮于昼夜交接的地方，并且稍微偏向于这颗行星的白昼侧。大量的灰尘集中于火星表面上方150～300千米处，但是也可以飞至高达1000千米处。

MAVEN的首席研究员捷克斯基还不清楚这些尘埃来自何方，也许是火星表面上的灰尘被抛起或者是火星的卫星——火卫一和火卫二被撞击时激起的，又或者是火星绕着太阳转动时被扫起的星际岩屑。

捷克斯基说：“这是一个真正的难题。”需要解释的尘埃的数量很多，如果尘埃不仅仅是在运输中，他说，“那么我也不清楚是什么让它们停留在了那里。”他希望MAVEN团队可以得到更好的图像，以便获知尘埃的所在地以及随着任务继续它是如何运行的。

“显然，火星的大气层比任何人可以预料到的都更具活力。”乔尔·霍尔维茨如是说。他是纽约石溪大学的一名行星科学家，并没有参与该项目。MAVEN将会揭示火星大气如何变化以及这些变化是如何与锁定在火星表面上的沉积岩中的记录连接在一起的，霍尔维茨对此感到很兴奋。

火星大气非常活跃，而且随着探测器获得的信息越来越多，科学家可以解开火星上空正在发生着什么的这一谜题，但在这之前还需要一段时间。霍尔维茨说：“我们都必须坐下来，要有耐心，给他们一些时间弄清楚所有这些数据背后说明的一切。”

火星黏土曾经可能经历过火山活动

化学成分表明沉积物并不需要流动的水。

埃林·韦曼

火星上古老的黏土沉积物也许并不能证明这颗红色星球的早期是一个温暖潮湿的环境。科学家在2012年10月出版的《自然地球科学》杂志上报告称，火星上许多年龄在40亿年的粘土可能源于冷却的熔岩，而并不需要液态水来形成。

黏土广泛分布于火星上最古老的地带，追溯到距今41至37亿年前的诺亚纪。黏土沉积物起初被认为是存在巨大水体的证据，这些水体的风化作用改变了火星的玄武岩表面。而在2011年，一些研究人员认为地下水热活动所提供的水对黏土的形成起到了至关重要的作用。

现在又有了另一种解释：结晶熔岩或许包含有细小孔洞，水可在其中与其他化学物质相互作用生成少量富含铁和镁的黏土。并不需要其余的地表或地下水的流动。

“我们并不是说火星上所有的黏土都是通过这一过程形成的，”加州理工学院的行星地质学家贝瑟尼·埃尔曼说，“如果大部分黏土形成于岩浆过程，那么这说明也许在早期火星上并不存在水。”

现在还不知道这一过程有多普遍。“在这种火星黏土的模型被广泛接受前还有很多进一步的工作要做。”美国地质调查局的天体地质科学中心主任拉斯洛·克斯塔伊说。

埃尔曼的团队研究了冷却熔岩模型，因为一些火星黏土似乎与之前的解释不符。因无法直接验证这一想法，所以研究人员在地球上的火星陨石中寻找线索。这些陨石中的一部分包含由氢和氢更重的同位素（氘）混合而成的黏土矿物，这一特征表明水是由熔岩从火星地幔带出来的，而非来自大气或地表。富含水的熔岩产生了一些火星黏土。

研究人员也在太平洋法属波利尼西亚的穆鲁罗瓦环礁中找到了形成于冷却熔岩的黏土沉积物。这些黏土所反射的红外光和火星沉积物反射出的具有相同波长，这表明两种沉积物具有相似的矿物学特征，因此有可能是以相同的方式形成的。

来自火星上的古代河谷的证据显示，也许火星地表上流淌的水只在短暂的时期存在过，法国普瓦捷大学的合著者阿兰·默尼耶说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，Univ. of Arizona

研究人员表示：温暖潮湿的气候对于形成火星古老的黏土（色彩增强图中较亮的区域）而言也许不是必须的，这种矿物也许是冷却熔岩的产物。

土星上的六边形云团

阿什利·耶格尔

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Hampton，SSI，JPL-Caltech/NASA

土星上一团六边形的云出现在了人们的视线中。卡西尼号太空飞船在土星的南极拍摄到了一个六边形喷射气流的高分辨率图像。通过使用彩色滤光片，卡西尼团队辨认出大型粒子，以粉色显示，盘旋在土星的低层大气中。大量处于高海拔地区的粒子以绿色显示，在大气中更高海拔处的小型粒子则以蓝色显示。那些小型粒子限定了六边形喷射气流的明晰的边界。这个约3万千米宽的云团结构已经存在数十年，甚至数百年了。

新行星的轨道半径可能是冥王星的两倍

如果行星存在，我们无法解释如此远的行星和恒星距离。

安德鲁·格兰特

在一颗恒星的灰尘碎片壳体中存在着一颗神秘的空白地带，这可能预示着一颗年轻的行星正围绕它运转。它们之间的距离是冥王星与太阳之间距离的两倍。如果这个遥远的行星确实存在，那么对于天文学家来说就很难解释这个行星是如何产生的。

“如果这真是一颗行星，那么这将会对现有的行星形成理论有很大挑战。”美国西南研究所的天文学家凯瑟琳·克利特克说。

大多数的行星都被认为它们的“生命起源”来自于一些温度非常高的灰尘和气体所结成的小结块，这些小结块快速运行在新生恒星周围所围绕着的巨大碎片盘中。当一个行星在成长时，它的行为就像是个雪犁，在铲起一些物质去堆积的同时又在抛开另一些物质，一直到最后这个行星清除出一个平稳的轨道路径。

美国巴尔的摩空间望远镜科学研究所的天文学家约翰·德布用哈勃空间望远镜去研究围绕在长蛇座TW（这颗恒星年龄大约一千万年，距离地球的距离为176光年）周围的圆盘。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，J. Debes/STSCI，H. Jang-Condell/Univ. of Wyoming，A. Weinberger/Carnegie Inst. of Washington，A. Roberge/GSFC，G. Schneider/Univ. of Arizona，A. Feild/STSCI

环绕长蛇座TW这颗恒星的尘埃盘中有一个黑的环，它可能是由一个正在生长的行星所导致的。

哈勃望远镜所拍摄的图片向我们展示了一条明显的空白地带，这个空白地带距恒星有120亿千米，比地球到太阳距离的80倍还要远。“这是非常吸引人的。”美国科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家菲尔·阿米塔奇说。空白带看上去就如你对一个正在形成的行星所期待的那样。

如果行星的存在被证实，天文学家们就得停止现在的工作而转向去研究解释行星是如何到那里的。与在紧密轨道的粒子相比较，那些靠近空白地带的粒子要分布的松散一些，而且运行的也更缓慢一些，克利特克说道。因此，对于一个潜在的行星来说，积累足够多的物质来明确自己的轨道是非常不容易的。

另一个关于行星形成的理论是假定碎片盘中的气体块迅速坍塌聚并的结果，就像是一个恒星形成的过程。这种理论可以用于解释最近发现的恒星HR 8899外的行星群形成的过程。但是克利特克认为这个理论所描述的过程只能产生质量大于木星的星体，而这个可能的行星只有海王星大小或者是一个略大于地球的大小。

“无论你怎么看待它，这个行星将改变现有的行星形成理论”，德布说道。他领导的团队所研究的成果发表在2013年7月1日出版的《天体物理学期刊》上。

下一步是要找到这个行星，德布说这不是一件轻松的工作。仅仅是确认这个TW碎片盘中的空白带就类似于在6千米外看一个密纹唱片上的一个凹槽；现在天文学家希望在这个凹槽中寻找到一个小的斑点。

德布指出这个哈勃望远镜的照片是由1997年设备所拍摄的，他相信下一代的天文望远镜将一定能观测到这个行星，如果它确实存在的话。

月球尘埃堆积速度极快

阿波罗任务的数据引发关于月球表面问题的辩论。

梅根·罗森

小心月球积尘。月尘堆积的速度可能比科学家认为的快得多，而且这一说法也引起了一些争议。根据一项新的分析，月球表面的粉状颗粒层的厚度每1000年会增长1毫米。

这一估计依赖于从1960年代和1970年代的阿波罗任务中挖掘出来的数据。

“从四十年前的数据中仍然可以得到一些结果，这很了不起。”美国航天局格伦研究中心的物理学家詹姆斯·盖尔说。其他研究人员已经使用计算机模拟了月尘，他说：“但是我们还没有真正获得任何数据。”

阿波罗11为宇航员和科学家带来了月球尘埃的第一手信息。当飞船下降时，火箭的引擎扬起了尘埃云，模糊了视线，使得着陆变得棘手。当宇航员冒险出去时，尘埃又使梯子变得很光滑，并且黏附在宇航员的衣服上，还使得实验被污染。

这些像砂砾的物质填充了螺栓孔，使真空密封装置泄露，并且使原本通过反射阳光来保护设备免受过热危害的光滑表面变钝。该研究合作者、西澳大学的布莱恩·奥布莱恩表示，月尘比面粉更细但更锋利。“想象一下破碎瓶子的碎片。”他说。

1966年，奥布莱恩发明了第一个测量月尘的设备。他的火柴盒大小的小巧的装置配备有太阳能电池和温度计，在1969年随着阿波罗11一起旅行至月球。

在阳光的照射下，太阳能电池产生电流并且将电压数据传回地球。因为粘着在电池表面的颗粒会阻断阳光，使电压下降，所以这个设备可以探测尘埃。

后来阿波罗任务又将更多的探测器带到了月球上。六年里，这些装置每54秒向地球传送一次数据。美国航天局将信息复制到了7轨磁带上，但是后来磁带却遗失了。

诺克斯维尔田纳西大学的地球化学家劳伦斯·泰勒（阿波罗项目组成员）说：“当时，没有人重视这些尘埃。”美国航天局还收集到很多其他数据，所以尘埃探测器的数据“有点儿被扔在路边了。”他说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Eugene Cernan/NASA

月球尘埃，覆盖在月球表面及黏附在阿波罗宇航员身上和他们的仪器上的细小颗粒，其堆积速度比研究人员曾经认为的速度更快。

当2006年美国航天局承认他们遗失了记录尘埃数据的磁带时，奥布莱恩急忙恢复丢失的数据。他的个人文档记录了其中一部分信息，他还找到了其他的研究人员来完善数据。

在一项新的分析研究中，奥布莱恩和西澳大学的同事莫妮卡·霍利克希望测量月尘的自然堆积速率。所以他们只分析了宇航员离开月球后几百个小时内尘埃探测装置收集到的尘埃总量。

为了估计使太阳能电池的电压下降的尘埃总量，研究人员采用了以前用伪造的月尘进行测试的实验得到的结果。科学家将尘埃洒在太阳能电池上，测量输出电压的变化。霍利克和奥布莱恩在2013年11月19日出版的《空间气象》杂志中报告的如此高的尘埃堆积速率引发了其他科学家之间截然不同的观点。

“尘埃太多了，”泰勒说，“没有人会相信这个结果。”他认为这个估计是有缺陷的，因为用于模拟的尘埃并不是真正模仿月球尘埃。美国航天局戈达徳太空飞行中心的行星科学家大卫·威廉姆斯补充道，更重要的是，月球天气的其他方面可能也扰乱了太阳能电池，造成了相似的电压下降现象。

虽然这一估计比以前的计算值大，但是相对于地球上的尘埃堆积速率，这个值很小。盖尔说：“这是在告诉我们，如果你在月球上摆放一件东西，那么它将会保持干净。”

关于月球表面上尘埃运输的问题一直是一个备受争议的话题，盖尔认为这些发现可以为研究人员提供关于这一话题的线索。一些科学家认为，静电力使尘埃在月球上轻轻溅射；其他人则认为，尘埃在席卷而来的风暴周围盘旋。这项新的研究结果则表明尘埃没有移动到那种程度。但是，他补充道：“委员会仍在致力于这一研究。”

关于月球内部的重力地图揭示了动荡的历史

引力探测器观测到月球表面之下杂乱的壳层。

亚历山大·维特兹

月球如今是寒冷并且慢慢收缩的，但是在它的历史早期，则比现在更大更热。

随着月球膨胀，熔岩从月球的内部深处上升，冷却并且凝固在埋藏于表面之下的很深的裂缝之中。数十亿年之久，这些炙热的痕迹一直被隐藏，最终向从其头顶掠过的一对探测器暴露了自身。

这两个分别被命名为“埃布”和“弗洛”的探测器通过它们的万有引力发现了岩层。不仅如此：美国航天局的这项任务已经揭示了其他很多关于月球表面及其内部的发现。在生成最佳重力地图的过程中，这项工作显示了从古至今月球地壳被陨石撞击的猛烈程度。

“现在我们看到，月球的破碎程度比我们之前看到的要强烈得多。”这两个姐妹探测器的主要研究者玛丽亚·朱伯说。这两个探测器号称重力恢复和内部实验室（GRAIL）。

朱伯是麻省理工学院的地质物理学家，她在2012年12月5日举办的美国地球物理联合会会议上描述了这些结果。关于GRAIL的初步发现的三篇论文在同一天发表在《科学》杂志的网站上。

“埃布”和“弗洛”在绕转月球的过程之中相互追赶。当前方的探测器感觉到少量额外的、类似于一座山的引力时，探测器就会稍微提速。另一个探测器，保持在其后82～218千米处，也会在其足够靠近感受到相同的引力时稍微提速。通过精确测量两个探测器之间距离的变化，GRAIL的研究者能够绘制出由月球表面或表面之下的质量分布的变化引起的重力起伏。

每一秒，此任务的科学家们可以探测到探测器之间距离的变化，最小精度可以达到50毫微米，即十亿分之一米。这至少比之前任何关于月球的研究精确1000倍，这使GRAIL能够绘制出非常精细的重力地图。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA Goddard Space Flight Center Visualization Studio

新的月球重力地图显示出环形山周围的巨环（红色区域代表高质量浓度区域；蓝色，低质量）。

在新的地图中，环形山清晰地出现在视野中。许多都是被破碎的岩石环和撞击产生的碎片环绕着，中间有一个尖峰。

该团队成员、巴黎大学的马克·维乔雷克说，新的地图显示月球地壳的平均厚度在34到43千米之间，这比科学家们之前认为的值要薄10到20千米。月球地壳因撞击而造成的断裂程度比任何人预测的都强烈很多；表层的12％都是破碎的岩石沉积物。

“它真的在我们了解早期类地行星位于一种怎样危险的环境这一方面打开了一扇窗，”朱伯说。

月球地壳相对高的孔隙度证实了月球近似与地球包含同样多的铝。这可以理解，因为科学家们认为月球产生于一次宇宙中的碰撞，当时，一个火星大小的天体猛地撞入早期形成的地球。因那次碰撞激起的物质进入地球周围的轨道，并且合并形成了月球。

科罗拉多矿业大学的行星科学家杰弗里·安德鲁斯-汉纳说，在它存在的前5亿到10亿年间，月球很可能外热内冷。由于这种逆温现象，月球有了些许膨胀。他和他的同事计算出，月球膨胀了大约1～10千米。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，CSM

左侧月球重力地图上的虚线标志着一条埋藏在月球表面之下的至少10千米长的线性岩层。在右侧的月球表面地图中，这个特征是看不到的。

安德鲁斯-汉纳说，在膨胀时期，炽热的月球在增大过程中产生了很深的裂缝，岩浆从内部涌出。当熔岩在月球较外层足够冷却后，大概月球形成后10亿年时，月球才始收缩。

安德鲁斯-汉纳说，在GRAIL绘制出的重力地图中，熔岩凝固物显示出神秘的线性形状，有些超过500千米长。它们被埋藏在至少10千米深处，除了灵敏的引力测量，不可能用其他方法探测。

“我们已经从本质上了解地质物理学并将其应用到地面地质学领域。”朱伯说。

在地球上，这种薄片状的火山岩侵入体被称为脉岩。但是月球上的那些太大，可能在未来某一天它们会有自己的名字，安德鲁斯-汉纳补充道。

GRAIL已经完成探测。探测器在2012年3月到2012年5月之间完成了它们的主要任务，然后开始越来越靠近月球的表面。朱伯说，到2012年12月6日，它们已经降落到距离月球表面仅11千米的高空中。随后，探测器将降落于月球表面。

中国的探测车揭示了月球的岩层

托马斯·萨姆纳

中国玉兔月球车发射到月球表面的雷达电波显示，就在月球车着陆点下面的月球内部有9个不同的岩层。研究人员在2015年3月13日出版的《科学》杂志上报告了他们的研究成果，多个岩层表明月球的地质有着比曾经认为的更富有故事性的历史。2013年12月，月兔号月球车在月球表面行进。两个发射雷达的天线用无线电波探测到了月球内部，每当一阵强度逐渐减弱的无线电波击中两个岩层之间的边界时，无线电波的一小部分会被反射回月球车。这些数据提供了形成于33亿年前的月球内部约400米内的地质特征。研究人员将最外层归于积累的尘埃和来自附近一个岩石坑的碎片。较深的岩层包含五个熔岩流出的残余物。这五个熔岩在月球炎热的青春期时为这个区域提供了养料，最年轻的熔岩也要追溯到约25亿年前了。研究人员指出，这些岩质沉积岩的数量和组成与那些在之前着陆地点发现的都不同，暗示着月球地质的过去是多姿多彩的。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：China National Space Administration

月面特征终获解释

磁场偏转太阳风，造成了月面的螺旋图案。

梅根·罗森

科学家为一个古老的月球谜题再写新章。新研究表明，满是灰尘的月球表面上的漩涡图案可能是磁泡产生的电场的产物。

“自从望远镜被发明以来，人们就一直在关注着这些奇怪而神秘的结构。”卢瑟福阿普尔顿实验室的物理学家鲁思·班福德说，“现在我们已经准确知道它们是如何形成的了。”

这种乳白色的图案犹如炭黑肌肤衬托下的一块鲜肉般显而易见。休斯敦月球与行星研究所的行星地质学家乔治亚娜·克拉默解释道，这就好像你用防晒霜在胳膊上涂抹螺旋纹，之后整天待在太阳底下。太阳会给除这块被保护起来的肌肤外的所有地方上色，从而留下一个螺旋状的浅色影子。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA

被称为月球漩涡的明亮的图样点缀在月球表面。图中这一个漩涡结构横跨了月球这一侧约60千米。

科学家很久以前就怀疑月球表面附近的弱磁场可能会形成环形图案。月球并不像地球一样有个发电机驱动产生的磁场，但研究者发现在月球地壳中散布着许多零散的磁泡。

阿波罗计划的数据支持了月球磁泡可以作为太阳风“防晒霜”。太阳风是由太阳发射出的稳定带电粒子流，它入侵月球，使得灰白的月球尘埃变为黑色。但磁泡可以保护月球地壳，使银色土壤保持新鲜且看上去很年轻。

班福德说，谜题是如此微弱的磁场是如何扭转狂烈的太阳风的。班福德和他的同事在《物理评论快报》中解释道，答案在这些磁泡产生的电场中。

通常，太阳风的带电粒子是在一起流动的。但是当太阳风撞击月球磁泡时，脆弱的带负电的粒子会被磁泡分引至四周，而强劲的带正电的粒子则会试图刺破磁泡。将这些电性相反的粒子分开的过程激起了一个重负荷电场。

班福德的团队在实验室制造了一个按比例缩小的实验来验证人工磁泡是否可以扭转粒子冲击流。

研究人员使用一台叫作太阳风隧道的设备向电子管发射了一束炙热粒子。他们发现热流可以烘烤其路径上除了磁铁外的任何物体。科学家展示在磁铁周围形成了一层可作为防护层的薄电场，在它之下的任何东西都可免于热流的伤害。“它十分有用，”班福德说。即使是棉花糖放在磁铁尾部都不会被融化。

“这项工作将众多想法绑在了一起”，圣克鲁斯加利福尼亚大学的行星科学家伊恩·加里克-贝瑟尔说，“而且这个实验室模型实在是太酷了。”

月面闪光来自熔滴

小陨石撞击点燃了神秘的月面闪光。

纳迪亚·德雷克

月球与陨石相撞时，有时其表面会有微光闪烁。现在科学家认为，他们已经知道在没有任何大气的情况下，是什么在给这些闪光提供能量了。这些闪光是小型岩质天体与月球表面碰撞时释放出来的超高温物质产生的。

该研究的合作者、巴黎天文台的行星科学家西尔万·布莱说：“仅仅一小块10厘米左右的彗星或者小行星材料，就可以造成在地球上可见的非常明亮的闪光了。”

布莱与他的同事解决了这个关于月面闪光来自何方的古老争论，文章发表在2012年3月出版的《伊卡洛斯》期刊上。经过半个多世纪的观察，每年月球碰撞会发生几百次。流星雨，例如11月份的狮子座流星雨，一个晚上可以向月球“倾倒”多达20颗小陨石。

最初科学家认为这些闪光不一定来自月球，有可能是卫星反射的光或者其他类型的现象。随后，他们围绕碰撞或者月球上的其他东西例如火山活动等是否产生了短暂的闪烁展开了讨论。最终，研究人员得出结论，因碰撞而产生的液滴或者热的带电粒子才是罪魁祸首，但是具体是哪个还没有确定。

为了找到答案，布莱和他的同事们观察了1999到2007年关于月球闪光的记录。针对54次碰撞记录，研究人员分别计算了每一个闪光的亮度，以及陨石可能的大小和速度。大多数碰撞体的直径约10厘米，速度高达每秒72千米。

了解了成分和亮度，科学家便可以估计温度和每次碰撞过程中产生的能量了。他们发现碰撞产生的热量足以使被摧毁的碰撞体释放一种气体和液体的混合物。那些液体中的一部分，被称为熔滴。当它冷却时会产生光，这也就是形成闪光的原因。

美国航天局流星体环境办公室的天文学家比尔·库克在实验室中通过将铝球射击至模拟的月球土壤中制造了碰撞产生的闪光。“这个新的研究很好地证实了我们的猜测，”他说，“但是布莱他们的研究却首次将这种猜想用到了严谨的数据上。”

岩石的化学揭示了月球起源的细节

新的测量结果支持关于月球起源的大碰撞假说。

梅根·罗森

关于月球诞生的凌乱的细节稍微有点儿条理了。地球和它的月球小妹妹实际上不是双胞胎，一项新的关于地球和月球岩石的化学分析显示。

哈佛大学的行星科学家萨拉·斯图尔特（未参与该研究）说，该发现帮助解决了大碰撞假说中的一个大问题。大碰撞假说是关于月球起源的唯一一种未被排除掉的理论。

“当所有人看到这项工作时，我们都松了一大口气，”她说，“在我看来，大碰撞假说仍然成立。”

这一理论表明，大约在45亿年前，一个火星大小、叫作忒伊亚的天体猛烈撞击到地球，因撞击而形成的碎片黏合在一起形成了月球。关于这个撞击的计算机分析表明，月球应该主要由忒伊亚的遗骸构成。

因为太阳系中的天体有着独特的组成成分，所以科学家假定月球和地球应该有着不同的化学“指纹”，该研究合作者、德国格廷根大学的地球化学家丹尼尔·赫尔瓦茨说。但是直到现在，研究才发现，月球和地球是由完全相同的东西组成的。

“这是大碰撞假说的一个主要问题，”赫尔瓦茨说，“人们一直说可能这整个假说都是错误的。也许月亮是以其他方式形成的。”

但是很难找到其他的方式，斯图尔特说。“我们没有可以作为第二选择的模型，”她说，“这就是为什么每个人都坚持不放弃大碰撞模型。”

2012年，斯图尔特和其他人将这个理论稍微调整了一下。他们试图通过改变忒伊亚的大小和地球的自转来找到可以使月球的组成成分与地球的相匹配的可能性。

大约同一时间，赫尔瓦茨和他的同事重新审视了这个关于化学组成的难题。他们改善了一项技术来测量氧的同位素。科学家们之前的测量结果在这项技术的误差范围之内。

赫尔瓦茨的团队通过清理由阿波罗任务带回来的月球岩石样本和地球岩石样本，然后只测量岩石中的氧，减小了误差。

“这是得到更高精度测量结果的技巧。”他说。

根据赫尔瓦茨的测量结果，地球和月球在化学组成上接近但实际上并不完全相同，他和他的同事在2014年6月6日出版的《科学》杂志上报告了这一研究成果。氧同位素的比率相差大约百万分之十二。

“这是人们首次真正找到了月球和地球组成成分中间存在的差异，”英国布里斯托尔大学的地球化学家蒂姆·埃利奥特说，“这是一项令人难以置信的高精度的工作。”

即使这是一个很小的差异，但是也缓解了大碰撞假说的压力，斯图尔特说。

“2012年我们竭尽全力试图使大碰撞模型中地球和月球的成分尽可能接近，”她说，“现在我们不必论证曾经发生过一些非常特殊的事情了。”

该发现也暗示了月球的“母亲”的出生地，赫尔瓦茨说。因为月球与地球如此接近，所以地球和忒伊亚可能形成于太阳系内同一个区域。

土卫六朦胧的“面纱”在下落

包裹着土星卫星的下层大气暗示着季节性的变化。

纳迪亚·德雷克

土卫六的天空在下降。土卫六朦胧的“面纱”自2004年卡西尼号土星探测器掠过之后猛跌了100多千米，这暗示着变化的季节除了降雨之外还有更多的影响因素。

早期的卡西尼号宇宙飞船传回来的图像展示了一个被高于地表500千米的朦胧大气层包围着的烟雾弥漫的世界。2012年3月19日，加州帕萨迪纳喷气推进实验室的罗伯特·韦斯特报道称，新照片显示这个大气层已经降至约360千米的高度。

大气层当前高度与1981年旅行者二号探测器记录的土卫六的迷雾高度几乎精确匹配。韦斯特说：“对我来说，这太令人惊讶了。”

土卫六上的一年相当于地球上近30年。从旅行者号的上次造访至今土卫六刚好过了一年，现在土卫六上的季节差不多和1981年时一样。2004年卡西尼号第一次飞越土卫六时，迷雾已经向外扩散，并且覆盖了除了寒冷的北极旋涡之外的整个卫星。现在，随着南方冬季的到来，迷雾正在收缩，卡西尼号在二月底拍摄的照片揭示了南极旋涡的开始。

“这真的很壮观，”美国西南研究院的行星科学家约翰·斯潘塞说，“这个世界就在你眼前变化，而且出现了完全出乎意料的戏剧性的模式。你会等不及想看接下来会发生什么。”

科学家猜测变化的季节会带来变化的大气模式，降落的迷雾层可能是季节性周期变化中的某个时期。但是目前为止，研究人员还没能就大气沉降的机制给出解释。

“这是崭新的；通过卡西尼号我们才第一次看到它。”韦斯特说。

地质构造及落水洞可能塑造了土卫六的地形

地图揭示了关于土卫六上海洋和湖泊的起源的线索。

梅根·罗森

土卫六距离我们十几亿千米，由岩石和冰构成。它的一些行为与地球很像。根据一项对土卫六表面最新地图的分析，土卫六拥有湖泊和海洋，而且它们的形成方式类似于地球上水域的形成方式。

巨大且细长的海洋和较小且略圆的湖泊被油性液体填满，点缀在土卫六的北极。2013年12月12日，美国地质调查局的地球物理学家伦道夫·柯克报告称，它们可能是地质构造和落水洞的杰作。

“地球拥有海洋，河流，雨，地质构造，和火山及冰川，”柯克表示，“土卫六拥有所有这些，唯独除了生命。”

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土卫六依然保持神秘，但是这张新的拼接伪色图显示构造活动和岩坑造成了靠近北极处的海洋和湖泊（图中蓝黑色区域）。科学家使用卡西尼宇宙飞船收集得到的雷达数据，拼接出了这张土星最大的卫星的图像。

2004年，绕土星运动的卡西尼号宇宙飞船拍摄到土卫六表面的雷达图像时，科学家收到了他们第一次近距离观察这颗卫星的数据。2006年，卡西尼发现了这颗卫星上的一些湖泊和海洋，但是直到现在科学家都没有得到一幅关于土卫六北极全景的照片。

最新的一幅拼接图是卡西尼飞越土卫六时拍摄到的粗糙的高分辨率拼接图像。这幅拼接图填补了土卫六北极地形中的细节，帮助柯克弄清楚塑造土卫六地形的可能的力。

2013年的夏天，当柯克首次看到新图像时，他注意到这些大型海洋似乎聚集在一起。“哇，这真是太奇怪了，”柯克回忆道，“这看起来像是一个矩形区域。”

这些海洋的海岸线与这个矩形的边缘平行。柯克说：“当地质学家看到这些直线时，他们立即跳转到地质构造的想法上。”

地质构造，或者说行星地壳的断裂，将其特征以相同的线和相同的角度雕刻进了地形中。

土卫六上海洋的布局类似于北美西部的盆地和山脉区，即约17亿年前地球的地壳伸缩时形成的一系列平行的脊线。在地球上，这些纹路象征着板块构造活动，虽然在土卫六上地质构造过程可能有所不同。

斯坦福大学的地球物理学家霍华德·赞布克说，研究土卫六表面的研究人员之前曾提出它上边的河流可能是通过地质构造形成的。柯克的数据支持这种说法。

赞布克补充道，仍然还有很多需要研究。“土卫六上地质构造理论的问题与地球上地质构造理论的问题是相同的，”他说，“我们不知道是什么驱动了地质构造活动。”

另一种类似于地球上湖泊形成的机制可能也是土卫六上湖泊形成的原因。在地球上，水可以溶解岩石，进而形成填有液体的落水洞。由此产生的湖泊与土卫六上的那些看起来很类似，他解释道。

如果落水洞确实塑造了土卫六上的湖泊，那么这可能暗示着另一个地质上的惊喜，柯克说。地球上的地下水可以将岩石溶解成洞穴。在土卫六上可能已存在类似的地下洞穴，他说。

土卫八上的山脊可能来自太空

梅根·罗森

在土星的卫星土卫八上，一个环赤道的神秘的山脊可能是大量太空瓦砾堆积而成的。自从2004年卡西尼号宇宙飞船发现了缠绕在土卫八中央的一个锯齿状的带状物，科学家便开始争论这个山脊的起源。一些人认为是火山将其从这颗卫星表面之下推了上来，或者是构造活动造成了这一结构。其他人则认为，这个高达珠穆朗玛峰两倍多高度的高耸的山脊，可能是曾经环绕这颗卫星的环的残余。布朗大学的埃里卡·洛佩斯·加西亚和她的同事对卡西尼所拍摄的图像的分析推动了环理论。土卫八的山脊有着陡峭的斜坡，这说明这个山脊可能是由雨点般散落在卫星上的碎片堆积而成的，该团队将这一研究结果于2014年4月9日发表在了arXiv.org网站上。

哈勃找到了第五颗冥王星卫星

矮行星的随从天体继续增加。

纳迪亚·德雷克

冥王星，作为一颗典型的矮行星，之前曾被误认为行星，它还有另一个小伙伴：第五颗冥王星卫星。2012年7月11日清晨这一消息被首次公布在Twitter上。

“这里宣布：冥王星还有某个陪伴者。我们使用哈勃太空望远镜发现了第五颗冥卫！”科罗拉多市博尔德西南研究所的艾伦·斯特恩在Twitter上如是说。

2012年7月7日，地外文明探索协会（SETI）的马克·肖沃尔特在哈勃拍摄的照片中发现了第五个冥卫，现已被标记为P5.

P5在14套图片中显露了出来，每一套都包含了大约12张曝光三分钟的图片。哈勃自六月起开始观测冥王星，其任务是帮助天文学家找到2015年美国航天局新视野宇宙飞船飞越这颗矮行星时可能遇到的任何危害。该团队希望可以有足够的时间来计划出一条穿过这一系统的备选路线，以防探测器当前的轨道出现问题。

作为一个微小的天体，P5的直径只有10到24千米，这使它成为目前已知的冥王星最小的卫星。它也就此加入了包括（相较而言）巨大的卡戎、卫星尼克斯和许德拉，以及2011年由肖沃尔特发现的至今仍被命名为P4的卫星组成的卫星聚集营。

“我们十分期待还能发现更多卫星，”新视野任务的主要研究者斯特恩说，“每次我们更努力寻找，都会发现一颗新的卫星。”

P5的轨道在尼克斯和卡戎的轨道之间，这使它成为轨道最靠近内部的小型卫星。这也解释了为什么P5如此难被发现。“我们正好在观测冥王星的附近，”斯特恩说，“所以这有一道如此明亮的探照光线，我们不得不处理一下。”

灶神星：比起小行星，更像行星

小行星灶神星有着类似行星的岩层。

纳迪亚·德雷克

巨大的小行星灶神星比起其他在火星与木星之间的小行星带徘徊的太空岩石更像是一颗小型的岩质行星。在其他类似行星的特征中，灶神星的内部可能像地球内部一样有分层，而且科学家们已经发现了一个古老的磁场的痕迹。

“我们对这个天体的研究，有一段时间进行得很艰难，而且并没有把它作为一颗行星来考虑。”加州大学洛杉矶分校的克里斯托弗·拉塞尔说。他是对灶神星进行观测研究的黎明号探测器的项目负责人。

像地球一样，灶神星可能有着一个铁芯，一层地幔和一层地壳。黎明号的测量结果表明灶神星核心的半径为107～113千米，喷气推进实验室的卡罗尔·雷蒙德如是说。灶神星的直径大约为530千米，所以在尺度上，它的核心几乎占据了一半大小。黎明号传回的新的重力地图揭示了地壳区域情况，地幔物质可能很接近地表。

其他的一些研究则基于坠落于地球上的少量灶神星的陨石的数据。在两块灶神星陨石中发现了强磁场的痕迹，罗杰·傅表示。他是麻省理工学院的一名研究生，对1996年坠落于澳大利亚的、一块被叫作“Millbillillie”的陨石和1981年在南极洲发现的陨石ALHA 81001进行了研究。所发现的磁场的强度表明，生成这样一个磁场的是一个活跃的液态金属核。随着灶神星冷却，这个金属核被封在了地壳内部。“36亿年前，在灶神星的表面有一个磁场，而且很有可能现在依然存在。”傅说。

灶神星在两次剧烈的撞击中生成了很多“疤痕”，包括南极巨大的盆地，以及岩质地壳回荡时形成的赤道槽。

南极的大盆地名为雷亚希尔维亚（Rheasilvia）。它的直径为505千米，基本占据了整个南极。而且它拥有高于盆地基底20千米的山脉，这是太阳系中最高的山脉之一。

但是撞击形成的第二个盆地“维纳尼亚（Veneneia）”，比雷亚希尔维亚深一些，而且稍偏，直径约395千米。休斯敦月球和行星研究所的保罗·申克说，双盆地的结构说明灶神星必须非常有弹性。

即便如此，这些撞击很可能已经穿透灶神星的地壳，将通常处于地下深处的矿物散布到了周围地面之上。科学家将会继续研究和描述这些细节，因为即使灶神星可能与地球类似，但是它有着一个关键的区别：过去的历史不会被抹去。小行星的传记中仍然会记载它自太阳系诞生伊始至今的演化。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JPL-Caltech，UCLA，MPS，DLR，IDA，PSI

这幅灶神星图像，基于黎明号探测器的数据，在修正了这颗小行星的曲率后，显示出了南极区域的地形。

小行星挤进有环天体行列

太阳系可能是很多更小的有环天体的家园。

克里斯托弗·克罗克特

在我们太阳系内的所有巨行星都装饰有环。现在，一个小得多的小行星也首次挤进了有环天体的列表。

天文学家已经发现了一对围着小行星10199的稀薄的环。小行星10199是一颗由岩石和冰构成的小行星-彗星“混血”，它被叫作半人马小行星。它位于土星和天王星之间，环绕太阳运动，直径约250千米。环绕着它的一对环可能是一次碰撞导致的结果。

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一对稀薄的冰冷的环环绕着这颗直径为250千米的小行星，如这幅艺术图像所示。

在一次掩星过程中，即从地球上看，小行星10199刚好与一颗遥远的恒星在一条线上时，这些环露出了踪迹。从多个视角观察，一次掩星事件可以告诉研究人员这个介于中间的天体的大小和形状。2012年6月3日，里约热内卢国家天文台的天文学家菲利普·布拉加使用分散在南美洲各处的超过12个望远镜适当调整了掩星观测任务。

研究人员希望看到小行星在这颗遥远恒星的正前方经过时所引起的星光变暗的现象。他们没有想到的是，在主时刻之前和之后还分别有两次星光变暗的现象。这几次额外的“变暗”意味着有其他某种东西随着小行星一起运动。“这是一个巨大的惊喜。”布拉加说。将所有的观测结合，研究团队推断在小行星周围存在一对主要由水冰组成的环。该观测结果发表在2014年4月3日出版的《自然》杂志上。

“毫无疑问，那有一个环存在。”加州大学洛杉矶分校的天文学家大卫·朱维特（并没有参与这项研究）说，“但是没有人知道这意味着什么。”甚至，行星的环都还是一个谜，他说。小行星的环有几个可能的起源。或许另一个天体撞上了小行星10199，将其内部的冰凿了出来。或者，小行星10199的引力可能撕碎了一颗环绕着它的冰态卫星。又或者，它的两颗卫星可能发生了碰撞。

无论何种原因，布拉加和朱维特一致认为，在小行星10199周围很有可能存在着未看见的卫星。因为除非受卫星的引力所限制，不然环很快会被小行星的引力、碰撞及来自太阳的辐射压撕裂。

朱维特说，环的组成成分与天文学家已知的太阳系较外层的天体的组成成分一致。在来到它目前的轨道之前，小行星10199最有可能来自柯伊伯带，即海王星之外的一片满是冰态碎片的区域。已知许多柯伊伯带内的天体至少有一个卫星。一个环，他说，是下一个合乎逻辑的步骤。

这些环也有助于解释这颗小行星最近奇怪的行为。从1997年到2008年，半人马小行星越来越微弱，而且它的冰的数量也明显减少。2008年之后，它几乎逐渐恢复正常。2008年的观测结果表明，从地球上看，这些环似乎是侧向的。小行星10199出现微弱现象是因为环封锁了一部分光。现在研究人员已经知道大部分冰位于环中，而非小行星的表面，所以在我们只能看到环的边缘时，冰看起来便消失了。

朱维特表示，因为天文学家还没有观测到很多次小行星10199的掩星过程，就已经找到了它的一个环，所以环可能是比较常见的。“我们不认为这是唯一一个环，”他说，“应该还有其他的。”

小行星产生了长期的磁性

托马斯·萨姆纳

古老的陨石显示，年轻的小行星可能已经形成了强大的磁场区域，比我们曾经认为的要早数亿年。这个发现可以解释在早期太阳系中其他地方长期存在的磁性，比如在年轻的月球上。

剑桥大学的詹姆斯·布莱森和他的同事研究了两颗从小行星上脱离降落在南美的陨石。尽管形成于几十亿年前，陨石中的铁和镍等磁性物质依然与它们的母体小行星的磁场是一致的，这就提供了一个可确定年代的磁性样本。研究人员使用X射线对铁和镍进行了检测，发现每个小行星母体上产生的磁场都已经超过了一亿年。

之前关于小行星上的磁场的一种解释是，通过热混合小行星熔融状态的内部，进而在其上生成了一个磁场。这将会持续至多一千万到五千万年，直到岩石冷却。新的发现则将磁场存在的时间延长了很多。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：© Natural History Museum，London

研究团队提出当一颗小行星的核心凝固时，较轻的元素，例如硫，会向外推，并且形成涡流模式。这种涡流最多可以维持磁场3.5亿年，因为在小行星冷却之后热对流就很难进行了。

在线追逐彗星

网上收集霍姆斯彗星快照来确定其轨道。

纳迪亚·德雷克

有些人刷网页只为找一些名人和猫的照片。

另外一些人则搜索彗星。

在使用雅虎图片搜索引擎检索曾于2007年造访过地球的霍姆斯彗星的图片后，一支由天文学家组成的团队使用他们找到的图片重建了这颗彗星轨道的三维模型，证明了天文学家可以采用那些素未谋面的参与者提供的信息。

这项研究发表在2012年8月出版的《天文》杂志上。哈佛大学的阿莉莎·古德曼对此表示：“我认为这是很重要的开端。最大的问题是关于这些并非出于其原本目的收集来的数据的有效性。”

尽管互联网充斥着各种可以免费使用的信息，例如在Twitter上可以获取即时新闻，但是将它们组织成有用的信息用于科学研究却需要一些技巧。

当普林斯顿大学的计算机科学家达斯汀·朗决定利用那些会将图片张贴到网上的天文观测者的力量时，他使用了一个被称为“Astrometry.net”的在线计算机程序来过滤这些图片。Astrometry.net通过观察每张图中的天体，例如恒星，来确定这张图片在天空中的位置。

最初雅虎搜索引擎反馈了超过2400张图片，这其中包含了彗星和一些完全不同事物的图片。

朗说：“在早期的搜索结果中甚至有两只猫。”

朗和纽约大学的戴维·霍格使用Astrometry.net将结果缩小到了1299张图片，但这仍然是一个来源于不同地点不同照相机不同曝光程度的照片大杂烩。之后团队重建了彗星轨道的三维模型，其结果与美国航天局喷气推进实验室确定的轨道十分接近。

“这是一次关于利用那些我们完全不了解的多样性数据可以做什么的尝试。”朗说，“它比我们想象的要有用得多。”

并且，不仅仅天文学可以从中获益。“它还将应用到许多其他领域。”古德曼说，意味着医学图像和天气数据可以采用相似的方法进行挖掘。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：D. Lang and D.W. Hogg

2007年，霍姆斯彗星从地球飞过。这张合成图像是利用网上的照片重建了这颗天体的轨道而合成的。

具有古怪轨道的天体回到了家乡

两个来自远方的“旅客”揭示了太阳系的形成。

克里斯托弗·克罗克特

来自太阳系边缘的两个“游客”似乎要回到它们的出生地了。其中一个是由岩石组成的，另一个则由大量有机化合物构成。尽管它们来自于包围着太阳系的冰态碎片区域，但是它们两个与该区域内其他天体都不同。相反，这两个天体可能是太阳系形成初期留下来的遗迹，在40多亿年前，行星仍还在形成时，它们被抛到了奥尔特云。

其中一个天体，C/2013 P2（Pan-STARRS），正在太阳周围环行，每5100万年才出现一次。2013年8月，夏威夷大学的行星科学家凯伦·米奇和他的同事发现了这个天体，当时它距离太阳大约是日地距离的三倍。

C/2013 P2的高度延展的轨道表明，它最有可能来自奥尔特云。但是由于缺乏一条尾巴，P2被标记为了一个古怪的天体。来自奥尔特云的彗星，例如最近的“游客”ISON和塞丁泉彗星，当它们接近太阳的时候，通常都会被点亮。来自太阳的热量使其生成了由冰和尘埃组成的、明亮的长尾巴。但是P2只显示出了一个紧随其后的几乎看不见的粒子流。

“这与我们之前看到过的任何东西都不同。”米奇说。2014年11月11日，他公布了这一发现。

在研究P2的同时，米奇和他的同事偶然发现了正穿过小行星带的另一个天体。该天体同样也处于一个类似于彗星的轨道上，但是却只含有少量的冰或者尘埃。第二个天体，C/2014 S3（Pan-STARRS），在太阳周围环行，周期为31.4万年。它距离太阳约270亿千米，6倍于海王星到太阳的距离。

米奇和他的同事使用了位于夏威夷莫纳克亚山上的加拿大-法国-夏威夷望远镜近距离观测了这两个天体。P2是红色的，表明它被有机物质覆盖着；而S3则看起来是由岩石构成的。既然P2看起来像是在海王星之外、布满冰态巨石的圆盘状区域——柯伊伯带中的天体，S3看起来像是主要居住在太阳系内部的小行星，那么这两个天体肯定是形成于比起奥尔特云来说更靠近太阳的地方。

华盛顿卡内基科学研究所的行星科学家斯科特·谢泼德表示，S3的组成尤其令人吃惊。小行星似乎只能形成于木星轨道之内。对于一个从太阳系的边缘来到这里的岩质天体来说，肯定在很久之前它就已经被推出去了。在奥尔特云中居住了数十亿年之后，一个引力推动可能将S3送回太阳系内部，坠向太阳。随后当它与木星相遇时，木星的引力可能又将S3重新定向到了其目前的轨道。

如果上述情况是正确的，那么S3可能是来自太阳系最初几百万年的一个残余物。当时木星向着太阳徘徊到了火星目前的轨道，还没有返回。这一理论，被称为“大策略模型”，解释了火星出奇小的尺寸，以及小行星带内天体的位置。但是没有直接的证据支持该理论。

米奇说，如果大策略模型是正确的，那么研究人员就可以确定地球上水的起源了。当木星在太阳系内部穿梭时，它应该将冰态小行星由太阳系较外层拖至内部，最终撞上了地球。

“这对于形成宜居的星球来说，有着重大的影响。”米奇表示。如果需要木星的作用才能向地球传递水，那么这也就意味着系外行星上是否存在着生命取决于巨行星所奠定的基础。

奥尔特云给天文学家抛了一个彗星弧线球

历经几百万年的飞行之后，艾森彗星（ISON）为我们提供了初期太阳系的碎片。

加布里埃尔·波普金

世界上几乎每一台主要的望远镜都已准备好见证艾森彗星与太阳的这次相会，因为这是人类在地球上生存以后的第一次相会。在2013年感恩节，艾森彗星（ISON），一个大约一座山的大小的来自于原始太阳系的彗星，它将与太阳相距接近2百万千米，它要么分崩离析，要么会再次返回深太空。天文学家尚不确定他们会观测到一个如何壮观的彗星和太阳相会的景象，但是艾森彗星已经为科学家们提供了一个非常好的机会，这是自人类历史以来第一次短暂的观测到原始太阳系的样子。

美国洛厄尔天文台的彗星科学家马修·奈特说：“我一直在我的职业生涯中等待这种彗星与太阳相会的事件”。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，J.-Y. Li（Planetary Science Institute）and the Hubble Comet Ison Imaging Science Team

2013年11月晚些时候，这颗被叫作“ISON”的彗星携带着太阳系诞生时期遗留下来的尘埃和气体在太阳附近呼啸而过。这次事件为科学家提供了一次了解更多关于早期太阳和行星的机会。

艾森彗星，正式名称为彗星C/2012 S1，它是由天文爱好者维塔利·涅夫斯基和阿尔乔姆·诺维乔诺克（Artyom Novichonok）发现的。他们发现彗星的工作也属于国际科学光学监测网的巡天计划的一部分。利用靠近俄罗斯基斯洛沃茨克（Kislovodsk）的天文望远镜，他们首次在2012年9月21日发现了在木星轨道外侧的艾森彗星。在接下的几天里，他们整理了以前被忽视的彗星图像，并计算了它在太阳外的轨迹。他们确定该艾森彗星是经过了数百万年的飞行才到达这里，并预测了它未来的轨迹。

根据这些研究工作，天文学家认为艾森彗星来自奥尔特云。奥尔特云位于太阳系的外层，大约是海王星距离太阳的1000倍。它是由一堆有冰物质组成，科学家认为在太阳系行星形成时，奥尔特云被抛出到太阳系的外层，并基本上一直没有变化。奈特称这个奥尔特云为“太阳系的冰柜”。偶尔由于所经过的恒星引力作用，会将一块冰冻物质推出奥尔特云，从而开始了数百万年的进入太阳系的旅行。虽然其他源于太阳系的彗星并定期往返于地球附近，但是奥尔特云产生的彗星如艾森彗星只会来一次太阳系旅行。

天文学家预测ISON将来的轨道将离太阳很近，在那里它有可能被太阳的强大引力作用所撕裂。艾森彗星是第一个来自奥尔特云的彗星，它将非常接近太阳，这将为研究人员提供史无前例的机会来观测被太阳光照亮的星尘、气体、和冰物质。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，and the Hubble Heritage Team（STSCI/AURA）

另外由于艾森彗星一直以来都处于冰冻期，天文学家认为它可能记录了原始太阳系的状况。奈特说：“它将为我们提供一个机会去探知45亿年前太阳系的组成和环境”。

关于艾森彗星的组成的研究报告即将发布。2013年4月，美国亚利桑那州图森市行星科学研究院的李荐扬所领导的研究团队将哈勃天文望远镜的一个相机对准ISON并拍摄了一系列清晰的彗星照片。他们发现ISON的尺寸与一般的彗星类似，它的慧核不超过4千米直径。

利用不同光波长的照片，李荐扬和他的团队发现在慧核周围的区域存在大量冰。这可能表明在大量的冰存在的彗星表面附近也存在大量冰。李荐扬说，因为太阳能够将这些表面的冰蒸发，所以这些冰的存在确认了艾森彗星从未经过太阳系的内层空间。周期性彗星如哈雷彗星，在反复经过太阳周围后，它们表面的冰已经被蒸发失去。

哈勃天文望远镜的观测也表明艾森彗星只有一面朝着太阳。李荐扬认为ISON的黑暗面可能存在由宇宙射线碰撞而产生的痕迹，这些宇宙射线是由极高能粒子所组成，它们在深宇宙的中高速的运动。但是由于太阳风和强大的太阳磁场的存在，这些宇宙射线很少能进入到太阳系内层。太阳外层的奥尔特云失去了太阳风和太阳磁场的保护，因此艾森彗星ISON能提供罕有的观测机会，这能帮助我们认识在无太阳保护下的宇宙射线对环境影响。

不像以往的太阳所捕捉的彗星，艾森彗星在提前一年多被科学家发现，这就为科学家利用地球上主要的天文望远镜对它靠近太阳的飞行过程进行观测。由夏威夷大学天文系的科学家卡伦·米斯和他领导的研究团队利用七个天文科研望远镜和一个天文爱好者望远镜网络对ISON进行观测。他们的研究报告发表于2013年10月20日出版的《天体物理学报通讯》，他们发现ISON释放出大量的星尘、水蒸气、二氧化碳和一氧化碳，科学家们认为所有的这些气体在奥尔特云形成时就已经存在。

他们也研究了ISON为什么在开始的时候比其他彗星要亮得更快，但后来又慢了下来。由于太阳光与气体和星尘的相互作用使得彗星变得明亮起来，米斯认为他们团队所观测数据的最好解释是ISON的慧核中含有一层固态一氧化碳，在被太阳光照射下分子量轻的一氧化碳将被气化。米斯认为这个固态一氧化碳层是在2011年末开始气化，从而喷发出大量的固态水和星尘，使得ISON更加明亮。在所有的一氧化碳固态层都气化喷发之后，彗星被照亮的速度就慢了下来。

米斯希望她的研究团队所做的工作将有利于停止科学家甚至公众对于艾森彗星的争论。前期的研究报告认为艾森彗星可能会变得同满月一样明亮。然而，但艾森彗星并没有像预期那样变得更加明亮时，科学家开始预测艾森彗星的消亡。目前最流行的彗星消亡预测是由安蒂奥基亚（Antioquia）大学的天文学家伊格纳西奥·费林，他的文章在2013年10月2日发表于arXiv.org网站上。

米斯则认为以上两种预测都与目前观测到的ISON的数据不相符，她说，现在的数据表明ISON既不会像月球那样明亮，也不会完全暗下来。

美国西南研究院的奈特和他的同事凯文·沃尔什也同样预测了艾森彗星的命运。在2013年10月10日出版的《天文物理快报》上，他们分析了ISON彗星将如何逃脱太阳的强大引力作用。他们的计算模拟了在不同自转速度时的艾森彗星的最终命运，在大多情况下，艾森彗星将不会灭亡。但是，如何艾森彗星自转的方向与它的运行轨道方向一致，就像一个上旋的网球那样，艾森彗星将碎裂。

由于科学家并不知道彗星自转的方式，奈特和沃尔什认为艾森彗星将很可能不会灭亡。但是奈特也承认其他彗星也因未知的原因而解体，他也准备接受其他惊喜的结果。

艾森彗星是否将碎裂，在2013年11月底由观测和科学研究同时揭晓。李荐扬认为艾森彗星在扫过太阳之前，将在阳光照射下释放大量的冰；他和其他科学家认为艾森彗星释放的气体将揭示它数十亿年前形成时的化学组成。艾森彗星在环绕太阳运行后的几天里，还将继续喷发物质。即使在它碎裂成碎片之后，科学家也将研究它的个别碎片。

地球上的观测者无法看到这些细节，但激动的观测者可能在黎明前的天空中看到这个新天体。艾森彗星ISON可能会像金星那样明亮，那些早起的观测者能够无障碍的东方天空上观测到它。

要观测到对天文学家有用的重要细节，我们需要使用少数几个强大的天文观测台。奈特说，正因为这样我们中的大多人就无法与家人共度这个感恩节了。

无论艾森彗星的命运如何，它的独特来源、它的提前发现以及当今强大的天文望远镜使得ISON成为至今研究最透彻的彗星之一。李荐扬说“它是一个极为特别的彗星”。

“罗塞塔”揭露了一颗复杂的彗星

多样的地形对简单的“冰和尘埃”模型造成了冲击。

克里斯托弗·克罗克特

是时候不要再把彗星当作“脏雪球”来看待了。罗塞塔航天器首次观测到的彗星67P/Churyumov-Gerasimenko显示了一个多样化、复杂的世界。火山爆发和侵蚀塑造了这颗彗星的形状。对彗星的探测可能可以为我们研究46亿年前太阳系的样子提供线索。

遍布的纹理和多样的结构表明彗星67P并不像我们几十年来一直所认为的彗星的普遍形象那样——一个由冰和尘埃组成的、松散的聚集体。

“‘罗塞塔’已经将‘脏雪球’这个概念踢出局了。”罗塞塔团队成员、瑞士伯尔尼大学的行星科学家尼古拉·托马斯说。

之前的任务就已经暗示了彗星比我们预想的要更复杂。“罗塞塔”，第一个环绕一颗彗星飞行的航天器，呈现了彗星上被扬尘和气体喷发风化了的地形。

发表在2015年1月23日出版的《科学》杂志上的七篇新文章中介绍了这颗彗星的数据，揭露了彗星表面尘埃之下存在的一层薄薄的有机化合物。它的表面上没有冰存在的迹象，除了隐藏在一个角落，偶尔会有闪光的矿块中可能含有冰。光滑的尘埃平原覆盖着断裂易碎的地壳，而高耸的悬崖则暴露出层状的基岩。整个地貌充斥着被气体喷流雕刻成的300米宽且几乎同样深的圆坑。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NAVCAM/Rosetta/ESA（CC BY-SA IGO 3.0）

在彗星67P上的一条光滑的尘埃带中凸显出来的一个深坑（左）和一个900米高的悬崖（右）显示了其多变的地形。

“罗塞塔”于2004年发射，在太空中飞行了10年后，于2014年8月才到达彗星67P。2014年10月，“罗塞塔”释放了它的着陆器。随后，着陆器在慧星上反弹了两次后降落在一个悬崖的阴影区中，并因缺乏日照供以能量而停工。“罗塞塔”将会在2015年8月，彗星最接近太阳的时候，重新开工，监控这颗彗星。

2014年9月收集到的数据只是“我们对这颗彗星的第一印象”，欧洲空间局空间研究和技术中心的罗塞塔项目的科学家马特·泰勒表示。第一印象提供了一个参考点，将会帮助研究人员理解彗星接近太阳时发生的变化。

托马斯想要解决的一个问题是多变的地形是否说明了一些关于彗星如何形成的信息。彗星，以及小行星和行星，普遍被认为是由围绕着处于婴儿期的太阳的微小的尘埃粒子黏合在一起形成的。如果这颗彗星是由起源于太阳系不同部分的碎片组装而成的，那么这可能可以解释各式各样的地形。但是来自太阳的热量也可能已经改造了这颗彗星的表面。只有几个月的数据，下结论还为时过早。

托马斯说他看到似乎像是沙丘的结构席卷了一些尘埃平原，感觉很是惊讶。地球和火星上，沙丘很常见。“但是在一颗没有大气的彗星上看到它们，这到底是怎么做到的呢？”他怀疑是否是彗星上因冰被太阳加热转化成的气体而驱动形成的气体喷流生成了可以使尘埃四周移动的风。

“你不会在一个雪球上得到这种形式的地貌。”马里兰大学的行星科学家杰西卡·森夏恩说。与小行星不同，彗星看起来是被蒸发的冰和偶尔的气体喷发塑造成了这种地形。气体喷流可以将一些材料彻底清除或者只是将它移到表面上其他地方。“彗星一个更加复杂的‘野兽’，我们正在试图去理解它。”森夏恩说。

很高兴可以近距离观察所有这些多样性，康奈尔大学的行星科学家彼得·托马斯表示。如果彗星67P“只是一个正在蒸发的模糊的‘网球’，那么就会少了很多趣味。”例如，悬崖，看起来切进了彗星内部，暴露出来层状的基层岩。“这开启了很多梳理出这颗彗星的历史的很多方式。”他说。

想要弄清楚这颗彗星的历史是如何展开的，我们不得不等待。“罗塞塔”还没有看到整颗彗星，南极仍然还隐藏在背阳面，未来几个月也都不会见到光线。在未来的一年，随着彗星逐渐升温，“罗塞塔”会看到这颗彗星的变化，这应该可以使研究人员更好地理解各种地形是如何形成的。

“他们选择了一颗很好的彗星来探测研究，”西雅图华盛顿大学的行星科学家，唐·布朗利说，“在67P接近太阳的时候，对其进行研究，将会向我们展示彗星是如何运行的。”

彗星暴露了它的基础材料

罗塞塔的图像显示了可能的原始太阳系材料。

安德鲁·格兰特

科学家在2014年12月27日举行的美国地球物理联盟秋季会议上报告称，彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的动态的、崎岖不平的地形可能显露出了构成彗星的一米宽的基础材料。

如果得到证实的话，这一发现将会为科学家提供一种原始材料的古老样本。在近46亿年前，太阳系形成时，这种原始材料结合在一起形成了彗星、小行星和行星。

这一迷人的信息是由罗塞塔飞船的OSIRIS仪器传送回来的。OSIRIS所拍摄的彗星表面的照片的分辨率高达每个像素两厘米。图像很快便显示出67P违背了彗星类似于光滑的脏雪球这一传统观点，罗塞塔团队成员霍尔格·西亚克斯说。

这些尚未向公众公开的照片展示了几十或者几百米高的峭壁，以及神秘的坑。有些坑约两个足球场那么长那么深，并且在向太空排出气体。

峭壁和坑的组成成分吸引了西亚克斯的眼球。沿着它们的边缘嵌入在其中的是一些奇怪的球体，大多直径在1～3米之间。

在处于婴儿时期的太阳系中，冰和尘埃压结在一起形成小行星、行星以及像67P这样的彗星。西亚克斯推测这些球体应该是冰和尘埃的基本单元的样本。

科学家们探测新的陨石

发现于摩洛哥的陨石具有关于火星大气的线索。

塔尼娅·刘易斯

以火球的形式进入地球，掉落在摩洛哥沙漠之上的一颗陨石，是迄今为止科学家发现的最新的关于火星表面和大气层的样本。

2011年7月18日，一颗被叫作“提森特”的陨石降落于地球。它是来自火星的五颗陨石中的一颗。当地居民在其降落后找到了这颗陨石的碎片。2012年10月1日，研究人员在《科学》杂志的网站上提到，形成于火星岩浆的陨石可能被水的风化作用磨损了。然后，在大约70万年前，一颗小行星撞击火星，并将火星上的一块岩石物质撞击到了空间中。最终，被撞落的这块岩石沿着撞击的轨迹到达了地球。

《科学》杂志中描述的这块约1.1kg的碎片类似于在1980年发现于南极洲的一颗陨石。那颗陨石首次为火星起源提供了强烈的证据。但是，与其他降落到地球表面上的、很多年之后才被发现的火星陨石不同，提森特陨石并未在地球上受到很长时间的影响。

“如果你对研究一些或多或少由火星直接传递到地球之上，且并未受到地球污染的物质感兴趣，那么这个陨石真的可以称得上是大样本了。”新墨西哥州立大学的行星科学家卡尔·阿吉说。

其他科学家也表示同意，但是并未完全排除污染的可能。“它在沙漠中已经存在了几个月了。”田纳西大学的行星科学家哈里·麦克斯温说，并指出这个陨石并不是在无菌的条件下被收集的。

该报告的合著者、哈桑二世大学的地质学家哈桑·切纳努伊-奥杰哈尼认为，该陨石为火星表面的风干作用提供了证据。她说：“这真的可以说是第一次得到排除了地球污染之后的火星陨石”这个团队的发现与航天器和探测器等对火星的观测结果相一致。

提森特陨石属于无球粒陨石，主要由火山岩石构成。陨石团块表面光亮的黑色涂层显示出它们进入地球大气层时受到了灼烧。它们的岩质内部点缀着黑色的玻璃气泡和小孔，这是在因火星受到撞击而形成的冲击波在岩石中溶解出小囊时形成的。这些玻璃气泡包含关于火星大气气体和表面矿物质的重要信息。

阿吉说：“在这颗陨石内部就好像有一个小型的火星环境一样。”

这颗1.1kg重的提森特陨石团块显示出明显的碳化特征，并且具有黑色玻璃气泡，其内包含着来自于火星的气体。

自成一类的火星陨石

富含水的岩石类似于火星地壳的已知区域。

塔尼娅·刘易斯

最近发现的一块火星陨石上的含水量要比以前发现的同类陨石多得多。

这块陨石，名叫西北非7034（NWA7034）。它形成于21亿年前，并且和火星某部分表面的化学成分非常的吻合。2013年1月3日，科学家将这一发现发表在了在线版《科学》杂志上。因为陨石的这个年纪，可以证明在很久以前可能残存着一个温暖，潮湿的火星。

“这个新的陨石要比以前发现的任何陨石更像火星的外壳。”新墨西哥大学的行星科学家，同样也是前文提到的发表在《科学》杂志上的那篇文章的主要作者卡尔·阿吉说。

2011年在摩洛哥发现的NWA7034陨石与火星探测探测漫游者在火星上所探测的范围的地壳（包括美国航天局的“勇气”号火星车在古谢夫陨石坑中采集到的石子和泥沙）相似。大多数的火星陨石都不太能和探测的范围相吻合，并且有些陨石可能来自于火星表面的其他地方或者是更深地方。

在地球上有超过100块火星陨石被发现。几乎所有的火星陨石都属于SNC类。这些子分类是由第一次发现他们的位置来命名的。NWA7034这个火星陨石与SNC类型的火星陨石有些相似之处，但是在其他方面就有很大的不同，阿吉阐述说道。

阿吉还指出，在NW7034中含有大约千分之六（6000ppm）的水，这里的水量比SNC类型的陨石里的水含量多10倍以上。这些水是来自于在火山爆发时所融化的永久冻土，也可能来自于火星表面的液态水。

为了测量水含量，科学家将NWA7034放入烤箱中，并将它加热到不同阶段。他们同样又把样本放在真空中加热，以此来检测所形成的水蒸气中氢元素的不同形式。文章作者提到，所有的这些检测结果表明，水是来自于火星的。

这些发现帮助解释了一个疑问，即这些陨石是否在到达地球后被污染了。“它在地球上已经很长时间了，但是它看起来又不像是陆地水。”美国航天局艾姆斯研究中心的陨星学专家德雷克·西尔斯说道。

IV　人类探索的足迹

Human Explorations

哈勃年

哈勃太空望远镜改变了我们观测宇宙的视野。

克里斯托弗·克罗克特

2015年3月一个寒冷的星期六晚上，数百人丝毫没有被6英寸多深的雪吓到，他们挤在巴尔的摩约翰霍普金斯大学的赖弗大厅，欣赏“宇宙尘埃”的首映式。在管弦乐的伴奏下，一组宇宙深空的图片展现在大家眼前。小号嘹亮的吹奏声传递了恒星爆炸时产生的巨大的能量；层叠的小提琴声伴随着彗星的旅程激荡。随着交响乐的演奏，星系和星云的图像在大屏幕上不断滚动。

很少有望远镜可以得到这样一场音乐会的殊荣。但是哈勃望远镜与其他望远镜都不同。

洛杉矶的作曲家拉塞尔·斯坦伯格创作了《宇宙尘埃》这首曲子。他说：“因为哈勃具备优势——位于太空，不受地球大气的影响，所以它成了观察宇宙最锐利的眼睛之一。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA

1993年，宇航员为哈勃太空望远镜畸形的镜子安装了一个改正镜。随后，哈勃望远镜拍摄了深空区域（左上）中的成千上万个星系和如螺旋星云（中央）这样的死亡恒星以及包括Arp 273（底部）在内的卷曲的星系的照片。

在太空中的25年，哈勃已经把宇宙都看了个遍。它见证了一颗彗星的碎片撞击木星。它通过猎户座星云中新生恒星的光侦测到行星温床的轮廓。它证实了在每个大型星系的中心都隐藏着一个超大质量黑洞——一个看不见的重达数十亿倍太阳质量的庞然大物。哈勃甚至监控到了远至七千万光年的脉动变星。通过这些观测，哈勃解决了关于宇宙膨胀速度和年龄的长达几十年之久的争论。

当然，还有照片。从创生之柱——新生的恒星雕刻而成的几光年高的气体柱的尖端，到哈勃深空区域——跨越广袤的空间和时间的一万多个星系，哈勃拍摄到的形象的照片为天文学家以及公众观察整个宇宙树立了一个新的标准。

哈勃畸形的镜子传送回家的早期图像是模糊的。这样的一个开始对一架望远镜来说不会更寒酸了，它甚至被作为午夜搞笑电视节目中的笑柄。

但是今天的哈勃望远镜已经获得这样“巨大的成功，”芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼说，“因为它是一个巨大的进步，超出了我们在这之前可以做到的一切。”

1990年4月24日，哈勃太空望远镜随“发现号”航天飞机进入预定轨道。今天，哈勃正在探索着那些当时从没有想过的尖端科学。宾州州立大学的天文学家霍德华·邦德说：“现在我们看到的这些，绝大多数都是从未梦想过的。”没有人知道宇宙膨胀正在加速。其他恒星系统也只存在于人们的幻想之中。当然，冥王星还是一颗行星。

哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家罗伯特·科什纳说：“在考虑大自然中所有事情时，最初，我们没有足够的想象力。”不同的相机和光谱仪与望远镜精巧的装置结合在一起，使得哈勃可以尝试那些未曾计划过的事情。

哈勃的长寿归功于载人航天技术。迄今为止，宇航员已经造访过哈勃五次，包括1993年那次安装矫正有瑕疵的镜片的光学仪器。每一次造访都带来了备件和更先进的仪器。

科什纳说：“这个望远镜现在刚好25周岁，它现在的工作情况比以往任何时候都要出色。”图像更清晰，可以观测到的地方也比以前更远。除非出现灾难性的故障，哈勃望远镜可能还会有30周年庆。

在2009年最后一次维修任务期间，宇航员为哈勃安装了一个红外摄像机。科什纳正在试图解决天文学最为棘手的谜团之一：为什么宇宙的膨胀正在加速？他使用哈勃新的红外眼睛来观测其他星系中的Ⅰa型超新星。因为这类超新星在爆发时发出的光度大致相同，所以它们可以作为“标准烛光”来测量距离。比起光学波段，在红外波段观测到的Ⅰa型超新星爆发时的光度更加一致，所以科什纳希望红外照相机可以为宇宙膨胀随着时间的变化提供更加精确的观测。

天文学家也将这个新的照相机指向了我们可以观测到的宇宙尽头的星系。这些星系发出的光花费了超过130亿年的时间才到达地球，所以仅在大爆炸发生后的几百万年，星系就形成了。那个时候宇宙的膨胀已经将来自这些星系的可见光拉伸到红外波段，哈勃的新相机刚好可以观测到。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA

从2005年到2012年，哈勃望远镜发现了冥王星（左上）周围的四颗新的卫星，使其行星总数增至五个。更远处，在蝴蝶星云（右上）中，两个锥形气体从一颗死亡的恒星喷出。然而，更大质量的恒星将如蟹状星云（左下）一样结束自己的生命。蟹状星云首次发现于1054年，是一颗死亡恒星的遗迹。

将哈勃的观测与其他望远镜的观测拼接在一起，天文学家可以看到星系在整个宇宙历史中是如何演化的。起初，星系是由气体和恒星混合而成的形状奇怪的团块不断合并形成的。最终它们构建成了我们今天看到的大型的漩涡星系和椭圆星系。

“我们了解到，在宇宙初期，恒星疯狂形成，随后在100亿年前恒星形成速率达到了顶峰，此后便一直在下降，”哈勃总部——巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天体物理学家马里奥·里维奥说，“没有人知道哈勃会给我们带来这些信息。”

同样也没有任何人知道哈勃会在环绕其他恒星运动的行星的大气中嗅探气味。邦德说：“如果你提到这些，人们甚至会认为你疯了。”

在哈勃成功发射两年后，天文学家发现了太阳系外的第一颗行星。2000年，哈勃望远镜第一次发现了在一颗系外行星周围存在着一层大气的证据。当这颗行星在它的恒星前方穿过时，特定波长的星光被行星大气中的气体吸收了。从那之后，哈勃，以及其他太空望远镜和地面望远镜，已经统计了超过50颗行星的大气中的化学物质组成。“哈勃是非常卓越的设备，我们可以使用它来完成这些测量。”加州理工学院的天文学家希瑟·克努森如是说。

克努森使用哈勃来理解超级地球（质量为地球质量几倍的行星）的起源。天文学家不理解这些重量级行星是如何形成的。但是行星周围的大气可能记录了它们是在哪里形成的，这是弄清楚它们形成方式的第一步。

不是只有研究人员拜倒在哈勃的“石榴裙”下。当公众想到天文学时，克努森补充道，哈勃的图像是首先想到的事情。她说：“哈勃建立了我们对天文学的认识。”

戈达徳太空飞行中心的天体物理学家詹妮弗·怀斯曼说，美国航天局为了使公众可以更加便利地获得哈勃的图像已经竭尽全力。这些形象的照片极具艺术性，大部分的功劳要归于1998年由邦德和其他人建立的哈勃遗产项目。除了向纳税人展示他们所支付的项目外，怀斯曼认为还有更高的价值。

“这可以使世界各地的人们都感到一种团结的力量，”她说，“我们都是兄弟姐妹，共同生存在这个星球上，而这个星球只是一个不可思议的更大的宇宙的很小的一部分。”

考虑到公众对哈勃望远镜的反应，这种哲学似乎产生了共鸣。图像激发了诗歌，舞蹈，当然还有音乐。

音乐会结束后，斯坦伯格在与哈勃的天文学家和已经造访过哈勃三次的前宇航员握手时，看起来几乎都晕头转向了。

对于斯坦伯格来说，音乐是他帮助人们理解哈勃25年间向大家所展示的一切并且将它与我们自身联系在一起的一种方式。他说，我们渴望看向天空的原因，是因为我们在寻求我们的起源。“想要弄清楚是什么造就了我们人类的这种好奇心是如此原始，迫使我们将眼光放向了天空。”斯坦伯格如是说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA

（左上图）1994年，哈勃目击了一颗彗星击中木星。

（左下图）2004年和2006年，拍摄到太阳系外行星的照片。

（右图）在猎户座星云中的气体和尘埃漩涡中，大量恒星正在形成。它距离地球约1300光年，是最近的恒星温床。

展望哈勃的未来

哈勃太空望远镜将会探测宇宙膨胀和外星大气。

克里斯托弗·克罗克特

一项探索超亮恒星附近的超大型行星的大气的技术对于哈勃太空望远镜揭开宇宙的历史同样也会有帮助。

哈勃太空望远镜的科学家探索出一种方法：在收集星光的时候慢慢扫描天空，这样望远镜可以探索恒星附近的环境，否则它敏感的探测器会因恒星太亮而无法观测它周围的区域。事实证明，这种技巧还使得天文学家对附近恒星距离的测量达到前所未有的精度，进而帮助宇宙膨胀速度调整归零以及解释膨胀为什么在加速。

将这项技术用于哈勃太空望远镜是从一个为期四天的研讨会中得到的启示。2015年4月20～23日，天文学家聚集在哈勃总部——巴尔的摩太空望远镜科学研究所，举办1990年4月24日发射升空的哈勃太空望远镜的25周年庆。他们还展望了哈勃望远镜在它剩余的几年里可以实现的目标。

哈勃是第一个进行深空探测的仪器，加州理工学院的天文学家希瑟·克努森如是说。克努森使用哈勃来检测超级地球（即质量是地球质量几倍的行星）的大气。大气保留着行星如何形成的记录。

但是克努森想要检测的很多行星所围绕的恒星对于哈勃敏感的探测器来说太亮了。在收集星光的时候，她通过慢慢转变哈勃的指向，使得恒星在望远镜的视野中漂移，进而观测恒星周围区域。星光细流扫过探测器，就不会对一小块像素狂轰滥炸，从而避免了任何一个区域饱和溢出。

克努森和她的同事已经申请了哈勃的时间来检查最近再生的开普勒太空望远镜发现的一个超级地球的大气。这颗行星被命名为EPIC 201912552b，将会是第一个对其大气进行观测的、处于可居住区域的超级地球。研究人员之前并没有计划在哈勃的继任者——詹姆斯韦伯太空望远镜发射之前进行这样的测量。克努森说：“哈勃可以在詹姆斯韦伯之前抢先进行观测。”

克努森希望测量这个潜在适合居住的星球的大气中的碳氧比。这两种元素的相对含量可以帮助研究人员确定行星形成所在地。这个行星同样也是足够冷的，研究人员可以探测大气中的甲烷或者氨，如果存在的话。

约翰霍普金斯大学的天体物理学家亚当·里斯把他的视线放得有点儿远，超过了已知宇宙的一半。他使用Ⅰa型超新星来追踪宇宙的膨胀速度，一个被称为哈勃常数的量。

里斯说，为了获得更高的精度，最大的障碍之一是测量银河系中的恒星的距离，因为需要利用这个距离来校准Ⅰa型超新星的亮度。事实证明，克努森所使用的扫描技巧可以很好地扫清这一障碍。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，S. Perlmutter/LBNL/UC Berkeley，A. Koekemoer/STSCI，M. Postman/STSCI，A. Riess/JHU，J. Nordin/LBNL/UC Berkeley，D. Rubin/Florida State Univ.，C. McCully/Rutgers Univ.

哈勃太空望远镜用于探索系外行星大气的一种技术可以帮助科学家测量1a型超新星的距离，例如图中这个藏在一个星系团后面的超新星。

当使用三角视差的方法对附近恒星的距离进行测量时，天文学家必须精确测量这颗行星相对于其他恒星的位置。然而，通过望远镜扫描而非将其固定在一个位置，研究人员可以测量星光的光线的位置而非一个点，从而求平均排除很多悄悄混进来的误差。里斯说，这就像是对一个对象进行成千上万次的观测然后取平均值一样。

基于早期的测试，里斯认为利用这种方法，在2016年哈勃常数的不确定性会减半。暗能量是一种宇宙排斥力，会不断增加宇宙膨胀速度。这样的改进对于天文学家在进行暗能量效应的测量的精度有一个巨大的影响。

研讨会帮助人们理解了哈勃的灵活性，约翰霍普金斯大学的天文学家史蒂夫·罗德尼如是说。25年来，从外星世界到宇宙的演化，哈勃不断推进研究前沿。而且尽管对于任何破损的地方可能都没有希望再修理了，天文学家仍然很乐观地认为哈勃至少还可以再正常使用几年。

天文学的艺术

阿什利·耶格尔

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Hubble Heritage Team/Hubble/NASA，ESA

佐尔坦·勒威使用哈勃绘制出了宇宙图像，包括创生之柱

佐尔坦·勒威，虽然是一名天文学家，却有着一颗摄影师的心。在人类最先进的望远镜之一——哈勃太空望远镜的帮助下，他创造了宇宙图像。他说，用望远镜生成照片，与在国家公园中拍摄山水，没有特别不同。“我们只是在拍摄宇宙的风景而已。”他这样说。

62岁的勒威是哈勃望远镜成像组的领导者，并且是哈勃遗产团队的成员。该团队致力于将哈勃的图像分享给公众。勒威生于巴基斯坦，1956年同他的父母一起搬到了美国。高中时，他建立了他自己的望远镜，并且拍摄了行星和恒星的照片。他学习了天文学和天体物理学，并且在1983年作为哈勃的程序员，加入巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。1990年哈勃太空望远镜发射升空，几年后，他开始致力于研究哈勃拍摄的照片。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Pat Izzo/GSFC/NASA

佐尔坦·勒威

勒威将哈勃望远镜的原始数据转换成形象的图像。哈勃的相机拍摄黑白照片，并且用滤光片记录颜色。勒威则根据记录的信息将数据转换成红绿蓝三色合成的图像。

其中一个著名的哈勃图像是1995年发布的“创生之柱”。在图像上，手指状的突出部分象征着恒星诞生所在地。通过使用哈勃望远镜上新安装的红外摄像机，勒威和他的团队已经重新制作了这一图像，比之前更加清晰，而且也提供了一个云柱内部的视野。他说：“这是一个见证哈勃任务的很好的方式。”

小望远镜，大行星

纳迪亚·德雷克

有时候，指向天空的一个小眼睛可以看到大事物。KELT望远镜基本上就是一个数码相机，它发现了距离恒星很远的两颗巨大的伴星。一颗是木星大小的行星，它的恒星足够亮，使科学家可以研究这颗行星的大气层。另一颗是巨大的褐矮星，俄亥俄州立大学的托马斯·贝亚蒂在2012年6月13日说：“以前从未发现过。”KELT通过天体在恒星和地球之间穿过时造成的恒星亮度下降的现象来寻找天体。其中一颗褐矮星是KELT-1b，其质量大约是木星的30倍。它的轨道周期仅仅为29个小时，接收到的光总量是地球的6000倍。贝亚蒂说：“这稍稍重置了奇异现象的界限。”

旅行者1号仍未飞出太阳系

科学家等待飞船抵达星际空间。

纳迪亚·德雷克

39年前，美国航天局在1977年9月5日发射的旅行者1号飞船，将要到达星际空间中了。很快飞船将冲破太阳风形成的“气泡”，飞出太阳系。

问题是：要多久？来自约翰霍普金斯大学的团队在2012年9月6日出版的《自然》杂志中提出，太阳系的边界也许比想象的要稍远些。

2012年早些时候美国宇航局报告称，距地球180亿多千米的最远的宇宙飞船旅行者1号侦测到两个重要信号，预示着它即将飞出太阳系。但在分析来自早前一系列滚动的机动飞行的数据后，科学家没有检测到表征太阳系边界的预期的带电粒子流。

在太阳系边界上，带电粒子的轨迹会变为沿着太阳极轴的方向，所形成的带电粒子流会覆盖球状边界的内表面。旅行者1号没有探测到这样的变化，这说明飞船没有抵达太阳系边界，或者太阳系边界的情况和预期的不同。

“有观点认为存在某种模糊的边界，就像从新泽西州到宾夕法尼亚州，边界并不是那么分明。”该项研究的合作者、空间物理学家埃德蒙·鲁洛夫说。

很明显旅行者1号现在正处在一个被叫作日鞘层的地区，这是太阳风逐渐减速的地方与太阳风顶层之间的过渡区域，而太阳风顶层是太阳风吹出的“气泡”的最边缘。

“我们看到太阳风差不多将要停止，旅行者1号正处在太阳风停滞的区域。”2012年5月，旅行者飞船的首席科学家、加州理工学院的爱德华·斯通说道，“也就是说，我们离太阳风顶层很近了。”

旅行者号进入神秘未知的领域

在探测器到达星际空间之前，新的宇宙前沿探索将会继续。

塔尼娅·刘易斯

旅行者1号在飞离太阳系的途中遇到了一个具有带电粒子的“磁场高速路”。这一迹象表明旅行者1号离到达太阳系外星际空间的距离已经不远了。

这个“磁场高速”位于太阳磁场与星际磁场的交汇处。一部分是被太阳风吹动的粒子正向外加速，而另一部分是来自太阳系外产生的宇宙射线粒子正向内加速。

在2012年12月3日的电话会议中，约翰霍普金斯大学应用物理实验室旅行者项目的科学家斯塔马蒂奥斯·克里米吉斯（Stamatios Krimigis）说：“这是一个非常意外的重要发现。”

旅行者1号和2号均于1977年发射升空，两者前后间隔16天。并且这两艘宇宙飞船是目前在宇宙中飞行最远的人类探测器。其中旅行者1号的飞行距离是日地距离的123倍。旅行者2号的飞行距离约为日地距离的101倍。

当旅行者1号在穿越包裹着太阳系的带电粒子层时，这个“磁场高速”可能是最外层的区域。尽管科学家推测这次穿越会发生得很快，但是确切的时间还无从知晓。“也许这会持续好几个月，甚至是好几年。”加州理工大学的旅行者号项目科学家爱德华·斯通说。

旅行者1号第一次遭遇“磁场高速”是在2012年7月28日，这时太阳风的粒子突然消散，并且磁场强度突然加强。在经多次进进出出的漂移后，旅行者1号宇宙飞船最终于2012年8月25日顺利进入“磁场高速”。

“旅行者1号已经进入了一个新的区域，这是人类之前从未探测过的区域。”西南研究所的空间科学家戴维·麦科马斯说。

虽然太阳系边缘模型未能预测出这个“磁场高速”的存在，但是当一些最早的线索在2012年7月出现后，麦科马斯和他的一个同事随即在2012年10月出版的《天体物理学报》上发表文章，说明了这一“磁场高速”的存在原因。

所以，当旅行者号探测器最终确定飞离太阳系时，它还将会探测到什么？“我想我们将会发现一个南—北方向的磁场，而且我们已经探测到了几千赫兹的射电波，”斯通说道，“但是一旦旅行者1号飞离到这个带电粒子层外，我们会更加震惊。”

“旅行者1号”可能还在太阳气泡中

科学家争论探测器还没有到达星际空间。

安德鲁·格兰特

在美国航天局的“旅行者1号”离开太阳的保护泡将近一年之后，该项目的两名科学家认为，其实宇宙飞船从未离开过。许多天文学家对此断言持怀疑态度，但是这一争论也说明了从太阳气泡到星际空间的过渡是不明确的。

“我倾向于认为我们已经到了星际空间，但是我也不是完全相信，”美国航天局戈达徳太空航天中心的天体物理学家埃里克·克里斯汀（非旅行者号团队成员）说，“我不责怪考虑其他解释的怀疑者。”

“旅行者1号”和它的孪生兄弟“旅行者2号”分别在1980年和1989年完成了它们到较外层行星的旅行。自那时以来，科学家便热切期待着探测器离开环绕着太阳和行星的粒子气泡——日球层，进入恒星之间未知的空间。（这两个探测器在接下来3万年左右都不会离开太阳系，因为太阳的引力在日球层顶（日球层的边界）之外都还有影响。）

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA

“旅行者1号”可能仍然还在日球层内，即包裹着太阳和行星的粒子气泡。它在2004年穿过了终止激波，即太阳风减缓的地方。

2013年9月，经过几个月的推测，项目科学家最终宣布“旅行者1号”已经在2012年8月25日离开了日球层。他们说，证据是经由来自太阳的一个冲击波传来的。2013年4月这个冲击波在探测器周围推挤了很多粒子。这些粒子的振动表明宇宙飞船被一层致密的星际粒子包围着，而非由太阳粒子构成的相对较稀薄的迷雾。2014年7月，研究人员在分析了于同年3月份到达“旅行者”的另一个太阳爆发之后重申了他们的结论。

然而，“旅行者”尚未发现科学家长期预测的星际空间名片：磁场方向上的转变。科学家预期探测器会遇到处于星际磁场的影响之下的粒子。星际磁场覆盖在日球层的外壳层，在其影响之下的粒子会有一个突然的转变。然而，探测器所探测到的方向却仍顽固不变，研究人员不知道其中的原因。“这整个区域比任何人想象的都麻烦得多。”克里斯汀说。

对于旅行者项目的科学家、密歇根大学的乔治·格勒克勒和伦纳德·菲斯克来说，这有点儿太麻烦了。他们想知道由“旅行者”测量到的磁场和粒子的密度情况是否可以在日球层内存在。在2014年7月18日出版的《地球物理学研究快报》中的一篇文章里，格勒克勒和菲斯克认为日球层外层可以允许银河系的粒子从气泡之外向内部流入，这可以解释密度测量结果。

研究人员的分析包括了一种检验这种理论的方法。格勒克勒和菲斯克指出，如果“旅行者1号”在日球层之内，那么它应该仍然还在太阳磁场的支配中。如果“旅行者”已经离开了日球层，那么在约一年之内，“旅行者”应该可以探测到磁场方向上有个180度的翻转，这是由于太阳自转造成的一种有规律的现象。“如果发生这种情况，伦恩和我将会有一个盛大的庆祝活动。”格勒克勒说。

“这是一篇很好的文章，”圣安东尼奥西南研究所的空间科学家斯蒂芬·福斯勒说，“他们提出了一个大胆的、可测试的预测。”

不过，福斯勒认为格勒克勒和菲斯克是错误的，尽管这个提议与“旅行者”的密度测量结果是一致的，他说，但是这不能解释2013年4月旅行者号探测到的粒子振动。科学家认为，太阳的冲击波仅仅在与日球层边界发生相互作用之后便引起了这些振动。

在2015年更多冲击波的测量结果和磁场方向上180度转变的可能性的帮助之下，“旅行者”应该会提供更多清晰的信息。克里斯汀说，与此同时，科学家必须保持耐心。试图用一个探测器来描述一个广阔的未知的宇宙空间的特性就像是试图用一个单独的浮标来理解一汪海洋一样。

在几年后，另一个浮标应该会到达日球层边界附近：“旅行者2号”。与它的孪生兄弟“旅行者1号”不同，“旅行者2号”加入了一个持续运作的仪器，它可以对粒子的密度和温度进行连续测量。“多年以来，‘旅行者’的观测已经令我们感到惊讶，”福斯勒说，“我们只需等待更多惊喜。”

光荣的开普勒望远镜并未终结

即便没有望远镜的帮助，科学家仍然会搜寻行星。

安德鲁·格兰特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA Ames，Kepler Mission，Jason Rowe，Chris Burke，Wendy Stenzel

天文学家使用开普勒太空望远镜发现了数千颗系外行星候选体。这张插图按比例显示了行星在其恒星上的显影轮廓。

2013年5月，哈佛-史密松天体物理中心的科学家安排了一个名为“后开普勒时代的系外行星”（Exo-planets in the Post-Kepler Era）的会议。他们认为这个时代应该会在会议举行很久之后才可能到来。然而，当5月份美国航天局（NASA）搜寻行星的开普勒望远镜的一个关键设备突然发生故障后，聚集在马萨诸塞州坎布里奇市的100多位天文学家都认为之前所安排好的一切太及时了。

当天文学家提出新的行星测量方法和观测技术时，在加州负责开普勒望远镜的工程师正在筹划如何远程修复这两个破损反应轮中的其中一个，这两个反应轮在出现故障之前是用于精确聚焦的。他们计划修理这个价值6亿美元的望远镜，但他们也承认通过一次性修理来完善的可能性不大。

开普勒望远镜已经停工，也许再不会运转了，但是它所探测发现的结果已经彻底改变了科学家对太阳系外的行星的认识，并且也正在指导着现在的研究课题以及将来的研究方向。尽管天文学家想再利用开普勒望远镜获得更多的测量，但是以往更先进的行星探测器将会更有效地探索类地行星，在这些类地行星上具有生物生存的化学成分和环境。

“这仍旧是一个乐观的，令人激动的领域，”哈佛-史密松天体物理中心的天文学家，同时也是开普勒望远镜团队成员的戴维·莱瑟姆说，“开普勒望远镜的贡献是伟大的，我们将会非常激动地迈向下一步。”

开普勒望远镜已经成为太阳系外行星的代名词，以至于人们很难回忆起在没有发射开普勒之前的天文科学领域的状况是什么样。2009年3月6日，当德尔塔2号火箭带着开普勒望远镜进入宇宙空间时，天文学家就发现了星系中包含至少有350个太阳系外行星，它们的大小都接近于或大于木星。

经过四年的对恒星轨道中的阴影探测，开普勒望远镜已经探测到3000多个太阳系外行星。正因为有开普勒，天文学家才能确定银河系中不计其数的行星数量，即大约一个恒星就有一个行星，总共约170亿个地球大小的行星。

这些行星探测数据促使了美国航天局（NASA）进行的下一步太阳系外行星的探测项目，凌日系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）将定于2017年发射。开普勒的探测目标是遥远的恒星，而TESS将集中观测近地恒星，更先进的太空望远镜——例如将来的詹姆斯·韦伯太空望远镜会用于探测这些被TESS所发现的行星大气。开普勒的行星探测使得TESS科学家更加乐观地去使用2亿美元中等费用的望远镜，虽然它不及开普勒望远镜灵敏，但它一定能够发现我们周围大量行星，包括少数类似地球大小的行星。

开普勒望远镜已经揭示了一类新的可能适合人类居住的行星，它们的尺寸要大于天文学家过去所寻找的类似地球尺寸大小的行星。开普勒的数据库含有近700个行星，其中大于地球尺寸的占25％至100％。其中一些行星所围绕的恒星比太阳温度要低，但它们之间的距离却比日地距离近，这就很可能有液态水在其表面。这些行星并不像地球，也不像太阳系中的其他行星，但这并不意味着他们不适于人类居住。

探测这些超级地球和其他行星是否适合生命居住的关键是探知它们的化学成分。天文学家希望将TESS望远镜所观测到的行星尺寸与地面上的天文望远镜所测得的行星质量进行关联。行星质量的测量是通过观测由行星引力所引发的恒星微小摆动而得到的。

这项观测行星质量的技术被称为径向速度观测，几年前它仅能观测到那些巨大质量的行星，因为它们有强牵引力作用于他们所围绕的恒星。但随之不久，这项观测技术在2012年10月得到了巨大改进。高精度径向速度行星搜索设备被装在智利的一个3.6米望远镜上，它成功地观测到一个稍大于地球的行星，这个行星紧密围绕着一个类似太阳的恒星，半人马座阿尔法星B（Alpha Centauri B），其距离地球4.4光年。

在美国、欧洲和南美洲的天文台中，其他的径向速度行星测量装置正与日俱增。到2016年，欧洲南方天文台计划安装目前最精确的行星测量装置，叫作ESPRESSO。当一个地球质量大小的行星经过时，ESPRESSO能够观测到非常微小的星体颤动。

ESPRESSO之所以能取得这样的成功是由于存在合理数量的这类行星。开普勒望远镜的主要任务是探测宇宙中类地行星出现的频率，然而由于开普勒望远镜现在有机械故障，已无法完成这项使命。来自卡耐基科学院（华盛顿特区）的开普勒研究团队的天文学家阿兰·博斯说：“现在我们有足够的数据进行合理的推测，以推出类地行星的数量，尽管它并不是实际测量的数值”。

其他天文学家同他一样有些失望，但他们依然十分乐观。因为他们需要分析开普勒过去一年的检测数据，这可能获得令人振奋的发现，十分有可能发现一个地球尺寸大小的行星正围绕着一个类似太阳的恒星，他们之间的距离正适合生命生存。莱瑟姆说：“我们不能灰心失望，因为我们有一套非常漂亮的观测数据，需要我们花数年来研究它。”

莱瑟姆在报告会后说，天文学家在这个后开普勒会议上将这些数据与新的探测项目相结合，再加16瓶酒，他们对未来的行星探索十分乐观。

他说，每个人都在以某种方式向开普勒望远镜致敬。

开普勒太空望远镜重获新生

通过与阳光平衡，行星搜寻者重生。

克里斯托弗·克罗克特

关于开普勒太空望远镜“死亡”的报道被严重夸大了。

美国航天局搜寻行星的佼佼者，在为期四年的任务期间确认了将近1000颗系外行星的开普勒太空望远镜，得到太阳的一点帮助，焕发了第二次生机。美国航天局发布了新的任务，被称为K2，在2014年5月底开始观测。

去年春天，开普勒四个反作用轮中的第二个停止了工作，它便不能再使用了。反作用轮将望远镜指向正确的方向；它至少需要三个。一旦开普勒只剩下两个轮子，它自身便再也不能足够稳定了。

开普勒任务的项目科学家史蒂夫·豪厄尔表示，当2012年第一个轮子损坏之后不久，波音公司的工程师便想到了一个绝妙的解决方案，可以使用剩余两个轮子继续执行任务：利用阳光来使望远镜平衡。

开普勒的一面贴着太阳能电池板，其所处的角度使它看起来就像是一所房子的屋顶。豪厄尔说，当雨水垂直下落到屋顶时，两边会得到等量的水。如果开普勒将它的太阳能电池板“屋顶”的顶部指向太阳，那么每一边都会得到来自阳光的等量的推动力，两方抵消，光就像是第三个反作用轮使这个宇宙飞船保持稳定。

但是在K2的任务里，开普勒不能再像过去四年那样一直注视同一个方向了。而是，开普勒的指向将会沿着黄道，即地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆。

现在，当开普勒随着地球绕太阳运动时，每次它都将盯着一块天空观测80天左右，随后便转向新的地方。望远镜观测时间的长度以及其观测的地方受太阳位置所限。如果望远镜过早转向一片天空，那么阳光将会在一个太浅的角度上击中太阳能电池板。如果望远镜盯着一片天空太久，那么阳光将会弹跳进望远镜管，使这个行星猎人“失明”。

2013年秋天，开普勒的科学家花费了大部分时间测试这一方案。“我们无法根据之前的案例获知它是否可以起作用。”豪厄尔说。尽管用阳光来平衡意味着K2的精度会不如原来的任务的，但是这足以使其继续工作。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Wendy Stenzel/NASA Ames，Adapted by S. Egts

阳光使开普勒保持稳定开普勒的新任务，K2通过阳光来弥补一个损坏了的反作用轮并且使望远镜保持平衡。K2大约每80天观测一片新的天空区域，寻找更多的行星和其他“天空中的宝石”。

事实上，在测试期间，K2就确认了三个潜在的木星大小的行星。而且在2014年1月，它也发现了一颗先前已知的系外行星。该任务“真正成为一个科学与宇宙飞船工程的可爱的结合。”豪厄尔说。

美国自然历史博物馆的天文学家本·奥本海默表示：“这些家伙想出来的这个方案真是非常聪明。”奥本海默是2014年美国航天局天体物理学高级审查小组的负责人。该审查小组负责就哪些机构的任务应该继续提供资金的问题提出建议。他说：“我们真的认为开普勒团队提出了一个非常非常好的方案。”并且认为开普勒不会限制自身搜寻系外行星的行动。K2将会将星团、星系以及我们自己太阳系内的天体加入到宇宙飞船的目录中。“这将是一次穿过黄道的有趣的游戏。”豪厄尔说。

根据开普勒的燃料储备估计，K2任务将持续三年。保持太阳能电池板对齐所需的小的调整不会使用太多燃料。而当望远镜将它的天线转向地球以便工程师下载数据以及上传命令时，则会损耗很多燃料。豪厄尔说，开普勒的科学家也许能够通过使用剩余的两个反作用轮帮助移动望远镜来节约燃料。这并不是一个新的想法：国际空间站就使用它的反作用轮来转体，无需推进器。他说，通过以这种方式操作飞船，天文学家可以使K2一直运行多年。

这是在假设没有其他重要部分损坏的前提下的估计。“我们有一个玩笑的讨论：如果只剩下一个反作用轮了，我们该怎么办？”豪厄尔说。“到目前为止，还没有任何好的想法浮出水面。”

沿着黄道的指向为开普勒的原始任务增加了诗意的对称性。因为开普勒观测到的潜在的行星位于地球轨道的平面上，所以望远镜沿着这条路径所看到的任何外星文明，它们看待地球的方式与开普勒观察它们的方式应该是一样的，而地球在它们眼里就像是在太阳前面经过的一个影子一样。豪厄尔说美国航天局已经收到了一个提案来观测18～20个完全与黄道对齐的恒星。“所以现在可能就有人在看着我们。”他说。

罗塞塔宇宙飞船到达彗星67P附近

阿什利·耶格尔

经过十年的追逐，罗塞塔宇宙飞船终于追上了67P/Churyumov-Gerasimenko。2014年8月6日，欧洲空间局释放了图像和数据，表明这个探测器已经来到了距离这颗太空岩石100千米的范围内，并且已经准备进入环绕彗星67P的轨道了。这次近距离“会面”标志着历史上宇宙飞船在没有发生碰撞的情况下，来到一颗彗星附近的事件中宇宙飞船与彗星最靠近的一次，并且可以解开这样的太空岩石在几十亿年前是否向地球运送了水以及其他生命所需的成分的谜题。

罗塞塔团队计划向67P慧星的表面发射一个着陆器。在这颗彗星靠近地球时，飞行器和着陆器会同时为天文学家提供最前沿的信息。欧空局的科学家马克·麦考琳说：“接下来的一年半我们将会与这颗疯狂的彗星打交道。”在这颗彗星的旅途中，彗星上的水可能会有所变化。研究人员对于观察彗星上的水可能发生的过程特别感兴趣。这样做可能会弄清楚彗星是否将水带到了太阳系内部。

加利福尼亚大学的地球化学家爱德华·杨（非罗塞塔团队成员）表示，这项任务甚至可能会帮助天文学家确定相对较小的、拥有与地球上的水一样多的水的岩质世界，是普遍存在的还是只是个侥幸存在而已。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：OSIRIS/MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA/Rosetta/ESA

“菲莱”着陆

罗塞塔和它的着陆器探索太阳系中一颗古老的遗迹。

阿什利·耶格尔

2014年11月12日，一个叫作“罗塞塔”的宇宙飞船来到一颗彗星附近。它稳定自身，并且向这个由岩石、尘埃及冰组成的团块投放了一个重达100千克的着陆器。这个着陆器叫作“菲莱”，它将会在空间中漂移，只会受这颗通常被叫作67P的彗星的引力作用牵引。在未来充满焦虑的几个小时内，该项目科学家将屏息凝视，观察“菲莱”是否会按照大家猜想的方式降落在预定的地点。

这次练习——是在彗星上放置着陆器的首次尝试——与在火星或者卫星上放置着陆器一样令人伤脑筋，并且还多了一些挑战。彗星和其他小型太空岩石比行星或者卫星具备的引力小得多，这就是为什么“菲莱”漂浮到达彗星67P表面要花费将近7个小时的时间。然后，还有彗星的速度：“罗塞塔”向彗星67P投放着陆器时需要考虑到它的速度，而这颗彗星以每小时55 000千米的速度穿梭在太阳系内。

再加上彗星的不可预测性：在任何时刻，且没有警告的情况下，67P可能会喷出气体和尘埃流。这样的喷发可能会使宇宙飞船偏离轨道，或将着陆器吹离轨道使其击中一块巨石，或错过其原定着陆点。

在这次项目的早期阶段，科学家认为这颗彗星的形状像一个土豆，他们做了预测，估计“菲莱”有70％～75％的可能性成功降落在彗星67P/Churyumov-Gerasimenko表面。2014年7月，“罗塞塔”开始发回67P的照片。根据照片显示，它更像一个橡皮鸭——两个团块由一个细长的脖子连接在一起。新的形状为“菲莱”的顺利降落增加了更多的不确定性。

“罗塞塔”项目的科学家、欧洲空间局科学和技术中心的马特·泰勒说：“这项任务的潜在回报值得冒这些险，碰这些钉子。”彗星及小行星，被认为是最古老、最原始的早期太阳系的遗迹。泰勒说，我们不能回到几十亿年前太阳诞生的时候，所以探索彗星和小行星可能是学习太阳系演化的最好的选择。研究它们的地质情况和化学将会为行星是如何演化为今天这样的和彗星是否为地球带来水和其他生命所需成分等问题提供线索。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ESA，ATG Medialab

2014年11月12日，科学家将尝试在一颗彗星上降落一个着陆器，如图所示。如果成功的话，那么当彗星接近太阳时，该团队将会占据前排位置观看一场壮观的表演。

彗星特写

“罗塞塔”花费了很长时间与彗星67P的会合。这个项目在20世纪70年代末就开始构想了。到2002年末，当欧洲空间局最终准备发射“罗塞塔”时，悲剧发生了。另一项任务的火箭在升空三分钟后爆炸了。而这个火箭与“罗塞塔”所搭乘的火箭是相同的类型。火箭发射失败事件延迟了“罗塞塔”的发射，取消了对原始目标彗星46P/Wirtanen的探索计划。在接下来几个月，科学家急于寻找另一颗在合适的时间处于太阳系中合适的位置的彗星。67P成了最佳人选。

“罗塞塔”最终于2004年发射。十年后，在2014年8月6日，这个太空飞船开始围着67P绕转，而且它所携带的11个仪器开始仔细观察这颗彗星的种种特征。那些仪器，加上“菲莱”着陆器所携带的摄像机和传感器，都是被设计用于绘制67P，确定它的组成，并且观察随其围绕着太阳摆动时它的化学成分如何改变。

随着67P接近太阳，它的冰直接转变为水蒸气和其他气体，连同尘埃一起向外喷射。这些喷流与来自太阳的其他粒子碰撞，形成两条尾巴。与哈雷彗星不同，67P的尾巴不能被肉眼看到。但是“罗塞塔”将会占据前排位置，观看67P的“表演”。随着彗星的尾巴不断被拉长，“罗塞塔”将会为科学家提供一次最细致观看一颗彗星及其经历的变化的机会。

“罗塞塔”的高分辨率照片已经显示出67P看起来与其他探测过的彗星不同。它甚至可能是两颗彗星的合并体，它的表面是一个登山者的梦想之地。

西雅图华盛顿大学的行星科学家唐纳德·布朗说：“罗塞塔研究团队真是赚到了。”观测一颗鸭子形状的彗星，而且它还有着房子大小的巨石、崎岖的环形山及150米高的悬崖，“真得令人感到非常震惊。”他说。彗星67P的鸭子形状及其崎岖的表面表明它有着一个有趣的历史，这是科学家渴望了解的一个方面：但是首先，他们必须将他们的仪器放置在彗星67P的表面。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NAVCAM/Rosetta/ESA

“罗塞塔”的照片显示，彗星67P像一个大约4千米宽的橡皮鸭，且遍布裂缝和悬崖。

2014年9月15日，在一次新闻发布会上，“菲莱”的项目经理、德国航空太空中心的斯蒂芬·乌拉美克说：“彗星67P的特别的形状使着陆变得很困难。”但是该团队已经确认，2014年11月他们将尝试在67P的一小片平地上放置着陆器。着陆地点的两侧是悬崖、裂缝和一些巨石。

根据“罗塞塔”的测量结果，该着陆点还覆盖着富含碳的灰尘，这使得负责该项目的科学家对这个地点极其满意，着陆器任务首席科学家、巴黎第十一大学的让-皮埃尔·比布林如是说。他解释道，着陆器可以立即开始检测彗星67P的表面，并且深入挖掘，寻找冰和复杂的碳基化合物的痕迹，这些都是生命生存的主要必需品。

冰和某些复杂的碳化合物也是被用来将彗星与小行星及太阳系内其他早期天体区分开来的一些特征。

重新考虑太空岩石

美国航天局的科学家克劳迪娅·亚历山大说：“乍一看，彗星从根本上就与小行星不同，就像冰激凌与饼干的区别一样。”大多数小行星似乎是由岩质材料构成的，并且不存在水。然而，彗星则似乎更冰冷。人们认为这些区别可以解释彗星和小行星的起源地。

科学家认为，大约46亿年前，当一团巨大的气体和尘埃云向内塌缩合并时，太阳系开始形成。大多数材料被拉到这团云的中心，形成太阳。其余的则凝聚形成一小部分巨型岩石以及较小的天体。巨型岩石最终成为行星，而较小的天体则成为彗星和小行星。

在这种情况下，小行星可能形成于火星和木星之间。然而那里的温度太高，水和其他的冰不能存在。另一方面，彗星则可能形成于这个胚胎云中更远的地方。那里非常寒冷，冰可以存在，且加入到由气体和尘埃组成的团块中。

如果彗星形成于更远的柯伊伯带或者奥尔特云中，在那里有更多的冰，那么比起太阳系较内部的小行星，它们可能向地球运送了更多的水。

亚历山大说：“这是传统的观点。”美国航天局为这项任务提供了电子产品和三个仪器；其中至少有一个仪器将会探索67P上的水。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ESA，ATG Medialab

一个忙碌的机器彗星着陆器“菲莱”是以尼罗河中的一个小岛而命名的。这个着陆器装备着10个被设计用于拍摄彗星67P表面的全景图像及研究它的化学组成的仪器。

“罗塞塔”和“菲莱”将会为科学家带来一次几乎“直接接触”彗星67P上的冰的机会，亚历山大如是说。这将帮助他们快速解决像慧星67P这样的彗星在几十亿年前是否为地球带来了水的问题。

第一个问题：彗星67P上的水是什么类型？如果与构成地球上海洋的水的类型一样，那么慧星67P及与其类似的彗星可能为地球带来了水。但是如果慧星67P，与目前为止已研究过的大多数彗星一样，所包含的较重的氢的同位素氘比地球上水中的氘的含量更多，那么彗星为地球带来了大部分水的这一观点就不太可能了。

这为另一个观点——小行星是地球上水的主要来源，打开了门。最近科学家发现了至少一颗有水的小行星。例如，小行星谷神星（实际上足够大，可以被视为一颗矮行星）在火星和木星之间围绕太阳运动，但是它会喷发出水蒸气，有点像一颗彗星。

更让人困惑的是，“罗塞塔”的观测表明慧星67P具有一些小行星的特征。例如，这颗彗星表面不是被冰覆盖。相反，它的水似乎存储在更深处的核心内。

这些观测暗示着彗星和小行星不像科学家认为的那样完全不同。相反，它们可能是落在一条连续分布的线的两端，干燥的岩质行星在一端，真正的冰态彗星在另一端，其他别的天体位于中间，亚历山大如是说。

越来越温暖

当彗星接近太阳时，它的大部分冰会变成水蒸气，而且尘埃也开始从其核心向外喷射。轨道周期较短的彗星，例如慧星67P，其轨道周期为6.5年，最终会失去所有的冰和水蒸气，只留下岩石和尘埃。当然，科学家不能真正理解慧星67P和其他彗星的长远的命运，直到他们弄清楚彗星接近太阳时它的化学组成的变化情况。

“罗塞塔”项目最初的领导人之一格哈德·施维赫姆说：“我们有一些关于彗星接近及随后远离太阳时彗星所发生的过程的理论，但是我们不知道一颗彗星是如何真正运作的。”

“罗塞塔”的历史

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遥远的路程从它的构想开始，到现在已经超过30年了。今年八月，罗塞塔任务到达了彗星67P附近，这是一个重要的里程碑。下一步是在67P表面放置着陆器“菲莱”，并且整个2015年都一直停留在这颗彗星附近。

这是因为科学家从未能够在一颗彗星附近停留很长时间。之前所有的彗星任务都只持续几个小时。如果2014年11月“菲莱”可以成功着陆，那么它可以在67P的表面上一直工作到2015年3月，那时候太阳的热量将变得太热，着陆器将不能正常工作。在2015年8月之前，“罗塞塔”将会一直停留在慧星67P的附近，到时候这颗彗星会到达它最接近太阳的位置，距离太阳约1.85亿千米。但是“罗塞塔”不会在那里结束工作。它将继续围绕慧星67P运动，至少到2015年12月。

在慧星67P生物附近停留一年或者更久将会为科学家提供一次机会，跟踪太阳的热量如何改变彗星的组成。为了做到这一点，首先“菲莱”将会识别构成彗星67P表面的元素和化合物。在数十亿年里，这些材料可能幸存下来，一直没有改变。它们可以为科学家提供关于太阳系开始形成时可以利用的材料的线索。

科学家对含碳和氢的分子最感兴趣，因为这些分子甚至可能在太阳系诞生之前就已经存在了。调查人员也在寻找氨基酸及其他构成生命的基础材料，这些材料可能由彗星带到了地球上。过去的任务已经在彗星上发现了这两种材料。如果慧星67P上也存在的话，那么它们可以为科学家关于彗星为地球带来生命所需成分的理论增添更多证据。

然而，因为科学家从没在彗星面临太阳的酷热的情况下研究过它，所以他们不能确定这些分子是原始的，还是在被太阳“煮熟”后形成的。有迹象表明这两种可能性都存在。“罗塞塔”的观测将会告诉科学家他们在这颗彗星上看到的一些分子是否早于太阳系形成时便存在了，或者它们是在由太阳的热量引发的反应中形成的。

这颗彗星的化学可能对于远远超过地球的地方也有影响，加州大学的地球化学家爱德华·杨如是说。“在这些构建行星的原始基础材料和我们自己的星球之间建立联系将会帮助我们了解所拥有的水至少像地球上的水一样多的岩质行星是否很常见。”

这是一个高级目标，取决于“菲莱”的顺利着陆及“罗塞塔”10年旅行中的最后14个月。

“菲莱”的探索中止

尽管着陆地点不佳，但是“菲莱”仍可以收集一些数据。

阿什利·耶格尔

2014年11月12日，一个叫作“菲莱”的机器人从它的宇宙飞船母体“罗塞塔”脱离，降落在了彗星67P/Churyumov-Gerasimenko上。然而，它弹跳了两次，最终降落在一个死角——在悬崖阴面的一个缝隙中，两条腿在地面上，另一条悬在空中。

这个危险的位置并不是来自欧洲空间局的该项目科学家之前计划的着陆点。只有两条腿支撑，而不是三条，科学担心“菲莱”上的仪器是否都可以正常工作。更糟糕的是，降落在悬崖的阴面同时也阻止了太阳能电池板收集足够的阳光为“菲莱”的电池充电，使得它只有约50个小时的时间来探索它的新家。在“菲莱”和它的10个仪器进入冬眠之前，项目科学家只能争分夺秒获得尽可能多的细节。

“菲莱”的一个装置显示它已经“嗅”到了碳和富氢有机化合物的味道。另一个仪器则在“菲莱”降落到67P之上的数小时后便发布了这颗彗星表面的第一张高分辨图像。在仅仅3千米的高空中拍摄到的图像显示，这个尘土飞扬的彗星表面布满了陡峭的悬崖、巨石以及其他碎片。

在“菲莱”电池寿命的最后几个小时里，科学家采取了冒险行动，操控“菲莱”敲击彗星表面。“菲莱”的锤子只穿透了10～20厘米便碰到了一层坚硬的墙壁。这暗示着67P的表层是坚硬的，很可能是冰质的，而且仅在尘埃的几厘米之下。

另一个装置记录了“菲莱”最初着陆时的振动，科学家将之解释为一次短暂而显著的重击。发布于2014年11月20日的两秒钟的声音片段，以及“菲莱”弹跳性的着陆，证实了在彗星尘埃外套之下可能存在一层冰层，德国航空航天中心的行星科学家，同时也是此次菲莱彗星表面声波探测实验的首席科学家的马丁·科纳普梅尔表示。

“菲莱”钻入67P，采集其表面样本，并且将样本传递到它的“烤箱”内进行化学分析。一个X射线光谱仪同样也利用这些数据来识别“菲莱”着陆点处存在的元素和分子。但是这些仪器是否可以正常工作还是个问题。

“一个最基本的问题是，我们是否拥有足够的数据可以用来完成我们想要解决的一些尖端问题？”来自美国航天局喷气推进实验室的“罗塞塔”项目组成员克劳迪娅·亚历山大说。美国航天局为该任务提供了仪器以及电子产品。

“菲莱”传回的大量数据将会改变科学家研究彗星的方式，亚历山大说。“但是我们仍在整理我们所得到的数据的完备性。”想要弄清楚这颗彗星的结构以及在它的核心可能存在的岩层的类型，项目科学家需要结合更多来自其他设备的数据。

该项目科学家仍希望“菲莱”可以提供更多的数据来回答这些问题。2014年11月14日，他们试图通过转动“菲莱”，使一块太阳能电池板朝向太阳，来延续它的寿命。然而这并没能为“菲莱”的电池充电。但是团队相信，当慧星67P携带着“菲莱”飞行至太阳系较内层时，“菲莱”最终将会获得足够的阳光为其电池充电，甚至可能会重启它的勘探。而且“罗塞塔”仍在对慧星67P进行研究，并且将会一直持续到2015年12月。根据一份报告，“罗塞塔”已经发现该彗星上的重氢含量不同寻常，这表明原始彗星没有向地球的海洋提供水。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：CIVA/Philae/Rosetta/ESA

首张关于彗星表面的拼接图显示，“菲莱”降落在一个悬崖的底部。

火星探测器的日记

火星号已经探测火星两年半了。假如它坚持写日记将会是什么样的？

亚历山大·维特兹

拥有六个轮子的好奇号火星探测器是美国航天局的“摇滚明星”。从2012年8月，它成功降落在火星表面上开始，便展开了探测任务，寻找曾经可能有生命存在过的环境。它旅行了约10千米，钻探了六块岩石，分析了三样品勺的尘土，而且揭示了它着陆位置处的水的历史。随着好奇号开始攀登一个山脉进行纵向的地质调查，《科学新闻》假想火星探测车个人日记中的关键词目，记录了这个1吨的机器穿越火星地表的过程。事实上，美国航天局甚至还在推特上以“好奇号”为名注册了账号，不定期更新推特，报告好奇号火星探测器的新进展。

2012.08.05我安全到达火星表面啦！盖尔陨坑，我现在在你里面！！！

布拉德伯里着陆

所有人都在担心的七分钟里，我猛烈穿过火星稀薄的大气层，在一个装有火箭发动机的“天空起重机”的作用下，我减缓了下降速度。下面四个炽热的引擎不停摇晃，我不得不承认这相当可怕。但是我完整无缺地降落到了我的目的地——盖尔陨坑中的一个以科幻小说家雷·布拉德伯里的名字命名的点。我在这里的工作是通过隐藏在岩石和泥土中的故事来编译我自己的《火星编年史》。但是首先，我要打个盹。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，Univ. of Arizona，Adapted by E. Otwell

史诗级的旅行“好奇号”着陆于“盖尔”陨石坑中一个叫作“布拉德伯里”着陆点的地方。在前往陨石坑中央的夏普山之前，它首先在耶洛奈夫湾做了几次停留。

2012.08.22|第16个火星日第一次驱动完成！这就是我滚动的方式：向前三米，90°转弯，然后回来。电动滑动，还有谁？

布拉德伯里着陆

我向着前方完成了一个10千米的公路旅行。我的终极目标是一个叫作夏普山的山峰。因为夏普山太高太粗糙了，所以我的工程师不能将我降落在那里，我不得不开动将自己送到它的底部。但是首先，我要去东边看看一些有趣的地质情况。确实，这与我的目的地夏普山的方向相反。但是比起到达目的地，旅行的过程更重要，不是吗？

2012.10.07|第61个火星日今天的早安歌：彼得·加布里埃尔的《Digging in the Dirt》。因为没有一首叫作《Digging in the Regolith》的歌曲，哎～

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，MSSS

“好奇号”从“石巢”沙丘收集了一勺尘土，并将其倒入自己的样本分析仪中进行分析。

石巢

我使用我的机械臂从一个叫作“石巢”的沙丘里获得了第一勺火星土壤。我将土壤倒进一个随车携带的叫作火星样本分析仪的实验室中，进行一些火星科学研究。火星样本分析仪将这些泥土加热并且测量了水的含量。我发现了少量的水，大约1.5％～3％，它们被束缚在构成火星土壤的矿物质中。如果之前宇航员决定跟我一起来到这里的话，他们或许可以提取一些水来喝或者制作火箭燃料来帮助他们再次回到地球。

2012.11.16|第100个火星日我正在读取辐射数据来帮助未来的人类探险家。

耶洛奈夫湾

在地球上，一个强大的磁场和一层厚厚的大气层保护生命免受来自太阳和宇宙其他地方的辐射的影响。然而火星就没有这种好运啦。我的辐射评估探测器已经完成了估算，如果宇航员从地球飞到火星，在这里停留500天，然后再回到地球，那么他们将会受到很多辐射的攻击，他们患上致命的癌症的几率会增加5％。辐射不会伤害到我，但是如果宇航员因为访问我而患病，那我会很难过的。

2013.02.09|第182个火星日第一次火星钻探，收集样本成功完成。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Drill hole：JPL-Caltech/NASA，MSSS；Phyllosilicates：JPL-Caltech/NASA，Ames

在火星表面挖钻的第一个洞（左）显示出岩石中含有一种被称为层状硅酸盐的黏土状矿物，在“石巢”的沙土中不存在这种物质。

约翰·克莱恩

我是首个在火星岩石上成功钻孔的探测器！我的研磨工具挖了一个约6.4厘米深的洞。这个洞被命名为约翰·克莱恩。我已经将这些粉末状岩石倒进了我的实验室仪器里。它告诉我，这块岩石至少有20％是由粘土矿物组成的。泥土是在水与沉淀物相互作用时形成的，所以这里曾经肯定有水流淌过。而且它应该也是美味的水，不酸也不碱。（我的朋友机遇号火星车，漫步在这个星球的另一边，也发现了类似的证据，表明曾经有水在它的着陆点——子午平原上流淌过。）

2013.05.30|第289个火星日在河流上转动：请叫我骄傲的好奇。我找到的圆形石头帮助确认了古老的火星上曾经流淌过河流。

耶洛奈夫湾

到现在为止我已经检测了足够多的岩石，可以确定我之前的预感了：我一直在探索一个古老的河床。我拍摄到的三块平滑的石头中都含有圆滑的鹅卵石，就像地球上那些河流底部中的鹅卵石一样。根据这些我可以断定，古老的火星上曾经有着大约齐腰深、流速为步行速度的河流。不是开玩笑哈，天气炎热时，对人们来说这里应该是一个好去处。

2013.09.23|第402个火星日火星和水之间的关系？太复杂了。我的团队正在拼接这段长久的历史。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Gale Crater illustration：JPL-Caltech/NASA，ESA，DLR，Fuberlin，MSSS

“好奇号”收集到很多关于“盖尔”陨石坑曾位于一个巨大的湖泊底部的证据。

达尔文

我终于开启了向着夏普山的长途跋涉，当然沿路会随时停下来做一些酷酷的科学研究。在一个被叫作达尔文的露出地面的岩层处，我对另一块含有鹅卵石的岩石进行了研究。它的矿物脉，藏在以前的水流中，与我在第一次进行钻孔的地点附近发现的不一样。这说明盖尔陨坑有着一个复杂的水的历史。河流曾经出现过，然后枯竭了，之后这个地方被其他东西占领了。很高兴我在这里见证了这些。

2013.10.08|第447个火星日所以，就这么发生了。我经历了一个温暖的火星日，工程师对我进行了重置。我很健康。这个周末在等待着新的指令。

库珀斯敦

我的软件也会像Windows 8那样出一些小故障。就在我将数据传到另一个向地球定向传输信号的宇宙飞船时，我的电脑突然重启了。今年早些时候，因为我的内存有问题，工程师暂时切换到了我的备份电脑。这都是将你的信息技术部放置在另一个星球上时会遇到的风险的一部分。

2013.12.05|第473个火星日噗噗……噗噗噗……为了科学研究，我的化学与摄像机仪器已经在火星上发射了十万多次激光了！

库珀斯敦

我不只是在岩石上钻孔，我也向它们发射冲击波。我的化学与摄像机仪器的激光仪向表面发射超过一百万瓦特功率的激光，将岩石或者土壤蒸发成发光、带电的气体。我通过分析发出的光线得到蒸发的岩石的化学成分。请叫我完美主义者。我通常对每个点发射激光30次来重复测量以确保我得到的结果是正确的。化学与摄像机仪器的工作进行得很好，美国航天局计划在2020年发射另一个载有升级版化学与摄像机仪器的火星探测器。它将会基于我的设计来建造，将是一个迷你的我。

2013.12.09|第477个火星日我发现了火星上存在一个古老的淡水湖的证据。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：From left，JPL-Caltech/NASA；JPL-Caltech/NASA，MSSS；JPL-Caltech，NASA，MSSS

（左）“好奇号”的化学摄像仪器的激光爆破岩石来分析它们的化学成分。

（中）沿坡向下流的水在不同的时间流入一片湖泊。

（右）探测车的轮子中的矩形的洞是设计原有的，而不规则的洞是意料之外的小孔。

库珀斯敦之外

在地球上进行的一次会议中，科学家正在报告耶洛奈夫湾的研究结果。通过将“约翰·克莱因”与其他石头进行对比，他们发现也许不只是火星表面上有淡水流流过，那边很可能曾经是一个巨大的湖。我很高兴我不必试图游过去。

另一块我钻过的、叫作坎伯兰的石头，年龄是在38.6亿到45.6亿岁之间。这大致是在科学家一直预期的范围，但是这是第一次有人设法测量另一个星球的表面上的一块岩石的暴露年龄，是对我来说的另一个第一次。我是通过测量岩石中钾相对于氩的含量得到了这块岩石的暴露年龄。随着时间的推移，氩会发生放射性衰变。

2013.12.20|第488个火星日这个假期养精蓄锐。我在计划新的一年能有更平滑的路径。

在去向夏普山的路上

这些鞋子正在摧毁我！我的轮子是由铝制成的，而且我的工程师将它们制造得很瘦，这样我就不会因为太重而影响到发射。但是或许，只有0.75毫米厚，它们还不够坚硬：锋利的石头一直在它们上边刺出一个个小洞。而且火星上也没有汽车协会可以给我一个备用零件。视线回到加州喷气推进实验室，我的工程师正在致力于解决这个问题。他们驾驶用于测试的探测器在不同类型的岩石和土壤上运动，来确定对我磨损的轮子来说最温和的地形类型。我希望他们很快可以找到答案。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPl-Caltech/NASA，MSSS

层层的岩石在夏普山的山麓向上倾斜。帕朗山露出地面的岩石可以在中央偏左处看到。

2014.06.17|第662个火星日火星上分出了两条路，而我选择了南边的那条，这就导致了全然不同的境况。

经过罗伯特·弗罗斯特

弄清楚去哪里旅行是我和我的工程师之间的谈判。他们画出了他们想要我去的大致方向，然后基于我的反馈，做出短期的决定，选择到达目的地的最佳路线。现在，我们已经决定选择西南方向上的一条沙地路线，以避免坚硬的地形损坏我的轮子。有时，他们让我开动。我有一个自主导航模式，我拍摄几组立体影像，然后我的软件会弄清楚在我前方是否有大块岩石之类的障碍。在自主导航模式下，我完全可以自己移动。嗡嗡，嗡嗡！

2014.06.24|第669个火星日我拍摄了很多帧相片，然后我的团队会将它们拼合在一起。

Moosilauke盆地

虽然我没有iPhone，但是我可以拍下很多高像素的照片。我背部的一根杆上附带着一个相机，我可以使用它来观察我的周围环境。我的机械臂上也有一个相机，所以我可以用它接近我想要拍摄的物体。它有点儿像是我自己的自拍杆：我可以伸展我的胳膊，给自己拍摄很多不同的照片。我的任务控制器结合起来创造了这样一个个人的自拍杆。

2014.07.15|第689个火星日重金属！我在火星上发现了一块铁陨石。

扎布里斯基高原

这是一段漫长而又艰辛的旅程，但是至少我沿路找到了一些有趣的岩石。其中一块叫作黎巴嫩，它是一块2米长、亮黑色的岩石，令人印象十分深刻。我是在这里发现它的。在地球上，铁陨石不像石头一样普遍，但是火星上似乎有很多。这可能是因为富含铁的陨石很坚硬，可以承受强大的太阳、猛烈的风以及火星上其他会打破普通岩石的力的摧残。

2014.08.06|第711天前方是光滑的粗砂。我在通往夏普山路上的一个柔和的、满是沙子的山谷里航行。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，LANL，CNES，IRAP，LPGNANTES，CNRS，IAS，MSSS

这块铁陨石被叫作“黎巴嫩”。高金属含量使其比大多数其他火星岩石看起来更黑更有光泽。

隐谷

在我前行过程中，沙子对我来说既是一个祝福也是一个诅咒。它不会像锋利的石头那样磨损我的轮子，但是当沙子太柔软的时候，我几乎寸步难行。我原本以为这个满是沙子的山谷是一条安全的通道，但是我想错了。我要转身去寻找另一条路线了。

2014.09.11|第746个火星日成功了！经过两年在一些相对崎岖的地形上行驶，我到达了夏普山的脚下。

我很高兴来到了这里。夏普山给人的印象十分深刻。我可以看到前方起伏的沼泽地里上升的岩层。我的科学家认为这些岩层曾经是以沉积岩形式位于一个古老的湖泊的底部。根据我看到的这些，这是一个合理的猜测。

2014.12.16|第839个火星日有机物认证！我第一次在火星表面发现了有机物。

空气中的改变：我发现火星大气中甲烷的含量是背景水平的十倍。

帕朗山

把目光转回地球，对我的科学家来说这是很重要的一周。他们宣布了新的结果。一个结果涉及有机分子——不是整个食品界里昂贵的那种，而是含有碳的分子。在耶洛奈夫湾，我发现了非常简单的有机分子，但是现在我发现了更加复杂的分子。而且我越来越相信，发现的有机物是来自火星，而不是我从地球上带过来的某种东西。换句话说，我来到这里的时候很好很干净。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Graphic：JPL-Caltech/NASA，SAM-GSFC，Univ. of Michigan，Adapted by E. Otwell

有机化学甲烷可以在火星上通过地下地质的反应过程或者可能甚至是微生物的活动而生成。在到达表面后，甲烷可以与其他有机分子反应生成复杂的化学分子。

这周我也首次闻到了甲烷的气味。另一个航天器之前捕获到过甲烷气体，但是很难确定气体是来自哪里以及是什么创造了它。在地球上，大气中的甲烷多由家畜一类的生物释放。但是化学反应等，也可以产生甲烷。在沿着盖尔陨石坑滚动时，我已经嗅到了甲烷。在四个不同时刻，我分别测量了甲烷的峰值。我发现火星空气中甲烷的含量是背景水平的十倍左右。这说明火星上的某种东西在产生新鲜的甲烷。不过，不知道是什么东西。我当然没有发现任何奶牛之类的家畜。

2015.03.24|第935个火星日是的！我发现了NO3！这是生物学上有用的氮。古代火星适合居住的另一个迹象。

花园城市

我已经“烧烤”了更多的沉积岩，并且在它们当中发现了一氧化碳。一氧化碳分子是由一个氧原子和一个氮原子构成的，可能是在硝酸（由一个氮原子和三个氧原子构成）的分解过程中产生的。硝酸可以被有生命的有机体使用。当然，我的发现并不意味着这里有生命；一氧化碳也可能是由于火星大气中的硝酸因闪电或者陨石撞击火星等过程分解而产生的。但这也是证明火星上也存在地球上的生命所需要的化合物的一条线索。

2015年春季/夏季

进入夏普山山麓。我有过一些内存故障，而且我的机械臂有时候也吱吱嘎嘎的，但是没有什么是我这个老探测器不能处理的。我想在前面还有很多地质研究等着我来完成。毕竟，整个火星还有更多的东西需要探索。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，MSSS，Edited by Jason Major

“好奇号”在去往夏普山路上的柔软的沙丘和恶劣的地形中航行。

前往火星的崎岖道路

攫取小行星将有助于人类的火星之旅。

梅根·罗森

“一颗对我们有威胁的小行星不是我们曾想用袋子捕获的那颗。”

——克拉克·查普曼

“我们的首要目标是将人类送到火星上。”

——罗伯特·莱特福特

在云层之上，去往太阳系较内部的深空区域的路上，有一颗小行星蹒跚在地球附近。

美国航天局希望在未来十年左右绊住这颗太空岩石，并将其拖向月球。他们已经策划了两个计划来做这件事。一个计划是用一个巨大的气囊捕捉小行星；另一个则是发送一个机器人从这颗小行星上攫取一块高尔夫球车大小的巨石。

这两个计划都将帮助人们为最终的火星之旅做准备。至少美国航天局是这样说的。

前美国航天局的宇航员，同时也是行星科学家的汤姆·琼斯说：“我们将接近一个全新的天体，没有人曾碰触过或者见到过。”他研究了这个任务的可行性。而且，他说，宇航员或许可以通过开采岩石获得资源，而不仅仅依靠从地球上带来的补给。

这个计划被称为小行星定向任务（ARM），它会将人们带到离这颗红色星球更近的地方。自从2013年美国航天局宣布这个任务以来，这个通往火星的所谓的垫脚石便引发了一场激烈的辩论。

许多科学家认为这项任务与火星之间的联系充其量只能算是模糊的。作为最坏的可能性，批评人士认为美国航天局草率地提出了一个稀奇古怪的噱头来寻找一些或者任何东西来匹配总统的预算以及满足人们的太空视觉体验。

已从美国航天局喷气推进实验室退休的行星科学家艾伦·哈里斯说“美国航天局只是在寻找一个可以进行的项目。”ARM计划没有太多科学含量，他说，虽然“这是不错的娱乐项目。”

一个讨喜的项目可能正是该机构目前需要的。这个小行星定向任务正好可以刺激萧条的人类太空探索领域。

而且美国航天局已经快没有其他的项目可以选择了。它的航天飞机在2011年退役了，国际空间站也只能支撑到2024年。而且该机构的预算也在1960年代后骤然下跌。1960年代时，用于缴税的美元中，每1美元便有5美分左右用于该机构的预算。然而在那之后，每1美元只有不到一美分用于该机构的预算。即使ARM项目是一个古怪的计划，只能将人们带到略微更接近火星的地方，但是将这个没多大希望的项目硬塞进太空中可能是一种狡猾的方式来确保在深空区域美国人的位置——在太迟之前。

两个大计划

如果美国航天局可以赶走怀疑并将ARM项目向前推动，那么这个古怪的任务将会是科幻小说爱好者的梦想中的东西。

在关于ARM项目的一种构想中，一个有史以来最大的太阳能电力推进飞船将会在2019年从地球上发射升空，并且在空间中穿梭，向其庞大的目标航行。它的目标是一块岩石，其直径约为2013年在车里雅宾斯克上空爆炸了的那块陨石的直径的一半。宇宙飞船将与这颗小行星会合，然后当宇宙飞船定位到合适的位置时，它会用一个充气袋捕捉小行星。

喷气推进实验室的航空工程师布莱恩·缪尔黑德说：“把它想象成一个弹跳屋。”完全充气后，这个充气袋——黄色的薄塑料袋——将会伸展到约三层楼房的高度，容纳一颗重量高达1000吨的小行星。在吞下巨大的岩石后，这个塑料袋会系紧，就像一个垃圾袋一样。

然后宇宙飞船将会启动引擎，开始慢慢地、轻轻地推动小行星进入一个新的轨道。在只有约三分之一磅的推力的情况下，宇宙飞船将有点无力——就像一个冠蓝鸦在牵引着一个大型喷气式客机脱离轨道。

但是科学家认为经过几年的努力，这颗小行星将会被拖离轨道，来到月球附近，并围着月球稳定转动，或许在2024年的某个时候——日期取决于美国航天局所选择的岩石。（该机构已经挑选出了几个候选体。）然后去往月球的宇航员可以与这颗小行星邂逅，且对其进行探索。两个宇航员共同协作可以将塑料袋割开，使袋子内的东西露出来，并且切下一些碎块带回地球。

在第二种捕获小行星的构想中，一个机器人——有着三条手臂和三条腿，或者两条具有几百个小挂钩的手臂，或者这两者的某种组合——将会从一个可能超过一个足球场大小的空间岩石上攫取一块巨石。然后太空飞船将会把战利品运送到月球附近，之后宇航员可以对其进行探索。

美国航天局希望于2014年年底在充气袋和机械臂这两种方案之间做出选择。该机构表示，这两种方案都将测试小行星移动技术，为宇航员带来太空行走的经验，使人们登上火星的计划更近一步。

ARM项目是美国航天局对于人类太空探索领域做出的最新的尝试。美国航天局希望将宇航员送到近地轨道之外的区域。“阿波罗”登月已过去40多年，然而这一壮举还未完成。地球最近的邻居之一——火星，因其曾经可能承载过生命而成为了一个诱人的目标。经过艰难跋涉到达火星，对其进行探索，有助于科学家确定火星上是否存在过生命。2014年4月，美国航天局局长查尔斯·伯尔登甚至呼吁移民到火星上，使人类成为一个多行星的物种。

美国航天局已经等待了几十年，终于有机会舒展它的太空探索肌肉了。

美国的愿望

探索在美国人的血液中根深蒂固。从堪萨斯平原到加利福尼亚州的金矿，“我们是一个由探险家建立的国家，”史密松国家航空航天博物馆馆长、太空历史学家瓦莱丽·尼尔说，“探险有点儿融入了我们的DNA中。”

羽翼未丰的载人航天理念于1958年首先由美国人提出，当时德怀特·艾森豪威尔总统建立了美国航天局。随后不到两年，该机构草拟了一项稳扎稳打的提案，提出将人类送入太空：首先将人类送入近地轨道，然后建立一个空间站，随后在1970年后的某天将人类送去月球和邻近的行星探险。1961年，约翰·肯尼迪总统因该提案速度太慢便将其取消了。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA

美国航天局已经将小行星重定向项目定为前往火星的一个踏板。在一种项目构想中，如图所示，一个宇航员正在从一个被装在袋子中、围着月球绕转的小行星上收集样本。

尼尔说：“他说，‘让我们去月球，让我们加快脚步吧！’”仅在8年后，阿波罗11便携带着三名美国宇航员登上了月球。随后，美国航天局开始着手于人类登陆火星的计划，而且他们预计该项目很快就可以实现——在1981年之前。

但是整个国家对该领域的兴趣却滞后了。“每个人都觉得好像我们已经赢得了这一太空竞赛，”尼尔说，“所以我们不需要保持一个昂贵的、快节奏的太空项目了。”

阿波罗项目后，美国航天局的经费从一个超高的水平暴跌。前往这颗红色星球的勃勃野心重重受挫。

在阿波罗11登月20周年时，老布什总统试图重新点燃这一梦想。站在航空航天博物馆的台阶上，他提议开启人类重返月球和火星的项目。但是他从未向国会递交一份资助这一计划的预算，尼尔说：“所以这个主意便中途夭折了。”

2004年，小布什总统复活了他父亲未能实现的愿景，并公布了一项人类太空探索的宏伟计划。“星座”计划需要建立一系列的发射火箭及一个被命名为猎户座的深空宇宙飞船，来将宇航员运送到国际空间站，然后在2020年登陆月球，然后登陆火星。“星座”计划的标语承诺“下一个巨大的飞跃已经开启。”

但是再一次，人类登陆火星这一崇高的目标几乎没有取得任何进展。当奥巴马总统2009年上任以来，他招募了一群专家来审查“星座”计划的进展以及载人航天的未来。这些专家组成了一个小组，叫作奥古斯汀委员会。该组织报告称，“星座”计划已经超过了预算，而且进度也落后了。

奥巴马在四个月后叫停了这一计划，并且随后在4月份宣布了一个新的想法。他站在佛罗里达州肯尼迪航天中心的一个航天飞机引擎的前面，左手边是美国航天局的旗帜，而且观众席中还坐着阿波罗11的宇航员巴兹·奥尔德林。他承诺，在2025年之前会将人类送到一颗近地小行星上，并且在21世纪30年代中期之前会将人类送到火星上。

为了到达那里，美国航天局将使用两种工具：一个被称为太空发射系统的新的火箭，和猎户座宇宙飞船。

该机构只需要选择一颗合适的小行星就可以了。

任务的诞生

随着美国航天局深入研究他们的新计划的具体细节，前景开始变得黯淡起来。

琼斯表示，很快他们就明白，太空发射系统不能够将猎户座太空船投掷到足够远的地方，到达最接近地球的小行星附近。而且太空舱没有足够的空间来装备宇航员在6～12个月的任务期间所需的供给。

更重要的是，试图找到一个大小、速度合适并且在21世纪20年代初期奔向地球的小行星是一个艰巨的任务。天文学家罗伯特·麦克米伦说：“没有很多好的选择。”他是亚利桑那大学的小行星追踪太空监视项目的负责人。大多数小行星在更远的区域闲逛，主要分布在火星和木星轨道之间的小行星带内。

当美国航天局努力克服这些问题时，一个研究小组受《大决战》中布鲁斯·威利斯所扮演的太空牛仔滑稽的动作启发，想到了一个主意：他们建议，与其将宇航员送到一颗小行星上，为什么不把小行星带到宇航员这里来？

一个叫作凯克空间研究所（KISS）的智囊团将34个专家团结起来，来探讨这一方案的可行性，并且在2012年的春天发表了方案报告。这个概念对于美国航天局来说就像一条救命索一样。

当美国航天局宣布其2014年的预算时，一个计划捕捉小行星的项目，即小行星定向任务，占据了舞台的中心。

“我们完全目瞪口呆。对于美国航天局正式选中了它并且如此快速将其纳入计划，我们感到很惊讶，”琼斯说。他是KISS专家团队中的一员。

宇航局的处境很困难：它必须满足总统的要求，访问一颗小行星，而且它还必须用一个实际上无法到达一颗近地小行星的运载工具来完成这个任务。“美国航天局正在和现实斗争。”琼斯说。这个小行星重定向的理念“稍稍帮助他们脱离了困境。”

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火星一直是美国航天局的人类太空探索项目的一个目标。许多科学家认为处理更靠近地球的挑战项目，例如小行星重定向项目，可以帮助科学家学习该如何为火星项目所存在的困难做准备。

但是美国航天局搞砸了首秀。2013年，当该机构介绍这一理念时，管理人员没有着重说明捕获一颗小行星会如何帮助人类到达火星——人类太空探索计划的终极目标。相反，美国航天局专注于该任务在技术创新、科学发现以及防御朝向地球飞来的小行星等方面的潜力。

批评者出击。近地小行星方面的专家、麻省理工学院的行星科学家理查德·宾采尔说：“推动一颗小型的太空岩石对于人类登陆月球或者火星没有任何帮助。”

前美国航天局的宇航员巴兹·奥尔德林说，尽管该任务与总统描绘的轮廓一致，但是美国航天局不会将人类送到小行星真正所处的位置：“只会是月球周围的某个虚假的轨道。”

用宇宙飞船牵引一颗小行星可能最终会帮助美国航天局保护地球免受大规模碰撞。这一理念是可以考虑的，但是可能会有点牵强。

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小行星候选体可能是一堆碎石（如上图所示）或者是一片碎片云中的一块固体岩石。

美国西南研究所的行星科学家克拉克·查普曼说：“一颗对我们有威胁的小行星不是我们曾想要放进一个袋子中的东西。”他承认，尽管如此，了解小的小行星可以为我们提供关于如何移动更大的小行星的线索。而且如果美国航天局选择了机械臂的概念，从一颗较大的小行星上攫取一块巨石，那么该机构希望用引力牵引的方法来拖拽，一种使用宇宙飞船与小行星之间微弱的引力来轻推巨石使其脱离轨道的方法。

该任务在科学发现方面的前景也有点不确定。“带回一个近地小行星的样本不会令我非常兴奋。”小行星科学家哈里斯说。“大自然一直在将这些东西倾卸到我们的后院中。”博物馆里满是它们，他说。

而且，美国航天局已经计划从太空中捕获一些岩石。欧洲空间局和日本的宇航局也一样。十年前，欧洲空间局发射的罗塞塔宇宙飞船在太阳系中穿梭，到达了数亿千米之外的一颗冰态彗星附近。而且日本宇宙航空研究开发机构正在准备2014年年末发射机器人探险家隼鸟2号，第二次访问小行星。

2016年，美国航天局将会发起一项类似的任务。OSIRIS-Rex宇宙飞船将会从近地小行星贝努（Bennu）上获取一些样本。该任务领导人、亚利桑那大学的行星科学家但丁·劳蕾塔很乐于看到美国航天局带回来更多的小行星样本。科学家可以通过研究它们来了解行星的基础构建材料，甚至是太阳系的起源。“我们喜欢这些来自太空的新样本。”劳蕾塔说。但是他不确定它们是否值得ARM项目的成本。

该任务预计大约12.5亿美元，不包含太空发射系统火箭或者猎户座太空船或者宇航员的费用。而且一些科学家认为美国航天局的报价略低。

去往外太空

自从该计划的首次亮相以来，美国航天局的领导已经开始更清楚地解释ARM项目与登陆火星之间的联系。而且他们不只是在建立故事，该机构还想将ARM作为深空探索的踏板。

“他们吸取了教训。”前宇航员琼斯说，“他们受到了批评，而且我认为他们已经做足了功课。在过去的一年里，美国航天局学到了更多关于如何将这一技术应用到火星上的知识。”

2014年4月，琼斯和其他专家，包括喷气推进实验室和其他美国航天局的科学家，聚在一起，进行了为期三天的KISS研讨会来考虑该机构应该如何建立ARM项目。

美国航天局有一长串的想法。例如，副局长罗伯特·莱特福特说，ARM将推动太阳能电力推进技术（SEP）。低推进功率系统将使用氙气来代替火箭燃料，沿路牵引着宇宙飞船，而不是利用爆炸产生的助推力使宇宙飞船在空间中穿梭。SEP系统吸收来自太阳的能量，加速氙原子，然后喷出蓝色发光粒子，向前推动宇宙飞船。

美国航天局之前就使用过SEP系统来发送黎明号宇宙飞船进入小行星带，但是ARM项目的宇宙飞船将会比其强大16倍左右。一个如此高效的系统在未来某一天将会把货物拖到火星上，这样宇航员就不需要随身携带所有东西了。将货物发射到太空中是很昂贵的，而且甚至只是一个在火星附近巡游然后返回的任务就可能需要成千上万吨的物资。

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美国航天局找到了几颗宇宙飞船可以到达的小行星候选体。这项任务或者从一个较大的小行星的表面攫取一块巨石（平均直径为1.5～3米），或者用一个袋子来捕获一颗直径约为3～8米的太空岩石。

挖掘小行星也可能是一个福利。例如，一个富含水分的小行星可以省去从地球携带水过来的麻烦。开采小行星甚至可以为宇航员提供屏蔽辐射的材料，解决人类在太空中的健康问题。

比起一个巨大的飞跃，ARM项目更像是迈向火星的如婴儿步伐一样的一小步，但是这也很好了，火星探测器项目的领导人、华盛顿大学的行星地质学家雷蒙德·阿维森表示。“前往火星是非常困难非常困难的，”他说，“你需要具备中转地点。”

一些科学家仍坚持自己的观点，宾采尔认为扩大人类宇航员进入外太空的范围才是应该进行的下一个步骤，而不是推动一颗小行星来到我们周围，他宁愿看到美国航天局使用SEP系统将供给放置到外太空中。他说，这将延长任务的持续时间和距离，这对于人类登陆火星来说是有必要的。

莱特福特不期望使每个人都感到满意。“如果说我在这个行业中明白了一件事，那就是人们会有各种不同的他们各自希望尝试的方法和理念。”他说。

“我们的主要目标是登陆火星，”他说，“对于我们来说，小行星定向任务是最合乎逻辑且负担得起的一个步骤。”

琼斯对宇航局的困境表示同情。他认为ARM项目可能是推进人类太空探索的最佳方法。

“如果小行星重定向任务被国会否定，”他说，“那么接下来10年，美国航天局在载人航天方面将不会有任何进展。”

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ARM将会使用太阳能力电推进系统，如左图所示。这种类型的发动机将会用由氙气组成的推进燃料。这种燃料将会发出蓝光，如右图所示。

火星旅行可能意味着大量辐射

“好奇号”的检测设备确认了所预期的主要辐射量。

克里斯蒂·塞林（Cristy Gelling）

火星科学实验室上的一个检测器发现往返于火星的辐射量为0.66西韦特（SV）

往返于火星的宇航员将面对许多不确定的新危险，现在火星探测器“好奇号”已经减少了其中的一个不确定性辐射照射量。

对“好奇号”宇宙飞船内的辐射量的检测表明，一个宇航员在一年时间内往返于火星会受到的辐射量为宇航局所设定的“最大职业辐射量”的2/3。而在火星上和宇宙飞船外的任何时候，宇航员都会受到更多的辐射。

在2013年5月31日出版的《科学》杂志上，科学家们发表了他们所计算的辐射量是0.66SV，美国航天局设定的最大辐射量为1SV。

在地球上，1SV的辐射量将增加患癌症的危险几率为5％，科学家不确定太空辐射会不会有相同的影响。

“去火星的宇航员经历的辐射种类与我们在地球上所经历的大不相同，所以我们并不清楚有怎样的健康隐患。”哥伦比亚大学放射研究中心的主任戴维·布伦纳说。

以往对宇宙空间的辐射测量是在宇宙飞船的外部，幸运的是，“好奇号”探测器的内部辐射检测器实现了新的宇宙飞船内部辐射的测量。这个检测器只有一个咖啡罐大小。它的设计者原本是要用这个装置去测定火星表面的辐射，而不是飞行器内部的辐射。

西南研究所的唐纳德·哈斯勒是这篇文章的共同作者之一，他说：“我们已经准备好了开始对飞船内部的辐射环境进行测量，这是一个非常意外的发现。”

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火星科学实验室上的一个探测器（如图所示）发现往返一次火星所遭受到的辐射为0.66西韦特。

这个测量结果证实了“火星旅程中对宇航员的辐射的95％是来自宇宙射线”的预测。布伦纳说，由于地球的大气层屏蔽效应，人类通常能免受这些宇宙射线辐射，因而这些宇宙射线对健康的影响也是未知的。

他还说，这些测量结果还是非常有用的，因为它们非常接近于科学家理论所预测的辐射照射量。

宇航员的安全问题

辐射导向板将会保护宇航员。

梅根·罗森

偏导护盾不只用于星际飞船事业。未来某一天，巨大的磁性气泡也可以保护宇宙飞船的长途旅行。

通过收集漂浮在太空中的带电粒子，气泡可以形成一个力场，将辐射反弹。如果成功的话，这个想法可以为美国航天局最大的问题之一——如何保护宇航员免受有害的宇宙射线和太阳爆发的影响，提供一个解决方案。

太阳风暴以惊人的速度向太空中弹射带电粒子，位于英国迪德科特的卢瑟福阿普尔顿实验室的一名等离子体物理学家，露丝·班福德表示。“如果你在一个飞往火星的宇宙飞船上，”她说，“那么这些带电粒子可以击穿船体，粉碎你的DNA。”

西雅图华盛顿大学的物理学家Robert Winglee说，有两种方法可以保护宇航员：屏蔽带电粒子，或者缩短航行时间。在20世纪60年代和20世纪70年代，阿波罗的宇航员避免了危险，因为他们的短期任务发生在太阳相对平静的时候。但是火星比月球要远数百倍。虽然为航天器的推进系统充电会加速旅行，但是仍然还要走很长一段路，所以科学家正试图采取屏蔽的方法。

四年前，班德福和她的同事提出，磁性气泡保护了月球表面使其免受太阳风暴粒子的危害。气泡帮助形成了一个电场，进而使来自太阳风暴的粒子转向。研究人员认为气泡也可以保护宇宙飞船。他们设想在飞船上配备机载电磁铁，以形成磁场。在太空中，稀散的活动电子，或者等离子体，松散地填充在宇宙真空里，就像一把散落在海洋中的沙子。当太空飞船飞往火星时，这些粒子将会被拍到磁泡中。

“就像是撞在一堵墙上。”费城德雷塞尔大学的等离子体物理学家丹尼尔·斯派瑟如是说。质子等重粒子嵌入在墙内，而较轻的电子则被弹开。班德福的团队经过计算认为，一个保护性的电场会形成一面墙将等离子体中带正电的粒子与其带负电的粒子分开。

而且在来自一个太阳风暴的辐射到来之前，宇宙飞船释放出一个粒子云，可以提供更多的保护，研究人员于2014年6月4日发表在arXiv.org网站上的一篇文章中提出了这一想法。

检验这一想法是很棘手的，因为在实验室中模拟太阳风暴几乎是不可能的。所以班德福的团队进行了计算机模拟。

根据模拟，磁场和等离子体形成的带电的外壳可以使95％的极速太阳粒子转向。

“这是一种有希望的方法，”斯派瑟说，“但是很多事情可能会出错。”而且Winglee指出，这篇文章没有提到磁场对宇航员的影响。

班德福希望收集实验证据来检验这个想法，并且设想试图保护围着地球绕转的无人卫星。“这可能是一个相对廉价的任务，我们可以在大约5年内实现。”她说。小磁场通过形成电子薄层反射出粒子喷流。同样的原理也可以应用于形成一个保护宇宙飞船免受太阳辐射危害的反射护盾。

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小磁场通过形成电子薄层反射出粒子喷流。同样的原理也可以应用于形成一个保护宇宙飞船免受太阳辐射危害的反射护盾。

V　恒星和系外行星

Stars and Exoplanets

太阳风可能穿透了火星的大气

美国航天局发射的火星大气与挥发演化探测器发现了快速、贯穿的粒子。

托马斯·萨姆纳

一项新的研究表明，太阳喷发出来的粒子可能渗入火星下层大气中。

美国航天局的火星大气和挥发物探测器（MAVEN）发现高速的太阳风粒子渗透进入比之前认为的更深的行星大气中，该项目科学家在2014年12月15日宣布这一发现。研究人员推测，这些粒子可能给大气层气体带来有力的一击，使气体逃逸到太空中。这一过程帮助剥开了这颗行星的大气层。

该项工作将会帮助科学家更好地“理解大气层在几十亿年来的损失如何改变了火星表面维持生命生存的能力。”MAVEN的仪器科学家、美国航天局戈达徳太空飞行中心的保罗·马哈菲说。

火星上干涸的湖床和河道表明这颗行星曾经有一个温暖潮湿的表面，以及由此形成的一层包围着的厚厚的大气层。经过数十亿年，较轻形式的气体分子，例如二氧化碳、氮气和氩气，从大气层中逃离，剩下了那些较重的同位素。然而，关于大气层变薄的准确的机制和速率并没有被完全了解。

发射于2013年的MAVEN，一直在寻找造成这种大气损失的机制。自2014年9月22日以来，这个飞船在火星周围沿着一个椭圆形的路径巡游，范围在火星表面上空150千米到6000千米。探测器浸泡在环绕着这颗行星的电子和带电原子核即离子中。科学家认为火星周围的电离层作为一层保护屏障，可以使任何即将到来的太阳风偏转远离火星。然而，MAVEN的新的测量结果却表明并非总是如此。

这个探测器观测到来自太阳风的粒子穿入比之前认为的更深的大气层中，即表面之上200千米左右、远远低于电离层的地方。这些粒子的移动速度约每秒450千米，如此高的速度使它们可以穿进任何它们撞上的大气气体中。如果在碰撞过程中有足够多的能量被转移到气体中，那么气体可能会摆脱火星的万有引力。

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美国航天局MAVEN探测器（如图所示）的新测量结果显示，来自太阳的高能粒子可以帮助火星大气中的气体渗入空间。

粒子在下降时，或许可以通过伪装穿透进大气中，MAVEN团队成员、加利福尼亚大学的行星科学家吉姆·麦克法登说。太阳风中带正电的原子在路上可以获得电子变成中性，他提出。没有净电荷的话，这些原子将会穿过电离层进入下层大气，在那里它们可能会通过某种方式失去沿路获得的电子，恢复成带电原子。一旦进入大气层，太阳风粒子就会帮助剥掉一部分大气。

“这是值得注意的，”麦克法登说，“在高海拔地区有一定数量的太阳风能。这些太阳风能在中海拔地区消失了，随后在到达低海拔地区时又回来了。”

这些变形的太阳风离子在火星大气的损失中发挥的作用有多大还不确定，麦克法登表示。

太阳的激波消失了

观测重绘了本地恒星环境的图像。

纳迪亚·德雷克

太阳并不像科学家猜测的那样在银河系中高速穿行。它的速度是每小时83 500千米，比预期的速度每小时慢了约11 000千米。

尽管这听起来或许不像是什么大事，但是太阳的慢节奏与描述太阳系本地环境——一个太阳风吹出来的、被称为日球层的气泡的理论相冲突。太阳的速度帮助确定了这个弹性气泡的尺寸和边界，以及太阳在银河系中穿梭时受到的星际尘埃和气体云的影响。

科学家原本认为一个激波，或者弓形激波，先于这个气泡开启了自己的旅程。但是缓慢的太阳没有达到可以生成一个弓形激波的移动速度。该研究的合作者戴维·麦科马斯，来自圣安东尼奥西南研究所，他说：“过去25年，我们都假设存在这样一个弓形激波。”

虽然这个缺失的弓形激波的影响仍是未知，但是现在科学家可以更精确地研究日球层对太阳在星际空间和气体云中穿梭时的响应。

“我们讨论我们自己的母恒星周围的这个结构，”卫斯理大学的天文学家赛斯·雷德菲尔德说，“然而直到现在，对于那里发生着什么，我们仍然还没有一个非常清晰的概念。”

麦科马斯和他的同事使用美国航天局的IBEX航天器捕获到的氦原子对太阳系的速度进行计时。氦原子不带电荷，可以在电磁场中穿梭，也可以很容易穿过湍流的边界——日球层顶，处于日球层和当地气体云之间。成千上万的氦原子揭示了太阳的速度。

科学家还发现，周围云中的电磁场强度比预期的要强，所以需要一个更快的速度来产生激波。

至少现在是这样，当太阳穿行至另一个不同的云中时，这可能会有所改变。

“可以肯定的是，日球层的防护盾已经改变了太阳的一生。”雷德菲尔多说。2008年，他和杰弗里·林斯基研究了附近157颗恒星的运动和星光，最终测得的太阳的速度与麦科马斯得到的很接近。雷德菲尔多现在也在对其他恒星周围类似的气泡结构进行研究，他表示：“当发现两个结果一致时，我非常兴奋。”

太阳的短周期记忆

纳迪亚·德雷克

科学家们试图预测的太阳活动高峰存在极大变动，从微弱到巨大。来自印度加尔各答科学教育研究所的迪布耶杜·南迪为这个问题提供了一个解释：“太阳有非常短的记忆。它忘记了过去活动的历史。”这是他在2012年6月11日说的。因为太阳磁场的“湍流泵”擦除过去活动周期的记忆，所以以前的太阳周期无法指示未来的强度。南迪认为当太阳黑子的数量最高时，太阳的最大值只能通过使用以前的最小值来得到可靠的预测，这意味着太阳仅记得自己过去5.5年的历史。

太阳喷射出的气体包层相互碰撞反弹大质量气体球所显示的超弹性行为

塔尼娅·刘易斯

一个新的研究表明，太阳在八年前喷射出的一对巨大的气体包层像具有弹性的球体一样相互碰撞反弹，这改变了太阳物理学家关于这些带电粒子喷发和磁场行为的想法。

美国航天局日地关系天文台在2008年11月拍摄到，两个带电气体球相互碰撞，并且以比碰撞之前更多的动能反弹。2012年10月7日，科学家将这一发现发表在《自然物理》杂志网站上。这种现象被称为超弹性碰撞。

“这种现象在自然界并不常被观测到。”该研究的合著者、中国科学技术大学的物理学家汪毓明说。科学家已经在微小粒子的尺度上对其进行了观测，但是并没有对带电气体的大质量粒子进行研究。

汪毓明和其团队观测到的碰撞过程提高了喷射物总动能的6.6％。研究者认为带电粒子球中的磁性和内能随着它们膨胀转化为了动能。

汪教授说，这种被称为日冕物质抛射的太阳爆发，具有与10亿颗原子弹同时爆发时产生的同量级的能量。理解这种爆发之间的相互作用对于预测空间气象十分重要，而空间气象对于卫星和宇宙飞船之间的信息交流又具有重要影响。

至于这些太阳喷发，科学家想了解什么时候这些带电粒子会袭击地球。“碰撞比单独的喷发更有可能在地球上引起强烈的事件。确定它们在哪里并且降低破坏性是十分重要的。”新罕布什尔大学的大气和空间科学家诺埃·吕加说。

庞大的等离子体回路推动了太阳的自转

巨型结构支持热传输机制。

加布里埃尔·波普金

根据发表在2013年12月6日出版的《科学》杂志上的一项研究，太阳上巨大且持久的等离子体流（其直径为地球直径的15倍）将热量从太阳内部深处移至表面。这一发现支持存在了几十年之久的、关于为什么太阳上赤道区域自转最快的一个解释。

在太阳最外层30％、被称为对流层的区域内，上升的等离子体携带着太阳内部由核聚变产生的热量。一旦到达表面，大部分等离子体的能量便辐射到太空中；然后较冷较重的等离子体会下沉，推动进一步的对流，形成了被称为对流单体的循环回路。一些特别巨大的对流结构，被叫作超米粒组织，可以持续长达24个小时，直径比地球直径还大。

1968年，科学家推测，持续时间更久且规模较大、足以跨越整个对流区的对流单体维持着研究人员早前在太阳赤道附近观测到的快速旋转；如果没有这样的对流单体，那么两极的旋转速度会比赤道快。自那时起，科学家一直在寻找这样的巨型单体。

一个由美国航天局马歇尔太空飞行中心的大卫·海瑟薇领导的团队，使用该机构最先进的太阳观测设备——太阳动力学天文台，寻找这些难以捉摸的对流单体。研究人员测量了太阳等离子体流向地球或者远离地球时由等离子体辐射出的光在波长上的变化，并且通过这个偏移计算出太阳表面上的等离子体的速度。这些速度显示出了超米粒组织的位置。这是海瑟薇结合其他天文台的数据已经完成了的一项工作。

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图中所示为太阳巨大的对流单元（红色为西风气流，蓝色为东风气流）

然而这次，海瑟薇和她的同事使用很多密切的观测，看到更大的等离子体流推动这些穿越太阳表面的超米粒组织。

很多等离子体流大约每27天出现一次。这个时间是太阳赤道上一个斑点旋转及再次出现在地球视野内所花费的时间。这些流持续了多个自旋周期，强烈暗示着它们就是预测的巨型对流单体，海瑟薇如是说。他的团队还发现，巨型对流单体似乎将快速旋转的等离子体向着赤道运送，而慢速旋转的等离子体则向着两极传送，这证实了其他的预测。

博尔德市国家大气研究中心的天体物理学家马克·米舍说，这项研究是关于探测巨型对流单体的言论中最令人信服的说法。但是，他补充道：“我不会称其为‘一次灌篮’。”海瑟薇承认观测结果不完全符合主流理论。马克·米舍建立了关于太阳对流的计算机模拟。根据模拟预测，赤道附近为持续时间久的对流单体，两极附近则为持续时间较短的对流单体。然而海瑟薇团队的发现却恰恰相反。马克·米舍说，读过他的文章的理论家还是“有点摸不着头脑”。

日冕物质抛射活动的前兆

最新的观测延伸了关于太阳爆发的辩论。

托马斯·萨姆纳

研究人员在一次被称为日冕物质抛射（CME）的强烈的太阳活动中，首次观测到等离子体在太阳磁场的作用下出现了一个弹簧状的螺旋结构。CME会使卫星丧失功能，当其朝向地球时会扰乱航空旅行等。新的观测结果暗示这种扭曲的等离子体结构是CME的前兆。这一新发现发表在2014年8月28日出版的《天体物理学杂志通讯》上。

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太阳磁场中弹簧状的扭曲引发了由太阳表面延展出去的磁通量管。

美国海军研究实验室的天体物理学家安杰洛斯·沃尔利达斯表示，了解这种电磁螺旋结构是否触发了CME或者是不是因CME而生成的可以很好地帮助科学家提前发现即将发生的太阳风暴。他说：“一个调和的理论或许可以让我们看到CME的早期阶段，并且在它到达地球之前几天而不是几个小时提前发布警告信息。”

科学家通过观察磁场如何引导发光的太阳等离子体来监测无形的太阳磁场。围绕着太阳的等离子体光环，被称为日冕。这片区域可以弯曲成巨大的等离子体回路，范围超过地球直径的10倍。当两条回路交叉时，它们可以相互盘绕生成螺旋状的结构。该结构被称为磁通量管。

为了解释这种螺旋状结构是如何形成的，以及它们与CME的联系，等离子体物理学家已经研究出两种相互竞争的理论。争论点归结于磁通量管是在这些太阳爆发之前形成的，还是在太阳爆发期间形成的。

第一种假设是，磁通量管形成于太阳爆发之前。在漂移了几个小时或几天后，磁通量管突然扭结，就像是一条过度缠绕的电话绳一样，将太阳物质向外抛出，即发生CME。

第二种想法是，当磁回路的尾端以某种方式从太阳表面断开时，发生了CME，而非爆发。在太阳物质向外抛射时，切断的回路与另一条连接，形成磁通量管。

2012年7月，美国航天局的绕地球轨道太阳动力学观测卫星发现了一条磁通量管的形成，并且在它扭结、似乎触发了一次CME之前在四处漂移了八个小时。随之第一种假设得到了印证，这一事件似乎平息了这场争论。

但是在2013年11月，这个探测器又记录了另一个磁通量管的诞生，这次记录却支持第二种解释。这个磁通量管是在一个正在发生的CME期间形成的，当时切断的磁回路融合在一起形成一个弹簧状的螺旋结构。该项研究分析的负责人、山东大学的太阳物理学家宋红强表示，从探测器的角度来看，这次爆发发生于太阳的边缘，研究人员可以清晰地看到等离子体画出了磁通量管的轮廓。

宋说，他们团队的发现表明这两种理论都无法完全解释CME和磁通量管之间的关系。他说：“想要回答为什么、何时、何地太阳风暴将会发生，我们仍有很长一段路需要走。”

250光年以外存在着太阳的未来

安德鲁·格兰特

恒星HIP 102152的年龄几乎是太阳的两倍，它向我们提供了关于太阳命运的线索。

当太阳进入它的晚年，很有可能会像恒星HIP 102152一样。

一个由多名天文学家组成的团队，在2013年8月28日宣称就质量、温度以及化学组成而言，与太阳最匹配的恒星已经找到。但是，它要比太阳老40亿年，这为我们提供了一次诱人的机会去目睹46亿年后的太阳。

“对类太阳恒星的研究可以帮助我们梳理清楚——为什么太阳是恒星。”南里奥格兰德联邦大学（巴西）的天文学家古斯他瓦·帕托·德·梅洛（Gustavo Porto de Mello）说，这是迈向寻找恒星的另外一步，而且其中这些恒星能够代表太阳在演化时期的不同状态。

恒星HIP 102152已经让研究者对锂元素有了深刻的理解。科学家发现锂元素大量存在于一些恒星中，但是在太阳里却微乎其微。帕托·德·梅洛说，有很多天文学家在猜想是否因为此使太阳成为了“局外人”。然而，科学家发现恒星HIP 102152的锂含量比太阳还要少，而之前确定的名叫天蝎座18的年轻类太阳恒星含有更多的锂。这一发现表明炙热翻腾的类太阳恒星内部会因为恒星年龄的增长，通过锂元素来逐渐地燃烧。

HIP 102152和太阳一样，含有比较少量的铁、镁、硅等像地球这样的岩石类行星才会有的元素。这将会是一个信号，告诉我们最新发现的恒星是有行星围绕着它的，该研究的合著者、得克萨斯大学奥斯汀分校的艾文·拉米雷兹说。到目前为止，通过智利拉西亚天文台的3.6米望远镜所观测的结果已经排除有木星质量大小的行星存在，但是仍可能会有小质量的行星。

这个由各国天文学家组成的国际团队通过2006巡天开始搜寻类太阳恒星，发现了恒星HIP 102152。它是一颗位于摩羯座的恒星，距离地球约250光年。

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恒星HIP 102152在图的中心，它距离地球250光年，在很多方面都与太阳相似，但它的年龄比太阳多40亿年

目前，天文学家已经开始利用欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜对HIP 102152恒星进行详细的观测分析，并发表在2013年9月10日出版的《天体物理学报通讯》上。HIP 102152恒星的质量是太阳质量的97％，比太阳温度低54摄氏度，并含有超过20多种相似化学元素。“这正是我们所期待找到的几乎完全一样的另外一个双胞胎。”巴尔的摩空间望远镜研究所的天文学家戴维·索德贝多姆（David Soderblom）说。

82亿岁的HIP 102152是我们能找到的最老的类太阳恒星。还有不到20亿年的时间里，恒星HIP 102152将会用完它内核的氢气，并且它将会像气球一样膨胀到现在尺寸的几百倍。如果当这一切发生在我们的太阳本身时，地球将会被太阳烧焦，并最后吞没。

太阳的兄弟姐妹

寻找太阳亲属的方法可能指向银河系的出生地。

克里斯托弗·克罗克特

太阳的一个失散多年的兄弟可能就在距离我们110光年远的地方。

天文学家已经发现了一颗恒星，它可能与太阳形成于同一个星云及同一时间。这颗行星叫作HD 162826。它比太阳更热更亮更重。它的发现是一个学习如何有效辨认太阳兄弟姐妹的实验的一部分。

仅是太阳的一个兄弟还不能透露出太多信息。所以想到一个寻找太阳的兄弟姐妹的好的方法应该可以帮助科学家理解为什么太阳系会是这个样子，以及弄清楚太阳起源于何地，该实验的领袖、得克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家伊万·拉米雷斯解释道。在太阳45.7亿年的生命中，天体的运动和银河系引力拖拽拆散了太阳的家庭。

因诞生于同一个气体云，拉米雷斯和他的同事推断，太阳的兄弟姐妹应该与太阳有着相同的化学成分。通过分析30个候选体的光谱，研究人员发现HD 162826是为数不多的化学组成与太阳相匹配的候选体。拉米雷斯的团队缩小了候选体的范围。回顾过去，拉米雷斯说：“大多数恒星很快就分开了，并且继续远离太阳。”然而，这颗恒星却似乎处于一个更平行的轨道上。

这颗恒星的年龄似乎也对得上。研究人员根据该恒星的颜色和光度，估计了其年龄，最终得到结论：HD 162826的年龄将近46亿岁。该研究结果于2014年5月8日发表在arXiv.org网站上，不久也发表在《天体物理学》杂志上的一篇文章中。

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HD 162826距离我们约110光年，位于武仙星座中。它可能与太阳诞生于同一个星云中。这颗恒星比太阳更温暖更明亮更重一些，但是与太阳的化学组成几乎相同。

“这些人发现了太阳众多兄弟姐妹中的一个还不足以令我们欣喜若狂。”密歇根大学的天体物理学家弗雷德·亚当斯说。尽管数十亿年来其他天体和云的推动已经抹去了位于银河系周围的一个环中的太阳的诞生星云的踪迹，但是理论学家预测，研究人员应该可以在附近找到一些太阳的兄弟姐妹。“这不是一定的，”他补充道，“但是这是一个有趣的可能性。”

天文学家认为太阳形成于一个拥有几千颗恒星的星团。“现在我们所处的情况，”拉米雷斯说，“限制了这个星团的大小。”星团太大的话，来自太多大质量恒星的辐射会破坏婴儿时期的太阳系。星团太小的话，不会有足够的质量来产生超新星，为行星提供重元素。亚当斯说，与太阳的诞生星团最相似的星团是距离地球约1600光年远的猎户座星云星团。

寻找太阳的兄弟姐妹可能会解释太阳系是如何形成的。在过去的二十年里，天文学家已经发现了超过1000颗拥有着不同轨道、大小和质量的行星的恒星。亚当斯说，既然诞生星团“雕刻”出太阳系，那么研究这样的星团可以让我们了解我们所看到的太阳系中的多样性是如何产生的这个大问题。

回答这个问题将需要找到更多太阳的家庭成员。欧洲空间局的盖亚（Gaia）项目，旨在测量十亿颗恒星的位置和运动，它将会创建一个数据库，从此数据库中我们可以找到候选体。另一个项目，“盖亚-ESO”巡天计划，将会使用智利的甚大望远镜得到测量数据库中超过十万颗恒星的精确化学信息所需的详细的光谱。HD 162826仅仅是个开始。“我们正在建立一个规划图，以期未来可以找到它们。”拉米雷斯说，“现在我们找到了其中一个，这只是个额外奖励。”

HD 162826距离我们约110光年，位于武仙星座中。它可能与太阳诞生于同一个星云中。这颗恒星比太阳更温暖更明亮更重一些，但是与太阳的化学组成几乎相同。

离太阳最近的恒星

克里斯托弗·克罗克特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Michael Osadciw/Univ. of Rochester

通常恒星之间不会紧挨在一起。然而，“肖尔茨星”却是个例外。约7万年前，这颗恒星，或者更准确地说，一对互相围绕彼此转动的恒星，来到距离太阳约0.8光年的位置处。我们隔壁的邻居，比邻星，与我们的距离是该距离的五倍多。从我们旁边飞过的这颗恒星是已知离太阳最近的恒星。

纽约罗切斯特大学的天文学家Eric Mamajek和他的同事测量了这个双星系统当前的速度和运动方向，以此推算出了它们的运动轨迹。当这两颗恒星行至太阳系附近时，他们可能在奥尔特云——一层包围着太阳系的冰壳中“滑倒”了，研究人员已将这一研究结果发表在了2015年2月10日出版的《天体物理学杂志通讯》上。

即使在它们距离最近时，这两颗恒星依然无法用肉眼看到。其中一颗恒星，偶尔会有耀斑。研究人员推测，当时如果有人在非洲闲逛，应该可以看到“肖尔茨星”在视野里闪烁几分钟或几个小时。

围绕银河系系中心运动的超高速恒星

与黑洞的近距离接触可以检验广义相对论。

纳蒂亚·德雷克

如果把尤塞恩·博尔特比作为一颗星星，那么他就是S0-102，这颗恒星用最短的时间绕着银河系中心的黑洞冲刺了一圈。天文学家在2012年10月5日出版的《科学》杂志上的报告称，S0-102只需要11.5年就可以绕超大质量的宇宙黑洞一周。

不用担心，“它毫无被吞噬的危险，”该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校的天体物理学家安德烈娅·盖说，“但原则上，它离中央黑洞足够近，我们可以看到时空弯曲效应对其轨道的影响。”

S0-102是被夏威夷凯克望远镜的其中一台发现的。它打破了另一颗“短跑运动员”S0-2的记录。相对而言，S0-2便显得慢吞吞了，它需要16年才能绕黑洞一周。在近二十年里，盖和她的同事一直在这片区域内寻找运动古怪的恒星。一开始，这些恒星作为黑洞存在的证据，而现在，则作为检验爱因斯坦的广义相对论的工具。在距离超大质量的黑洞非常近的地方，广义相对论也许并不适用。

德国马克斯普朗克地外物理研究所的天文学家斯特凡·吉勒森说，毫无疑问，该团队的观测非常精确而且令人印象深刻。吉勒森和他的同事也在观测银河系中心，他说那里是一个十分令人困惑且混乱的地方。

科学家仍会持续关注这一对“冒失鬼”，并且计划在2018年，S0-2离黑洞最近的时候，进行一些关键性的观测。（S0-102将在2021年最靠近黑洞。）

当恒星靠近黑洞时，天文学家将观测到因黑洞周围的时空弯曲而造成的一切光的变化。对于地球上的观察者而言，逃离极端引力的光线将改变它的波长，看起来有偏移。恒星的轨迹也许会发生一点晃动。

“我们知道，当到达核心，在黑洞的中心——奇点上时，爱因斯坦的理论将会失效，”盖说，“黑洞几乎注定会打破爱因斯坦广义相对论。”

科学家不知道的是离黑洞多近时广义相对论将会失效。

但是很显然，黑洞附近的环境不是所有恒星都能忍受的，盖说：“你得是个坚强的家伙。”

恒星婴儿图

安德鲁·格兰特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：F. Comeron/ESO

两个明亮的恒星从这张黑暗的天狼座3星云图片中浮现出来。这个称为天狼座3的恒星育婴室位于天蝎座，距地球大约600光年。新生恒星是冷却的尘埃和气体云（图中央偏左处）在引力的作用下坍塌形成的，年龄还不到一百万年。这两颗恒星是如此的年轻以至于他们的亮光只来自于引力的收缩。如果它们要像太阳或者类似太阳的恒星那样发生氢核聚变反应还需要再等上百万年的时间。天文学家认为这个恒星系统与大约45亿年前孕育出太阳的系统相似。欧洲南方天文台（ESO）于2013年1月16日公布的这张照片是由位于智利的拉西亚天文台的2.2米望远镜所拍摄的。

自引力透镜双星

天文学家发现了一对独特的双星，其中包含一颗白矮星。

克里斯托弗·克罗克特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA

天文学家已经发现了一对独特的双星。这对双星由一颗白矮星（死亡恒星的残骸）和其环绕着的一颗类太阳恒星组成。当这颗白矮星在它的伴星与地球之间经过时，它的引力会放大另一颗恒星的光。这是首次在一对双星中发现了引力透镜效应的迹象。这颗白矮星的质量约为太阳质量的60％，体积比地球大不了太多，其轨道周期为88天，天文学家在2014年4月18日出版的《科学》杂志上报告了这一发现。华盛顿大学西雅图分校的伊桑·克鲁瑟和埃里克·艾古尔在研究行星搜寻者开普勒望远镜收集到的数据时，在2600光年远的天琴座中发现了这对双星。自引力透镜双星提供了一次难得的机会，使天文学家可以直接测量用其他方法无法测得的恒星的质量。这样做可能会帮助科学家解开白矮星奇异的物理和双星的演化这两个谜题。

三合星系统提供了检验引力理论的新方法

对于特殊系统的分析可以检验广义相对论。

加布里埃尔·波普金

三颗被束缚在紧密的圆形轨道中的天体可能有助于天文学家以前所未有的精度检验主流引力理论。2014年1月23日，发表于《自然》杂志上的一篇文章中报道了这个三合星系统的发现。

“我们应该感谢宇宙做了这样的事情，”马克思普朗克射电天文研究所的天体物理学家保罗·弗莱雷说，“我多希望我也参与了这项工作。”他对于这个发现感到由衷的高兴。

我们银河系中充满着双星系统和三合星系统。但是在PSR J0337+1715中的三颗天体的形成和运动方式使这个系统在天文学家发现的那些系统中变得尤为独特。这个三合星系统包含一颗快速自旋且非常致密的脉冲星和两颗质量较小的白矮星。当白矮星的质量达到太阳质量的1.4倍，发生超新星爆发时，脉冲星便形成了。这样的爆发通常会将邻近的天体踢出它们的轨道。然而，在PSR J0377+1715中，这颗脉冲星和其中一颗白矮星在一个1.6天的轨道上互相围绕彼此转动。另一颗白矮星则围绕较内层的这两颗天体在一个更大的轨道上转动，但是这个距离仍比太阳到地球的距离更近。

美国国家射电天文台的天文学家斯科特·兰索姆在望远镜传回的数据中发现了PSR J0337+1215。他和他的同事不清楚这三颗天体是如何以这种方式走到一起的。但是因为这个系统的排列将有助于研究人员探测引力，所以他们感到很兴奋。这颗脉冲星每秒钟自旋366次，它的磁场就像一个灯塔发出的光束一样扫过太空。通过测量脉冲信号计时中微小的变化，兰索姆和他的同事可以精确追踪这个系统中三个天体的运动情况。

该团队希望看到这三个天体是否像主流引力理论即广义相对论所预测的那样拉向彼此。当一个如脉冲星那样的高密度天体形成时，它的质量的一部分会转化成束缚着它的能量。广义相对论的强等效原理强调，引力应该对这个束缚能量有着如作用于等量质量上那样的相同的影响。这意味着PSR J0377+1715中的脉冲星和较内层的白矮星将会以相同的速度落向较外层的那颗白矮星。在几乎所有与广义相对论相互竞争的引力理论中，与引力和质量的相互作用相比，束缚能量与引力的相互作用会有些不同，这将会导致脉冲星和较内层的白矮星以略微不同的速度下落。

物理学家认为，广义相对论最终一定会屈服于一个与量子力学（在最小的尺度上描述大自然）相兼容的理论。已经提出的所有这样的理论都不包含强等效原理，兰索姆如是说。尽管他的团队测量引力的精度应该能够比以往精确100倍，但是兰索姆很犹豫，不敢断言他的测量将会是推翻爱因斯坦在1916年提出的广义相对论的那一个。“我们曾经所看到的一切均表明广义相对论工作得很好。”他说。

兰索姆的团队有机会做一次漂亮的测试，佛罗里达大学的物理学家克利福德·威尔说。“如果他们可以在未来一年或者两年内圆满完成，那么这将是为爱因斯坦理论100周年送上的一个极好的生日礼物。”

年老的太阳系统

在整个宇宙历史中一直有小型岩质世界形成。

克里斯托弗·克罗克特

当地球在我们太阳的眼中还只是一个小闪烁的时候，一些行星已经几十亿岁了。

开普勒太空望远镜发现了已知最古老的“太阳系”。五个小型岩质世界依偎在一颗112亿岁的冷的红星附近。这颗恒星被叫作开普勒-444，年龄是我们太阳的两倍多。因为行星形成的时间与它们所绕转的恒星相同，所以这个发现意味着宇宙在它整个历史长河中一直在大量生产岩质行星，这为外星生命的发展以及繁荣提供了充足的时间。

然而，开普勒-444本身，并不是生命存在的最佳场所。这颗恒星周围的行星的大小都在水星和地球之间，而且它们都距离母恒星太近，液态水不能存在于其表面。这几颗行星的轨道周期最长的也不到十天。天文学家将这一研究结果发表在了2015年2月1日出版的《天体物理学杂志》上。

“从未在一颗如此年老的恒星附近发现过这么小的行星。”该研究的负责人、英国伯明翰大学的天文学家蒂亚戈·坎潘特表示。年老的恒星没有行星形成所必需的、像年轻恒星上所含含量那么多的元素，如碳、硅和铁。天文学家曾经以为只有在富含这些元素的恒星周围才可以形成行星。但是研究人员2014年在距离我们约104光年的恒星开普勒-10的附近，发现了一颗像海王星一样重的岩质行星。现在开普勒-444的发现更加确证了地球大小的行星可以形成于各种各样的恒星周围。

坎潘特和他的同事仔细筛选开普勒望远镜的数据，发现了这些位于天琴座、距离我们约116光年远的行星。开普勒通过观测行星“凌日”现象搜寻行星。它花费了四年的时间，“凝视”着约15万颗恒星。当行星在它的恒星前面穿过时，我们可以看到行星的“身影”。

为了确定开普勒-444的年龄，研究团队测量了以星光上的微小波动的形式显现出来的、席卷恒星表面的波的频率。随着恒星变老，这些波的频率会下降。通过将恒星闪烁的光的频率和由描述恒星演化的理论计算出来的结果进行对比，研究团队推算出开普勒-444的年龄为112亿岁。

在一颗如此年老的恒星周围找到行星并不是十分令人惊讶，麻省理工学院的天体物理学家约书亚·温表示。“似乎没有任何一种理论认为行星不可能形成得这么快。”他说，真正开创性的是恒星脉动的精确测量。在开普勒之前，天文学家只能对巨星进行这些测量。“可能很多已知的恒星都是如此年老。”他说。

这个发现说明宇宙中很早就存在适合生命居住的场所：一个可以叫作家的固态表面。“一旦你有一颗岩质行星以及生命所需的成分，”康奈尔大学的天文学家丽萨·卡尔特内格说，“那么你就可以拥有生命了。”尽管开普勒-444周围的行星不适合居住，但是在同一时间，其他恒星的周围可能有具有温和气候的行星形成。“我们现在只需要去找到它们。”她说。

闪光揭示了恒星的属性

亮度测量能帮助测定恒星的大小和年龄。

安德鲁·格兰特

了解遥远恒星的关键就如观测它们的闪光一样简单。

美国航天局的用于搜寻太阳系以外类地行星的开普勒太空望远镜对恒星的亮度测量能够确定关于17万恒星以及围绕着这些恒星的行星的曾经难以捉摸的物理属性。这一研究发表在2013年8月22日出版的《自然》杂志上。新技术能够把星光中超过好几个小时的适当波动转换成关于恒星大小、表面引力以及恒星所处的生命阶段的理解。

“所有的这些信息都用如此简单的方法编译在了恒星亮度中。”美国范德堡大学的天体物理学家凯文·斯塔森说道，他同时也是参与此项研究的共同作者之一。

如今已无法修复的开普勒望远镜曾花了四年的时间去盯着天空中的某块地方搜索被食的行星。开普勒望远镜对好几百颗恒星进行了细致的观测，通过研究所选恒星亮度的细微变化，天文学家能够分辨出在恒星内部的震动，这种震动与在地球上能够导致地震发生的地震波相似，天文学家可以精确地测定每个恒星的物理性质，包括表面重力。

与此相反，天文学家对于开普勒恒星，甚至大部分的恒星的大小、重量以及其他属性仅仅只有一些大概的估计。“我们知道‘这种估计’是不准确的。”美国宾夕法尼亚州立大学的天文学家罗纳德·吉利兰说。

关于此研究的另一个作者，来自范德堡的天体物理学家法比耶纳·巴斯蒂安，从被认真探索过的恒星亮度数据中仔细研究时指出了一个明确的关联：恒星闪烁的时间越长，那么它表面的引力就越弱。随着恒星年龄增加并膨胀时，其表面的引力减少。“这可能告诉你恒星是如何演化的以及它应该有多大。”巴斯蒂安说。

虽然恒星闪烁和表面重力的关系还无人知晓，斯塔森（Stassun）说将这两者联系在一起是有道理的。恒星的表面有覆盖这一层巨大粒状物。粒状物是有热气体上升和较低温气体下沉所形成，他们的温度可以在几分钟内改变。恒星在它的生命后期会发生膨胀，这种气态粒状物也会增大，从而导致恒星表面亮度的更大波动。

巴斯蒂安、斯塔森和他们的两个同事建立了一种恒星闪烁的亮度尺度，并用于所有开普勒视野中的恒星。通过对一个恒星亮度闪烁的八小时观测，天文学家可以测定它表面重力，估算误差在20％以内。

吉利兰说这种尺度是一个非常有用的工具，它也能够帮助天文学家利用开普勒数据来寻找和描述行星。食行星（Eclipsing Planet）在恒星上的阴影投影的尺寸仅能用于测定行星和恒星的相对尺寸。要确定一个行星是否是巨行星、矮行星或者是在两者之间，天文学家首先要知道的就是恒星的尺寸。巴斯蒂安说她的研究团队所提出的亮度尺度将帮助天文学家快速地获知恒星的尺寸，而不需要进行很长时间的和昂贵的地面望远镜观测。

年老的恒星偷取邻近天体的气体

抢掠物质帮助蓝离散星保持年轻。

阿什利·耶格尔

偷取其他天体的材料使一些恒星看起来很年轻。哈勃太空望远镜的数据显示，这些被称为蓝离散星的盗贼从邻近天体偷窃材料，并且留下一颗死亡的伴星作为“在场证据”。

威斯康星大学麦迪逊分校的天文学家娜塔莉·戈斯内尔和她的同事发现了三颗与白矮星（死亡恒星的残骸）共享轨道的蓝离散星。该发现于2014年1月29日发表在arXiv.org网站上。天文学家认为，如果一颗蓝离散星从一颗如今已经死亡的伴星上偷取气体，那么将会留下死亡恒星的残骸，新的发现符合这一观点。这些偷窃而来的赃物使蓝离散星燃烧得更加热烈并且看起来更蓝，就像更年轻的恒星那样。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：K. Garmany and F. Haase/NOAO/AURA

疏散星团NGC 188中的一些蓝离散星（图中圆圈圈出来的那些）拥有白矮星伴星，证明热的蓝星通过从其现在已死亡的邻居处偷取物质来保持年轻的外貌。

戈斯内尔说：“这些蓝离散星确实是通过从另一颗恒星偷取物质形成的。这是我们首次可以对特定的蓝离散星群体下这样的结论。”

确定蓝离散星如何偷窃物质以及它们发生了什么，可以帮助天文学家更好地理解其他许多涉及质量转移的宇宙现象的物理，例如发生在两颗恒星之间最终导致爆炸的物质交换现象。

1953年，天文学家首次发现蓝离散星。这些恒星因与它们周围的更冷更红的恒星一样老而令人感到困惑。多年来，天文学家已经想出三个关于蓝离散星年龄问题的解释：每颗蓝离散星可能都曾与另一颗恒星碰撞并且从其吸积物质；它可能存在于一个三合星系统且与一颗伴星发生了合并；或者它从另一颗恒星偷取了物质。然而，这些假设都很难进行测试。

戈斯内尔和他的同事使用哈勃望远镜研究来自NGC 188中蓝离散星的紫外光。NGC 188是一个70亿岁的星团，位于5800光年远的仙王星座内。研究人员已知一颗蓝离散星和一颗白矮星各自所发射出的紫外光应有的数量。如果发现蓝离散星所发出的额外紫外光的数量相当于一颗白矮星发出的量，那么这就标志着一颗蓝离散星和一颗白矮星互相绕彼此转动，并且曾经交换过物质材料。该团队报告称，NGC 188中的三颗蓝离散星符合这一轮廓。

该结果没有排除因碰撞及合并而形成蓝离散星的可能性，但是这些发现确实提供了物质偷窃行为的确凿证据，尼古拉·哥白尼天文学中心的天文学家米甲·露西扎克（MichałRózyczka）如是说。2013年，他的团队报告了一次疑似一颗蓝离散星从其伴星偷取物质的事件。

新数据显示出在一群蓝离散星中曾多次发生物质转移事件，这使得关于这些恒星间物质转移的理论更加令人信服。

早期恒星的光仍未被看到

信号终有一天会被射电望远镜探测到。

纳迪亚·德雷克

一个关于早期宇宙的3D模拟显示，第一代恒星留下的宇宙信号可以被射电望远镜接收到。

“这是一种探测早期宇宙的新方法，”虽未参与这项工作，但是哥伦比亚大学的宇宙学家佐尔坦·海曼表示，“我们没有多少可以实现这个目的的方法。”

研究早期恒星的信息颇具挑战，因为早期恒星十分小，而且由于宇宙膨胀，它们现在极其遥远。

但是2012年6月20日发表于在线版《自然》杂志上的新模拟结果表明，一种恒星信号以波动的射电电波形式存在着。这是由年轻恒星和星系加热并激发周围环境中的氢气时产生的振荡。根据模拟，1.8亿年时的宇宙中，恒星和星系以明显且可探测的模式分布着。

哈佛大学的研究生伊莱·比斯瓦尔和他的同事模拟了一个跨度13亿光年的立体空间。他们用氢气和暗物质填充它，并且解释了近期观测中这两种物质以不同速度运动的现象。结合每种物质变化的密度，不同的速度以在一些地方起阻碍作用同时在其他地方起促进作用的方式来影响恒星的形成。“暗物质塌缩成团块，”比斯瓦尔说，“然后气体因为重力作用落进这些团块中并形成了恒星和星系。”

但不包括那些由于速度相对于暗物质团块来说过快而需要更大力才能将气体拖进去的地方。气体的缺乏产生了一个恒星形成的空洞，而稠密的气体则凝结形成了星团和星系。然后这些星团加热并激发了周围的中性氢原子海洋，这会发射出可被射电望远镜探测到的辐射。

但是这些望远镜必须使用比今天大部分强大的射电探测器所使用的典型波段更低的频率来巡天。未来设备例如正在研发的巨大的平方千米阵可以完成这项工作。加州大学洛杉矶分校的天体物理学家史蒂文·富拉内托说，另一个选择是一个叫作“黑暗时代射电探测器”的提议项目。该探测器是一个月球卫星，它利用月球作为屏障来屏蔽如电视和无线电技术的干扰。

捕获到来自早期恒星的光

高能辐射解释了恒星世代的形成。

纳迪亚·德雷克

宇宙最早一批恒星的光芒仍在宇宙中徘徊。现在天文学家有了新的方法来捕获它：遥远的超亮星系，其残余光子以伽马射线形式被辐射出来。

但捕捉到的不仅仅是这些最早期的光子，每颗曾经闪耀过的恒星发出的光都会被捕获。2012年11月1日，得克萨斯大学的天文学家福尔克尔·布罗姆在在线版《科学》杂志上描述这种观测遥远光线的新方法，“现在我们对已形成恒星的总数有了约束条件。”

研究这些恒星的“指纹”可以帮助天文学家了解最早期的宇宙。现在约137亿年的宇宙在大爆炸后约4亿年时开始形成第一代恒星。

斯坦福大学的天体物理学家马科·阿耶洛和他的同事们使用绕轨道运行的费米大面积望远镜来研究遥远的耀变体（一种明亮、活跃的星系）。耀变体由向地球发射巨大的喷流的超大质量黑洞提供能量。喷流包括能与早期恒星的光子发生相互作用的伽马射线。

光子与耀变体的伽马射线碰撞，转换成电子以及它们的反物质粒子——正电子。转变过程产生了变暗的效果，变暗的程度与地球和耀变体之间的光子的数量相一致。

阿耶洛和他的同事使用150个耀变体来解析宇宙混战中剩余的早期光子。到目前为止，研究人员已经成功看到4亿年时出现的闪闪发光的宇宙。该团队计划跟进更远更早时期的耀变体。

新的研究结果表明，早期恒星的形成可能比之前认为的更慢一些。它们主要由氢组成，并且存在很短暂，很快便逝去。“通常认为，第一代恒星更重（是太阳质量的数百倍），更热，更亮并且存活时间更短”，阿耶洛说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，DOE，Fermi LAT Collaboration

科学家使用150颗被称为耀变体的明亮星系（绿点）来探测早期恒星的光子。这张地图展示了全天的伽马射线图像，暖色的是银河系。

最早期的恒星没有我们预期的那样年老

克里斯托弗·克罗克特

宇宙中最早的恒星的出现时间可能比我们之前认为的要稍微晚一些。来自普朗克卫星的新结果准确描述了再电离的开始。再电离是指在大爆炸宇宙学的黑暗期之后，宇宙中物质再电离的过程。在这个时期，星光变得足够强大，可以将整个宇宙中氢原子的电子剥离。约132.5亿年前，在大爆炸之后仅仅5.5亿年，恒星引发了宇宙改造。之前来自WMAP卫星的结果显示再电离开始的时间要比普朗克卫星给出的早1亿年左右，但是处于那个时期的星系看起来并没有足够的恒星可以将氢原子电离。普朗克给出的结果则意味着星系可以有稍微多一点的时间来形成足够多的恒星引发再电离。

在半人马座阿尔法星周围发现了地球大小的行星

已知最近的系外行星距离地球4.4光年。

纳迪亚·德雷克

天文学家寻找类地行星不需要太远，只需在家门口的半人马座阿尔法恒星系统中就可以找到。距离地球4.4光年远处，一颗地球大小的行星正在围绕一颗恒星运动。该行星的质量与地球类似，但轨道却不同。因过于靠近它的恒星（比日地距离近25倍）而无法存在生命。

但是，2012年10月17日，在线版《自然》杂志刊登的这一发现仍点燃了人们的梦想：将一艘宇宙飞船送到这一三星系统。这一直是人类的目标，因为它离地球最近，就像在自家后院一样。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ESO/L.Calcada/Nick Risinper

尽管和地球一样大，但是这颗最近被发现的行星（如图中右侧所示）离它所围绕运动的恒星半人马座阿尔法B星太近而不可能拥有生命。

“在我们最近的邻居半人马座阿尔法星附近竟然有一颗岩质行星，这太不可思议了，”耶鲁大学的天文学家德布拉·费希尔说道，“如果你将要发射一艘宇宙飞船或是探测器，这将是首选。而且，如果有证据证明那里有岩质行星，那么错过这个目标的话你可能会发疯的。”

这颗岩质行星围绕着半人马座阿尔法B星（一颗只比太阳稍小稍暗的恒星）运动。但这颗行星并不像是地球的孪生兄弟：那里的一年只有3.236天。它离恒星太近以至于其表面温度达到1200摄氏度左右，加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷戈·劳克林指出。“它完全无法居住，完全被烤焦，无论哪个方面都与地球不一样。”

但是，离半人马座阿尔法B星如此之近的范围内就有一颗岩质行星，这说明在同一系统中可能存在更多行星，也许在外层轨道的岩质行星上，生命可以繁荣生长。劳克林说：“考虑到现在已经发现的这颗行星，我认为在这个系统中存在一颗真正有趣的行星的概率非常高。”美国宇航局的开普勒空间望远镜（它从一群恒星周围寻找行星，这些恒星大部分离我们超过600光年）传回的数据表明，多行星系统十分普遍，尤其是在靠近恒星的轨道上发现小型岩质行星的时候，一般都是多行星系统。

半人马座阿尔法A星是其与半人马座阿尔法B星组成的双星系统中较大的那一个，它很有可能也拥有行星。但是因为半人马座阿尔法A星更大、更亮，所以绕其运动的小型行星很难被发现。

此前的观测表明，在半人马座阿尔法三星系统中没有比海王星质量更大的行星了。但这并不意味着不存在更小的难以被探测到的行星。

“这么说吧，容易被找到的行星很早之前已经被全部发现了。”麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格说。

在一个由来自日内瓦大学的一个团队领导的项目中，天文学家使用了高精度径向速度行星搜索器（HARPS）发现了这颗行星。对此他们并不感到意外。

“我们知道这种行星随处可见，但它们多大？离其母恒星多远？这是我们正在尝试解决的问题，”此项研究的合著者、日内瓦大学的天文学家斯特凡·乌德里说，“这将帮助我们了解它们的形成机制。”

被安装在智利拉西亚的欧洲南方天文台3.6米望远镜上的HARPS，寻找那些被轨道上的行星引力拖拽的恒星。因为这颗行星太小，其作用在半人马座阿尔法B星上的微弱引力只能使恒星的位置每秒移动约50厘米。因此要用恒星摆动的方法找到行星的信号，就意味着该团队需要仔细地过滤掉如黑子、恒星表面凸起以及与半人马座阿尔法A星之间的引力相互作用等所产生的影响。

“毫无疑问，探测是十分艰难的。”费希尔说，“像这个一样有技术难度的探测还需要被确认。”

费希尔正计划通过一台被叫作CHIRON的设备做跟进观测，该设备用稍微不同的方式分析恒星的摆动。劳克林说，该行星有10％到25％的几率会在半人马座阿尔法B星与地球之间穿过。如果这样的话，那么天文学家就可以观测到因为行星的遮挡造成的恒星光度上的下降。

这和开普勒宇宙飞船寻找行星的方法相同，但是开普勒并未指向半人马座阿尔法星附近，所以它不能完成这项工作。另一台轨道望远镜，加拿大的恒星微变和振荡望远镜（MOST）也许可以探测到该行星产生的微弱信号变化并确定其半径，进而科学家可以计算出它的密度，以及行星可能的组成成分。

尽管这颗行星和地球并不相似，但是半人马座阿尔法星仍是太空探测器的理想的目的地，虽然现在还不太实际。即使是一个手机大小的宇宙探测器加速到光速的10％都要40年的时间才能到达目的地。而且探测器还需要应对极端的温度变化，保持正常运转几十年，在几光年外保证和地球的通讯。最后，探测器在围绕离恒星那么近的行星运转时还不能被恒星吞噬掉。

如果科学家确实找到了一种探测该行星的方法，那么他们会做什么呢？照相！“你所能想象的只是对焦，然后拍摄一张照片，就像旅行者号那样。”西格说。研究该行星的大气层（如果有大气层的话）和内部结构。试着在行星上放置不会被熔化掉的探测器。或者，如果该行星被潮汐锁定一面一直面向恒星的话，“那么你就可以在行星背面着陆，那里也许就凉快多了，”西格说，“试着思考如何到达那里，这使我们的想象力展开了。”

超重的行星动摇了行星理论

质量最大的岩质行星Kepler-10c。

克里斯托弗·克罗克特

普遍认为，一旦一颗行星收集到约10倍地球质量的岩石，那么它便会吸积气体，像海王星或土星那样成为一颗巨型气态行星。然而，系外行星开普勒-10c却没有遵循这一说法。这颗遥远的行星，质量为地球质量的17倍，是已知最重的岩质行星。对于它是如何形成的，天文学家还没有任何头绪。

开普勒-10c有着与海王星相当的质量，然而直径却只为我们地球的2.4倍，在它之上的重力比地球上的强三倍，哈佛-史密松天体物理中心的天文学家大卫·莱瑟姆报告称。“我不想在这个星球上变成一个‘长颈鹿’。”莱瑟姆说。

这颗行星是围着开普勒-10绕转的两颗行星中的一颗。开普勒-10位于564光年远的天龙座中，是一颗类太阳恒星。这两颗行星都很温暖舒适且靠近它们的恒星：开普勒-10c的轨道周期为45天，10b的周期则更短。而且这两颗行星都是开普勒太空望远镜发现的第一批行星，而实际上，10b更是开普勒首个确认的岩质行星。

天文学家在五年前就已经知道10c的直径和周期了，但是他们最近才测量到它的质量，进而计算出其密度，意识到这颗行星是由岩石构成的。研究人员通过跟踪其恒星被这颗行星的引力拖拽晃动的程度，测量到了它的质量。

哈佛大学的天文学家迪米特·塞萨罗夫表示，研究小组根据相似的直径和周期，原本预期这颗行星的质量约为地球质量的两倍。17倍地球质量是个意外。研究人员在2014年6月2日举办的天文学会议上，以及2014年5月30日在arXiv.org网站上发表的一篇文章中，都报告了关于这颗行星质量的测量结果。

开普勒-10c似乎是一类新型系外行星的首个代表。麻省理工学院的天体物理学家塞拉·赛格说：“每次我们自满时，我们都会发现一些新的东西。”她解释道，天文学家认为最大的岩质行星约为10倍地球质量。超过这个质量，增长的行星胚胎会从围绕着它们婴儿期恒星的原材料盘中吸收氢和氦。这些轻量级气体可以抵抗引力压缩，这会使行星聚集一层浓厚蓬松的大气。

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Kepler-10c，一颗重约17倍地球质量的岩质行星，环绕着它的恒星做轨道运动，如艺术插图中所示。它的姐妹行星，Kepler-10b（红色），位于更接近其恒星的轨道内。

但是开普勒-10c打破了这些规则。“当一类行星被发现时，这通常只是冰山一角，”赛格说，“很可能还有更多更多这类的行星存在。”

一颗超过10倍地球质量的岩质行星将很可能使理论学家在研究如何解释其起源时忙得焦头烂额。塞萨罗夫表示，关于岩质行星的质量上限“我很乐意接受我错了”。他说，关于行星形成的理论有时刚好可以帮助解释数据。但是最终，观测才是最后的仲裁者。他指出：“我们正在探索一类之前并未想到过的新型行星。”

开普勒-10c的年龄也很奇怪。一般行星的年龄与其恒星的年龄差不多。而它的恒星约为110亿岁，几乎与银河系一样古老。（相比之下，太阳只有46亿岁）天文学家早就认为年老的恒星拥有行星的可能性很小。根据理论，年老恒星形成于较重的元素普遍比现在少得多的时期，而较重的元素，如碳、氧和硅，是组成岩质行星的主要成分。

塞萨罗夫说：“我们不知道这颗行星是如何形成的。”

他补充道，开普勒-10c可能会扩大寻找外星生命的范围。因为在年老恒星附近的岩质行星很稀少，天体生物学家已经几乎将其排除。但是如果一个110亿岁的恒星可以拥有目前已知的质量最大的岩质行星，那么在其他恒星周围存在的潜在适合居住的环境的数目只会变得更大。

怪异且遥远的行星

纳迪亚·德雷克

矮行星夸奥尔（Quaoar）和它的卫星创卫一呈现出一些不寻常的特征。夸奥尔的轨道半径为40倍日地距离，比预期密集得多。如果描述卫星形成的理论适用于这两个柯伊伯带的天体，那么创卫一以比预期更椭的路径绕夸奥尔运动。这两个特征都表明该系统在形成之前经历了异常激烈的碰撞，摧毁了夸奥尔的外层冰壳，留下一个致密的大块岩石。创卫一并非由因碰撞而产生的碎片冷凝形成，加拿大赫茨伯格天体物理研究所的韦斯利·弗雷泽认为它是一次“不寻常的高速碰撞”的残余物。

行星被“烧烤”后存活下来了

恒星膨胀成为红巨星后缩小了尺寸。

纳迪亚·德雷克

开普勒太空望远镜对准的一颗恒星在短暂膨胀为一颗红巨星之后吞下的两颗行星又被吐了出来，而且依然有地球大小。现在，这两个岩质幸存者环绕着恒星的小而脉动的心脏绕转，它们的轨道周期都不到10个小时。

至少，这是一个国际研究小组给出的描述。2011年12月22日，他们在《自然》杂志上报道了这个古怪的行星系统。尽管一些天文学家对这个解释持怀疑态度，但是这个说法可以解释一种罕见类型的恒星是如何形成的，而且预示了巨大行星会被宿主吞噬的命运。

加州大学圣克鲁斯分校的天文学家伊丽莎·肯普顿说：“一颗行星在被恒星完全‘吞入’之后还能存活下来，这个说法是颇为惊人的。”

这颗恒星是一颗罕见的热B型亚矮星。围着它绕转的这两个天体——KOI55.01和55.02——可能是已经被部分消化的行星的核心。它们原本比木星大，但是现在比地球还要小一些。

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一颗垂死的恒星在塌缩成一颗罕见的亚矮星（蓝色）之前可能吞没、舔舐、随后吐出了两颗行星（橙色）。

通常，一颗类太阳恒星会演化成一颗红巨星，然后塌缩成为一颗白矮星。但是有时候，红巨星在收缩之前，它的恒星外层会脱落，只剩下一个明亮跳动的“心脏”，也就是一颗热B型亚矮星。科学家设想，可能是一颗伴星或者行星促成了这个转变。

行星无法用望远镜直接观测到，所以为了侦察这两颗顽强的天体，科学家监测了扰乱这颗恒星正常脉动的神秘信号。恒星振动时会像铃铛一样发出某个特定的音调。然而，对这颗恒星的信号进行监测时发现，这个被叫作KIC05807616的信号有一些微妙的音调无法用恒星自身来解释，该研究合作者、法国图卢兹大学的斯特凡·查比涅如是说。他和他的团队排除了其他解释，最终确定这两颗行星是恒星发出异常“叮当声”的最有可能的元凶，这也间接证明了两颗行星的存在。

但是一些科学家对这个团队的解释仍有怀疑。他们指出，用于计算这两颗行星的大小和性质的很多假设仍存在问题。“我不相信，”加州理工学院的约翰·约翰逊说，“这不一定是错的，但我有我自己的怀疑。”

一对系外行星环绕着双星作轨道运动

较外层的行星处于双星系统的宜居带中。

纳迪亚·德雷克

开普勒宇宙飞船侦测到了第一对在其绕行的双星系统前经过的行星。较外层的行星作为一颗可能的类海王星行星，位于两颗恒星附近的宜居带内，尽管它可能因为过大而并不适宜生命生存。

“它接收的能量大概是地球接收太阳能量的88％，”圣地亚哥州立大学的威廉·威尔士在2012年8月29日说道，“而且，它是一个多行星系统。在双星系统中找到一颗行星已经很难想象了，现在我们却找到了两颗。”

在这个被称为开普勒-47的系统中也许还存在更多的行星。当这一对行星在双星前经过时产生的星光闪烁预示可能存在第三颗行星。这个附加的闪烁已经被清晰地观测到了一次，所以还需要更多的观测时间来确认第三颗行星的存在。

2012年8月28日出版的《科学》杂志也描述了开普勒-47系统，进一步论述了在该系统中存在第三颗行星的可能性。“如果双星系统中可以找到一颗行星，那么找到更多的行星是完全有可能的。”加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格·劳克林说，“但是尽管如此，这仍令人兴奋。”现在有更多的证据表明多行星系统可以在双星系统动荡的环境中形成并生存下来。

目前科学家已经知道处于较外层轨道的行星开普勒-47c的半径大约是地球的4.6倍，其轨道周期为303天。处于内层轨道的行星开普勒-47b的半径大约是地球的3倍，其轨道周期为49天。双星中的一颗恒星和太阳类似，但另一颗比太阳小很多且暗淡许多。这两颗恒星在约5000光年外的天鹅座内互相绕转，彼此环绕一周的时间大概是7.5天。

确定双星系统中宜居带的边界并不像在单星系统中那样简单，因为恒星的运动会使宜居带发生位移。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JPL-Caltech，T. Pyle

开普勒-47，如图所示，是在双星周围发现的首个多行星系统。较外层的行星位于这个系统的宜居带中。

行星的“躲猫猫”游戏

当说到地球之外时，天文学家们没法玩游戏。

纳迪亚·德雷克

在一个明亮的六月夜晚，阿拉斯加州的安克拉治市的居民挤在西拉诺偏心剧场中，准备对一些来自其他世界的急件进行抽样调查。

这些信息由美国航天局的开普勒宇宙飞船发回地球。该飞船环绕太阳运转，监视着围绕遥远恒星运动的行星。在城中举办的一次美国天文学大会上，此项任务科学团队中的行星搜寻成员作为当晚的翻译讲述了在遥远世界中点亮了宇宙飞船的眼睛的童话故事。

在此次夏日聚会上，开普勒团队官方确认了72颗系外行星的存在，考证之繁琐难住了若干听众。

“当我第一次写下这个问题时，答案是61，”本次大会的主持人、安克拉治居民温迪·威思罗说，“而且这并不是很久以前的事。”

开普勒飞船正在以难以想象的速度传送着结果，2012年9月时确定的候选行星就超过3000颗。有时候，每周似乎都有一个新世界被确认通报：又一颗行星加入到一个宇宙集群中，这其中包含炽热的球体、含有两颗星体的系统以及一些近距离依存以致一颗间或在另一颗的天空升起的姐妹星。

自六月会议之后，开普勒团队科学家又公布了5个确认结果，将已确定系外行星名单上升到77个。该团队还希望很快定下来其他800余个，其总量将使以往搜索发现的行星数量翻倍。

面对如此巨大的反馈，很难相信开普勒的目标——在确定地球特殊性上取得大跨步进展——曾站在不可能之事的边缘上。在2012年4月美国航天局同意该项目延期四年之前，失败几乎已注定。开普勒观测到的恒星对于其周围的行星所造成的影响比预期的更为严重，其闪烁程度使轨道行星的特征变得模糊。

“开普勒发射时，其目标是确定处于宜居带内的地球大小的行星的频率。但年复一年，我们其实已经改变了这一原始目标，减去了‘处于宜居带中’这一条件，”加州圣何塞州立大学的纳塔利·巴塔尔哈说，“现在我们正将其添加回来。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA Ames，JPL-Caltech

开普勒已经找到了地球大小的系外行星（如上图所示开普勒-20e）以及具有类地球轨道的行星（左侧开普勒-22b）。但是同时满足两个标准的天体依旧困扰着科学家。

一直到2016年9月，该团队将会忙于排除任何意想不到的故障问题。研究人员正在努力清除在确定系外地球数量道路上的阻碍，即那些居住于恒星周围的宜居带中的小型行星。

完成任务之前还有一段艰难的旅程，科学家还需提高他们的探测技术以便更好地从开普勒视野中溢出的数千闪烁星光中挑选出可能的系外行星。研究人员也在研究用来描述已确认行星的特征的工具：它们是否如地球一样是岩质的？最后，该团队也许将会准确计算出在开普勒观测的天空区域内地球闪烁的频率，但其数据是否可以应用到整个星系还不明确。

“在远方是否还有其他宜居的行星？它们有多常见？”加州大学的杰夫·马西问道。“这确实是个极漂亮的问题，它是众多超科学问题中的一个，应划归哲学领域。”

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开普勒凝视一片挤满了超过150 000颗恒星的天空，找到了地球的表亲。它观察那些由于行星从恒星前面经过时导致恒星光线变暗而产生的闪烁。一颗有着与地球相似轨道的行星每个地球年会使其恒星变暗一次，科学家需要数年的观测时间来寻找多个这样的变暗事件。

加州帕萨迪纳喷气推进实验室的尼克·戈蒂埃在西拉诺剧场中告诉听众：“我们必须目不转睛，因为我们也许会错过一次凌日现象。”

观测星光闪烁现象开启了一个复杂的过程。该过程旨在将确实有行星绕其转动的恒星从仅炫耀其固有光亮的恒星中区分出来。但是开普勒的星场因如太阳一样的恒星的自然亮度波动比预期的要严重得多而过度喧闹。地外文明探索协会的乔恩·詹金斯说：“典型的类太阳恒星比太阳吵闹得多，这对我们来说是个大惊喜。太阳真不是一颗‘类太阳恒星’。”

这项新发现使确定作为候选行星的信号变得更加困难，因此詹金斯和其他二十多个团队成员努力改进可以过滤出超亮恒星噪音的工作。为了做到这一点，该团队微调了电脑软件，增强了软件区分天体的能力。

詹金斯将调试过程比喻成在理发店四重唱（即兴演唱的伤感民歌和民谣，男生四重唱）中选择性地辨出男高音。“只要你听辨出男高音，那么你就可以筛选出中音和低音了，因为他们并不互相干扰。”他说。但是你还需通过移除可以给听辨过程引入等效静电的障碍来使系统的耳朵更加灵敏。“我们已经取得显著进展，但是为了能找到我们最感兴趣的最小的行星，我们仍需继续削减那些障碍。”詹金斯说。

随着任务推进，科学家找到了越来越多的小型候选体。但是也存在着担心那些攀爬的数字会突然停止的焦虑。

在天文学会议上，科学家公布了迄今为止候选体普查的初步分析。热木星，紧紧围绕其母星的大型行星，常常因其自身特性而被发现，但是它们却很少出现在开普勒的视野内，也许因为它们并不偏好居住在开普勒所观测的那种类型的恒星的周围。较小的行星似乎并没有这么挑剔：有大量比地球大但比海王星小的行星，并且它们生活在各种类型的恒星周围。一份附加报告指出约十二个比火星小的候选体还在等待被确认。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Wendy Stenzel/Kepler Mission/NASA，Adapted by E. Feliciano

系外行星体形升级开普勒公布的最新候选行星目录中包含了过多比地球大的行星，其中很多大约为海王星大小。少量候选行星为地球大小或更小，而且其中只有两颗行星已被确认。

长久以来，科学家一直宣称较小的行星相对于较大的行星来说更为充足，但是当前开普勒普查的结果显示这样的结论也许并不适合所有情况。“随着你转向较小的行星尺寸，直至小到两个地球半径大小，行星的出现会更为常见，”夏威夷大学马诺阿分校的安德鲁·霍华德说道，“然后发生了一些有趣的现象：出现率确实发生了回落。”

没人知道为什么，或者回落是否真实。“一种可能性是我们正在观测一些对行星科学具有深远影响的东西，”霍华德说。另一种可能性是：开普勒当前的发现也并不能代表那里的真实情况，或者因为恒星本身，或者因为听辨技术偏向于被膨大的低音。

如果地球大小的行星数量确实下降了，那么科学家将需要更加努力工作来找到它们。这些行星宝藏中已经有两个被开普勒找到：开普勒-20e和开普勒-20f。但是这些行星离它们的母恒星太近以致液态水和生命都无法存在。

其他行星，2011年12月公布的开普勒-22b和2012年8月出版的《科学》杂志上报告的一个环绕双星系统作轨道运动的开普勒-47，都位于它们的恒星的宜居带内，但是却因为过大而取消了资格。

行星的成分

尽管在宜居带内侦探到地球大小的行星实现了开普勒的目标，但这并不能说服科学家他们已经找到了真正的地球2.0版本。开普勒只能确定行星的半径，因此该团队需要其他方式来测量行星的质量，进而它的密度和组成成分。

传统说来，在所谓的径向速度法中，恒星的摆动已经用来测量质量。马西在天文学会议上展示的初步数据表明，当行星大致小于两个地球时，它们开始从臃肿的水态迷你海王星转变为岩质地球。但他并未调查足够多的行星来确认这一点。

因为较小的行星对母恒星的拖拽力较小，说明测量其恒星的抖动需要超敏感且稳定的设备。“美国目前并没有这样的设备，”马西说，“将径向速度追踪测量法应用到可行的行星上。这真是个巨大的窘境。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Kepler Mission/NASA

开普勒宇宙飞船将会寻找新的系外行星直到2016年9月。

不同于传统的径向速度追踪，一项被称为凌日时变的较新方法也许能帮助科学家计算出小型行星的质量。这种方法适用于系统中存在一个地球大小的凌日行星和至少一个类海王星族成员构成的“黄金组合”。即使没有在其母恒星前方经过，一颗较大的行星可能会在较小的行星发生凌日事件时引起轻微变化。这些变化可以使天文学家测量出较大行星的质量，进而他们可以推算出较小行星的质量。

“只有很少人在从事这项工作，而现在正急缺这样的人才。”巴塔利亚说道。并补充说：“描述行星应当成为优先考虑的事。”

“你能找到一颗如大棉花球般地球大小的行星吗？也许你能。它们全都如地球一样是岩质的吗？它们也许只是冰态的脏雪球，”她说，“我们正处在满是这些星球的糖果屋中，如果我们没有描述行星特征的技术，这将让我感到十分悲哀。”

地球与超越

尽管还有很多障碍需要跨越，但是科学家相信他已经离目标很近了。“在接下来的两年内，我们将会知道在类地球轨道上，地球大小的行星是否常见。”马西说。

当然，针对开普勒确定的地球频率更广泛的应用还取决于反映出银河系整体情况的普查结果如何。因为这个望远镜观测的全是悬在银河系平面之上的恒星，所以，例如，这一小片不可能代表靠近银河系核心的区域。开普勒的观测视场仍“可能类似于太阳周围的环境。”美国航天局艾姆斯研究中心的杰克·利绍尔说道。

找到地球世界的频率尽管已经可以作为终点，但它也只是一个更为宽泛的千年谜题中的一部分：我们是否孤独或宇宙中是否还有其他生命？最终，科学家希望描绘出系外地球的轮廓，尽管它们可能很普通，通过研究大气层，寻找潜在的生物印记以及搜索智能生命的踪迹。

开普勒计划只是旅程的开端，该团队正一步步飞跃投身未知过程中碰到的种种困难，而且在途中带来一个又一个惊喜。随着夜晚落下帷幕，安克拉治居民托德·舍伍德关于开普勒团队的工作发表了他的观点：“这就像是第12类亲密接触。”

系外行星的巨型环

克里斯托弗·克罗克特

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走开，土星，你已经被击败了，系外行星J1407b周围的环已经远远超过了你。根据观测，环绕着这颗行星一共有37个环。这些环向外延展覆盖了9千万千米的区域，超过日地距离的一半。这是首次在太阳系之外发现行星环。

J1407b位于半人马座，距离我们434光年。在这颗年轻行星周围形成的卫星可能塑造了这些环的形状。环间存在间隔，可能被一个质量低于地球质量80％的卫星“清扫”出来的一个区域，天文学家已经于2015年1月23日将这一研究结果发布在arXiv.org网站上。

研究人员使用超广角寻找行星项目的数据绘制出这些环。2012年科学家首次报道了这些环，当时这颗未被发现的行星在它的恒星和地球之间穿过，朝向地球呈现出一系列的阴影，持续了56天。

科学家认为，在年轻的巨行星周围可能普遍存在着环。没有落进这个正在增长的世界的碎片被留下来，环绕着行星运动，最终黏合在一起形成了卫星家族。

古怪的行星轨道

被配错的行星温床可能塑造了轨道的形状。

克里斯托弗·克罗克特

太阳系外行星轨道的形状和大小不一，邻近的一对恒星正在帮助天文学家找出其中的原因。新的观测结果显示，歪斜的气体和尘埃盘产生了围着这两颗恒星绕转的行星。歪斜的盘可能推动形成的恒星进入不规则的轨道。研究人员希望这一发现是理解银河系中多样化的行星排列的起源的第一步。

与一些行星系统相比，太阳系相当无趣。地球和它的兄弟姐妹沿着近乎圆形的轨道运动，而且轨道几乎在同一个平面上。少数其他恒星周围的行星则更加自由奔放些。一些行星的轨道高度倾斜于它们恒星的赤道；一些在飞到它们系统的回水区之前会跳到接近它们恒星的位置处；还有一些木星质量的行星有着较小的轨道。

关于这些奇怪的轨道的主流解释归咎于附近的第二颗恒星。这个假设只适用于第二颗恒星的轨道倾斜于行星形成盘的情况。直到现在天文学家都不确定这种排列是否是可能的。

这个双星系统距离我们525光年，位于金牛座星座中。该系统中的两颗恒星周围的盘是不重合的，宾夕法尼亚州斯沃斯莫尔学院的埃里克·詹森和加州理工学院的瑞秋·埃克森在2014年7月31日出版的《自然》杂志上报告了这一发现。

研究人员使用智利的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵（ALMA）测量了一氧化碳气体和微小的尘埃颗粒发射出来的光，揭示了两个旋转的盘的方向。该发现意味着盘可以在相对于恒星对的一个奇怪的角度上形成，创造了塑造一些奇怪的行星轨道的完美条件。

埃克森说，想象一颗围着双星中的一颗恒星绕转的行星。那颗行星会感受到来自自身恒星的引力，但它也会受到来自第二颗恒星的推动。如果这颗伴星位于行星轨道平面之上或者之下，那么引力会巧妙地将这颗行星带到更靠近这两颗恒星的轨道上。这颗行星的轨道同样会延伸。如果轨道被高度拉伸，那么母恒星可以将行星拖拽到一个小得多的轨道内，这就可以解释木星质量的行星却有着较小轨道的起源了。

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如果邻近恒星的气体和尘埃盘未对齐，如图所示，那么在这些盘中形成的行星将会在奇怪的轨道上运动。新的观测确认了倾斜的恒星对确实存在。

观测结果表明，双推动机制合理有效，“但是这并不是完整的理论。”詹森说。还有很多有着偏心倾斜轨道的行星，其中很多可能有着尚未观测到的双星伴星，但是并不是全部都有。行星之间的相互作用可能也会分散轨道。

图森市亚利桑那大学的天文学家安德鲁·斯科默（Andrew Skemer）指出，以前研究人员只能得到关于盘方向的有限的信息，这就使他们检验关于行星和双星形成的理论受到限制。他说，获知两个盘的方向是“全新的”。因为ALMA是一架灵敏的望远镜，可以探测波长较长的光，而在这个波段盘看起来会更亮一些，所以获知盘的方向是可能的。

流浪行星漂浮在星团之中

孤儿行星是已知同类型中最接近地球的天体。

塔尼娅·刘易斯

不是所有的行星都愿意做环绕恒星的忠实追随者。一颗流浪行星被发现漫游在距离地球约115到160光年之间的一群年轻的恒星中。科学家说这颗自由漂浮的行星是目前发现的最接近地球的行星。

它不是传统意义上的行星，因为它并不围绕一颗恒星转动。但是这颗流浪行星的质量是木星质量的四到七倍，仍在行星范围内。在一个包含约30颗共同移动的恒星、被叫作AB剑鱼座的星团中，这颗行星似乎是一颗年轻的冷行星，天文学家在2012年12月出版的《天文学和天体物理学》杂志中提到。

“这是一个很好的发现，它可能是像其一样年轻的行星质量的天体中最清晰的例子。”英国赫特福德大学的天体物理学家菲利普·卢卡斯说，虽然他并未参与该研究。

其他可能的自由漂浮的行星虽也曾被探测到过，但它们的年龄不好界定。天文学家不能确定这些天体是行星，而非褐矮星（一种失败的恒星，太小以致它们的核心不足以维持聚变反应）。

新发现的天体，CFBDSIR2149，位于南方的剑鱼座中。假设它和其伴随的恒星在同一时间内形成，科学家估算这颗行星的年龄在两千万岁到两亿岁之间。与约46亿岁的太阳相比，“这就像一个1岁的婴儿和一个45岁的男子做对比。”该研究团队的领导人、法国格勒诺布尔行星学和天体物理研究所的天体物理学家菲利普·德洛姆说。知道这颗行星的年龄有助于确定它的近似质量。

德洛姆和他的团队最初在寻找褐矮星。通过使用位于夏威夷莫纳克亚山的加拿大-法国-夏威夷望远镜，科学家注意到一个有着不寻常颜色的奇怪天体。他们测量了这个奇怪天体的光谱（揭示了其化学组成），得到了暗示其为一颗行星的第一条线索。该团队使用智利的欧洲南方天文台的望远镜确认了其观测结果。

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新发现的天体，CFBDSIR2149（如图所示）是一颗类行星天体，但是并没有围绕一颗恒星转动。

漫游的世界

发现没有星光的天体可能会使关于恒星和行星的观点变复杂。

阿什利·耶格尔

在点点繁星中，向着摩羯座方向，一个红色的球体正在太空中自由地漂浮着。它不像是一颗恒星，它的质量不足以使原子发生聚变反应提供热量，而且它太小了也不能成为一颗恒星。这个被叫作PSO J318.5-22的流浪汉，不管怎么看，都更像是一颗行星。除了不满足一条关键性的条件：它没有环绕一颗恒星运动。

PSO J318.5-22无家可归。没有来自母恒星的光和热，它漂浮在永恒的黑暗里，是银河系中的一个流浪者。

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气体和尘埃盘在OTS 44周围盘旋。OTS 44是一颗流浪行星，它的形成方式可能与恒星的形成方式相同。

20世纪70年代，计算机模拟第一次给了行星科学家这样的暗示：流浪行星可能存在。因为行星形成于一颗恒星周围，一些行星的物质应该已经被分散到遥远的轨道上。少量的小行星可能已经被甩到很远的地方，足以克服恒星的引力束缚，完全脱离出去。

之后的估计表明，星系中的每个行星系统都至少会将一颗行星踢到星际空间。而银河系中有着数以亿计的行星系统，那么在我们的星系中可能存在着数十亿甚至更多的流浪行星，麻省理工学院的行星科学家萨拉·西格如是说。

第一次真正观测到疑似自由漂浮着的行星是在2000年，这也表明之前的数值模拟是有意义的。在过去的15年里，天文学家已经在无意中发现了约50颗这样的类似行星的世界。它们当中有些天体具备行星的所有特征，除了缺少一颗母恒星。而其他的天体又使得关于恒星和行星如何形成的问题被重新提出来。看起来，它们都在挑战行星的标准定义。

夏威夷大学的迈克尔·刘说，是时候做点儿什么，不仅仅只是偶然发现了。他希望进行一个针对流浪行星的系统性的搜寻工作。

“一个流浪者普查，”刘说，“这是我们将要充分了解银河系中所存在的天体的唯一方式。”

孤立的巨行星

2010年，刘和他的同事首次发现了PSO J318.5-22；他们确认了这一发现，并且在2013年发表了他们的研究成果。

研究人员是在泛星计划望远镜拍摄到的图像中发现这颗行星的。研究团队一直在寻找褐矮星。它们的形成方式与恒星类似：一团气体从一团冷的致密的气体云中挣脱出来，然后塌缩，将物质向内拉进一个打旋的盘中。这个盘的中央是一颗婴儿恒星，或者是一颗褐矮星，这取决于原始气体团块的大小。

将恒星与褐矮星以及行星区分开来，主要根据两个特征：质量以及是否发生核聚变反应。恒星，即使是小型恒星，质量也至少是木星质量的80倍。（木星是太阳系中质量最大的行星，它的质量是地球质量的318倍，常常被天文学家用来作为估计其他气态天体的大小的标准尺寸。）根据理论计算，一个天体的质量必须至少是木星质量的80倍，它核心的氢核（质子）才会聚变形成氦。这个过程释放能量，使得恒星变得明亮，点缀在夜空中。

褐矮星要更小一些，质量在13～80倍木星质量之间。它们不够致密，不足以使氢发生聚变反应。但是它们可能足够大，且热，可以使氘核（一个质子加一个中子）同质子或者其他原子核发生聚变反应，这意味着它们可能曾经生成过能量，但是现在已经不再产生能量了。

任何质量小于13倍木星质量的球体都不够大或者不够致密，不足以使任何一种原子核发生聚变反应。因此，一些天文学家将质量小于约13倍木星质量的天体，即使是自由漂浮的那些，定义为行星。

这是天文界的一个争论点。2000年，天文学家开始报告自由漂浮着的行星质量的天体时，他们将这些天体称为“孤立的巨行星”。这种简单的描述引发了一场激烈的辩论：这些自由漂浮者是否应该被赋予行星身份。2003年，国际天文联合会（IAU），也就是将冥王星降级为矮行星的同一个组织，做出了权衡，认为行星围绕着恒星做周期性运动。围绕着其他恒星转动的行星称为太阳系外行星，或者系外行星。而那些有着行星质量的流浪汉，并没有围绕着恒星转动。它们属于亚褐矮星，不是行星。

IAU的定义在恒星、褐矮星、亚褐矮星，以及行星之间，画了一条明确的分界线。但是实际上，刘说，星系所包含的天体要复杂得多。

大约在IAU宣布这一规定时，刘加入了搜寻褐矮星和系外行星的计划。事实上，当他和他的团队首次发现PSO J318.5-22时，他们认为它可能是一颗褐矮星。但是它“与我们之前见过的天体都不同。”他说。PSO J318.5-22很暗淡，而且非常红，比任何褐矮星都要红。他们用更大的望远镜对其进行了更细致地观测，证实这个天体更像是一颗行星。PSO J318.5-22的质量约为木星质量的6.5倍，刚好在行星大小范围内。它的颜色、亮度、大气和质量也类似于邻近恒星系统中的那些年轻的系外行星。2013年，研究团队将他们的研究成果发表在《天体物理学杂志通讯》上。

流浪者很难被看到，有两个原因：一是，它们缺乏一颗母恒星；二是，它们的大小。有固定轨道的行星对它们的母恒星有引力拖拽作用或者会阻断母恒星发出的光，这些现象提供了它们存在的证据。这是开普勒太空望远镜和其他望远镜寻找遥远世界的方法。而且因为流浪者很小，与恒星相比，它们不会发出大量的光和热，这使得它们很微弱，很容易被红外和光学望远镜错过。

尽管存在这些挑战，但是刘和其他天文学家已经通过光学和红外望远镜找到了约40个类似行星的流浪者。这些设备非常善于寻找较大的流浪者，但是它们容易错过那些较小的、地球大小的流浪者。这就需要引入微引力透镜了。一个大质量天体可以作为一个引力放大镜，使挡在其后的背景天体发出的光线弯曲并且变亮。大约十几个流浪者是通过微引力透镜效应被识别出来。

激烈且混乱

当确定一个天体是一颗恒星还是一颗行星时，质量并不是根本。宾夕法尼亚州立大学的凯文·鲁赫曼说，真正重要的是流浪者是如何生成的。

基于计算机模拟，天文学家提出了关于流浪者如何形成的两种方案：它们或者是在早期被从一个行星系统踢出去的，或者是就像恒星的形成方式那样，只不过是在一个更小的尺度上。

行星系统的形成是极其混乱的。它始于一团气体和尘埃混合而成的云。这团云是从一团更大的云中脱离出来的，包含着维持很多恒星开始阶段的材料。当团块脱离时，引力会将一切东西吸入它的中心。中心变得越来越压缩，变得更热，成为一颗新生恒星的开端。大块的岩石、冰和尘埃开始围绕这个恒星内核盘旋。这些组块黏在一起形成了大岩石，然后继续增长变大形成行星。这些行星可以被拉向它的恒星，然后被推出去很远。

当行星移动寻找有利位置时，它们与周围的其他行星进行了一场激烈而混乱的乒乓球游戏。最后，没有足够的引力可以保持所有的行星都环绕母恒星。因此，一个或者多个行星被踢进太空中，流浪行星就诞生了。

有证据表明甚至在我们的太阳系中也曾出现过这种混乱打斗的过程，西格说。

这些恶作剧的首个迹象来自奥尔特云，一大群因引力而被拴在太阳系中的数以万亿计的冰块。奥尔特云，一直延伸到太阳系最远的边缘，在太阳和它的行星周围形成了一个由碎片组成的圆形罩。它很可能是由40亿年前当行星寻找它们的位置时被赶出太阳系内部的碎石组成的，西格说。

一些模拟表明，为了使木星、土星、天王星和海王星在它们今天所在的轨道上，曾经某一时刻很可能有第五颗行星与它们一起四处弹跳。最终木星将这颗假想的、与海王星质量差不多的行星踢进了太空，西南研究所的研究人员在2011年报道了这一模拟结果。

不是是什么，而是如何做到的

斯德哥尔摩大学的天文学家戈斯塔·加姆表示，行星之间的乒乓球游戏可能不是流浪者形成的唯一途径。他认为行星在没有母恒星的情况下也可以形成。可能它们与太空中同一片区域内的恒星的形成方式完全相同，只是在规模上要小得多。在恒星温床中，大团的气体和尘埃云形成了恒星。在加姆的理论中，一团质量仅为木星质量几倍的气体和尘埃云，可以塌缩成一颗行星——一颗自由漂浮的行星，而不是一颗恒星或者褐矮星。

加姆已经在船底座星云中发现了好几百团可能形成行星的气体和尘埃云。它们被称为球状星云。2014年5月，加姆和吕勒奥理工大学的蒂亚·格伦曼在《天文学和天体物理学》杂志上报告了这一发现。加姆和他的同事还在玫瑰星云中发现了一些球状星云，如2013年在同一个杂志上报道的那样。玫瑰星云位于距离我们5200光年远的麒麟星座中，是一团低密度气体云。它在一团更大的、正在形成恒星和行星系统的气体和尘埃云的中心。玫瑰星云包含着刚刚开始从更大的气体云中脱离出来的球状星云。

船底座星云位于距离我们约7500光年远的船底星座中，是天空中最大的恒星形成区域之一。它是一团弥散的云，在那里恒星正在快速形成，而且在那里有很多球状星云，其中一些比木星的质量还要小。这些微小的气体团比我们在其他星云中看到的更小更致密，所以它们更倾向于形成自由漂浮的行星，加姆说。

剑桥大学的天体物理学家托马斯·霍沃思，正在深入研究球状星云是如何从一团极其微小的气体云转变成发育完全的自由漂浮者的。他的模拟显示，这些微小的气体团自身不一定具备足够的引力来塌缩形成天体。加姆认为，来自邻近新星的热气体或者其他一些湍流的外部压力可能会迫使球状星云压缩。但是当霍沃思将这种形式的湍流包含进模拟中时，它仍然不足以使球状星云变成行星。他和他的同事将他们的发现发表在了2015年1月发行的《皇家天文学会月刊》上。

霍沃思说，这并不意味着这种方案是错误的。球状星云可能刚好达到足以形成天体的云的边界，而且在适量的吸引力的帮助下，它会被压扁并且塌缩形成一颗行星或者褐矮星。他正在致力于模拟这种方案及其他一些方案。

“球状星云数量众多，”他说，“即使只有一小部分可以塌缩，这对于自由漂浮的行星的数量来说也是一个重大的贡献。”

一个直接成像的自由漂浮者，被称为OTS 44的流浪汉，似乎支持加姆的球状星云理论。天文学家估算出，OTS 44的质量刚好是木星质量的12倍左右，这是行星质量的最高值。它大约200万岁，以宇宙的感觉来看还是一颗新生儿。OTS 44的周围也有一个气体和尘埃环，而且就像是一颗恒星那样，这个气态的流浪汉正在从环绕着它的环中吸积材料来构建自己。天文学家曾在围绕小型恒星转动的行星周围看到过这种类型的吸积盘，但是却从未在一个自由漂浮的天体周围发现过。2014年，研究人员在一次关于冷星和太阳的研讨会上报告了他们的发现。根据加姆的球状星云理论，这些流浪者似乎处于形成行星过程中的晚期阶段。

这些发现使IAU和其他人定义的恒星和行星之间的界限变得模糊不清。

然而，鲁赫曼认为恒星的形成过程与一个在更大的天体周围的气体和尘埃盘内的小天体的形成过程是非常不同的。他说：“根据行星和褐矮星的形成方式来区分它们是更有意义的。”

没有干扰

对于它们为科学家带来的所有问题，流浪行星确实有一些好处。“流浪行星最好的事情之一是它们没有一个炫目的母恒星，所以它们的大气不会被冲掉，”刘说，“流浪者给我们带来了一个令人难以置信的关于行星组成的视角，它们会告诉我们关于那些环绕着恒星运动的行星的信息。”

将流浪行星的大气与褐矮星以及恒星的大气进行比较，可能是区分彼此的最好的方法。这种比较可以揭示自由漂浮者的形成有多不同，并且可以为鲁赫曼的论点（如果它像一颗恒星那样形成，那么它便是一颗恒星；如果它像一颗行星那样形成，那么它便是一颗行星）提供凭证。这样的细节可能需要对行星这个词重新定义，需要将流浪行星包含进去。

详细观察流浪者的大气也可以透露出它们是否有生命存在的迹象。加州理工学院的行星科学家大卫·史蒂文森是首批怀疑流浪行星上存在生命的科学家。他们认为，如果自由漂浮者依然保留着它们的氢气层，那么它们便可以保持足够温暖，使其拥有水，并且可能存在生命。其他人加入了暗物质来解释流浪者是如何在没有来自邻近恒星的能量的条件下供养生命的。

在这种更前沿的情境中，暗物质，以弱相互作用大质量粒子的形式，与原子核接触，失去动力，并且被行星的引力拉过去。暗物质粒子堆积在行星内部，在那里它们彼此之间发生碰撞并且湮灭。这种相互作用产生了高能粒子，并且被周围的物质吸收，为行星提供热量。这种过程可以以足够高的速率发生，使得行星温度升高，在没有一颗母恒星的光的帮助下，也足以保持液态水的存在。科学家在2012年发表于《宇宙学与天体粒子物理学》杂志中的一篇文章中阐述了这套理论。

对于流浪行星可能拥有适合生命生存的条件这一观点，西格表示同意。

然而，找到支持这一想法的证据将需要一次更完整的流浪者普查，大的和小的都要包括进来。PSO J318.5-22极端发红的现象似乎是天文学家可以用来寻找更多流浪者（至少是较大的流浪者）的一个特征。刘已经尝试过这个方法，找到了四个或五个更多的自由漂浮者。至于较小的那些，一些可能已经通过间接方式被发现了。但是想要通过拍摄这些较小的流浪行星的照片以及探索它们的大气来寻找生命的迹象，将需要更强大的望远镜，其中一些计划在十年左右到来。

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罗塞塔星云由气体和尘埃组成，距离地球约5200光年。图中，它正在大量生产新生恒星。一些科学家认为，它可能也生成了流浪行星。

西尔说：“我们正在试图全面理解行星系统。”更大的望远镜将帮助天文学家了解仍留在行星系统中的是什么，被迫出去的又是什么，以及在那里还有什么。

迈克尔·刘说：“一个流浪者普查是我们充分了解银河系中所存在的天体的唯一方式。”

发现漂浮者最近几年，天文学家偶然发现了距离地球不是太远的流浪天体，其质量刚好在行星质量范围。

*这个天体可能是一颗质量为木星质量3.2倍的流浪行星和一个约为地球质量一半的小卫星的组合，或者它可能是一颗小的恒星或者大的褐矮星，且伴有一颗质量约为海王星质量的行星。

超级地球可能是通过两种方式形成的

克里斯托弗·克罗克特

一项新的研究表明，质量为地球质量几倍的行星是通过两种不同的方式形成的。超级地球所环绕的恒星一般分为两种：一种富含重元素，例如铁，这种情形下超级地球与恒星之间的距离较近；另一种则略微缺乏这些重元素，而且超级地球与恒星之间的距离要稍远些。因为行星与它的恒星都形成于同一个由气体和尘埃混合而成的云中，天文学家便通过研究其恒星的化学组成，来看这个不断增长的行星可以利用的材料是什么。俄亥俄州立大学的天文学家朱伟在2015年3月8日将他的研究结果发布在arXiv.org网站上。超级地球极其令人困惑，天文学家很难理解这些重量级行星是如何形成的。朱提出，离自己恒星较近的那些超级地球可能就是在我们观测到的它们现在所在的位置附近形成的，也就是在充满着形成行星所需物质的盘里。恒星富含重元素反映了重元素很容易获取。至于那些离恒星较远的超级地球，“老实说，我不知道。”朱说。一种想法是一些行星形成于离它们的恒星更远的地方，在那里冰粒可以使行星体积增大，然后再慢慢向内部靠近。但是看起来这些行星不一定能做到这一点。

搜寻行星的新方向

利用太阳的化学组成搜寻岩质行星。

纳迪亚·德雷克

绕着遥远恒星飞速运动的岩质行星也许能通过其母恒星的化学元素缺失情况使自己显现出来。

2012年8月27日，巴西圣保罗大学的豪尔赫·梅伦德斯表示，太阳包含较少构建行星所需的元素，如铝、钙、硅等。“由于某种原因，太阳缺少这些重元素。”因此，在类太阳恒星周围可能更容易找到岩质行星，梅伦德斯和他的同事们正在这么做。

虽然天文学家已经知道伴有巨行星的恒星含有更多的重元素，但是这项工作表明，化学组成也可能成为揭示较小的类地行星的存在的标识。

目前，有一个候选体相较于其他而言十分特别：一颗距离地球200光年、被叫作HIP 56948的恒星。通过分析它发出的光，科学家发现它的化学组成与太阳相似。但是还并未发现任何围绕着那颗恒星运动的行星，梅伦德斯仍在观测。

“在我看来，这是一个很好的目标。”梅伦德斯说。

为了估计这颗太阳孪生子的元素特征，梅伦德斯和他的同事使用智利的麦哲伦望远镜观测11颗恒星。科学家发现，太阳与这些恒星中的大部分都不同，并指明形成岩质行星消耗了大量正在形成的恒星的成分。

这个想法虽然很有意思，但是它还需要被证实，夏威夷大学的纳德·哈吉吉波尔说。“考虑到我们太阳系，这似乎是个可行的方法，”他说，“在他们找到一两个行星系统之前，一切都还很难说。”

通过微引力透镜效应寻找行星

奇怪的三合星系统可能有助于检验关于行星形成的理论。

克里斯托弗·克罗克特

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因为这颗行星距离它自己的恒星相对较近，所以来自伴星的引力对它没有太大影响。

一颗冰冷的岩质行星环绕着一对暗淡的红色恒星（如图所示）中的一颗做轨道运动。它距离地球约3300光年。

天文学家已经发现了一个围着一对昏暗的红色恒星中的一个绕转的冰冻的岩质行星。研究人员在2014年7月4日出版的《科学》杂志上报道了这一发现。

它不是第一颗被发现围着一对双星中的一颗恒星绕转的行星，但是它却是第一颗通过微引力透镜效应发现的。

这个恒星对也比大多数其他有着行星的双星系统更加紧密。而且这是第一对拥有行星的双星系统中两颗恒星都是M型矮星的。银河系中约四分之三的恒星都是M型矮星。

因为大约一半的类太阳恒星均处于一个双星系统中，所以这样的搭配是一个寻找行星的潜在的沃土。围着双星绕转的行星也可以帮助天文学家理解在不同寻常的环境中行星是如何形成的。

研究人员发现的这颗岩质行星的质量约为太阳质量的两倍，位于约3300光年远的人马座中。它的轨道比金星轨道稍大一些。但是与表面温度约470摄氏度的金星不同，这颗新的系外行星只能达到约-210摄氏度。这是因为M型矮行星相对更小更冷。双星中的另一颗矮星与行星之间的距离是日地距离的10～14倍。对于一个位于这颗行星上的观测者来说，这颗伴星看起来就像一个满月一样明亮的红点。

这颗新行星是被一个叫作OGLE的光学引力透镜效应实验项目偶然发现的。OGLE使用位于智利的一架望远镜来寻找恒星以及在更遥远的恒星前面穿过的银河系碎片。当这种情况发生时，更靠近我们的这颗恒星的引力会暂时放大更遥远的那颗恒星的光。如果更靠近我们的这颗恒星拥有一颗行星，那么这颗行星的引力也会使星光短暂地扭曲。

当2012年6月，OGLE第一次探测到一个闪烁的光亮并且提醒其他天文台时，这一发现似乎与其他OGLE每年看到的约2000个微引力透镜事件没有什么不同。最终，位于世界各地的其他八个天文台将其看作漂流在地球与一颗约26 000光年远的恒星之间的一个不同寻常的三体系统。

双星系统中的行星帮助天文学家检验关于行星形成的理论，普林斯顿大学的天体物理学家罗马·拉菲科夫（非OGLE团队成员）表示。行星形成于年轻恒星周围盘绕的气体和尘埃盘。尘埃黏合在一起形成岩石，随后岩石反复碰撞形成行星。

不过，第二颗邻近行星可能会搅动原料，使得岩石碎片形成行星的这一过程变得更加困难。

拉菲科夫说，盘可能会通过渗透气体聚在一起。气体会使得旋转在年轻恒星周围的碎片减速，这有助于碎片之间发生碰撞并且黏合在一起。同样，气体的引力也会使盘在另一颗恒星存在的情况下保持有序。

“一旦行星形成了，存活下来就没有那么困难了。”OGLE团队成员、俄亥俄州立大学哥伦布分校的天体物理学家安德鲁·古尔德如是说。因为这颗行星相对较靠近它的恒星，所以来自伴星的引力并没有太多的影响。

古尔德说，这种类型的行星只能通过微引力透镜效应而被发现。而且他说，因为那么多的恒星都处于一对双星系统中，所以还有巨大数量的行星可能正等待被发现。

美国航天局提议的一架叫作WFIRST-AFTA的望远镜的主要目标之一就是寻找大量微引力透镜事件。科学家希望WFIRST-AFTA将会发现大量使用其他技术基本无法看到的行星。

系外行星北落师门b的新消息

纳迪亚·德雷克

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，UC Berkeley（P. Kalas，J. Graham，E. Chiang and E. Kite），M. Clampin/NASA GSFC，M. Fitzgerald/LLNL，K. Stapelfeldt and J. Krist/NASA JPL

2008年，天文学家声称哈勃太空望远镜第一次抓拍到了一颗系外行星的真实的图像。这颗系外行星是在一颗叫作北落师门的恒星的残碎的盘里发现的，图像上只是一个极小的光点。然而现在，另外一个科学小组在用斯必泽太空望远镜监测这颗假定存在并且被叫作北落师门b的行星时发现原始图像中的这个亮点并不是一颗行星。2012年1月24日，由普林斯顿大学的马库斯·詹森领导的小组将他们的研究成果发表在arXiv.org网站上。虽然这个团队也不确定这个亮点是什么，但是这个亮点发出的光并不在系外行星辐射所在的红外波段，所以它应该不是一颗行星。北落师门b一直困扰着天文学家，这已经不是第一次了。地面红外望远镜还没有能力观测到它，而且它的运行轨道也很诡异。为了解释这个“行星”图像，科学家已经提出了很多理论，众说纷纭。有的说它可能是一颗背景恒星，有的说它是被尘埃云散射的光，等等。

研究发现新的系外行星常常是冒充者

三分之一的开普勒热巨星可能是“误警报”。

纳迪亚·德雷克

当开普勒宇宙飞船发现一颗紧临恒星绕转的巨大行星时，它可能并不是一颗真正的行星。

一项利用在恒星轨道中发现行星的补充方法来筛选开普勒成千上万候选行星的新研究表明：35％紧挨亮星的候选巨行星是冒充者，被称为误警报。这项结果于2012年6月5日发表在arXiv.org网站上。

“在这一领域，估算开普勒的误报率是最迫在眉睫的问题之一。”哈佛-史密松天体物理中心的天文学家让-米歇尔·德塞尔说。德塞尔等人估算得出较小行星的误报率小于10％。考虑到各种研究成果中不同系外行星的数量，这与新结果并不矛盾。

“我们无法确认关于较小行星的任何信息，”法国艾克斯-马赛大学的研究生亚历山大·桑特尼和这篇新论文的合著者说，“这只针对临近的巨行星”。

开普勒探测是基于行星穿过地球和恒星之间时引起的星光周期变暗现象，但是并非一切使得恒星变暗的都是行星。例如，小恒星可以伪装成一颗行星，产生监测上的周期性闪烁。因此桑特尼和他的同事努力寻找由轨道行星引力拖拽引起的恒星旋转现象。因为大质量的邻近行星对它们的恒星的拖拽作用更显著，所以该团队的研究关注于轨道周期小于等于25天的巨型候选体。

在2300多颗可能的行星中，只有46颗被划进这个范围，其中11颗是已知的行星，桑特尼的研究小组又证实了另外九颗。

剩余的26个候选体中包含13个未知天体，2颗褐矮星和11颗双星系统中的成员星。“这些天体显然都可以模拟一次行星凌日事件。”桑特尼说，“这就是为什么当你想通过开普勒任务研究行星和凌日事件时，区分这些天体会如此重要。”

在根据观测得到的天体比率来分布这些未知天体后，该团队得出35％的误报率。这一数字相比以前的估计可能看起来很高，但是科学家不认为这是开普勒的一个严重缺陷。“相较于其他所有凌日项目，这个误报率非常低。”同在艾克斯-马赛大学的研究合著者克莱尔·穆图说。

作者指出他们的结果与加州理工学院的蒂莫西·莫顿和约翰·约翰逊2011年研究得到的接近百分之五的误报率结果之间存在差异。但莫顿解释，计算对象的不同造成了这一差异。莫顿和约翰逊可以确定任意一个候选体为真的概率，并不是针对特定行星群体。

“这一切有点像是一个概率游戏，”莫顿说，“完全通过观测来确认它们是不可能的。”

满天繁星都有自己的行星

研究表明银河系包含一千亿颗行星。

纳迪亚·德雷克

夜晚仰望星空，当你陶醉于繁星闪烁的美丽景象时，有没有想过，其实你看到的大多数恒星都至少有一颗行星在围绕着它转动。

根据行星搜索巡天工作收集到的2002到2007年长达六年的数据，一个国际研究小组得出结论，银河系中一颗恒星周围平均有1.6颗行星围着它绕转。也就是说，银河系中至少有一千亿颗行星。这个研究结果于2012年1月12日发表在《自然》杂志上。

这个数字听起来十分惊人，但是对于行星搜寻者来说，这并不会令他们感到震惊。“我对这个结果并不惊讶，”韦斯利·特劳布说，“这听起来是合理的，没问题。”韦斯利是美国航天局喷气推进实验室的一名天体物理学家，他并没有参与这项研究。

当一个天体在一颗遥远恒星的前面经过时，由于引力作用，这颗恒星会有暂时变亮的现象。这个行星搜索巡天工作便是利用这一特性来收集数据的。母恒星和可能存在的行星构成的引力场，就像个透镜，能够放大背景遥远恒星发出的光。如果在这个系统中存在围绕恒星旋转的行星，那么它贡献的背景光增强效应，是能够被探测到的。这种方法被称为微引力透镜法。

与其他行星搜索方法不同，微引力透镜法对于地球附近的恒星和遥远的恒星都同样适用。“如果我们想要走出我们的小盒子去看无限的宇宙，或者是银河系的核球，甚至是银河系之外更遥远的宇宙，那里是否依然存在着行星呢？微引力透镜法可以解答这个问题。”凯拉什·萨胡说。他是这个研究的合作者，来自于美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所。另外，微引力透镜法可以更加简单地探测到离母恒星很远的小型行星，尽管这项新研究只考虑轨道半径在日地距离一半到土星轨道半径之间的行星。

其他的方法，最普遍的是以下两种：掩星法，当行星从恒星前方经过时，恒星会略微变暗；径向速度法，行星的引力会使母恒星前后晃动。这两种方法都对大质量行星和非常靠近恒星的行星更敏感。微引力透镜法是用来估计质量在地球质量到10倍木星质量之间的行星频率的最好方法，来自巴黎天体物理学研究所的天文学家，同时也是这个研究的合作者的阿诺·卡桑如是说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：M. Kornmesser/ESO

新的分析表明，银河系中每颗恒星周围平均至少有一颗行星在围着它绕转。这张插图描述了这样的恒星及其伴随的行星。

一些科学家指出，这个团队对行星频率的估计基于少量行星的探测结果，但是也表示，这个小样本的大小已经被计算准确。卡桑说：“对于限制行星频率来说，未探测到的跟探测到的一样重要。”

恒星周围没有空房

增加额外的行星将会破坏精密的平衡。

安德鲁·格兰特

我们星系中的行星系统拥挤不堪，根据新的研究，在多一颗就会天塌地陷。这项研究于2013年2月18日发表于arXiv.org网站上。研究认为，围绕其他恒星的行星系统具有同样的演变历史。就像我们的太阳系一样。

太阳系中行星的轨道在不稳定的边缘徘徊。在加入了另一颗行星后，行星们将会相互吸引到新的不稳定轨道。

科学家认为，在45亿年前，太阳形成之后不久，这种局部的不稳定状态是由星系间相互碰撞而成。经过无数次的碰撞、迁移和抛射，只有八大行星保留下来。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的天文学家茱莉娅·方和基恩-吕克·马戈对很多的遥远的恒星系统进行了模拟。他们在美国航天局开普勒空间望远镜所观测的太阳系外行星的实际运行轨道的基础上，调整了行星的间距。

研究者随后附加了一些行星，并不断地进行模拟。在许多恒星的周围，多个行星的相互碰撞或者是一个巨大的星球将一个小的行星撞击出这个行星系统。方和马戈所得的结论是，至少有1/3的三行星系统和4％的四行星系统是饱和的。

开普勒天文望远镜所发现的大多数行星都近距离的围绕它们的恒星运转。但是，当开普勒天文望远镜所发现的行星距离其恒星较远时，这项研究结果将会改变。美国航天局艾姆斯研究中心的空间科学家杰克·利绍尔指出，其他的望远镜已经发现了一些长轨道运行的行星，这些行星系统可能存在多余的空间给附加行星。

对行星来说，拥挤的环境不安全

开普勒发现的很多世界是经挑选后存活下来的。

克里斯托弗·克罗克特

在行星中，兄弟姐妹之间的竞争可能是致命的。一个行星系中的行星如果都挤在靠近恒星的位置，那么它们彼此之间可能会互相破坏，最终只留下一个或者两个幸存者。这样的家庭纷争可能会爆发在与我们自身形成方式很不同的行星系中，尽管我们的太阳系可能遭遇过类似的成长的烦恼。

开普勒太空望远镜发现的很多多行星系统处于稳定的边缘，多伦多大学的天体物理学家吴燕琴和她的学生普博楠已经将她们的这一研究成果于2015年2月9日发布在arXiv.org网站上。如果两颗行星曾经靠得太近，那么它们可能已经互相推动彼此偏离轨道，并且发生碰撞。吴和普提出，在这些系统中的行星是一个更多样的群体的幸存者。随着时间推移，曾经靠得很近的行星被逐渐蚕食，直到只剩下一个或两个幸存者。

开普勒望远镜用了将近四年的时间监视了超过15万颗恒星。“我们最终学习到的事情之一，”瑞典隆德大学的安德斯·约翰森说，“是许多系统都有丰富的行星。”例如，开普勒11，拥有6个世界，其中5颗行星的轨道离母恒星的距离要比水星与太阳之间的距离更近。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Tim Pyle/NASA

恒星开普勒11拥有六颗行星，其中五颗行星的轨道比水星轨道还小。大多数系统中的行星都挤在很靠近母恒星的区域内。

吴和普进行了计算机模拟，发现在太阳系形成时，几颗行星集中来到靠近恒星的位置可能是常态。

然而我们的太阳系，在太阳和水星之间有一个很大的空白。“为什么我们太阳系会有这样的区域，而银河系中其他恒星却有很多行星呢？”吴提出疑问。木星和土星可能干扰了太阳系较内层形成行星的尘埃的聚集。或者可能是开普勒发现的那些行星世界形成于距离它们的母恒星较远的地方，随后游荡到靠近恒星的地方。

行星科学家凯瑟琳·沃尔克以另外一种方式看待这一现象。“如果我们太阳系的形成方式就像这些开普勒系统一样呢？”她问道。她和温哥华不列颠哥伦比亚大学的布雷特·格莱德曼，观察了如果约三个地球大小的行星在金星轨道之内形成可能会发生什么。它们最终不仅会互相摧毁对方，而且会留下一个水星大小的行星，沃尔克和格莱德曼已经将这一研究结果于2015年2月23日发布在arXiv.org网站上。这可以解释我们太阳系最内侧的行星为什么如此之小。

行星没有必要在恒星的环中

气体和尘埃在一起可能会形成椭圆形环。

杰茜卡·舒加特

围绕着遥远恒星的环，未必就代表在轨道上运行的行星。这个模拟的结论对吸引人的行星科学观念提出了质疑，其中这个吸引人的行星科学观念是指：在恒星灰尘碎片盘的椭圆空白地带显露出了一个行星的存在。然而，恒星环有可能是灰尘和气体相互作用的结果。

“人们总是声称我们所看到的环都是由于行星而产生的。”美国加州理工大学的行星天体物理学家弗拉迪米尔·吕拉说。

当年轻的恒星系统演化时，周围的气体会消散并且尘埃粒子会相互撞击成块。其中最结实的小圆块会在恒星周围的混杂物中开拓出一条环状路径，天文学家就认为这是行星的形成。虽然已经发现环绕在一些恒星周围的环，但是遥远的行星却很难去直接拍摄。

但是在年老恒星周围可能存在着碎片盘中的气体残留物，但是它低于我们所能探测的最低值。吕拉说：“人们一般总是认为气体的影响可以忽略不计。”

预测气体和尘埃的运动结果需要大量的计算模拟。在美国航天局戈拉德空间飞行中心，吕拉和她的同事马克·库切纳建立了一个计算模拟模型用来预测气体和尘埃的相互作用。在他们发表于2013年7月11日出版的《自然》杂志上的模型中，尘埃被它的母恒星所加热，并传递热量给周围的气体。吕拉说，这个加热的区域将吸引气体和尘埃并形成团，并不断横向扩大，从而形成环。

多伦多大学的行星天体物理学家塞恩·柯里说，这项研究工作将影响到天文学家如何解释恒星盘中的环，我们必须很谨慎地谈论作为行星标识的每一个的环。

巨大的难以解释的天体盘

恒星成型的碎片环挑战行星形成理论。

纳迪亚·德雷克

大约80光年远处，一个巨大的尘埃环环绕着一颗类太阳恒星，其确定的内边界可能是一颗轨道半径为140倍日地距离的行星雕刻而成的。

一颗距离类太阳恒星如此远的行星给天文学家带来了一个难题。

“如何使一颗行星处于那么遥远的位置？我们不知道是如何形成的。”美国航天局戈达德太空飞行中心的天文学家卡尔·斯塔普菲尔德说。

斯塔普菲尔德和加州帕萨迪纳市喷气推进实验室的约翰·克里斯特领导的一个团队，用哈勃太空望远镜研究了10颗疑似有大碎片盘的恒星。哈勃望远镜只看到了一颗具有环的恒星——HD 202628。该恒星靠近南天的天鹤星座和显微镜星座。

这是在一颗太阳的“表亲”周围发现的最大的尘埃环。关于这个尘埃环的一切东西都是非常巨大的。在某些地方，尘埃环本身比1.5亿千米的日地距离宽70倍，日地距离为一个天文单位。从一端到另一端，盘长约400个天文单位，大于著名的北落师门星周围的环。类似的，新近观测到的这个尘埃环也是由一个天上的园丁修剪出的——一颗距离HD 202628约140个天文单位的行星。

这颗行星还没有被观测到，但是斯塔普菲尔德推测它的质量可能为几倍木星质量。他说：“除非某些东西使得所有微粒的绕转轨道一字排开，否则不可能得到这样一个结构，并且让它持续很长一段时间。”

这种遥远轨道行星挑战行星形成理论，尤其是类太阳恒星周围的行星。围绕这些恒星的碎片盘没有足够的物质来形成一颗如此遥远的行星。“远轨道行星的形成尤其不好理解，”研究北落师门系统及其遥远行星的佛罗里达大学天体物理学家亚伦·博利说，“为了建立一个对行星形成的完整理解，我们必须了解行星系统的完整结构，其中包括距离恒星很远的行星。”

克里斯特的团队和博利都认为HD 202628周围的行星可能在靠近恒星处形成，然后向外迁移。但是，斯塔普菲尔德认为这一过程必须格外温柔。“如果你暴力一点，把这颗行星向外扔出去，那么它的引力将会把环撕毁，”他说，“你无法期待还能剩下什么”。

新生行星向恒星提供“养料”

新生天体向它们年轻的母恒星提供气体燃料。

亚历山大·维特兹

离地球大约为450光年距离的胚胎状行星可能通过气体通道哺育它所围绕的新生恒星。这一发现能够帮助解释一个年轻的恒星是怎样向初生行星那样吸收周围大量的气体和尘埃来进行演化的。如果没有这些卷须状通道来补充物质，这个恒星的气体供给将会在不到一年的时间内消失。

45亿年前，当太阳还处于年轻状态时，木星和土星应该对太阳做过相同的事情。“这应该是在太阳系刚产生时，离现在最近的一个例子。”智利大学的天文学家西蒙·卡萨叙说道。2013年1月2日，卡萨叙和他的同事在在线版《自然》杂志上详细地描述他们的这一发现。

所探讨的这个恒星名叫HD 142527，位于南天星座豺狼座中。它的质量是太阳的2倍，但是它要比太阳年轻许多，仅仅只有200万年。

天文学家认为它被一个气体和尘埃组成的螺旋盘所环绕。这个螺旋盘的中央是空的，空的部分宽度大约为10-140AU（1AU=地球到太阳的距离）。天文学家认为一个大型的初生行星，比如像年轻时的木星，它离所围绕的恒星的距离有大约90个AU。这个空的地带就像扫雪机铲出的路面。

卡萨叙的团队利用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵（Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array，缩写为ALMA）射电望远镜来观测这个空的地带。通过这台大型射电望远镜阵列能够探测到微量的排放物，比如一氧化碳。这个团队还发现了一些这样的气体漂浮通过这个地带，卡萨叙解释说，可能是原行星还没有完全吸收的残留物。

一些神秘而又稠密的气体形成了一些横跨在这个空白地带的细丝。卡萨叙说这些流线的形成肯定是由其中的原行星所导致并塑造的。

“这些细丝很微弱”，夏威夷大学的天文学家乔纳森·威廉斯说，“但是我的直觉认为他们的解释可能正确，并且这是一个令人激动的结果。”

对气体流动的模拟结果指出在恒星周围不只有一个原行星，至少应该有两个大的原行星在恒星的周围。其中一个的质量大约是木星质量的10倍，轨道大概是90个AU。第二个大约有4个木星的质量，轨道可能小一些，大概有40个AU。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ALMA（ESO，NAOJ，NRAO），M. Kornmesser/ESO，Nick Risinger/Skysurvey.org

在该图片中，气体流正为年轻恒星HD142527提供养料，可以看到两个原行星位于向内气体流的节点上。

VI　高能天体：黑洞与超新星

Objects with High Energy：Black Holes and Supernovae

巨大的黑洞

纳迪亚·德雷克

2012年12月8日，美国的一个天文团队在《自然》杂志上发表了他们的研究成果——NGC 3842和NGC 4889这两个星系的中央黑洞的质量达到将近100亿倍太阳质量。这个发现打破了存在于星系中央的最大最具破坏性的黑洞的记录。其中，NGC 3842星系的中央黑洞的半径是冥王星轨道半径的八倍。Messier 87星系的中央黑洞是之前的纪录保持者，它的质量是63亿倍太阳质量，和新的发现相比，这个质量就显得微不足道了。

科学家以前就预言过这种大质量黑洞的存在，但是在这之前都还没有找到过。如此巨大的黑洞可能是几个小型星系合并之后形成的。科学家认为这些“巨兽”是为类星体提供能量的“庞然大物”的遗迹。在早期宇宙中，这些“庞然大物”，即巨大的黑洞，驱动了极亮活动星系核。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Lynette Cook，Gemini Observatory/AURA

早期宇宙中质量最大的黑洞

克里斯托弗·克罗克特

在宇宙年轻时期，一些黑洞非常贪婪。在宇宙形成仅8.6亿年时，其中一个黑洞就吞噬了120亿倍太阳质量的物质。这个怪物是已知早期宇宙中质量最大的黑洞，约为当时其他黑洞吞噬质量的六倍左右，研究人员已将这一研究结果发表在2015年2月26日出版的《自然》杂志上。

为了估计黑洞质量，北京大学的天体物理学家吴学兵，和他的同事测量了围绕黑洞运动的气体的速度。现在，这么巨大的黑洞只存在于包含着数万亿颗恒星的星系的中央。这一发现表明，一些超大质量黑洞的增长速度远远高于它们所居住的星系。

伪双黑洞

新观测引起了对近期在星系中央发现的双黑洞系统的怀疑。

克里斯托弗·克罗克特

天文学家宣称在一个星系碰撞的核心处发现了超大质量双黑洞。但是星系的新观测则表明看到的这个双黑洞可能只是一个单独的黑洞，并且这个黑洞向周围的空间喷射出两条带电粒子流。

争论的焦点是两个相隔约450光年、向外发射出无线电波（光谱低频端上的辐射）的点源。开普敦大学的天体物理学家罗杰·迪恩，和他的同事报告称，无线电波来自两个被锁在一个引力势阱中的超大质量黑洞。

另一个由新墨西哥州国家射电天文台的琼·罗贝尔领导的团队，使用了分布在夏威夷至维尔京群岛上的10台射电望远镜，即甚长基线阵，对其进行了更细致的观测。他们发现了迪恩的观测中未看到的部分：这两个点源分别连接着两条暗弱的无线电波尾巴，这两条尾巴都指向它们之间的一个点。研究人员于2014年7月28日在arXiv.org网站上报告了这一新图像，显示出由一个单独的黑洞喷射出来并且撞进稠密的星际气体云的两个带电粒子流的微妙的迹象。

迪恩同意这一说法，但是仍有所保留。他说，黑洞的喷流应该会抽离出更多处于较低射电频率的能量。但是这些点所包裹的能量在一个频率范围上都是等量的。

爱荷华大学的天体物理学家傅海表示，双黑洞假说更不好。他说，两条微弱的尾巴对齐，意味着黑洞对必须直接向着彼此喷射出带电粒子流。“这也太多巧合了。”他补充道。

尽管如此，他仍很谨慎：“这不是最后一击。科学不会这么容易就有定论。我们会不断地反复确认。”

现在这两个团队联合起来了。他们提出，将甚长基线阵与其他射电观测联合起来，梳理出这些任何一个单独的望远镜都观测不到的微弱的结构。

任何一种结果都是有趣的。双黑洞应该是一种引力波源。引力波是一种空间结构中的理论上的涟漪，目前为止还未被直接探测到[1]。而喷流也许会解开星系质量与其中心黑洞之间的奇妙的联系。星系横跨成千上万光年，而一个黑洞的引力可以到达的地方则相对微不足道。天文学家怀疑喷流可能是帮助我们理解一个微小的点如何控制整个星系命运的关键。

稀有的三黑洞系统

研究提供了探测隐藏天体的方法。

克里斯托弗·克罗克特

在两个遥远的星系发生碰撞的地方，有三个超大质量黑洞参与了一次引力“舞蹈表演”。其中两个黑洞在一个紧密的轨道上拥抱在一起，向外旋转喷射出气体喷流。与此同时，第三个黑洞等候在一边。这三个黑洞的观测数据证明螺旋喷流可以帮助天文学家发现隐藏着的黑洞对。该发现也表明这些紧密的黑洞对可能比我们之前认为的更加常见。

每一个大型星系的中央似乎都居住着一个超大质量黑洞。这些重量超过十亿个太阳质量的黑洞似乎是在星系之间发生碰撞时建立的。两个星系合并时，它们中央的黑洞找到彼此，盘旋在一起，并且最终结合形成一个巨大的黑洞。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：R. Deane

南非开普敦大学的天体物理学家罗杰·迪恩和他的同事在研究辐射出大量射电波的星系时偶然发现这个三黑洞系统。五年前首次发现这个星系时，研究人员认为它拥有两个黑洞，而且这两个黑洞之间相隔约24 000光年。然而，迪恩的团队发现，其中一个黑洞实际上是两个相隔只有450光年的黑洞。他们在2014年6月25日出版的《自然》杂志上报告了这一发现。

为了区分这两个挤在一起的黑洞，迪恩的团队使用遍布于全球的欧洲甚长基线干涉测量网络（EVN）。当同时使用时，EVN的18台望远镜就像一个长度约为地球直径的强大的天线。这个网络达到的分辨率可以使天文学家做到从一个近50亿光年远的星系中的两个相隔数百光年远的黑洞发出的射电波爆发中挑选出其各自的信号。

通过将新的观测与旧的数据结合，迪恩和他的同事还看到了来自那对紧密束缚在一起的黑洞对的其中一个黑洞的电子螺旋喷流。其中一个黑洞的引力似乎在硬拽着另一个黑洞的喷流。

之前科学家就曾观测到过螺旋喷流，并且认为它们可能来自于两个互相绕转的超大质量黑洞，爱荷华大学的一名天体物理学家、同时也是最初发现这两个黑洞的团队中的一员的傅海如是说。但是这是天文学家首次看到一个螺旋喷流以及关于一个双黑洞的独立的证据。现在研究人员可以使用旋转喷流来寻找通过其他方式无法看到的双黑洞。

“看到我们这个系统已经被证明是一个三黑洞系统，我感到很兴奋。”傅说。找到一个双黑洞就已经很困难了，他补充道：“我们花费很多年，研究了许多源，这是我们发现的唯一一个双黑洞系统。”

但是这一新发现表明密近双黑洞很普遍，该团队在研究了六个星系后就找到一个。“要么我们极其幸运，中了‘彩票’。”迪恩说，“要么就是它们比之前预期的更常见。”

研究人员认为这种类型的超大质量双黑洞可能是一种强烈的引力波源。当它们互相绕转时，黑洞辐射出引力能量，向宇宙空间发送出涟漪。原则上，这些引力波应该可以被地球上的探测器，例如欧洲的脉冲星计时阵，探测到。但是到目前为止，物理学家却一直未能直接观测到任何引力波的信号。对引力波的直接观测可以证实爱因斯坦广义相对论的一个预言，同样也会为探索很多几乎不发光的现象，例如双中子星，提供一种方法。对密近双黑洞的搜寻收集可以帮助研究人员知道应该观测哪些区域。

黑洞的饕餮大餐

纳迪亚·德雷克

当环绕一颗黑洞运行时，要时刻保持谨慎，稍有不慎就会被吞进去，成为它的大餐。2010年的春天，美国航天局的星系演化探测器和地面的泛星计划望远镜在距离地球超过20亿光年远的一颗超大质量黑洞附近观测到一抹光亮。在接下来几周，这个耀斑光度增加，然后暗了下来。科学家认为这个耀斑就是黑洞PS1-10jh撕裂一颗靠近它的恒星的证据。通过分析“犯罪现场”，他们发现被吞噬的天体只是一个氦核，一颗前红巨星的剩余部分。这颗黑洞重达300万个太阳质量，可能在之前的一次“偶遇”中就已经将这颗恒星的外层吞噬掉了。当它慢慢吸收这颗恒星的时候，黑洞将其中一部分吐到太空中。恒星碎片（在计算机模拟中可以看到）沿着被拉长的轨道，最终又被甩回到黑洞，产生了观测到的、长达数月的耀斑。

黑洞强烈喷流的根源

对M87的一瞥显示了新望远镜网络的潜力。

纳迪亚·德雷克

射电望远镜网络对一个遥远星系核心的超大质量黑洞进行了最详细的观测。这一观测结果于2012年9月27日发表在在线版《科学》杂志上，可能有助于解释一些活动星系核是如何向空间发射出远至数千光年的等离子喷流的。

“这是一项巨大的技术成就，”斯坦福大学的天体物理学家罗杰·布兰福德针对这项新观测说道，“这是在描绘星系核中黑洞的道路上迈出的一大步。”

视界望远镜网络一旦完成，将会把视线集中在为星系供能的黑洞——这一可以检验爱因斯坦的广义相对论的极端宇宙引擎。2009年，天文学家用部分完成的射电望远镜阵列瞄准了室女座中距离地球5350万光年远的M87。这个明亮的超椭圆星系有一个质量超过60亿倍太阳质量的黑洞。

因为这个星系如此巨大，所以在其中心的黑洞吸入了大量的气体和尘埃。极热的不透明物质盘旋着将除了特定波长的射电波之外的所有电磁波全部吸收，而这些射电波穿过漩涡使人们看到了混乱的星系内部结构。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Courtesy of Avery E. Broderick/Univ. of Waterloo and Perimeter Institute for Theoretical Physics

一个艺术图像展示了在星系M87的中心由超大质量黑洞喷射出的喷流（黄色）。正如爱因斯坦预言的那样，黑洞的边界被描绘为圆形的。

M87产生了两束巨大的等离子喷流，带电粒子流以接近光速的速度从黑洞的两极延伸5000多光年。约10％的活动星系核会喷射这样的喷流。直到现在，科学家也不能观察到这些喷流的源，而且喷流的机制也不清楚。

2009年4月，研究人员用四台射电望远镜对M87的核心进行36个多小时的观测，观测和测量了由该星系核心喷射出的巨大喷流的基底。

让天文学家感到惊讶的是，喷流的基底很窄，在物理上几乎是不可能的，除非黑洞以约65％光速的速度旋转。这一解释为一个开放性问题——是否旋转的黑洞才能发出这样的喷流——提供一个答案。

“他们还要做一些假设。其中之一是他们正在观测喷流的基底。他们很可能是这样。”波士顿大学的天体物理学家艾伦·马斯纳说。

M87的喷流是由粒子在接近黑洞的过程中向黑洞两级运动被发射出来而形成的。在这样极端的环境下，内部旋转物质形成的磁场就像橡胶弹弓一样，在喷流周围旋转，挤压粒子流使其集中、加速。

新的研究表明，M87的喷流是由一片很靠近黑洞自身的区域驱动的，而非外部较远的碎屑盘。

“这并不能证明驱动喷流的能量直接来自黑洞，但是肯定包含了黑洞的能量。”布兰福德说，他发展了描述黑洞驱动喷流的早期理论。

这些发现也与2012年发表在《天体物理快报》期刊上的观测相吻合。“他们的结论和我们之前的预测非常符合。”研究M87的台湾天文和天体物理学术中央研究院的天体物理学家正德中村说。

因为一个庞大的黑洞的周围环境是由强引力决定的，所以科学家希望利用视界望远镜来检验爱因斯坦的广义相对论。“如果说爱因斯坦的理论在哪里可能被打破，那么那就是这里。”麻省理工学院海斯塔克天文台的合著者谢普·多尔曼说。多尔曼的团队希望在未来几年内验证黑洞周围的时空弯曲是否产生了一个被光子环绕的暗圆盘。多尔曼说，到目前为止爱因斯坦的理论工作得很好。“跟爱因斯坦打赌可不是个好主意。”

黑洞叫停恒星工厂

尽管具备原材料，但是星系停止形成恒星。

克里斯托弗·克罗克特

超大质量黑洞可能会慢慢阻碍星系的发展。研究人员已经发现隐藏着的、富含冷气体却不形成恒星的星系。普遍认为，星系在它们所含的冷气体耗尽时才停止产生恒星。但是新发现的这种星系却与天文学家的观点背道而驰。研究团队的观测结果表明，星系的中央黑洞激起了气体，进而使恒星的生产线停工。

在过去的十年里，天文学家已经知道黑洞可以推动整个星系的命运。“它有点儿像一个影响了整个地球的橘子。”剑桥大学的天文学家安德鲁·费边说，“这些黑洞非常强大。它们作为一个重要因素，影响了星系的运作。”

斯坦福大学的天体物理学家诺伯特·维尔纳和他的同事观察了八个巨椭圆星系。它们均在距离地球约1亿光年的范围内。巨椭圆星系是宇宙中的“养老院”，缺乏有活力的新生恒星，充满了年老的恒星。所以维尔纳对于在其中六个巨椭圆星系中发现大量冷气体感到很惊讶。

通过结合红外和X射线图像，研究团队认为他们解决了这些冷气体起源的奥秘，并且知道了冷气体没有塌缩的原因。维尔纳等人发现，超过一百万摄氏度的热气体的纤维穿透了大量冷气体。热气体似乎冷却了下来，因为它将能量转储到冷气体中，这些额外的能量阻止了冷气体形成恒星。

但是，热气体并不是单独行动的。它只是位于星系中心的超大质量黑洞的一个工具而已。

随着黑洞将物质吸入，它同时也以接近光速的速度向星际空间喷射出质子和电子喷流。这些喷流在星系的大气中挤出气泡。就像一锅沸腾的水，这些气泡搅动星系气体，拖着热气体纤维四处游荡，阻止冷气体塌缩形成新恒星。

在剩余两个星系中，研究团队看到很少或者几乎看不到冷气体。这种差异似乎在于黑洞的活动性。与富含冷气体的星系中的喷流相比，在这些星系中的喷流更加强大。这表明黑洞已经消耗了所有的冷气体，并且将它们吐回到剩余星系的边界，研究人员在2014年2月24日出版的《皇家天文学会月刊》上报告了这一研究成果。

维尔纳表明，浮现出来的图像显示出冷气体是星系能量循环的一部分。黑洞吸入冷气体；喷流由星系中央喷发出来；喷流搅动气体，热气体遍及每个星系；热气体冷却形成更多冷气体，其中一些找到了回到黑洞的路。

约翰霍普金斯大学的天体物理学家蒂莫西·赫克曼更加谨慎地解释了这一发现。他说：“他们的样本相当小，没有直接阐明为什么在一些星系中气体在冷却，但在其他星系中却没有。”他补充道，对于研究团队探测到冷气体，他并不感到惊讶：射电望远镜之前就显示了在其他巨型椭圆星系中含有冷气体的迹象。然而，冷热气体之间的能量传递激发了他的兴趣。

赫克曼和维尔纳都想要探究黑洞附近的气体在发生着什么。维尔纳说，气体如何“喂养”黑洞，似乎影响了距离星系中心几十万光年远处区域的能量平衡。新的望远镜，例如阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵（ALMA）和日本航空探索机构开发的、计划于2015年发射的轨道望远镜ASTRO-H，可以为天文学家提供窥探黑洞附近气体的行为的机会。赫克曼补充说，这样的设备将会帮助天文学家弄清楚黑洞是否真的是星系暗杀者。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Digitzed Sky Survey，Chandra/NASA，Southern Observatory for Astrophysical Research，Very Large Array

巨椭圆星系NGC 5044，如这幅合成图像所示，充满着冷气体，但是它却不制造恒星。责任可能在于一个黑洞。星系中，温暖的气体线状物（红色）在更热的气体（蓝色）中迂回穿梭。

逃离的黑洞找到新家

星系的爆炸喷射将会产生宇宙流浪者。

安德鲁·格兰特

目前所观测到的最大质量的黑洞也许是星系际空间的流浪星体，它是在一个星系在被另一个星系捕获之前，从其中逃离出来的。如果2013年2月18日刊登在arXiv.org网站上的案例被证明是正确的，那么这将是天文学家第一次发现从星系脱离出来的黑洞。

模拟星系的合并实验提出：一些特大质量的黑洞可能会成为宇宙中的流浪者。当星系中的黑洞合并在一起时，他们能够朝一个方向发射出一个巨大的能量波，而这样的爆发会在反方向上形成一个新的黑洞。

天文学家已经从天文望远镜所拍摄的图片中大量搜索逃逸黑洞的迹象。但是他们只是找出了一些存在争议的可能信息。“我们观测了大量的天体，但却什么都没找到。”加拿大奎斯特大学的天文学家艾琳·伯恩宁（Erin Bonning）说。

然而，2012年11月出版的《自然》杂志上有关于一个巨大黑洞的研究，这个黑洞的质量是太阳的170倍。它位于距离我们2.5亿光年的英仙座星系团中一个编号为NGC 1277普通星系中。一般中心黑洞的质量只占它自己的寄主星系质量的千分之一，但是NGC 1277的黑洞质量却占到了NGC 1277星系质量的14％。“这超出了每个人的想象，这实在是一个普通星系中的一个不寻常的黑洞。”伯恩宁说。

伯恩宁和她得克萨斯大学奥斯汀分校的同事格雷戈里·希尔兹对英仙座星系团的图片做了研究并计算了天体之间的相互引力作用。他们试图通过一些计算结果来推测出这个特殊黑洞是否被一个星系抛出后，然后才被NGC 1277星系所捕获到的。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：D. Benningfield，K. Gebhardt，Stardate

在NGC 1277星系中的超大质量黑洞的直径比地球和海王星运行轨道要大得多

关键是要找到一个距离星系NGC 1277有32.5万光年的距离，并且还要大到足够支撑170亿倍太阳质量的黑洞的这样一个星系。伯恩宁和希尔兹提出NGC 1275这个星系是由两个各自含有100亿倍太阳质量的黑洞的星系合并而成。当这两个星系合并在一起时，因为合并而释放的能量会抛出一个新形成的黑洞。

伯恩宁和希尔兹还提出这个黑洞花了大概几十亿年的时间，并以4.5×106千米/小时的速度快速经过星际空间。最终，这个黑洞近距离地穿过NGC 1277。又经过几亿年的时间，星系团再将黑洞缠绕进星系的中心。

哈佛-史密松天体物理中心的理论家阿维·勒布对伯恩宁和希尔兹的工作给予了很高的评价。但他也同时指出他们所描述的这些状况在宇宙中并不会那么经常发生，勒布说：“我更认为宇宙中存有在多种演化途径来达到同样结果”。

小型星系是巨大的黑洞的家

大质量的“邻居”为超致密矮星系。

克里斯托弗·克罗克特

2014年9月18日，科学家在《自然》杂志上报告了他们的新发现——一个超大质量黑洞居住在一个超小型星系的中央。整个星系质量的15％左右被锁在这个黑洞中。

“这是一个令人发指的数字，”得克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家约翰·可蒙迪说，“我们迫切需要了解其中的原理。”

几乎在每一个大型星系的中央都有一个超大质量黑洞，包括银河系。但是这些黑洞通常仅占宿主星系重量的千分之几。

该研究的负责人、盐湖城犹他大学的天体物理学家阿尼尔·赛斯认为，这个黑洞的寄主星系M60-UCD1曾经应该比现在大得多。这很可能是一个星系在与它附近的巨型星系M60擦肩而过时，被撕碎并慢慢分解遗留下来的残余。

M60-UCD1位于室女座，距离我们约5400万光年。它属于超致密矮星系（UCD），是一个包含超过1亿颗恒星、直径150光年的密集的球。超致密矮星系非常小，常常被误认为是地球附近的恒星。

“在我们已知的所有星系类型中，”可蒙迪说，“UCD是目前了解最少的难题。”探究它们从何而来可以帮助天文学家更好地了解所有星系是如何演化的。

因为确定如此小的星系中的恒星的速度很困难，所以当考虑超大质量黑洞的寄居地时，UCD也经常被忽略掉。但是考虑超大质量黑洞时忽视UCD就像美国人口普查时不计入密西西比河以西的人口一样。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA

小型星系M60-UCD1（图中圆圈所示）怀有一颗质量约为2100万个太阳质量的黑洞。它可能是一个大星系被星系M60（中央）撕碎后留下的遗迹。M60还在拉扯一个邻近的旋涡星系（右上）。

赛斯和他的同事通过使用双子座北望远镜测量到星系中不同位置处恒星的速度，确定M60-UCD1的中央有一个超大质量黑洞。这架望远镜具有变形镜，可以消除地球大气湍流，提供特别清晰的图像。研究团队注意到，更接近星系中心的恒星的速度远远超过通过恒星自身重力估算出来的速度。如此高的速度揭示了星系中央有一个重约2100万倍太阳质量的黑洞。

如果M60-UCD1是一个典型矮星系的话，那么在当地宇宙中存在的超大质量黑洞的数量应该是之前认为的总数的两倍。拥有一个超大质量黑洞寄居地的准确的图像可以帮助天文学家弄清楚它们是如何形成的。

可蒙迪表示，根据赛斯团队的模拟，M60-UCD1在与邻近星系M60十次近距离接触后存活下来了，他对此感到十分疑惑。通常，在几次相遇后，星系之间会发生合并。

另一个可能性是当M60“吞食”其他星系时将黑洞喷射了出来。如果M60将一个黑洞抛入太空，那么这个黑洞应该也顺势拖拽出了一团恒星。或者，M60-UCD1可能是早期宇宙的遗迹。在宇宙的早期，星系中超大质量黑洞的增长速度比星系本身快得多。

一对黑洞已经准备好决战了

克里斯托弗·克罗克特

在一个遥远的星系的中心，两个黑洞即将面临一次“对决”。这两个黑洞比任何其他已知的黑洞对离彼此都要更近，为我们提供了一次可以“窥视”碰撞的最后阶段的机会。

这两个黑洞位于一颗距离我们37亿光年远的类星体中。这颗类星体是一个星系的极亮的核心，被盘旋着陷入一颗超大质量黑洞的过热的气体照亮。类星体的亮度通常会随机变化，但是在最近二十年，这颗类星体的光在一个稳定的周期内变化，表明这两个黑洞在共同起作用，美国加州理工学院的乔治·多戈夫斯基表示。2015年1月7日，该项研究发表于在线版《自然》杂志上。

这两颗黑洞相隔百分之几光年，可能会在约100万年内合并。紧密的黑洞对相对来说比较常见，但是因为它们都太遥远了，我们很难找到它们。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：A. Hobart/CXC/NASA，Josh Barnes/Univ. of Hawaii，John Hibbard/NRAO

进入黑洞时，请系好安全带

安德鲁·格兰特

一项新的研究表明，好像有人掉入一个黑洞也不会面临很多问题，只是降落过程可能会很颠簸。时空中相互作用的涟漪可以在黑洞附近造成湍流，科学家在发表于《物理评论快报》上的一篇文章中报告了这一研究结果。他们的研究建立在之前的研究之上，表明在真空中，引力能够模仿流体的流动。在地球上，这种湍流，即随机的、不规则的运动，是无处不在的，但是经常发生在流体中，例如空气或者水中。加拿大理论天体物理研究所的天体物理学家艾伦·齐默尔曼和他的同事怀疑引力波，即在一些条件下由大质量天体如黑洞等生成的时空涟漪，也可以产生类似的不规则运动。齐默尔曼和其合作者通过运算确定了如果一个黑洞自旋速度足够快，那么它便可以长期发出引力波，而引力波彼此之间会相遇，进而激起湍流。研究人员称，未来的引力波探测可能可以识别这种现象的特征。齐默尔曼说，他不确定落向黑洞中心的旅行者是否可以感觉到这种湍流，但是他相信与即将来临的死亡相比，湍流只是一个小小的麻烦。

原子测量使中子星被充分理解

重锌元素暗示了致密星体残余的组成。

安德鲁·格兰特

实验室中对一种奇异原子的精确测量使科学家对中子星的认识。中子星含有宇宙中密度最大的物质。这项研究发表在2013年1月25日出版的《物理评论快报》上，它能帮助科学家判断在中子星的地壳中是否存在各种重金属元素，如锌、银和金。

“重金属的起源是宇宙的奥秘之一。”一位并没有参与此项研究的来自纽约大学石溪分校的天文学家詹姆斯·拉蒂默说，“这些物质的测量有助于调整我们的模型公式。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，CXC，UNAM，IOFFE，D. Page，P. Shternin et al

一颗新形成的中子星（箭头所指）位于距离我们约11 000光年远的超新星遗迹仙后座A的中心。

中子星根本就不是恒星，在超新星中的一个大质量恒星爆炸后，它的残余物是一个又热又密的球体（含有质子、电子、中子），其直径约20千米，但质量却超过我们的太阳。在这种极端的状态下，原子核通常变得很不稳定，他们会出现在中子星的外层。

中子星距离我们十分遥远，以至于天文学家无法研究他们的组成。与此同时，科学家也无法在实验室中重现中子星中的那种巨大压力。但是，研究者可以通过将一些实验测量的富中子原子性质输入到电子计算机中来预测中子星的成分。

德国格赖夫斯瓦尔德大学的物理学家罗伯特·沃尔夫和他的国际团队正在精心测量锌-82的质量，有一些数学模型预测了锌-82存在于中子星的地壳层中。锌-82的原子核含有30个质子和52个中子，其中子的数量比平常锌（含34个中子）要多。分离并测量稀有金属同位素的工作是有很大挑战性的。因为，他们大多数将在小于一秒内进行衰变。

在日内瓦外的欧洲核子研究中心（CERN），沃尔夫的团队正在用在线同位素分离器来测量纯锌-82的质量。这些研究者对比了实验测量的锌-82的质量和各种计算机模拟的结果。他们认为锌-82可能太轻了，以至于无法在中子星表面存在。这一研究结果与大多数已认可的预测中子星组成成分一致。

拉蒂默认为，这并非是该研究的最大贡献，因为以往的实验已经证明这个先进的模型比其他模型要更加准确。然而，他更感兴趣的是，这项研究技术可以完全了解中子星中可能存在的其他的放射原子核的特征属性。

科学家试图构建中子星的组成成分，因为中子星可能是宇宙中重元素的来源。在一般恒星中心发生的核聚变反应，可以形成碳、氧、氮等其他生命元素。但是，通过核聚变反应所产生的最重的元素是铁。天体物理学家一直在寻找其他的天文途径，用足够的能量通过质子和中子合成更重的元素。

一种可能的解释是这些重金属元素来自于超新星的中心，在那里有极高的热和能量，所以不需要用中子星来解释。但是，计算机模拟表明，在超新星爆炸过程中，无法提供足够量的中子来形成这些重元素。这个需要中子的结论，产生了另一种竞争的解释：重元素是通过两个中子星相撞而产生，而撞击过程中他们的一些壳体物质会逃离到宇宙空间中。

为了检验这种可能性，理论物理学家需要用改进的中子星组成的模型。沃尔夫说：“像锌-82重元素质量的测量，将有助于改进中子星组成的模型。”进而天文学家能观测各个恒星中的重元素含量，并将其观测结果和中子星碰撞模型所产生的重元素进行对比。

最远的超新星

纳迪亚·德雷克

距离地球很远的两颗超亮超新星已经被发现了。其中一颗被命名为SN 1000+0216，它是至今发现的最遥远的超新星。另外一颗被命名为SN 2213-1745，它爆发时的质量大约是太阳的250倍。极高光度的超新星（如图所示）的亮度是恒星爆发时平均亮度的10～100倍，在地球附近十分罕见。天文学家从加拿大-法国-夏威夷望远镜深空巡天项目中得到的图像档案中发现了这些超新星。这两颗恒星都是在不到宇宙目前存在时间的四分之一时发生爆炸的，且它们距离地球都超过了九十亿光年，研究团队在2012年11月8日出版的《自然》杂志中对此进行了报告。

巡天捕获到即将爆发的超新星

存档图片显示了恒星在死亡之前几周的活动。

安德鲁·格兰特

就在一个巨型恒星爆炸形成壮观的超新星之前，这些图片提供了关于这个恒星正在临近死亡的一些线索。关于这个巨型恒星爆发前的活动，在2013年2月7日出版的《自然》杂志上有详尽的报道。这次巨型恒星爆炸前的活动也使天文学家得以预测一颗超新星的到来，并对它进行实时的观测。

“这是一项非常令人兴奋的研究。”亚利桑那大学的天文学家乔恩·莫林（Jon Mauerhan）说道，尽管他未参与该项研究。他又补充说，天文学家很难有机会去目睹一个巨大的恒星在它爆炸之前的所有活动。

这颗恒星之所以会引起天文学家的注意，要归功于一个电脑程序。这个计算机程序被用于南加州帕洛马天文台的48英寸的望远镜的巡天工作，它标识出突然变亮的区域。天文学家认为这是超新星的潜在信号。在2010年8月，研究者跟踪了一个大约50亿光年远的光点，最终确认是Ⅱ型超新星，即大质量恒星由内部塌缩引发剧烈爆炸的结果。随后他们仔细观察同一颗恒星在爆炸前好几周，甚至是好几个月前的活动。

研究者在这个超新星达到最高亮度的40天以前，就认出了仅有微弱光芒的恒星。并判断出这个恒星已经排放了大量的气体，这相当于1/100的太阳质量，并以2000千米/秒的速度向太空飞奔去。

对此有所发现的加州大学伯克利分校的天文学家亚历克斯·菲利片科告诉我们说：“恒星此时正在打嗝。”当恒星最终爆炸时，它将喷射出一些物质。这些物质分散的速度非常快，以致于仅用约3周时间就能超过之前喷发出的气态物质。

菲利片科继续解释说：“恒星在爆炸之前会减轻自身的重量，对于这一点我们并不感到惊讶。但是，在恒星死亡之前的喷射是如此的短暂，这还是天文学家第一次发现。”这个如此短暂的时间表明，超过100倍的可能性这些“宇宙嗝”会发生在出现超新星之前，而不会发生在恒星演化过程的其他阶段。

“这种类型的喷射现象就好比是指引恒星最终爆炸的宇宙路灯。”菲利片科说。

进一步的研究工作将会帮助科学家去分辨哪些是预示超新星的喷射现象，而哪些又是更常规的喷发。其他一些大质量的恒星已经喷发到太空的物质还继续存在。最著名的例子就是一个距离地球大约有7500光年的名叫海山二星（Eta Carinae）的恒星。在19世纪中期曾经在一个短暂的时间里，它向太空中释放了大约10倍太阳质量的气体，并成为地球夜空中排行第二的亮星。从那以后，海山二星就沉寂下来，天文学家完全不知道海山二星是否会在100年或是10万年后爆炸。

天文学家已经有工具来帮助探索这些问题。例如像帕洛马这样的自动巡天项目已经在世界范围内出现，还有近十年来智利的8.4米大尺度测量望远镜将会用它3200百万像素的照相机整夜对整个天空进行扫描。

行星搜寻者还发现了超新星

开普勒望远镜捕获到五次恒星爆发事件。

安德鲁·格兰特

美国航天局的行星搜寻望远镜有另一项天赋：发现大质量恒星的灾难性死亡。开普勒太空望远镜至少探测到5个超新星，为天文学家带了一次从一开始观测这些灾难性爆炸的稀有的机会。

从2009年5月到2013年5月，开普勒太空望远镜的一个关键性设备损坏时，它至少找到了3500颗环绕其他恒星的可能的行星。它连续不断地凝视一片单独的天空，每30分钟测量一次恒星的亮度。偶尔它会发现在恒星亮度上的微小的下降，这表明有行星在其前方经过，并且投射出阴影。

2009年晚些时候，马里兰大学帕克分校的天文学家罗伯·奥林开始好奇，如果开普勒盯着星系看的话，它将会看到什么。如恒星一样，星系也会发出相对一致的亮度。但是如果一个大质量恒星爆炸的话，那么它所寄居的星系的亮度将会飙升。在奥林和他的同事向开普勒团队提交一份提案后，开普勒便开始监控在其视野内的400个星系。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：X-ray：CXC/NASA，D. Patnaude/SAO，Optical：DSS

2014年1月8日，奥林在美国天文学会的一次会议上报告称，开普勒的数据显示，在两年间至少发生过5次（最多8次）超新星爆发事件。在某些方面，这些数据只是初步的：它只包含亮度测量结果，所以天文学家无法弄清楚一些细节，如超新星的结构及碎片的化学成分等。而且开普勒每隔90天才向地球传回一次数据。又因为超新星在几周后便消失了，所以天文学家无法将其他望远镜指向开普勒发现的超新星。

还没有其他望远镜如此细致地记录过一次超新星事件，从爆炸的最初迹象开始，贯穿了亮度峰值及减弱过程。之前的工作已经通过研究在一个超新星出现之前及之后分别拍摄到的图像分析了超新星的起源。“这真是太棒了，因为开普勒已经观察了超新星的前身星，在它爆发之前，”亚利桑那大学的天文学家南森·史密斯说，“然后当超新星爆发时，开普勒可以立即看到超新星，并且看着它变亮。”

至少其中两个超新星是Ia型超新星，最常探测到的一类超新星。天文学家认为Ia型超新星爆发是由一颗未知类型的恒星和一颗白矮星（如太阳这样的恒星死亡后留下的地球大小的核）碰撞引发的。如果第一颗恒星很大，那么刚好在超新星达到峰值亮度之前，它的表面应该会在爆炸的冲击波中发光。然而，开普勒没有发现这样的最初的辉光，这表明这颗恒星相对较小，也许是另一颗白矮星。

超新星是一个巨大的尘埃工厂

爆炸喷出的颗粒为恒星形成提供了线索。

安德鲁·格兰特

最近发现的一个超新星的遗迹包含了接近一颗恒星质量的尘埃。尘埃的存在提供了强有力的证据，表明在数十亿年前类似的爆发将尘埃散布出去，为恒星的形成埋下了种子。

对于天文学家来说，尘埃与落在你的梳妆台上的那种东西有点儿不同。太空中的尘埃为灼热的碳原子、氧原子和硅原子冷却并且聚集形成的长度约0.001厘米的固体颗粒。这些颗粒弥漫在宇宙中，作为恒星形成的起点，以及其他原子结合形成复杂的分子包括生命的基础物质时所借助依附的表面。

大量宇宙尘埃形成于年老臃肿的恒星的外层。一些天文学家强烈怀疑，超新星发生后也会有尘埃形成。超新星是指巨型恒星猛烈的爆发，在这期间原子被推入太空中以每秒数千千米的速度疾驰。在短短几年内，致密的物质团块可以从超过700摄氏度冷却到-200摄氏度以下。之前曾有望远镜巡天项目在超新星的余波中寻找宇宙尘埃颗粒微弱的光，但是却没有任何发现。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ALMA（ESO，NAOJ，NRAO），A. Angelich，Visible light image：Hubble Space Telescope/NASA and ESA，X-ray image：NASA Chandra X-ray Observatory

在超新星1987A残骸的中央探测到的尘埃（红色）的观测表明这样的恒星爆发可能是宇宙尘埃的一种来源。可见光（绿色）和X射线（蓝色）图像显示出了来自超新星的扩展的激波。

美国弗吉尼亚大学的天文学家雷米·因德比托瓦和他的同事又尝试使用了一个新的高分辨率的望远镜网络，即位于智利的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵（ALMA）。他们将这些望远镜指向一个距离我们约1.68万光年的、位于剑鱼座中的超新星的遗迹。1987年，这个超新星遗迹发出的光第一次到达地球。在起源于那次爆炸的快速扩张的冲击波中，研究人员发现了独特的光谱特征，这在尘埃所发出的辐射中才会出现。

2014年1月6日，因德比托瓦报告称，这个超新星遗迹中所包含的颗粒的总重量约为太阳质量的四分之一。“我们发现，所有这些尘埃都肯定形成于此处。”他说。

第一个关于超新星生成了尘埃的决定性的证据为研究婴儿时期的宇宙的组成成分提供了线索。那些凝视着大爆炸发生后不到十亿年的那段时期的望远镜已经发现了个别的星系中包含着总重约数亿倍太阳质量的尘埃。超新星似乎是提供了所有那些尘埃的合乎逻辑的候选人，但是一些失败的望远镜搜寻项目又使这个想法遭到质疑。

美国密歇根州立大学的天体物理学家德温·西尔维娅说：“我们想知道为什么我们没有看到尘埃。”

天文学家无法正式说这个谜团被解开了。来自爆炸的部分冲击波会被向内弹回。当被弹回的冲击波到达新生成的尘埃时，大多数尘埃会蒸发掉。如果这种情况发生的话，那么这将表明一般来说超新星可能无法将它们所产生的尘埃散布到它们的周围环境中。

西尔维娅持乐观态度，她指出，大多数尘埃以大颗粒的形式存在。天文学家想要确定这个超新星的尘埃的命运将还需花费超过100年的时间，因德比托瓦（Indebetouw）表示。但是西尔维娅补充道，ALMA可能可以探测一些较年老的超新星以作为比较。

超新星遗迹中存在尘埃

阿什利·耶格尔

天文学家在一万年前出现的一个超新星的遗迹中发现了尘埃。这一发现说明尘埃可以在一个恒星爆炸的反向激波中存活下来。2015年3月19日，他们将这一研究成果发表在在线版《科学》杂志上。所以超新星中的尘埃可能提供了恒星和行星形成的原材料。康奈尔大学的刘赖安和他的同事在银河系中心的超新星遗迹“人马座A东”中发现了尘埃。以前的工作表明超新星的初始冲击波产生了尘埃。但是尘埃是否会在几千年后的反向激波中存活下来，还不是很清楚。基于红外图像，研究团队估计约10％～20％人马座A东产生的尘埃在初始激波和反向激波中都存活了下来。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Image：R.M. Lau et al/Science 2015；Data：FORCAST/SOFIA，PACS/Herschel，ACIS-I/Chandra，the VLA

引力透镜效应使遥远的超新星变得醒目

新的探测方法有助于测量宇宙的膨胀。

安德鲁·格兰特

一个巨大的宇宙放大镜为天文学家提供了一个观察一颗遥远的爆发星的前所未有的视角。这一发现说明科学家可以发现那些似乎太远而不能被探测到的超新星。

超新星PS1-10afx距离我们九十多亿光年，在2010年泛星计划1巡天项目拍摄到的照片中首次出现。它发出的光亮约是处于该距离的一个典型超新星发出的亮度的30倍。2013年4月，哈佛-史密松天体物理中心的天文学家罗伯特·科什纳所在的一个团队发表了一项研究，将PS1-10afx归类为一种新型的超亮超新星。

但是科维理研究所的天文学家罗伯特·昆比对此持怀疑态度。他发现，几乎这类超新星的每一个可测量的特征——包括它的颜色、温度和峰值亮度的持续时间——均与最常见的一类超新星即Ia型超新星的轮廓相一致。PS1-10afx与Ia型超新星唯一的区别就是它的极端的亮度。

昆比怀疑是否有某种原因使这颗超新星看起来比其实际亮度要亮。他知道，星系和其他大质量天体的强烈的引力会使它们周围的光线弯曲。如果这样一个星系位于一个遥远的天体和地球之间，那么这种光线弯曲的效应可以使遥远天体看起来更亮，类似于放大镜使光线弯曲来放大一个微弱的物体的方式。这种效应被称为引力透镜效应。

为了测试他的假设，昆比使用夏威夷的凯克1望远镜来仔细观测PS1-10afx曾经闪耀过的区域。这个望远镜在大约85亿光年远处探测到大量气体，这暗示着在PS1-10afx和地球之间存在一个可能作为引力透镜的星系。2014年1月8日，昆比分享了他的发现。

科什纳表示，这些发现是令人信服的，但不是决定性的。他希望看到更多细致的观测，以证明这个星系的质量足够大，并且刚好与地球和PS1-10afx处于一条直线上，可以被用作一个透镜。

不过，科什纳对于昆比的工作的潜在意义感到很兴奋。天文学家已经通过引力透镜识别或者太远或者太模糊无法用其他方法观测到的天体；一项新的哈勃太空望远镜的巡天项目也是使用这种技术来寻找形成于大爆炸后仅仅几亿年的星系。同样用这种技术来发现遥远的超新星的机会也是很诱人的，科什纳如是说。

昆比说，发现其他遥远的恒星爆炸可以帮助天文学家测量宇宙膨胀。Ia型超新星爆发时亮度峰值几乎完全相同，这使天文学家可以确定它们的精确距离。但是，一个被引力透镜作用了的超新星的光旅行的距离将略微不同，这取决于光线在透镜星系周围偏折时所选取的路径，因此光线被宇宙膨胀拉伸的量也将不同。

超新星诞生之谜

天文学家准确描述导致Ia型超新星爆发的步骤。

纳迪亚·德雷克

Ia型超新星爆发作为“标准烛光”，已经被用于测量宇宙加速膨胀。科学家正开始对产生Ia型超新星的恒星成分进行分类。

2012年1月11日，两个研究小组公布了关于这些超新星的数据。一个团队确认了长期以来对于产生这种爆发的恒星的一些怀疑，另一个团队则就爆发之前为那颗恒星提供养料的天体类型提出了的新证据。

加州大学伯克利分校的天文学家约书亚·布鲁姆说：“Ia型超新星来自碳氧白矮星的爆发。这个说法被大家广泛接受，已经存在几十年之久了。这次的研究是对这种说法的一个确认。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，Hubble Heritage Team，J. Hughes/Rutgers Univ.

一对白矮星可能导致了形成Ia型超新星遗迹SNR0509-67.5的爆炸。

布鲁姆和他的同事们一直在研究超新星2011fe。2011fe是2011年8月在风车星系附近发生的一个可见的超新星爆发，它距离我们2100万光年。位于西班牙马略卡岛的PIRATE望远镜仅在超新星爆发几个小时后便再也看不到这个超新星了。这个信息使得布鲁姆的团队可以对其前身星的大小给出更好的限制。研究人员断定，这个超新星爆发的前身星一定是颗白矮星。当一颗白矮星通过吸积伴星物质变得质量很大的时候，其核心会产生热核反应，它将会变成一个足以亮过周围星系的火球。

但是使得白矮星质量增加的罪魁祸首仍然是一个谜：虽然科学家知道是一颗伴星在为白矮星提供“养料”，但是他们并不知道这颗伴星的类型。现在来自巴吞鲁克的路易斯安那州大学的天文学家已经根据对一次爆发的研究回答了这个问题。这个团队专注于一个气泡形状的遗迹。这是400年前出现的一次Ia型超新星爆发的残留物，位于附近的星系大麦哲伦星云中。这个遗迹，被称为SNR0509-67.5，现在它的宽度已经延展到23个光年。

“这是一个漂亮的对称的遗迹。”，研究生阿什莉·帕尼奥塔说。她是该研究团队中的一员。

这个气泡状遗迹的中心可能就是爆发的发生地。而且如果那颗巨大的伴星在爆发中存活下来了，并且已经以一个预期的速度被抛出去，那么研究团队可以计算出这颗伴星在过去的400年内走了多远的距离。

但是研究人员在预期的范围内却没有看到任何恒星，这暗示着这颗为白矮星提供养料使其膨胀进而爆发的伴星应该也被摧毁了。这个研究结果表明，伴星应该也是一颗白矮星，而且它在爆发中也被分解毁坏了。

“这不是我们所预期的结果，”帕尼奥塔说，“这是第一个我们能够给出明确说法的Ia型超新星爆发事件。”

小行星可能会引发超新星爆发

向着白矮星坠落的岩屑可能引发了爆发。

克里斯托弗·克罗克特

可能仅需几颗小行星就能引发一颗恒星的爆炸。

在一颗白矮星的大气中的岩质碎片，可以引发一个被称为Ⅰa型超新星爆发的爆炸。这个提议，于2015年2月1日发布在arXiv.org网站上，提出了一种生成这种类型的超新星的新的方式。Ⅰa型超新星的起源仍在讨论中。

尽管可能摧毁白矮星的机制尚不清楚，但是“这个想法不是纯粹的猜测。”哈佛-史密松天体物理中心的罗赞·迪·斯特凡诺表示。大多数白矮星的大气含有碳和硅之类的元素。既然研究人员可以看到这些原子，那么肯定有一个稳定的“供应商”提供这些材料，最有可能的“供应商”是徘徊在周围、靠得很近的小行星。

大多数小行星会被白矮星的引力撕裂。但是迪·斯特凡诺和他的同事表示偶尔几颗完整的小行星，或者甚至是一颗行星，可能会直接撞击白矮星。物质的流入可能会在白矮星的大气中引发热核反应，发出一个激波。

当白矮星的质量超过一个阈值时，即钱德拉塞卡极限，约1.4倍太阳质量，便会发生爆炸。天文学家一直在讨论白矮星的质量是如何超过这个极限的。白矮星可能是从一颗伴星那里“偷取”了气体。或者两颗相互绕转的白矮星可能发生碰撞，使自身摧毁。但是科学家在之前超新星爆发的图像中并没有发现伴星的存在。而且，似乎也没有足够的双白矮星可以引发这样的超新星爆发。

一颗落入白矮星的小行星可能可以提供足够的质量，使其超过钱德拉塞卡极限。或者更有可能的是，迪·斯特凡诺表示，在一些质量远低于这个极限的白矮星的周围包围着一层氦，小行星可能会在这层氦中引发热核爆炸。

“这是一个有趣的猜测，尚未被证实。”普林斯顿大学的天体物理学家亚当·巴罗斯说。

迪·斯特凡诺承认存在很多未知数。未来的望远镜可能会从天体碰撞中探测到闪光，这可以使科学家更好地处理在白矮星被撕裂之前，是什么类型的天体撞击了白矮星。

Ⅰa型超新星的两种产生机制

纳迪亚·德雷克

有两种方法可以点燃宇宙烛光。一种是两颗白矮星合并，另一种是一颗白矮星吸积伴星。两种组合都会产生Ⅰa型超新星爆发，就像第谷超新星那样。Ⅰa型超新星作为衡量天文距离的“标准烛光”，在天文测距方面占据着很重要的位置。当白矮星质量增加到一定程度时会触发Ⅰa型超新星爆发，引燃的热核反应会产生一个亮度可预测的火球。长期以来，天文学家对于引爆白矮星的成分一直未能达成统一。现在，一个由天文学家组成的国际团队研究了23个近期爆发的Ⅰa型超新星，发现有两种可行的方法：天文学家同样也为此争论了多年。在这两种方法里，这个在劫难逃的白矮星都需要从一颗伴星吸积物质——或者是一颗白矮星，那么会产生一个周围没有气体的超新星，或者是一颗稍大些的恒星，会产生一个更强劲的爆炸和一个气体云。精确理解这些Ⅰa型超新星是如何产生的将会有助于改进宇宙距离测量。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，CXC，Rutgers，K. Eriksen et al，DSS

新的伽马射线源

新星如何形成高能光还不清楚。

克里斯托弗·克罗克特

科学家新发现了一个伽马射线源：在恒星表面上的爆发。弄清楚这些新星是如何生成如此高能的光，有助于天文学家理解某种恒星的生命周期以及它们是否会演化成更强大的爆发，例如超新星。

费米项目组成员、美国海军研究实验室的特迪·张表示，在最近的六年，费米人造卫星观测到来自很多源的伽马辐射，例如脉冲星和爆发星的残留物。但是在2012年和2013年，费米探测到一些新的东西——三个与新星相关的伽马射线爆发。

当一颗死亡的恒星的核，即白矮星，围着一颗恒星绕转并且从伴星上吸积气体时，新星就出现了。白矮星的质量增加，进而在白矮星的表面触发了一个热核爆炸。

费米曾经探测到来自一颗新星的伽马射线，但那是罕见的。2010年，费米人造卫星观测到一颗围着红巨星绕转的白矮星。红巨星将气体吹到周围的宇宙空间。白矮星爆发产生的激波极可能跑进来自红巨星的碎片中，这可能使得电子和质子的速度加速到产生伽马射线所需的速度。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，DOE，Fermi LAT Collaboration

费米卫星发现了来自新星的伽马射线（如图所示）。这些恒星爆发如何产生这么高能量的光子仍是个谜。

但是这三个报告发表在2014年8月1日出版的《科学》杂志上，新探测来自“经典的”新星：一颗围绕着类太阳恒星的白矮星。恒星吹出去的气体相对较少。这使得激波无处可去。所以导致伽马射线生成的原因还不清楚。

哥伦比亚大学的天体物理学家布莱恩·梅茨格说：“我们完全不知道如何解释这三个新发现。”他说，一种可能性是新星的激波跑到了它自己里边。如果先发生了一个迟缓的爆发，随后又发生了一次较快速的爆发，那么第二次的激波会赶上第一次的激波，并且激起粒子，使其达到足够生成伽马射线的速度。

梅茨格说，解决这个谜题还需要对新星在很多波长上进行同步观测。这样的数据也会揭示一些新星是否会演化成爆发能量可以摧毁白矮星的Ia型超新星。超新星的测量关乎着导致宇宙加速膨胀的暗能量的发现。“这就是整个理解的阶梯。”梅茨格说，而新星是阶梯的起点。

恒星爆发中的伽马射线的产生机制

克里斯托弗·克罗克特

新的观测结果可能可以解释为什么在三颗白矮星的爆炸中探测到伽马射线。没有人预期到这种被称为“新星”的爆发会产生如此高能的光。新星是发生在白矮星表面的热核爆炸。白矮星通过吸积一颗伴星积累气体，达到一定程度时，它就会发生热核爆炸。如果要喷出伽马射线的话，那么爆炸则需要积累更多的气体，这在典型的新星中是不存在的。密西根州立大学的劳拉·乔米尤克（Laura Chomiuk）和他的同事在2013年监测到了来自一个新星的射电波。当白矮星和它的伴星相互绕转时，它们之间吹出的天体速度放缓，而两极上的气体则逃逸了出来。乔米尤克的团队在2014年10月8日出版的《自然》杂志上报告了他们的发现。当高速气体跑进缓慢的碎片时会形成激波，加速带电粒子反过来产生伽马射线。理解新星有助于解释这些爆发是否为Ia型超新星的“先驱”。

[1]2016年2月11日，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）正式宣布探测到引力波。

VII　银河与星系

The Milky Way and Galaxies

宇宙中我们自己的家

天文学家解开了银河系最大的秘密。

亚历山大·维特兹

当刘易斯和克拉克开始探索美国西部的时候，他们不知道在圣路易斯之外有什么。同样，最初天文学家也不了解天王星之外的宇宙领域。

但是正如19世纪的探险家补上美国地图上巨大的空白一样，20世纪天文爱好者也充实了一个更大的地图——其边界远远超过太阳系，向外跨越整个银河系。现在，在最近几年，宇宙制图再次重绘了银河系由里到外的图像。

这项令人惊讶的新发现是从银河系的核心开始的，天文学家在那里发现了一股流向银河系中央黑洞的气流。这是科学家第一次站在最前沿观察物质接近黑洞的过程。

从远处观察这个贪婪的“巨胃”，天文学家观测了银河系中央的繁星，发现有恒星围绕中心转动的方向与银河自转方向相同，也有许多转动方向相反。通过接收来自银河系远端的无线电波，在尽可能广的角度上对其进行观测，研究人员开始绘制整个银河系，包括一直未被看见的旋臂。

研究银河系不仅只是照亮宇宙的这个小角落，而且也可以帮助天文学家更好地理解其他星系的起源和命运，比如在银河系附近的二十多个小星系和整个宇宙中数十亿个旋涡星系。

最新的星系探索甚至可能会揭示太阳系的终极命运。仙女座星系正在朝着银河系方向快速前进，预期将会在30亿年后与银河系发生猛烈碰撞。银河系的总质量将会决定碰撞的形式，这个至关重要的数据一直在更新中。

银河系重要的中心

在很多方面，研究一个距离我们数百万光年的星系比起探索银河系自身简单得多。因为我们在银河系内部，而且有巨大的尘埃云会影响视线，天文学家必须推测从外面看银河系是什么样子的。因此，“比起银河系，我们更了解宇宙中其他星系。”哈佛-史密松天体物理中心的天文学家马克·里德说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：X-ray：NASA，CXC，UMass，D. Wang et al；Optical：NASA，ESA，STSCI，D. Wang et al；IR：NASA，JPL-Caltech，SSC，S. Stolovy

如果地球上的居民可以透过尘埃云张望，那么他们将会看到位于银河系核心（图中右边偏低处的白色区域）的人马座A*周围的活跃景象。

之前科学家相信地球位于银河系中心；第一幅银河系图像，由英国天文学家威廉和卡洛琳·赫歇尔在1785年绘制而成，显示出太阳系漂浮在一个布满繁星的“水坑”里。但是赫歇尔是通过恒星计数的方式生成了这个图像的，这种方法没有包含银河系中重要的组成部分：气体，尘埃和其他自由飘浮的东西。到1920年，美国的天文学家哈洛·沙普利观察了围绕银河系转动的星团，发现太阳系并非位于银河系的中心，而是栖息在银河系的一边。现在天文学家知道，太阳距离银心2.7万光年，大概需要2.3亿年才能绕银心运动一周。

银河系中心潜伏着一个黑洞，因为它位于人马座，所以也被称为人马座A*。大多数星系的中心都有这样一个黑洞，气体和尘埃在它周围盘旋，像是沿着一个管道坠落。人马座A*是一个重量级黑洞，它的质量约为太阳质量的400倍。如果说聚集了恒星、气体和尘埃的银河系是一个大都市，那么黑洞巨大的引力使得它堪称“中央车站”。

因为黑洞本身是“黑色的”，天文学家必须通过仔细测量围绕它运动的恒星的路径来推断它的存在。分别来自加利福尼亚和德国的两个团队，进行这方面的研究已经接近二十年了，但是依然还有好多需要弄清楚的地方。

例如，2018年，一颗被叫作S02的恒星将会来到最接近人马座A*的地方，距离之近仅为冥王星到太阳之间平均距离的三倍。爱因斯坦广义相对论预言了物质在接近一个引力势阱时会有何种表现，通过跟踪这颗恒星是如何像一辆客运列车般摇摆着经过黑洞的，科学家可以检验爱因斯坦广义相对论。来自加利福尼亚的那个团队的领导者，加州大学洛杉矶分校的安德烈亚·盖说：“这将会是史上最大质量标度上的一个测试。”

相较2002年S02最近一次接近黑洞时而言，新升级的望远镜应该可以为天文学家提供更好的观测。世界上一些大型设备，比如智利的甚大望远镜和双子望远镜，安装了新一代的自适应光学，多个激光器发射激光到夜空中作为向导，以便技术人员测量继而改正地球大气层造成的图像扭曲。盖还帮助主导了银心观测在全球范围内的推进。她的最终目的是将她目前对人马座A*附近0.3光年范围内的恒星的研究扩展到3个光年范围。

她还希望跟踪那些质量小于目前观测限制（大约8倍太阳质量）的恒星，来观察较轻的恒星是否会有不同的表现。“有这么多令人兴奋的未知，这就是我们一直坚持下去的原因，”盖说，“你可以对黑洞附近存在什么类型的恒星做预测。这些恒星会告诉你，随着时间推移，黑洞和星系是如何形成和演化的。”

恒星并不是唯一滑向人马座A*周围的东西。同样的，一团气体云也曾被银河系中央的超级黑洞撕裂。德国的一个研究团队对其进行了描述。科学家借助甚大望远镜对这团气体云进行观测，拍到了照片。这个气体云的质量只有地球质量的三倍，它的速度从2004年的每秒1200千米快速增加到2011年的每秒2350千米。现在它已经向着人马座A*方向极度拉伸，像一根意大利面条一样。

其前端已经过了轨道的最近点，以时速每秒千万千米远离黑洞，尾端则已加速落向黑洞。该观测团队的领导者、德国加尔兴市马克斯-普朗克研究院地外物理研究所的斯蒂芬·吉勒森解释道：“在其围绕超级黑洞运动的轨道近心点附近，气体云的头部已经被拉伸超过1600亿千米，而近心点本身离黑洞不过250多亿千米——逃脱被吞噬的命运。”然而气体云的起源还是个谜。关于气体云来源的一种解释是，它可能来自附近年轻的大质量恒星的强烈恒星风，甚至可能来自黑洞喷流本身。还有一种可能是气体云中隐藏着恒星，在此情形下，气体可能同时来自恒星风和围绕恒星的原行星盘。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，JPL-Caltech

18世纪末，威廉和卡洛琳·赫歇尔绘制的银河系图像显示出太阳靠近恒星集群的中心。在现今银河系的图像中，太阳被放置在一条旋臂上（如左图所示）。最近新发现的两条旋臂（黄线描绘了其轮廓）又增强了这幅图像的对称性。

恒星棒

如果将银河系的核心人马座A*比作大都市的话，那么银河系的核球便是郊区，在它中央有很多球状星团。如果你可以从侧面看银河系，那么银面就像是一张唱片的侧面，你将会看到核球隆起在银面之上和之下，像是在唱片中央的一个橘子——一个大约跨越8000光年的“橘子”。

核球是如何形成以及为什么会形成核球仍还是个谜。大多数理论表明，在银河系诞生后很快就形成了核球。在这一假设下，从合并形成银盘到建立银面中心并且隆起形成核球总共不超过10亿年。

但是对核球中一些恒星的研究显示，它们比我们预期的年轻得多，年龄只有20亿到50亿岁，加州大学洛杉矶分校的天文学家迈克尔·里奇如是说。所以天文学家需要弄清楚这些年轻的恒星是否只是几个“新生儿”，还是说它们预示着关于整个核球形成的标准理论存在一个更大的问题。

如果郊区附近没有一个酒吧，那它便是不完整的。银河系的核球也不例外［译注：英语中，酒吧和棒是同一个单词］。一个致密的被拉长的恒星聚集体正好穿过核球，就像是有人将一把厚厚的稻草插进了沿着“唱片”平面的“橘子”中。这个管状的恒星聚集体被称为棒。巨大的恒星流从棒的两端流出形成了银河系标志性的纸风车形状。

里奇的巡天发现了中央棒的一个奇怪特征：它的自旋是卷筒式的，像一个卫生纸支架那样，当然它还随着银河系剩余部分的“纸风车”旋转。在其他星系中也观测到这种卷筒体形式的旋转，这可能在整个宇宙中都比较普遍。

但是因为核球和它的棒被埋在尘埃里，天文学家很难看到那里正在发生的一切。甚至关于棒在哪里截止以及核球在哪里开始都未能达成一致。威斯康星大学白水分校的天文学家罗伯特·本杰明说：“现在还只是一团糟。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：ESO，Marc Schartmann/MPE

一团气体云被认为正在流向银河系中心的黑洞，某一天终将会被撕裂。上图模拟了2021年时这团云的遗迹（橘色、黄色及红色轨道）和它周围的恒星（蓝色轨道）会是什么样子

一项新的理论可能可以帮助整理思路。中科院上海天文台的研究员沈俊太领导的团队，基于里奇核球径向速度分量研究的数据，通过计算机模拟给出了棒/核球模型。他们得到的结果与主流理论相悖。主流理论坚持银河系的前身肯定与其他恒星盘发生过碰撞，而且核球是在所有这些碎片合并时形成的。然而沈俊太团队却得到结论，前身星系的自转盘应该是自然生成了一个类似手柄状的棒，然后又自己变厚。

里奇认为，这个模型对核球和棒可能的形成方式提供了一个简单直接的解释。

伸展的旋臂

有棒的星系更有可能有着向外围伸展的美丽对称的旋臂，就像银河系这样。对这些外围风景的探索，绘制出了这些恒星如何形成了一个遥远的、横跨约十万光年的“纸风车”。

将这几个碎片拼在一起绘出全貌并不容易。本杰明说：“星系天文学就像是一个巨大的拼图游戏，所有的碎片都被打乱了，没有按照正确的顺序排列。”

第一块拼图碎片落入正确的位置是在20世纪50年代。那时候天文学家发现他们可以通过研究一个来自遥远恒星的特定的光谱，跟踪中性氢气体在旋臂中的分布情况。这个特定的谱线是氢的21厘米谱线，在电磁频谱的射电部分，这意味着它可以毫无困难地穿过尘埃，不会受到尘埃消光作用的影响。所以科学家可以寻找来自银河系中其他部分的气体云的信号，进而开始绘制它大尺度上的结构。

然而在绘制出最初的那些地图之后，科学家面临了一个接一个的问题，对银河系结构的理解认识基本上停滞了。比如，如何分辨一个特定的气体云是位于地球一侧还是在银心的另一侧，类似的问题都是在绘制银河系全貌的道路上很难跨越的障碍。在过去的十几年中，天文学家才终于找到办法，使用其他数据，例如其他种类的气体云的分布情况，来解决这样的问题。

例如：2008年，哈佛-史密松天体物理中心的托马斯·达姆与帕特里克·撒迪厄斯宣布在银心远侧发现了一个弯曲的旋臂。这个旋臂，现在被称为三千秒差距臂，是我们熟悉的地球一侧的一个旋臂的对应体。2011年7月，这个团队报告发现了迄今为止最遥远的旋臂之一——一个被称为盾牌座-半人马座旋臂的延续，包裹在银河系这一侧的外围，随后消失在另一侧，最终又在发现它的地方蹦出来。

以前没有人观测到过这个旋臂部分是因为在较外层银盘有轻微的扭曲。这个团队通过寻找一氧化碳以及原子氢气体偶然发现了这个旋臂。“当我第一次看到它并且发现它可能是较外层的旋臂时，”达姆说，“我说：‘这不可能是条旋臂’。”

达姆和其他科学家正试图将内外旋臂部分连接起来，像是在做一个天空中的连线游戏。达姆欣然承认这个旋臂所沿轨迹可能并不像他跟他的同事想的那样，银河系可能仍然会给我们带来惊喜。到目前为止，关于银河系结构最好的科学总结不是什么学术刊物，而是一幅图像：一个对银河系全貌的艺术设想，从上面看，是一个美丽的镜像螺旋结构。达姆说：“银河系很可能并不像模型显示的那样整齐有序。”

一个大规模的巡天工作正在进行中，答案可能很快就会出来了。这项工作是利用星际脉泽来绘制出星系结构。脉泽可以放大天体辐射就像激光一样。由贝塞尔和里德共同领导的研究团队对整个银河系中大约400个脉泽的距离进行精细测量，包括穿过银河系中心观测它遥远的另一侧。

这个巡天已经有了一些令人震惊的成果，比如修改太阳到银心之间官方估计的距离和银河系自转速度等。贝塞尔的结果将太阳系向银心推近了一些，从之前估计的2.77万光年缩小到了2.74万光年，银河系自转速度也从每秒220千米增至每秒250千米。

更快的自转速度意味着银河系的总质量必须比之前认为的重50％左右。如果是这样的话，那么银河系将不再像科学家一直认为的那样，仅仅是仙女座星系的小姐妹了，而是与仙女座星系质量相当了。银河系和仙女座星系之间的引力使两者紧密凑在一起，而且银河系增加的这部分质量可能会稍微加速它们的碰撞。

欧洲航天局的盖亚空间卫星发射升空后，将绘制出整个银河系更好的地图。它会精确测量银道面两侧约10亿颗恒星的位置，约占银河系总恒星数量的1％。如果成功完成任务，那么“盖亚”将会开启银河系探索的新时代。

“现在我们已经有各种不同的方法来绘制银河系，”本杰明说，“多年来，这个领域一直存在各种问题。现在人们在搜寻新的数据，试图找到一些新发现。我们可能会再次搁浅，但是我们将会看到剩余部分是如何被填满的。”

银河系在宇宙中的位置

克里斯托弗·克罗克特

我们的银河系是一个比之前认为的更辽阔的巨型网络中的一部分。它漂浮在一个新确认的星系团集群的外边的一个星系分流中。这个超星系团重达10亿亿个太阳质量，横跨5.2亿光年。夏威夷大学的布伦特·塔利和他的同事筛选了8000多个星系的位置和速度数据，重新审视了银河系在宇宙中的位置。在考虑宇宙膨胀引起的运动后，该团队建立了一个3D视图，模拟引力如何塑造银河系周围的宇宙空间。该项工作发表在2014年9月4日出版的《自然》杂志上，展示了超星系团的边界和网络式的框架。我们的银河系沿着网络线中的一条，在一个支流中。那些分流在一个引力势阱处汇聚。这个引力势阱距离我们约两亿光年，位于两个大质量星系团的附近。这两个星系团的引力似乎将其他星系和星团拉到这个超星系团中，其中包括银河系。

丢失的质量藏在银晕中

大量冷物质包裹着容纳天体的区域。

加布里埃尔·波普金

根据2014年1月7日发表的一项研究，大量之前未被发现的气体储量在星系的质量上占了很大一部分比例。这一发现可以解释为什么早期研究测量的星系的质量远小于宇宙学家理论预测的星系质量。

十几年来，天文学家一直对星系丢失的质量感到疑惑。重子物质，即宇宙中可见的普通物质，包括组成了恒星和行星的质子、中子和电子，应该占了一个星系质量的17％左右；其余的则为看不见的暗物质。天文学家认为，在星系中，重子物质应该存在于天体以及处于巨大的晕中环绕着星系的100万摄氏度的热气体中，但是他们却只能找到三分之一的重子物质。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：JPL-Caltech/NASA，S. Willner/Harvard-Smithsonian CFA

一项新的研究发现，像梅西耶81（位于大熊星座中的一个旋涡星系）这样的星系，被大量不发光的冷气体包围着。

最近的研究显示，银晕中也包含着温度约为10 000°的较冷的气体。因为这些气体是弥散的，且只发出少量光，所以望远镜不能直接探测到它们。但是一些晕会被极其明亮且遥远的类星体照亮。而类星体发出的光的光谱几乎一致。当类星体的光穿过气体时，气体中的原子和离子会吸收特定波长的光，在类星体的光谱上以吸收线的形式显现出来，而吸收线的有无及强度则取决于气体的数量、温度和气体的组成成分。

为了测量银晕中冷气体的质量，一个由加州大学的天体物理学家杰西卡·韦克领导的团队使用哈勃太空望远镜研究了来自38个类星体的光。通过观察光谱中的吸收线，该团队发现银晕中包含的较冷的碳、硅和镁离子远远多于研究人员原本以为的数量。氢离子在类星体的光谱中没有显现出来。但是在分析了她的离子测量结果之后，韦克估计，在银晕中冷氢离子也是很丰富的。

将这些气体加起来，韦克发现星系周围的冷气体至少是研究人员之前估计的量的10倍，甚至可能高达100倍。如果她的计算是正确的，那么冷气体将占天文学家一直在寻找的那部分重子质量的三分之二，韦克如是说。“我们惊讶于有多少”冷气体在那里。

新墨西哥州立大学的天文学家克里斯·邱吉尔想更好地理解韦克和她的团队区分冷热氢气的方法。“如果她可以说服我，让我也认为她的做法是正确的，”他说，“那么我将非常确信”星系丢失的质量大部分藏在冷气体中。

不过，邱吉尔补充道：“我想她可能是对的。”

银河系中尘埃云的3D图像

克里斯托弗·克罗克特

濒死恒星的灰烬在银河系中各处聚集成团，如银河系星际尘埃的3D新图像所示。2014年6月23日，在英国朴茨茅斯举办的皇家天文学会国家天文学会议中展示的这一星际尘埃分布图像，集中在银河系平面接近180的视野内。视图1显示了由地球向外至约3300光年范围内的尘埃总量。视图2补充了在另一个波段上测量到的约3300光年范围内的尘埃总量，视图3则又补充了另一个波段上的信息。牛津大学的斯图尔特·塞尔和他的同事在三个波段上测量了超过3800万颗恒星的光度，最终绘制出了分布图像，揭示了尘埃聚集成团的位置（红色为尘埃最多，蓝色为最少）。这些信息可以告诉研究人员银河系中原子和分子的生命周期，并且可以使恒星测量做到更好。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：S.E. Sale et al，PHAS

“回光”返照揭示恒星历史

“回光”揭示了很久前的一次爆发。

纳迪亚·德雷克

银河系中曾发生过一次巨大的爆发。它将银河系中质量最大的恒星中的一颗转变成一个比太阳明亮数百万倍的火球。长久以来，这个爆发一直困扰着科学家。现在终于有了初步的解释。

从1838年到1858年，天文学家观测了巨型星船底座海山二星的爆发。这次爆发距离我们地球7500光年，释放了超过10倍太阳质量的物质，而且产生了一个形状奇怪的双瓣的云。科学家认为一个致密的恒星风助燃了这次爆发，而且认为它是“伪超新星”的前身星，或者是不会完全摧毁一颗恒星的短期存在的爆发。

但是新的观测结果表明引发船底座海山二星爆发的导火索可能是一次爆炸，该研究的合作者、巴尔的摩空间望远镜科学研究所的天体物理学家阿尔明·雷斯特如是说。尽管科学家已经很了解这颗恒星（现在被确认是一个双星系统），但是雷斯特认为他们还是缺乏关于那次爆发的信息，因为早期的观测无法使用现代技术。

不过尘埃云可以将部分光线反射回地球（回光现象），于是雷斯特的团队得以从中筛选出爆发时发出的原始光。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，STSCI

在分析了船底座海山二星这个双星系统爆发留下来的回声后，科学家认为是一次爆发而非强烈的恒星风创造了这个奇观。

这些回光像是时间胶囊，保存了爆发时发出的光谱。圣保罗大学的天体物理学家奥古斯托说：“它就像是一个科幻小说梦，可以在时间中穿梭，可以让我们用21世纪的仪器来分析那个大爆发。”

雷斯特和他的同事将研究成果发表在2012年2月16日出版的《自然》杂志上，他们发现探测到的光谱与已有的恒星风理论预测的结果不相符。回光给出的温度约2000摄氏度，低于预期的温度。这暗示着在爆发时发挥作用的不是恒星风，而是一个小的爆炸或者是船底座海山二星与其伴星之间的相互作用之类的现象。

但是一些科学家认为这个温度差异并不足以推翻经典的恒星风理论。明尼苏达大学的天体物理学家克里斯·戴维森说：“事实上，他们描述的能谱与我们基于恒星风理论预测的是相当符合的。”

缺失的卫星星系之谜被解决了

较轻的暗物质可能导致了较少的卫星星系。

克里斯托弗·克罗克特

观测已经发现了几十个围绕着银河系运动的微小的“卫星星系”，但是理论预测这种卫星星系应该有数百个。现在一个由天文学家组成的研究小组针对这一矛盾提出了一个解决方案：或许是暗物质，这种构成宇宙大部分物质的神秘的物质，也不是那么的黑暗。研究人员提出，在早期宇宙中辐射可能激起了暗物质，阻止了卫星星系的形成。

十多年来，缺失的卫星星系之谜一直困扰着天文学家。尽管暗物质已经被证明是解释大型星系和星系团形成的一个极好的工具，但是当试图描述微小的结构例如卫星星系时，却遇到了难题。

英国杜伦大学的物理学家塞莉纳·伯姆和他的同事试图通过调整暗物质理论来协调这种差异。他们提出，暗物质长久以来都被认为是不可见的，但是实际上它会以微妙的方式与光子发生相互作用。宇宙大爆炸之后不久，在一个较小的宇宙空间内，光子密度很高，这种相互作用应该很重要。但是现在，在经历了数十亿年的宇宙膨胀后，光子变得很稀薄，这种相互作用就无法观测到了。

伯姆的团队通过计算机模拟观察了暗物质和光之间的相互作用是如何影响像银河系这样的星系周围的卫星星系的形成的。他们得到的结果表明，对光不怎么灵敏的暗物质可以减少预测的卫星星系的数目。如果是银河系的话，这个减少可以将卫星星系的数目降低到很接近天文学家观测到的数目。

耶鲁大学的天体物理学家埃里克·托勒鲁德说：“之前还没有人探索过这个奇怪的想法。”但是他指出，伯姆团队的模拟给出的快速移动的卫星的预测数目比实际观测到的多。托勒鲁德说，为了解决缺失的卫星星系之谜，天文学家还提出了许多其他的理论。一种可能的想法是，超新星爆炸可能会激起初生星系中的气体，阻止恒星的生成。另外，当小型星系向着银河系掉落时，也可能会被撕裂。

“用类似合理的解释，你就可以得到差不多正确的卫星星系数目。”托勒鲁德说，除非结合其他方面关于暗物质的成功的理论。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Durham Univ.

在计算机模拟中，暗物质（高密度区域以红色显示）包裹着星系。传统的暗物质产生了很多卫星星系（左图）；光敏的暗物质则只生成少量卫星星系（右图）。

银河系的新邻居

矮星系的发现大大推动了对暗物质的理解。

克里斯托弗·克罗克特

银河系的卫星星系迎来了几个新成员。

两个天文学家研究团队独立地发现了八个，或者可能九个，围着银河系绕转的卫星星系。之前已知的卫星星系一共27个，新的发现使得卫星星系这一大家庭又壮大了很多。这些星系，虽然很小，但是它们保留着银河系形成、第一个星系的诞生以及暗物质本质的线索。

这些星系是在银河系最大的卫星星系——大麦哲伦云的附近发现的。最近的位于网罟座，距离我们约十万光年。最远的位于波江星座，距离我们一百万光年，大约是到仙女座星系距离的一半。该发现报道在2015年3月9日发布于arXiv. org网站上的四篇论文中。

大多数卫星星系包含着约几千颗恒星，远远少于银河系中恒星数量（约一千亿颗）。但是在这几千颗恒星中，天文学家只能看到几十颗最亮的恒星，剩余的那些必须通过推断，才能确定其存在。“卫星星系中的恒星，我们已经都逐个进行了研究，”耶鲁大学的天文学家马拉·格哈说，“这就是为什么找到更多恒星会让我们如此高兴。”

这两个研究团队都是从暗能量巡天项目的图像中发现了这些卫星星系的。“暗能量巡天”是一项计划持续5年的巡天项目，主要设备是一台拥有超过5.7亿像素的“暗能量相机”，安装在位于智利境内托洛洛泛美天文台的口径4米的布兰科望远镜上。这个项目的主要目标，是为了加深我们对于暗能量本质的了解，研究宇宙加速膨胀。参与该项目的科学家分析了第一年的观测数据，发现了八个卫星候选体。同时，剑桥大学的天文学家谢尔盖·科波索夫和他的同事对该巡天项目的公开数据进行研究，同样也发现了这八个星系，并且又再加上了一个。

“对这些星系进行了两次独立的验证，这点是很令人兴奋的。”宾夕法尼亚州哈弗福德学院的天文学家贝丝·威尔曼如是说。

在一片相对较小的天空中发现了大量卫星“真的，真的很令人惊讶”，科波索夫这样说。他认为这些星系随着麦哲伦云一起运动，作为一个团体的一部分，最终会被银河系吞噬掉。然而，研究人员不得不耐心等待，直到暗物质巡天项目观测到更广阔的天空，才能得出结论。

十多年来，天文学家已经注意到观测到的卫星星系远不及预测，这使得一些研究人员怀疑星系演化的理论是否正确。2005年前后，天文学家集中发现了很多卫星，这暗示着应该还有几百个更多的卫星。但是随后的调查却一无所获，直到最新的发现。“这些天体的发现使得人们稍微自在点儿了。”暗能量巡天项目的参与者、费米国家加速器实验室的天体物理学家亚历克斯·德利伽-魏格纳如是说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Overlay：V. Belokurov and S. Koposov/IOA/Cambridge；Photo：Y. Beletsky/Carnegie Observatories

新发现的几个银河系的卫星星系挤在麦哲伦云方向附近。图中所示为其中六个星系。

德利伽-魏格纳补充道，小型星系是用来探测暗物质的很好的探针。恒星和气体只占据了这些矮星系总质量的1％。剩余的质量则是暗物质。通过测量卫星星系中恒星的速度，他说，研究人员可以标出暗物质，这可以帮助他们理解在星系形成时暗物质所扮演的角色。

为了检验有关暗物质本质的理论，天文学家也可以从卫星星系中搜寻伽马射线。一些理论预测在暗物质粒子碰撞时会产生伽马射线。匹兹堡的卡内基梅隆大学的天体物理学家亚历克斯·盖林格-萨梅斯与他的同事声称，他们看到了来自最新发现的卫星星系之一的伽马射线。盖林格-萨梅斯和他的同事通过分析费米空间望远镜传回的数据，来探测伽马射线信号。然而，暗能量巡天项目的研究人员观察了同样的数据，却没有发现这样的信号。

微弱的矮星系也为天文学家提供了一次窥探最早的星系的样子的机会。“这些星系被证实是迄今为止我们知道的最古老的星系。”格哈说。在大爆炸后约一百万年，它们就不再形成恒星了。不像银河系之类的漩涡星系，在整个一生中都不停有恒星诞生。尽管非常遥远的星系的图像为我们提供了当时宇宙模样的快照，但是卫星星系给了我们一次更近距离观察的机会。研究人员可以通过分析这些卫星星系中恒星的化学组成，调查最早期的星系是在怎样的条件下形成的，威尔曼如是说。“这些都是120亿年前形成恒星的那团气体的‘指纹’。”

银河系将被迎面撞上

亚历山大·维特兹

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA，ESA，Z. Levay and R. Van der Marel/STSCI，A. Mellinger

哈勃太空望远镜的新观测显示，巨大的仙女座星系和银河系将注定直接碰撞，而且不仅仅是一个侧击。通过2002年和2010年重复对仙女座星系中相同恒星的精确定位，巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家和同事们已经计算出在深空背景下仙女座星系是如何移动的——该项研究确认此星系的横向运动只是飞向银河系速度的一小部分。仙女座星系距离银河系250万光年并且以每小时400 000千米的速度靠近。从现在开始40亿年后，宇宙的碰撞会将天空变成迷幻漩涡（见插图）。计算表明，在这个星系并合过程中太阳将被扔出去，无规律漂移最终成为单一的个体，这两个星系将合并成一个大星系。这项工作发表在《天体物理学》杂志上。

一个氢云正向银河系高速前进

阿什利·耶格尔

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Bill Saxton，NRAO/AUI/NSF

初步的数据显示，一个朝着银河系方向高速运动的氢云看起来似乎是一个外来的闯入者。这个似彗星般的条状云，被叫作史密斯云。它的质量高达一百万倍太阳质量，距离我们约四万光年。它的速度为每小时85千米左右，按计划大约在3千万年后，它会与银河系的一条旋臂发生碰撞。当碰撞发生时，它会向我们传递来自银河系之外的原材料，国家射电天文台的杰伊·洛克曼说。洛克曼和他的同事使用位于西佛吉尼亚州的绿色银行望远镜来比较史密斯云和其他银河系附近的氢云以及七个在仙女座和三角座星系之间的大质量氢云。史密斯云更类似于那些遥远的氢云，这表明它起源于几十亿年前，一个更遥远的太空区域。史密斯云的轨迹表明它之前就与银河系发生过碰撞。每一次相互作用，这个氢云都会带来新鲜的银河系之外的材料，洛克曼表示。这些结果加强了这一观点：星系之间的空间并不是空无一物的。

一些星系中只含有少量的恒星

微弱的星体有助于理解暗物质。

克里斯托弗·克罗克特

并不是所有的星系都布满了星星。天文学家已经发现了一大群几乎没有星的星系，都与银河系差不多大小。它们是如何形成的还是一个谜。它们的存在暗示着星系演化比我们之前想象的有着更多样的途径。

耶鲁大学的天文学家皮特·万·多库姆和他的同事偶然发现了47个很早之前就停止诞生恒星的星系。每个星系中保留下来的恒星——约为银河系中恒星数目的0.1％——大致分布在一个约为典型旋涡星系大小的球体内。假设有个观察者生活在其中一个星系中，那么在夜晚他只可以看到几颗恒星，万·多鲁姆表示。“你需要一些不同寻常的东西来创建一个这样的星系。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：K. Cook et al/NASA，ESA

在这幅哈勃太空望远镜图像中央的一个暗弱的点为一个与银河系差不多大但是只拥有相对少量恒星的星系。

后发座星系团中存在很多星系。在距离我们约3亿光年远的后发星座中隐藏着1000多个星系。研究人员将蜻蜓望远镜的八个长焦镜头全部指向同一块天空进行拍摄，在得到的图像中，每个暗星系都只是一个小光斑。该小组还发现了隐藏在加拿大-法国-夏威夷望远镜和哈勃太空望远镜拍摄得到的老照片中的暗星系。这个发现发表在arXiv.org网站上的2014年10月30日的一篇文章中。

这些星系是红色的，意味着它们充满了冷暗的恒星。而年轻的星系则是蓝色的，充满着热的、大质量恒星。但是随着这些恒星死亡，留下来的是长久存在的红色恒星。因此，这些暗星系相当年老了。“但是很难说相当年老意味着什么。”万·多库姆说。这些星系看起来至少有40亿岁了，它们也可能像存在了138亿年之久的宇宙一样年老。

“这是一类古怪的星系，在我们所理解的星系形成过程中都没有它的位置。”亚利桑那大学的天文学家克里斯·易恩培说。20世纪80年代，一个团队在邻近的室女座星系团中发现了一些隐藏着的暗星系，克里斯就是该团队中的一员。“这提醒我们，在关于星系方面的知识仍还不完整。”

天文学家认为星系形成于大团暗物质，氢气云在其自身引力的作用下向内掉落。一旦气体变得足够致密，恒星便开始诞生。随着星系年龄的增长，来自深空或者经过的较小的星系不断地向这个生成恒星的“熔炉”提供新鲜的气体。只要有足够的氢气，星系便可以一直生成新的恒星。

这些新发现的暗星系意味着恒星也可以诞生在没有太多气体的星系中（万·多库姆认为这种情况不太可能），或者在几十亿年前这些星系曾经发生了什么。或许是星系团以某种方式影响了它们，他说，例如邻近星系从它们中“窃取”了恒星形成所需的成分，虽然这个过程同时也会减小星系的大小。“简单的答案是：其实我并不知道。”万·多库姆说。

这些星系可能会成为我们探索暗物质的重要的实验室。暗物质是某种难以捉摸的、奇异的物质，它将星系和星系团等束缚在一起。为了在后发座星系团其他部分的引力拖拽中存活下来，这些星系需要由98％的暗物质和仅仅2％的、构成恒星和行星所需的普通原子组成。多恩培说研究人员可以根据每个星系中恒星的运动，绘制出暗物质的分布情况。

星光的影响会减少下一代恒星的生成

克里斯托弗·克罗克特

星光可能正在掠夺遥远星系中制造下一代恒星所需的成分。几十亿倍于太阳所含数量的一氧化碳正在从距离我们约80亿光年远的SDSS J0905+57中流出，英国赫特福德大学的天文学家詹姆斯·吉奇和他的同事在2014年12月4日出版的《自然》杂志上报告了这一发现。天文学家已经讨论了星光、恒星爆炸或者超大质量黑洞是否会将星系中的气体向外推出，导致恒星制造工厂的关闭。这些新的结果表明，虽然黑洞和超新星可能依然发挥了一部分作用，但是星系中新生恒星的星光足以将气体推出去，限制下一代恒星的诞生。

大爆炸之后，小型星系可能引发了再电离

“有漏洞的”星系暗示了大爆炸之后再电离的起因。

克里斯托弗·克罗克特

附近的一个星系泄露了关于宇宙历史中一次巨大转变的线索。新的观测结果显示，早期宇宙中小型星系可能引发了再电离。在那个时期，强烈的辐射会将氢原子“撕开”。再电离是理解恒星和星系形成方式的关键。

“再电离是宇宙历史中一个重要的里程碑。”亚利桑那大学的天文学家布兰特·罗伯森说。在宇宙黑暗期，中性氢充满了整个宇宙。随后，在宇宙大爆炸之后的10亿年内，紫外辐射充满了整个宇宙，而且还将所有氢原子的电子“撕扯”了下来，使其电离。天文学家怀疑这些辐射来自于第一代星系中恒星形成时的爆发。

但是研究人员不确定早期宇宙中的小型星系是否可以产生足够的辐射使得整个太空电离。银河系附近类似的星系没有释放那么多的电离辐射；来自新生恒星的紫外光不够强烈，不能刺穿包裹着恒星诞生地的、厚重的氢云。

然而，约翰霍普金斯大学的天文学家桑切耶特·波特库尔（Sanchayeeta Borthakur）及同事怀疑，一个约30亿光年远的、致密的星系——J0921+4509可能正在散发出大量的极端紫外线。在这个星系的中心，超过10亿颗恒星挤在一个跨越了近700光年的区域内。这个星系的大小和质量与最遥远且已知最早期的星系几乎是相同的。

哈勃太空望远镜的观测显示，J0921+4509中极端紫外线的光子通过包裹着的氢云中被击穿的洞孔逃逸了出来。该团队将这一发现发表在2014年10月10日出版的《科学》杂志上。

如果你将大量恒星放置在一个紧密的区域内，那么它们可以强大到将周围的氢云击穿，并且散发出辐射，波特库尔表示：“这说明了真正很小的星系是如何影响整个宇宙的。”

从最早期的星系中逃逸出来的所有紫外光子在它们到地球的旅行中应该都已经被中性氢原子吸收了。通过寻找附近“有漏洞的”星系，罗伯森表示，天文学家可以统计出有多少光子逃逸了出来，进而推断130亿年前可能发生了什么。

下一步是弄清楚是否有足够多的致密星系可以使早期宇宙电离。

VIII　宇宙深处

The Deep Universe

早期宇宙的遗迹

邻近星系在一百亿年里几乎没有变化。

克里斯托弗·克罗克特

相对于现今的宇宙而言，我们在早期宇宙中看到了一个极其不同的恒星演化历史。

——伊格纳西奥·特鲁希略

新观测显示，一个邻近星系看起来像是从创世时刻抢夺过来传递到我们银河系附近的。这个星系叫作NGC 1277，位于英仙座星系团中，距离我们约2.3亿光年。NGC 1277中的恒星都是在100亿年前即大爆炸之后不到40亿年时的一次快速爆发中形成的。然后它似乎突然停止了。

该观测结果发表于2014年1月10日出版的《天体物理学杂志通讯》上，表明NGC 1277中全部恒星的年龄一致，均形成于一个持续1亿年的爆发中。在这个时期，恒星形成率高达每年1000颗。作为对比，我们银河系每年只诞生几颗恒星。

“在本地宇宙中没有什么是相似的，”该研究合作者、西班牙天体物理研究院的研究员伊格纳西奥·特鲁希略说，“相对于今天，在早期宇宙中，我们看到了一段非常不同的恒星形成历史。”

大多数星系，包括我们自己的，都是通过拆解食用其他星系来使自身增长。每次一个星系猛烈撞进另一个星系时，新的气体会大量涌入，并且引发新一轮的恒星诞生。这是一个缓慢的过程，需要几十亿年的时间。这种猛烈动荡结束的标志通常以气流和恒星的形式显示出来。然而，NGC 1277却没有显示出这些。

研究人员在NGC 1277中看到的是一个星系迅速组装了它的大部分质量，包括在它的中心的一个庞大的黑洞。这个黑洞，重达170亿倍太阳质量，是已知最重的黑洞之一，而且比天文学家预期在一个像NGC 1277这样大小的星系中存在的黑洞重得多。它如何成长为现在这个样子是一个谜题。与缓慢增长数十亿年的超大质量黑洞的标准图像相反，观测表明NGC 1277的黑洞形成迅速，已经存在了很长时间了。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Zoom in：Andrew C. Fabian，Remco C. Van den Bosch/MPIA，NASA，ESA；Zoom out：David W. Hogg，Michael Blanton and the SDSS Collaboration

NGC 1277（上图，如哈勃太空望远镜所看到的那样）中的所有恒星形成于100亿年前的一次快速喷发中。天文学家认为这个位于2.3亿光年远的英仙座星系团中的星系（下图，箭头所指为NGC 1277），自从通过某种机制避免与其他星系发生碰撞以来，便一直没变。

“在一个盘星系中看到形成于一次爆发的古老的星族是很不寻常的。”得克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家约翰·科曼蒂说。“通常，盘星系形成非常缓慢；有一个如此年老的盘星系，这说明在恒星形成开始以来，某种机制便阻止了其他任何种类恒星的诞生。”

通常，研究人员了解星系诞生的唯一方式就是观察非常遥远的系统。这样的星系如此遥远，以至于它们发出的光到达地球所需的时间接近宇宙的年龄，所以望远镜可以看到它们在大爆炸之后最初十亿年左右时的样子。在几十亿光年的距离处，很难筛选出很多信息，因为这些星系在我们看来仅仅只是一些光斑。然而，计算机模拟表明，邻近大质量星系中很小一部分，约0.1％，整个生命过程中都没有与自己的邻居发生过碰撞。

尽管特鲁希略认为NGC 1277通过逃避碰撞存活了下来，但是科曼蒂则相信使其一直保存完好的是围绕着NGC 1277的热气体。

科曼蒂说：“假设NGC 1277与其周围的环境没有任何相互作用，是不合适的。”星系需要冷气体来制造恒星。但是整个英仙座星系团却沐浴在温度为1000万摄氏度的气体中，而且科曼蒂主张星系中的这种气体可能抑制了恒星的增长。

更重要的是，尽管没有迹象显示它最近发生过碰撞，但是科曼蒂认为，NGC 1277并没有逃过其他星系的撞击：“与邻近星系的相互作用削弱了它。50亿年前的它可能比现在更大。”他补充道，NGC 1277可能已经失去了一半的质量，这可能是为什么中央黑洞会如此巨大的原因。

无论如何，科曼蒂赞同这是一个古老的星系的说法。它迅速形成，然后便停止了，这使其本身很有趣且令人惊讶。“理解关于这个星系的任何方面都不容易，”他说，“它在宇宙中一块不寻常的区域内，在那里许多块非常早便聚集在一起形成了一批星系。这个环境肯定有某些特别的地方。”

宇宙大尺度结构的形成机制

类星体成直线排列现象。

克里斯托弗·克罗克特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：M. Kornmesser/ESO

一些遥远星系的核心，跨越大约10亿光年的距离，彼此之间似乎连成了一条线。如果得到证实的话，那么这一发现可能暗示着一种形成大尺度宇宙结构的未知的机制。

比利时列日大学的达米恩·赫斯米科尔斯和同事测量了19颗类星体的方向，即一些星系中央超大质量黑洞周围盘绕的气体盘。这些类星体距离我们约130亿光年，根据所处位置，它们被分成了四个群组。在群组内，由类星体喷涌出的强大的带电粒子喷流看起来几乎在同一个方向上，研究团队在2014年12月发行的《天文和天体物理》杂志上报道了这一测量结果。

仅有19颗类星体，这种队列现象可能只是一个巧合，怀俄明大学的天体物理学家迈克·迪蓬佩奥（Mike Dipompeo）表示。但是他说，这个观测结果是有趣的，值得进一步的调查。

宇宙纤维

大质量气体云可能揭露了宇宙的隐藏结构。

加布里埃尔·波普金

宇宙学家认为，宇宙中所有物质在大爆炸后不久形成了一个暗物质和气体网，并且在那以后一直向外延展。现在，天文学家表示，他们已经瞥见了这个网络的一条明亮的线。

但是研究人员发现的冷气体的数量远远超过他们根据对宇宙网络进行的计算机模拟而预期的冷气体的数量，这表明网络的结构可能与理论预测的不同。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Anatoly Klypin/New Mexico State Univ.，Joel Primack/UC Santa Cruz

宇宙网络，如计算机模拟所示，包含暗物质和气体纤维。星系位于线交叉的地方。

宇宙的大部分质量似乎存在于细长且连通的纤维状结构中，其主要是由暗物质和少量气体构成的。宇宙学家的理论表明，气体集中于纤维的节点处，并且变得足够致密，可以形成明亮的星系。但是因为纤维中的暗物质是不可见的，而且它们含有的稀疏的气体仅发出少量光，所以星系之间互相连接的线程多半仍保持隐蔽。

天文学家最近开始辨认被称为类星体的极其明亮的星系核照亮的纤维。类星体照耀在邻近的纤维之上，进而使纤维发出自己的光。因此，研究人员可以获得更多关于网络结构的信息，卡内基科学研究所的天文学家迈克尔·劳赫表示。“在辐射上看到宇宙网络是个‘圣杯’。”

美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的塞巴斯蒂亚诺·坎塔卢波和他的同事尝试了一种聪明的技术来寻找它。他们在位于夏威夷的凯克1望远镜上安装了一个滤光片来阻挡除了纤维中被照亮的氢气发出的光所在的波长之外的所有波长。通过这个滤光片，他们拍摄了一个遥远的类星体和它周围环境的十个小时的图像。他们在包围着类星体的气体和暗物质晕之外发现了一个大型的伸展的被类星体照亮的氢云。因为在距离星系如此远处不存在其他已知结构，所以该研究团队在发表于2014年2月6日出版的《自然》杂志上的一篇文章中总结道，这个云是一个宇宙网络纤维。

坎塔卢波说，有这样一个发现是很困难的，因为类星体像手电筒的光束一样只在特定方向上闪耀。他称这一发现为“一次幸运的宇宙巧合”。他和他的同事表示，他们发现的令人惊讶的大量的气体，超过10倍模拟预测的数量，这可能会迫使宇宙学家修改他们的理论。

劳赫说：“在科学上，发现这样一个天体是令人高度兴奋的。”但是他并不确信这个结构是一条宇宙纤维。他指出，该类星体成像和研究团队在附近发现的第二颗类星体可能以一种类似于网络纤维的方式将各自的晕合并了。这样一种情况也可以解释云中如此高的气体含量。

但是坎塔卢波的团队认为，这个云的纤细且不对称的形状以及这两颗类星体之间如此远的距离都不太可能做出这样一个解释。相反，研究人员怀疑当前的模拟太不精确，不能正确地估计纤维的气体含量。

德国海德堡大学的宇宙学家福尔克尔·施普林格尔说，该团队的发现可能需要对理论进行修正。其他天文学家可能会仿效这项技术。如果他们发现相似的结果，施普林格尔说：“那么我认为这将会真正说服所有的怀疑者。”

星系团异常高产

多亏了懒惰的中央黑洞，恒星得以快速生成。

纳迪亚·德雷克

在近60亿光年远处，一个星系团正在以不可思议的速度诞生恒星。它是目前观测到的质量最大的星系团之一，在其冰冷的核心处，中央星系每年产生超过700个太阳。

“理论上它的年产量应该不足一个，但是它正在生产740个。”麻省理工学院的迈克尔·麦克唐纳说。他参与了一项描述该星系团的研究。2012年8月16日出版的《自然》杂志曾刊登了这一研究。

此星系团因其位于凤凰星座而被该团队称为凤凰座星系团，它的官方名称是SPT-CLJ2344-4243。它由约1000个星系组成，跨度超过400万光年，而且它的质量超过2000个银河系的质量。

换而言之，它很大。

它也十分明亮：这个星系聚集体是目前观测到的最亮的X射线星系团。诞生恒星的中央星系比银河系大50倍，“它有几分首领星系的架势。”麦克唐纳说。

这个星系团的冷核和其极强的生育力暗示这个星系的中央存在一个懒惰的黑洞。通常，超大质量黑洞（这里指质量约为太阳质量100亿倍的黑洞）的辐射可以加热周边环境，使气体很难聚合成恒星。这个黑洞是因为过度劳累而永久下班了，还是仅仅在休息尚未可知，但科学家认为他们捕捉到这个星系团一个异常活跃的瞬间。

“恒星正在以一个比我们之前在此类星系中观测到的恒星形成率都高得多的速率形成，”英国剑桥大学的天体物理学家马丁·里斯说，“将黑洞和恒星形成之间的争斗放在一个图像中是一个吸引人的举措。”

但是这个星系团的恒星形成率可能在一定程度上被高估了，同样来自剑桥大学的天文学家安德鲁·费边表示。“毫无疑问，他们找到了一个真正令人兴奋和着迷的对象，”他说，“只是我们还不知道它到底有多极端。”

天文学家通过南极望远镜发现了凤凰座星系团中恒星诞生的暴乱情形。这架望远镜搜寻星系团在大爆炸残余的热辐射——宇宙微波背景中投下来的影子。

科学家正在观测中央星系中形成速度比预期在这类星系中看到的速度快得多的恒星。计算恒星的诞生速率涉及测量气体在冷却及落向中央星系时发出的X射线的总量。尽管涡旋的气体在温度超过1000万摄氏度时才开始脱离，但恒星只有在气体冷却到周围环境温度（零下几百度）时才会开始聚合。

数十年前，费边和他的同事认为恒星可以通过这样的“冷流”形成，但是直到现在，在这类中央星系中发生的这一过程才被观测到。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：UV：NASA，JPL-Caltech，M. McDonald：Optical：AURA，NOAO，CTIO，MIT，M. McDonald：Microwave：SPT/NSF

这张合成图像中展示的是凤凰座星系团。它拥有大约1000个星系。橘色部分为遍布整个星系团的热气体，而可见光和紫外线图像则显示了其中的星系。

麦克唐纳和他的同事计算得到，这个中央星系每年会诞生大约740颗恒星。但是这个短跑选手的步伐不太可能成为这个星系团的永久特征，因为在一段马拉松距离之后，它将会成长为一个比目前观测到的任何星系都大1000倍的怪兽星系。

科学家很有可能已经捕获了这个星系团的适当的恒星成率，尽管还不知道这个适当的生成率会维持多久。“我认为1亿年左右是合情理的。”麦克唐纳说。在现阶段，准确确定还有多少气体燃料可供燃烧，可以帮助解决时标问题。科学家希望使用位于智利北部的ALMA望远镜来完成此项测量。

搜寻遥远的信号

少量短射电暴使天文学家苦思其起源，并且寻找更多信号。

克里斯托弗·克罗克特

邓肯·洛里默并非在寻找来自另一个星系的无线电爆发。他和他的学生大卫·纳尔维克当时正在从澳大利亚帕克斯射电望远镜的旧数据中寻找行为怪异的脉冲星（大质量恒星死亡后留下的快速旋转的核）。但是，他们反而发现了一个奇怪的无线电噪声爆发。该爆发记录于2001年，似乎起源于一个绕银河系运动的卫星星系之外。

这个信号如此强烈，曾一度超过了望远镜的极限。“我花了一段时间来接受它。”西弗吉尼亚大学的天体物理学家洛里默说。“我知道这是不寻常的，但是我只是无法领会这一事件的重要性。”2007年，洛里默在发表于《科学》杂志上的一篇文章中写道，这个爆发“代表着一种全新的现象。”

仅仅是一个信号还只是引起好奇。但是2011年，德雷尔天体物理中心的天文学家埃文·基恩报告了第二个类似的信号，同样也是来自帕克斯射电望远镜的数据档案。

随后在2013年，由另一个同样来自德雷尔天体物理中心的天体物理学家丹·桑顿领导的团队从2011年和2012年的数据档案中又发现了四个信号。这些爆发分别来自遍布在天空中的点源。每个点源均发射出无线电波：一种频率远低于红外和可见光的电磁波。这些爆发被叫作快速无线电爆发（FRB）。在观测上，它们有一些共同点：亮而短暂，且似乎都来自非常遥远的地方。

桑顿的发现使这个领域变得火热起来。无线电爆发似乎是一些发生在银河系之外的怪异的灾难性事件的名片。有趣的是，如果这些信号真的是在星系之间的空间内穿梭，那么它们可能已经遇到了宇宙中缺失的物质的，并且能够为我们讲述关于这些缺失物质的故事。

天文学家看到得越多，他们找到的FRB也将会越多。到目前为止，天文学家已经报告了八个快速无线电爆发，另外还有十几个尚未发表。这个新的宇宙之谜是天文学家找到的一类极为诱人的事件：一种对未知的探索，同时也提醒着我们对整个宇宙的了解有多肤浅。

“有一个比赛在进行，”甚大阵的助理主管戴尔·弗雷说，“一个友好的科学竞赛。”天文学家正重新启用旧望远镜，并且对其他望远镜进行翻修。世界各地的射电望远镜都在扫描整片天空，试图弄清楚这些爆发是什么以及它们来自何方。

“人们找到它们，但是却不知道它们意味着什么，”澳大利亚联邦科学与工业研究组织的天文学和空间科学分部的天文学家基恩·班尼斯特说，“关于它们是否真实存在以及它们很近还是非常遥远，还存在很大争论。”关于快速无线电爆发的起源的猜测有很多种。“现在关于FRB起源的理论至少是已发现的FRB事件的两倍。”洛里默说。

Blitzars和磁星

根据可用的有限数据，天文学家正在缩小这些可能性。每个FRB作为单个脉冲被我们探测到，这导致人们认为这些爆发可能是喷发或者内爆。虽然FRB足够强大，可能可以从其他星系中看到，但是它们不像一颗爆发星那样剧烈。而且它们只持续几毫秒，所以这些源必定相对致密，大约像得克萨斯州一样宽。基恩支持两种观点，且都涉及死亡的恒星。

当大质量恒星爆炸时，它的核心会留下来。紧接着在这个核内，向内压迫的引力和向外推动的亚原子粒子之间会发生一次竞争。如果这个核的质量超过几个太阳质量，那么引力会获胜，然后这个核会塌缩形成一个黑洞。

如果这个核较小，那么中子会与引力抗衡，核心会以中子星的形式存活下来。如果这个核旋转非常快，那么它可能很重，也会形成一颗中子星。旋转将会与引力抗衡，使核心保持稳定。但是最终自旋会减慢。当过重的中子星变得足够缓慢时，它会发生内爆事件，被叫作blitzars。理论上，这种塌缩可以生成一个无线电脉冲，看起来就像一次FRB事件一样。

或者这些爆发可能来自磁星的喷发，基恩如是说。磁星是磁场强度约为地球磁场强度1千万亿倍的中子星。天文学家已经在我们银河系中看到了类似的磁星爆发，最亮的一次爆发事件于2004年被我们观测到。即使当时它指向的是不同的方向，但是强烈的爆发依然使雨燕太空望远镜眼花缭乱。

有一些方式可以将这两种来源区分开：磁星重复，而blitzars则不会。基恩说：“你只有一次机会，摧毁一颗中子星使其变为黑洞。”磁星也会辐射出更高频率的光，如伽马射线；而blitzars则只能发出低频的无线电光。现在在这两种来源中，更常见的磁星看起来更有可能是“嫌疑犯”。

为了弄清楚是blitzars还是磁星或者是其他完全不同的东西在起作用，天文学家需要知道这些爆发离我们有多远。距离的估计取决于光在到达地球的路上遇到了什么。当光在空间中穿梭时，它会穿过含有自由活动的等离子体和电子的气体云。光绕过周围电子的难易程度取决于光的频率。高频的光相对较轻松，而低频的光则需要稍微长一点的时间。

如果某种天体爆发出无线电波，那么所有频率的光会作为一个整体同时离开，但是它们到达目的地的时间却不同。射电望远镜在看到较低频率的无线电之前，先看到更高频率的无线电。如果你能听到它的话，那么你将会听到类似口哨的声音。到达时间之间的延迟标志着光在到达地球的路上受到了多少障碍的阻拦。

天文学家可以使用无线电波在途中所遇到的电子的数量作为一种估计光所旅行过的距离的指示参数。计算电子的总数：如果光在途中遇到的电子数量比天文学家预计的地球到银河系边缘之间存在的电子数量多的话，那么这个信号肯定来自银河系之外。天文学家只对漂浮在空间中的电子数量进行过理论计算，但是洛里默和桑顿探测到的五次爆发事件途中所遇到的电子数量都远远超过存在于银河系之内的合理的电子数量。

然而，基恩发现的那次爆发事件却不同。那次FRB事件穿过我们银河系的银面并且贯穿了星际尘埃中的一个窗口——盾牌座星云。这个窗口使澳大利亚联邦科学与工业研究组织的天文学家班尼斯特和他的同事可以深入观测银河系，并且直接测量地球与这次爆发之间的空间中所存在的电子的数量。2014年5月1日，他们在《皇家天文学会月刊》上发表了他们的研究成果，这次爆发最有可能起源于银河系之内。如果他们的结果是正确的，那么基恩发现的这次爆发事件可能来自一个不稳定的脉冲星或者一个湮灭的黑洞。这也意味着FRB包含两种截然不同但是却类似的现象：一种来自我们银河系，一种来自更遥远的地方。

随着时间FRB信号频率上的变化

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA/CXC/ASU/J. Hester et al

在图中，“洛里默爆发”就像口哨一样：高频信号先到达，低频信号紧随其后。（插图显示了光爆发的短暂，只持续了几毫秒。）

这里或者那里

还有，这些爆发可能根本就不是来自太空。

在第一次FRB事件被发现后，加州理工学院的天体物理学家萨拉·伯克-斯珀劳尔和她的同事对帕克斯射电望远镜的旧数据进行了挖掘。他们发现了另外16次爆发。这些爆发与其他FRB事件很相似，但是有一个关键的不同：从它们击中望远镜的方式来看，它们似乎起源于地球大气之内。另一个团队最近在位于苏黎世附近的布雷恩射电天文台也看到了5次类似的爆发。在这两种情况中，这些爆发通常都是在早晨晚些时候到达的，意味着这些本地的射电信号似乎与地球每日的节奏有联系。这样的爆发比FRB更多，它们的起源使科学家感到困惑。

伯克-斯珀劳尔将这些大气层内的爆发命名为佩里顿，即神话中一种有翅膀的麋鹿。它所投射出的影子是个人形，但是看起来却像其他的东西。佩里顿使一些天文学家对FRB犹豫不决。同样也来自加州理工学院的史瑞·库卡尼怀疑FRB是否只是位于更高的大气层中的佩里顿。他说，发生在帕克斯射电望远镜上空约20千米之外的FRB事件可能看起来就像是来自另一个星系一样。

劳拉·斯比特勒最近的发现可能会有所帮助。他来自马克斯普朗克射电天文学研究所，在阿雷西博射电望远镜2012年的数据中，他发现了第七个FRB事件。2014年8月1日，他将这一发现发表在《天体物理学》杂志上。直径305米的阿雷西博射电望远镜是目前世界上正在运行的最大的射电望远镜。基于阿雷西博巨大的规模，库尔卡尼认为这次爆发肯定至少来自400千米之外，约为国际空间站的高度且在地球大气层的大部分之外。

斯比特勒发现的这次爆发也将人们对于在帕克斯望远镜的旧数据中找到的FRB事件的担心冲走了。但是它不能解决关于它们是否来自银河系的问题。与基恩发现的那次爆发一样，斯比特勒发现的信号也位于银河系的银面。伯克-斯珀劳尔说：“我认为我们目前在观察三种不同类型的爆发：来自地球大气层内的爆发，来自银河系内的爆发，以及来自其他星系的爆发。”

熟悉的领域

天文学家之前已经走过这条路了。为了探索FRB真正的本质，科学家只需要看看他们是如何解决伽马射线暴之谜的。

20世纪60年代，美国空军发射了一系列的卫星来仔细观察由非法核武器测试生成的伽马射线，即高能且高频的光。这些卫星记录了16个伽马射线信号，但是没有一个是来自地球的，当时没有人知道它们是什么。将近三十年后，美国航天局发射了康普顿伽马射线天文台来寻找更多的伽马射线信号。在这次任务中，康普顿记录了约2700次来自天空中各个方向的爆发。即使这样，天文学家仍然不确定产生这些爆发的是什么或者这些光走了多远的距离。

最终，在1997年，意大利和荷兰合作研制的BeppoSAX卫星探测到一次伽马射线的爆发，而且在几个小时后，还捕捉到一次相应的X射线闪耀。几天之内，地面望远镜也看到了一个逐渐衰退的可见光信号，它似乎来自一个星系的顶端。天文学家快速测量了这个可见光的光谱，他们用其来计算这次爆发到地球的距离：至少90亿光年。

天文学家现在知道至少有两个伽马暴的来源：大质量恒星的爆发以及其他星系中中子星之间的碰撞。破解这个谜团的关键是进行实时检测并且快速用望远镜在其他频率上跟踪，这可以让研究人员确定爆发起源于哪个星系。同样的方法应该也适用于FRB，班尼斯特说：快速且准确地确定一个爆发的位置，“然后调用尽可能多的望远镜去观测它，看看你可以找到什么。”

做好准备

现在，FRB在天空中的位置是很模糊的。帕克斯望远镜观测到的那些爆发可能来自成千上万的星系中的一个。虽然它缺乏精度，但是帕克斯在大小上做了弥补。这是一架大型望远镜，直径64米。它可以收集很多光，探测到较暗弱的爆发。而且它具有13个接收器，每个接收器都观测着不同的天空区域，所以它可以投掷出一个相对较宽的网。

基恩使用帕克斯望远镜进行了一个叫作SUPERB的项目。SUPERB（the SUrvey for Pulsars and Extragalactic Radio Bursts）项目即脉冲星和银河系外无线电爆发巡天项目。（“你必须要有一个吸引人的首字母缩略词。”他说）SUPERB项目是效仿BeppoSAX曾经对伽马射线暴进行的那些工作，对FRB进行观测研究：当发现一次爆发时迅速向其他天文台发出警报。感谢伽马射线研究团队，这样的基础设施已经存在了。当SUPERB看到一个可能的FRB的时候，它会向其他望远镜发送警报，然后这些望远镜将改变自己的观测方向，搜寻这个爆发逐渐衰退的余晖。

其中一个望远镜是莫龙洛天文台综合口径望远镜，一个位于澳大利亚的一英里长的射电阵。斯文本科技大学的马修·贝尔斯正在审查一项用现代的电子仪器对47年前的设备进行整修及更新的项目，其中包括建立一条直接与帕克斯望远镜连接的光纤线路的任务。当SUPERB看到一个爆发时，它将会立即向莫龙洛天文台发送一个虚拟的警告信息。

贝尔斯说，相隔数百千米的两个天文台对同一个爆发事件进行观测将会是对FRB深空起源的一次引人注目的确认。它不仅会有两个目击者，而且两个望远镜共同运行还可以对一个位置作三角测量，这比一个望远镜定位精确得多。同时，他也希望能赌赢他的同事库尔卡尼。库尔卡尼认为快速无线电爆发不是真实的。贝尔斯说：“能赌赢他，将会非常有意思。”

其他射电望远镜也希望参与这个项目。加州大学伯克利分校的天体物理学家凯西·劳正在用甚大阵寻找FRB。甚大阵由27个射电望远镜组成，所有天线组合成的最长基线可达36千米。它于1981年在美国新墨西哥州建成，横跨圣奥古斯丁平原。通过精确记录射电信号到达27个射电望远镜的时间，天文学家可以准确确定远至可见宇宙尺度一半的一个单独的星系中发生的快速无线电爆发事件。另一个团队则正在用甚长基线阵来寻找。甚长基线阵采用了甚大阵的理念，并将其延伸为10个分散于夏威夷至维尔京群岛的射电望远镜。这些望远镜组合而成的天线的长度超过了地球半径。鉴于甚大阵可以将FRB的起源缩小到一个特定的星系，甚长基线阵可能可以看到爆发是来自这个星系内的哪个地方。

尽管天文学家预测每天发生的FRB事件高达10 000次，但是甚大阵和甚长基线阵的团队并未期待会发现很多次爆发事件——最多一两个。例如，甚长基线阵在一个时间只能观测天空中一块满月大小的区域，它需要观测很多次才能覆盖整个天空。但是天文学家只需要观测到一次快速无线电爆发事件，以确认爆发是否会来自另一个星系。

如果存在更多的FRB，那么射电天文学家将会找到它们。其他许多位于美国、澳大利亚及其他地方的天文台正在准备尽可能快地捕捉到它们。阿雷西博射电望远镜和西弗吉尼亚的绿岸射电望远镜都在建设新的设备，包括用于数字计算的高端视频游戏微处理器。这样它们就可以进行自己的搜索了。而且像位于西澳大利亚的默奇森河宽场阵这样的新设备正在在非常低的频率上对大片天空进行搜寻。每个望远镜都有各自的优缺点。一些可以看到更多的天空，但是却只能看到最亮的爆发事件。其他的则非常精确，但是却只能看到一片狭窄的区域，需要花费很长时间才能找到一个。

“对每个人来说，这就像游乐场的过山车，”伯克-斯珀劳尔说，“激情，好奇，同时也会沮丧。”解决这一困惑的唯一途径就是观测，而且整个团队正在壮大。“无论我走到哪里，”基恩说，“人们都在说，‘嗨，我有一台望远镜，我想要帮忙。’”

如果目前的估计是正确的，那么每隔10秒天空中某个地方就会发生一次快速无线电爆发事件。因为我们现在有工具来观测它们了，所以我们刚刚才意识到这一点。“它就像是正在我们头顶上演奏着的不可思议的交响乐，”洛里默说，“只是现在我们还不能完全将其弄明白。”他停顿了一下。“但是我们终将会弄明白。”

可能的源

脉冲星　随着时间推移，快速自旋的死亡恒星的核所发出的稳定射电脉冲可能变得不稳定了。但是FRB比已知的脉冲星大得多。

黑洞　随着它缓慢泄露能量，黑洞最终可能会以射电波爆发的形式消失。但是对于一个FRB来说可能太暗淡了。

磁星　高磁性的中子星偶尔会在所有频率上释放被压抑的能量。它们的能量刚好与FRB差不多。

Blitzars　随着一颗自旋的过重中子星减缓速度，它可能会发生内爆，释放射电波爆发。但是它可能太罕见了，不能产生科学家预测的如FRB那样多的数量。

中子星　两颗盘旋在一起的中子星可能刚好在它们合并之前短暂释放出了射电波，虽然不是很频繁。

超新星　一颗爆炸恒星的激波如果与一颗环绕着它的中子星的磁场缠结的话，那么可能会爆发射电波。

燃烧的恒星　一些恒星会喷出简短的射电能量爆发。但是射电波可能不能避开这些恒星周围的致密的等离子体。

外星生命　不太可能。比起被外星生命制造的，这些信号看起来更像是自然现象。

“现在关于FRB起源的理论至少是已发现的FRB事件的两倍。”

——邓肯·洛里默

“关于它们是否真实存在，以及它们是本地的还是来自深空，存在很大争议。”

——基思·班尼斯特

探测到来自远方的射电脉冲

信号可以帮助科学家们计算宇宙的质量。

杰茜卡·舒加特

虽然这些射电信号需要花数十亿年才从宇宙深处传到地球，但是最近所探测到的四个射电信号都在到达地球之后的几毫秒就消失了。这些转瞬即逝的射电信号是有史以来第二次对来自银河系外爆发的射电信号检测，它可能帮助科学家认识宇宙中大量未探测的星系之间的区域。

这些射电信号是由来自澳大利亚帕克斯射电望远镜的一个国际天文学家团队捕捉到的。这个强大的射电脉冲是来自离我们约50到110亿光年远的爆发。这个研究报告发表于2013年7月5日出版的《科学》杂志上。英国曼彻斯特大学的本杰明·史塔伯斯（Benjamin Stappers）说，“尽管这些信号的来源还未知，但是很明显它们是来自于能量极高的事件，可能是爆炸。”

一次性的射电脉冲检测起来会十分困难，因为当前的天文望远镜仅能探测来自一小部分天空中的射线。同时，现有的检测设备无法达到超快的解析度以探测出短暂的爆发。这四个新的射电信号的探测再次确认了七年前的邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）和他的研究团队所探测到的另一个银河系外星系爆发信号。洛里默来自西弗吉尼亚大学（梅根敦），他说我们当时仅探测到一次爆发信号，所有我们一直认为这有可能是来自于某种奇怪的人工的伪信号。

现在洛里默确认了这个河外星系爆发的射电信号是一个真正的信号。史塔伯斯的研究团队估计每天有一万个爆发。射电波爆发被星际间漂浮的电子所散射，所以史塔伯斯展望可以将这些射电波作为测量星系间电子质量的工具。

宇宙中一次神秘的爆发

伽马射线过剩现象可能来自碰撞或者并合过程。

纳迪亚·德雷克

2010年12月25日出现在天空中的异常明亮并且持续时间很长的伽马射线暴是一个神秘的圣诞节礼物。对于它的出现，科学家一直都没有一个很好的解释。

这个复杂的爆发是由美国国家航空与航天局的斯威夫特（Swift）卫星观测到的。科学家试图找到背后的罪魁祸首。一年后，他们得到两个完全不同的结果，并且于2011年12月1日都发表在《自然》杂志上。一种理论涉及一个小的天体，比如小行星或者彗星。它在经过一颗中子星的时候由于太靠近而产生了强烈的伽马射线暴。另一种理论则认为，一次恒星并合事件以及随后产生的暗弱的超新星爆发，造成了这个神秘的“圣诞节礼物”。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Aurore Simonnet，NASA，Sonoma State Univ.

一颗与其伴星并合的中子星触发了2010年看到的那次不寻常的伽马射线爆发。

西班牙安达卢西亚天体物理研究所的天文学家克里斯蒂娜·索恩说，她和她的同事考虑了“各种怪异的理论”，最终确定了恒星合并方案。在这种情况下，一颗中子星慢慢向着一颗大质量氦星盘旋，最终与其碰撞，产生灾难性的伽马射线暴。大约10天之后，在那会形成一个暗弱的超新星，这可以解释“圣诞节”伽马射线暴逐渐变暗的过程中所发生的异常现象。

第二个理论同样也需要一些创造性思维。意大利布雷拉天文台的天体物理学家塞尔吉奥·坎帕纳与他的团队认为，如果一个质量为矮行星谷神星质量一半的天体被中子星撕裂，那么它将会产生足够多的碎片，可以引发一个持续时间很长的伽马射线暴。

当然，这个爆发也可能是一个更加奇异的事件的产物，加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家恩里科·拉米雷斯-鲁伊斯如是说。“我认为这个天体是足够独特的。它肯定是某种我们还没有想到的东西。”

星系的伽马射线光晕暴露了暗物质

安德鲁·格兰特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：T. Linden/Univ. of Chicago

发表于2014年4月6日的一个分析报告中称，在银河系中心发现的一个意想不到的伽马射线亮晕可能是自杀型暗物质的“签名”。

暗物质主导了星系的质量，包括我们自己的星系，但是它的组成依然是一个谜。许多理论家认为，暗物质以离子的形成彼此湮灭，并且在彼此碰撞时释放出能量。如果情况确实是这样的话，那么星系应该会释放出大量高能伽马辐射，特别是在星系中心，暗物质密度最大的地方。

这就是费米实验室的天文学家丹·胡珀领导的一个团队在美国航天局费米伽马射线太空望远镜的数据中发现的现象。在减去已知的伽马射线源（快速旋转的中子星即脉冲星等）之后，研究团队在星系中央看到一个明亮的辐射区，而且这个辐射区一直向外延伸到至少5000光年处。

胡珀的团队并没有声称发现了暗物质：未确认的脉冲星和其他天体也可能产生了伽马射线。但是该研究为人类探索暗物质的奥秘提供了一条稀有的线索。

追踪宇宙能量

一百年后，高能空间粒子仍是费解之谜。

纳迪亚·德雷克

1912年8月7日，维克托·赫斯将要解决一个谜团。

这位奥地利物理学家登上一个燃烧着的充满氦气的热气球。它带着三个验电器，即缠绕有金属镀锡线的附着黄铜的小仪器，当验电器接触到带电粒子时金属镀锡线会分开。在当时，大气中不可见的离子已经是个存在很久的难题，第一次被探测到是在1785年。

早晨6点，他的气球从奥西希的波希米亚小镇升空，急飞至5300米的高空中。六个小时之后气球降落于柏林附近。

赫斯一路上的发现在后来为他赢得了诺贝尔奖。根据他的验电器所记录的数据，海拔4500米处的带电粒子比地面上多三倍，证明了这些粒子来自于天空。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA

之前在地下、水下、埃菲尔铁塔顶上进行的验电器实验并没有什么确定的结果。有人认为带电粒子来自于大地而不是由上空落下。但是赫斯发现，随着海拔高度的增加，探测到的粒子增多。这种结果证明粒子并不是地球内部产生的。“目前对观测结果的最好解释是假设一个来自上空的强穿透本领的辐射进入我们的大气层。”赫斯在德国的《物理》杂志上总结说。

自赫斯热气球实验后的100年里，科学家继续研究这些带电粒子。在20世纪20年代，它们才作为宇宙射线被大家认识。它们其实是亚原子粒子，被从远方扔向地球的空间旅行者。其中一些来自银河系内部；另外一些以巨大能量猛烈撞击地球的粒子来自于银河系以外。大约百分之九十的宇宙线以高能质子的形式到达地球。百分之一可能是电子。其余的是比较重的原子核，如氦或铁。

但是这些是科学家确切知道的所有信息。

哄骗宇宙射线来分享它们的故事并不容易。除了太阳爆发过程中产生的一些低能量粒子外，宇宙射线出奇的神秘。它们大多数采取迂回路径到达地球，擦除了任何回家路线的踪迹。最神秘的是超高能量宇宙射线。它非常稀有，并且仍然困惑着科学家。“产生这些宇宙射线的一定是最大的大炮或最长的枪。”夏威夷大学马诺阿分校的天体粒子物理学家彼得·戈勒姆说。

为了努力寻找准确的宇宙射线来源，科学家在海底或外太空建立了强大的探测器。但仍然没有人知道是什么天体物理加速器将这些高能的旅客投进空间。

“现在有点悲哀的是，自赫斯著名的热气球飞行实验后的一百年中，我们仍然不知道这些宇宙射线来自哪儿。”英国利兹大学的物理学家艾伦·沃森说。

但是宇宙探测正在努力前行。最近的工作已经逐渐证明银河系内的超新星加速了宇宙射线。虽然宇宙引擎仍不清楚，但对于来自更远处的超高能宇宙射线的化学成分，科学家也有了新线索。借用过去的冒险行为，过去的十年中许多气球运载的实验都已经放在寒冷的南极冰盖——一个天然通用的实验室，它的反射率可能有助于揭开幕后的匿名加速器。

“科学家最终喜欢上了这个谜题，”圣路易斯华盛顿大学的天体物理学家詹姆斯·巴克利说，“如果你想继续建造更新更大的仪器，这是一个好东西。这并不像科学是失败的。”

附近区域的发现

来自银河系内的宇宙射线比更高能的宇宙射线更好理解。每分钟大约有10个粒子穿过一个人的大拇指，这在银河系是很普遍的现象。在地球大气层之外，会有五十倍之多的粒子撞击大拇指，这就是为什么长时间的太空飞行是个冒险提议的一个原因。

银河系宇宙射线具有高达1018电子伏特的能量，是设在日内瓦的欧洲核子研究中心实验室的大型强子对撞机中质子碰撞所产生能量的数万倍。然而，这些射线大多数是较低能量的——在1亿～100亿电子伏特之间。因为它们带电，所以能量在这个范围的射线会被磁场反弹。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家贾斯珀·柯比说：“一个粒子穿过银河系来到地球的过程基本上是一个醉态的行走，最终到达的方向与它来自于哪里绝对没有关系。”

这使得寻找传送这些粒子的加速器的努力变得复杂化。但是科学家认为他们至少找到了一个加速源：超新星。

“这是一个完美的解释，”美国威斯康星麦迪逊大学的物理学家弗朗西斯·赫尔任说，“唯一的问题是，没有证据证明。”

入射粒子和遥远的恒星爆炸之间还没有看到明确的观测上的联系，但是这个提案确实符合天体物理学的理念。宇宙射线可以很容易从一个包含超新星和巨星的湍流加速器中生成，这种混沌的宇宙环境不仅可以产生粒子，而且还会捕获它们，向周围发射，并最终将它们踢出来。

这样的地方被称为超级气泡，美国航空局的费米伽马射线空间望远镜最近在观测上暗指超级气泡为银河宇宙射线的加速器。

搜寻一种高能形式的电磁辐射即伽马射线的望远镜，是一个很有用的猎犬。因为当宇宙射线与星际介质相互作用时会产生伽马射线。伽马射线不带电。“它们会指向发射源。”华盛顿大学圣路易斯分校的天体物理学家罗伯特·宾斯说。

可疑环境中成群的伽马射线可能指向宇宙射线的一个起源地。当费米望远镜观测天鹅座超级气泡时，它看到了这样成群的伽马射线。天鹅座超级气泡是一个距离银河系4500光年远的庞大的恒星形成区。

伽马射线成像分布与由星风形成的气泡结块和空腔的形状相匹配。2011年年底《科学》杂志上刊登的科学家的最新报告显示，耗尽了的超新星和突发的年轻恒星相结合，再加上伽马射线匹配，为该区域作为宇宙加速器提供了最好的证据。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：E. Feliciano

粒子雨　宇宙射线与大气中的粒子碰撞，产生了大量其他粒子，并且沿着各个方向运动。分布在各地的探测器阵列收集这些粒子来重建一个宇宙射线信号。

银河系宇宙射线中的较重元素也存在于超级气泡中，这也可以作为一个证据。像铁、镍和氖等不同元素的比例像指纹一样可以确定宇宙射线的起源。“宇宙射线中大约百分之二十的物质是我所说的超级气泡物质，”宾斯说，“另外百分之八十最有可能是普通星际物质，但是不管怎样，它们中的很多物质可能被这些大质量恒星加速了。”

宾斯正在用一些探测器来阅读这些比例所讲述的故事，其中包括一个名为TIGER的探测器，它随着一个气球飞上了南极表面上空30 000多米的位置。

遥远的故乡

但是，不论处于超级气泡中还是单独存在的一个超新星，都不会解答这个难解之谜：创造出宇宙射线的巨大的天体物理加速器是什么？因为宇宙射线的能量非常高，所以它肯定来自于银河系之外。

赫斯证明宇宙射线来自于上空后的半个世纪，科学家接收到了一个不速之客——一个能量为1020电子伏特的粒子，该能量是大型强子对撞机所产生能量的数百万倍。1962年，这个粒子猛烈撞击位于新墨西哥州火山牧场的探测器阵列。没有多长时间更多神秘的粒子到达，而且1991年，具有比火山牧场的粒子能量高三倍以上能量的宇宙射线撞击犹他大学的复眼探测器。它被称为“上帝粒子”。这样高能量的亚原子粒子以前从未被探测到过。这引出了一个新的谜题——超高能宇宙射线。科学家仍在寻找元凶。

“在科学上已经没有多少长达50年的谜题像这么一样难以破解，而且还没有一个非常真实可靠的线索。”戈勒姆说。

好消息是，与它们较低能量的银河系表亲不同，这些超高能射线在途中不会发生偏转，所以它们直接指向它们的故乡。坏消息是这种射线非常罕见，科学家还没有很好地观察过它们。

早期的估计表明，一个这样的粒子落在一平方千米区域内的机会一个世纪只有一次。较新的估计表明频率大约为每千年三个粒子。

为了研究这些稀有粒子，科学家需要巨大的探测器。当前，皮埃尔俄歇天文台拥有名为最大阵列的探测器，占地3000多平方千米。它包含1600个探测箱，每个容器容纳有12吨水。粒子捕获阵列位于阿根廷沙漠，坐落在山的附近。

“这是一个美丽的地方，正对安第斯山脉，每平方千米都可以看到一到十头奶牛。”沃森说。他与1992年诺贝尔物理学奖得主詹姆斯·克罗宁共同提议建立了这个天文台。

当宇宙粒子与大气中的原子（通常是氮原子核）发生碰撞时，它们会断裂成很多较小的粒子，产生大气簇射。这些簇射覆盖区域广至30平方千米，这就是为什么天文台占据了一片与罗德岛差不多大小的区域。当粒子撞击水时，它们产生了一点点光，被里边的探测器探测到。一些能量也可以以紫外线这种昏暗的小型极光的形式被额外的24个荧光望远镜阵列探测到。

曾经，似乎找到过一种超高能引擎。2007年，俄歇团队在《科学》杂志上指出，入射粒子与活动星系核之间存在联系，活动星系核即遥远星系的超大质量黑洞能源中心。大约30个粒子整齐排列在作为加速器候选体之一的银河系核心。“我认为很可能是活跃星系，”戈勒姆说，“一个巨大的黑洞在打喷嚏。”。

但是随着数据越来越多，这个联系消失了，难倒了科学家。然后更加神秘了。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Pierre Auger Observatory

来自俄歇的新数据表明，超高能射线主要不是质子，反而是较重的原子核，如铁。这几乎是情理之中的：较重粒子携带更多的电荷，更容易被加速到更快的速度。发表于2010年的《物理评论快报》上的文章指出，目前尚不清楚这一发现与当前高能粒子物理理论的相符情况。“这是最令人意外的结果，”沃森说，“我们看到了1018电子伏特的质子，但较高能量的射线则更像类似铁的粒子。”

虽然令人费解，但这可能符合最近另外一个令人费解的结果。

研究人员在2012年4月发行的《自然》杂志上报告称他们位于南极实验室的冰立方探测器没有识别出来自伽马射线爆的超高能宇宙射线的任何迹象，伽马射线爆是另外一个超级无敌加速器。冰立方探测器被埋在南极冰下面，填充了1立方千米的空间。像俄歇的水探测箱一样，这个探测器寻找已知的切伦科夫辐射，即粒子与水（或冰）相互作用产生的闪光。

但与俄歇不同，冰立方不直接寻找宇宙射线。它的关注点反而是中微子：由一些穿越空间的最高能量的宇宙射线产生的不稳定的粒子。中微子，像伽马射线一样，沿直线运动且指向它们的来源地。

“问题在于宇宙射线没有为我们提供关于宇宙射线在哪里被加速的答案。”赫尔任说，“所以你尝试下一件事，构建一个1立方千米的中微子探测器是一种不顾一切的行为。”

经过两年的观测，以及300多次伽马射线爆发，该团队没有看到任何中微子。假设目前的天体物理学理论是正确的，那么这个令人沮丧的结果让我们对伽马射线暴与超高能宇宙射线之间的关系产生了质疑。

然而，沃森说如果伽马射线暴意外地吐出了较重的粒子，那么俄歇和冰立方的结果将一致。较重的原子核，像铁，表现出不同于质子的行为，并产生较少的中微子，这就可以解释为什么冰立方没有看到伽马射线暴与中微子之间的关系了。“但我们解开这个谜题还有一段很长的路要走。”沃森说。

很快，第二大中微子探测阵列将加入南极的冰立方，它被称为天坛阵列。该射电天线阵正在建造，用来探测当银河系外超高能宇宙射线加速到与大爆炸遗留下的热辐射相互作用时产生的中微子。

用射电波代替光探测中微子是有其优点的，赫尔任说。入射粒子的路径更长，而且冰对射电爆比对光更透明。科学家目前正在构建阵列，将有37个探测器埋在冰层下面200米处，占地200平方千米。戈勒姆说：“因为冰极端透明，所以这真有点像是被连接起来的小岛。”

回到气球

在过去的十年中，由于固有的冰反射镜和季节风，南极一直是研究宇宙射线的团队的汇聚点。一些探测器被埋在冰下面，其他的则在气球中。气球由大约十一月出现的极地涡旋驱使，腾空至大气层，远离极地。被这些风驱动，气球绕着冰冷的南极飞行，可以轻松持续几周的时间，远超赫斯的六个小时。

“这真的很有趣，自从赫斯的飞行后，气球成为宇宙射线研究的支柱。”路易斯安那州立大学的天体物理学家约翰·韦弗说，“直到今天，我们仍在使用它们。”

除了更长的飞行时间，今天的气球也可以比赫斯的氢气球飞得更高，到达高于地球三万米以上。它们大得多，往往一个美式足球场都可以被放进去。宾斯的TIGER实验和一个提议的后续行动就是两个基于气球的南极实验。ANITA是另一个。这个实验探测高能粒子裂成碎片时导致的射电脉冲产生的射电波。“然后那个射电脉冲被南极的冰反射，”宾斯说，“我们的实验在天空中完成，用一个射电天线阵进行俯瞰。”

过去的八年里，另一个名为ATIC的气球实验发现高能电子也许是一种被低估的银河系宇宙射线，因为它们对于总入射粒子数有相对较低的贡献。

但ATIC发现了奇怪的事情：3000亿到6500亿电子伏特的电子太过频繁的撞击探测器，这难以被传统的天体物理学解释。210个捕获的粒子暗示了附近一些潜伏的东西肯定把它们推向了地球。后来，ATIC-4，一个后续的实验，证实了最初的异常。

关于这个实验的第一篇文章掀起了猜想的热潮，其中包括暗物质源的可能性。但韦弗提供了另一个猜想：“在标准天体物理学中最可信的解释似乎是脉冲星。”他说。他的回答不是那么简单的。脉冲星是快速旋转的中子星，它或许可以加速粒子，粒子很难逃走。“我们如何使粒子出来，让它们可以开始四处漂浮呢？”他说。

解决这个问题和更大的宇宙射线谜题的线索正在逐渐从探测工作中获得，包括在地球上最冷的地方、沙漠平原和轨道航天器收集的数据。但问题仍然围绕着这两类宇宙射线。科学家并不是在抱怨。“这是一场我们享受其中的麻烦。”戈勒姆说。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Cygnus：IPAC and MSX/NASA；Centaurus A：X-ray：NASA，CXC，R. Kraft et al/CFA，Radio：NSF，VLA，M. Hardcastle et al/U. Hertfordshire，Optical：ESO，M. Rejkuba et al/Garching

来自银河系天鹅座超级气泡（左图）的伽马射线信号表明恒星形成区可能是一个宇宙射线源。高能宇宙射线可能来自活动星系核，就像在星系半人马座A（右图）中发现的那样。

最终的答案可能会来自于比今天的设备更大的宇宙射线探测器。“俄歇太小了。”阿根廷阵列的沃森说。“你走向了你职业生涯的重点，你意识到你制作的太小了，这是最令人沮丧的事情。”

承诺建造一个更大的探测器，发送更多的小玩意到太空，甚至有一天在月球背面装配一个天文台，这是科学家希望将会推动对这些最难处理的天体物理学现象的了解的策略。

是什么原因呢？“在我们找到来源之前，我们不知道我们将要学习什么。”赫尔任说。“极有可能是我们学习的天体物理学太极端了，以至于我们在任何地方都没有看到过。”

戈勒姆解释了正在进行的搜寻背后的动机。“如果你知道在你的街区附近有人拥有最大、最强大的立体声系统，你可以偶尔听到它，难道你不想知道更多关于它是什么，以及谁住在那里的问题吗？”他说。“也许它是某个著名的摇滚乐队。”

宇宙射线工厂

安德鲁·格兰特

两个超新星的残余物给出了有力证据来证明在超新星爆炸时散发了大量的快速穿过星系的高能质子。

这些高速的质子被我们称之为宇宙射线。这些加速质子的能量要比任何地面上的粒子加速器的能量要高得多。斯坦福大学的天体物理学家斯特凡·芬克和他的同事们用了4年的时间去探测天鹰座中离我们约9500光年的一个超新星遗迹W44（如图），以及另外一个位于双子座中离我们大约5000光年距离的超新星遗迹IC443。这些都是使用美国航天局（NASA）的费米伽马射线太空望远镜来观测的。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：HOBYS/Herschel，XMM-Newton，ESA

这个望远镜捕获到了一束稳定的伽马辐射流，它的能量应来自宇宙射线猛烈撞击到低速运动的星际物质时产生的核反应。这一研究发表在2013年2月15日出版的《科学》杂志上。

宇宙射线暗示了暗物质的存在

基于空间站的设备证实了过去的实验。

安德鲁·格兰特

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：NASA

阿尔法磁谱仪位于国际空间站上。来自这个探测器的新结果证实了之前关于暗物质身份的观测。

国际空间站上的一个花费20亿美金的实验公布了他们的第一批数据。这个实验数据是首次对掠过地球的带电亚原子粒子的统计。尽管统计的结果大致上证实了以前的观测，但是研究者仍希望这些结果还能显示出暗物质的特征（暗物质即宇宙中看不见的物质形式，并且在宇宙中暗物质与普通物质的比例要超过5：1）。科学家于2013年4月3日，在位于日内瓦市外的欧洲核子研究中心（CERN）的物理实验室中举行的一次研讨会上公布了新的数据。

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer）是最新的并且也是最有雄心的一次尝试，希望通过对宇宙射线（宇宙射线即漫游穿过宇宙空间的带电亚原子）揭开暗物质的特征。理论物理学家指出暗物质可能存在可以相互撞击并消除彼此的奇异粒子，并产生可探测的宇宙射线，例如像电子和它们的反物质伴侣正电子。这种粒子的丰度，特别是奇异的正电子，就可能是暗物质的特征符号。

阿尔法磁谱仪（AMS）的第一批结果公布在2013年4月3日出版的《物理评论快报》上。它在一年半的时间里探测到了250亿颗粒子，其中包括680万个可能来自于暗物质的电子和正电子。阿尔法磁谱仪（AMS）提高了早期数据的精确性；和以前的设备相比，探测粒子处于更高能级；并且还发现粒子在各个方向上数量相当。

密西根大学的理论天体物理学家凯瑟琳·弗里兹说，没有任何数据可以给出正电子的来源。她继续解释说，因为带电粒子在穿过磁场时它的运动轨道会改变，所以我们就很难确定这些带电粒子的来源。她笃定认为脉冲星（即快速旋转的中子星）能产生正电子并且脉冲星会用极强的磁场将正电子投掷并穿越到星系中去。“过不了多久这些疑问都将会被解决。”弗里兹说。

物理学家第一次窥探到宇宙射线是在20世纪90年代中期，由于暗物质的湮灭所导致的。高能反物质望远镜（High Energy Antimatter Telescope，即一个宇宙射线探测器系在一个高空中的气球上）意外发现了大量正电子。这一发现似乎与之前提到的，暗物质的湮灭会产生这些带电粒子这一说法相吻合。在过去的五年里，两个空间探测器PAMELA和费米伽马射线空间望远镜已经找到更具决定性的过剩正电子的证据。

但是探测器观察到的细节与理论家的预测吻合得不好。除了电子与正电子以外，暗物质的湮灭应该产生其他信号标志，例如额外的反质子、伽马射线、射电波。但是这样的信号标志，探测器一个都没找到。

研究者希望有着最好条件的AMS能够终结这个争论。阿尔法磁谱仪（AMS）位于国际空间站上，这就意味着阿尔法磁谱仪（AMS）可以对地球的大气层尚未过滤过的整个宇宙射线谱进行采样。阿尔法磁谱仪（AMS）同时运转着一个强磁铁和许多精密的传感器，可以让研究者能够轻松分辨出行为相似的不同粒子，比如质子和正电子。

诺贝尔物理学奖获得者，来自麻省理工学院（MIT）的阿尔法磁谱仪（AMS）实验的负责人丁肇中（Samuel Ting），对于项目关于能找到正电子源头的前景表示非常的乐观。“我想我们一定能够解决这个问题。”他说道。其中一个线索来自于对阿尔法磁谱仪（AMS）第一次探测到的大量高能级的正电子的研究。在一张显示各个能级的正电子的分布图中，我们可以看到随着正电子能级变高，正电子的数量也在增加。但是在最新的阿尔法磁谱仪（AMS）数据中显示，在某一特定的点上，增加开始减少。

丁肇中说，如果在某一个高能级状态的正电子数突然暴跌，这里很可能正是暗物质源。他说，阿尔法磁谱仪（AMS）至少要花费几个月的时间去探测足够多的这种高能级粒子才能得出最终明确的结论。

暗物质，你在哪？

新研究发现太阳系附近缺乏不可见物质。

纳迪亚·德雷克

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：L. Calcada/ESO

科学家相信银河系嵌入在一个巨大的暗物质晕中，图中显示为一片模糊的蓝云。但是一项新研究没有在太阳附近找到暗物质。

科学家利用地面实验探测暗物质粒子，但是却一无所获。现在可能知道其中的原因了：可能在太阳附近根本就不存在暗物质，至少在13 000光年的距离内是不存在的。这项研究报告发表在《天体物理学杂志》上。

虽然暗物质，这个不同于普通可见物质的神秘物质，根据推测占据了宇宙总物质的80％以上，但是新的研究却表明太阳系中缺乏暗物质。这是一个需要解决的问题，因为大多数天文学家认为银河系是嵌在一个巨大的暗物质晕中的。

如果这个结论正确的话，那么科学家将不得不重新考虑这个暗物质晕是什么样的形状，虽然这不太可能会引起任何重大的宇宙剧变。

“这并不意味着暗物质是不存在的，”该研究的合作者克里斯蒂安·莫尼·比丁说，“这个结果只是说明在我们预期的地方并不存在暗物质。”

暗物质可以解释很多东西，包括银河系自转曲线。根据可见物质质量推算出的银河系外层的自转速度远小于实际测量到的速度。科学家推断，那些不可见的物质可能以奇异的亚原子粒子的形式存在，充斥在整个银河系中，并且施以引力，因此外层自转才可能如此快速。

因为暗物质是不可见的，所以科学家无法直接观测到它。相反地，他们通过寻找一些恒星、气体或者来自遥远星系的光等可见物质的引力效应来推断暗物质的存在。例如，智利的一个团队通过搜寻恒星在天空中的运动路径的变化，间接证明在其附近存在大量的暗物质。

几年前，天文学家研究了远高于太阳系附近银面的大约400颗红巨星的运动。他们计算出了解释红巨星的运动所需的物质的总质量。然而得到的总质量与可见物质的质量是相当的。

因此，太阳系附近没有暗物质。

这是一次具有挑战性的测量，但是也有可能某个步骤出了差错，澳大利亚的天文学家克里斯·弗林说，他是这项研究报告的审稿人。当弗林将这个团队的方法应用到一个模拟的、已知暗物质和恒星质量的星系上时，他却未能发现模拟的暗物质。他说：“我敢打赌，在测量或者分析的过程中，肯定某个地方出了差错。我可以向大家说明这个方法存在某种问题，但是还不知道问题究竟出在哪里。”

莫尼·比丁认为未来对数百万颗恒星的观测应该可以帮助我们获知正在发生着什么。现在，他很犹豫要不要根据这些结果来推测更多东西。他指出，科学家试图在地球上捕捉暗物质粒子可能是一场注定失败的战争。如果太阳附近真的是一个荒凉的暗物质“沙漠”，那么这将会对银河系周围暗物质的分布有更广泛的影响。

银河系的暗晕不是球体，而是被拉长的，形状更像是一支雪茄，一个被挤扁的沙滩球或者一个橄榄球。暗晕垂直于银面，这可能符合太阳附近未发现暗物质这一研究结果。“但是模型和理论在解释观测到的这种形状时遇到了很大的困难。”莫尼·比丁说。

天文学家坎亚·查克拉巴蒂指出，描述星系尺度上暗物质分布和演化的理论是不完善的。她认为，也许改进这些理论可以使生成这样一个刺穿银河系中心、类似雪茄形状的晕变得更容易。“我们很了解宇宙的骨架结构，”查克拉巴蒂说，“但是如果你放大到一个星系，试图理解星系演化的内部细节，那我们对很多物理并不是很了解。”

一些科学家已经表明，银河系的晕不是球体，而是更像一个扁平的沙滩球，与这项新的研究结果是一致的。多伦多大学的天文学家戴维·劳通过观察银河系的卫星星系的运动，确定了晕的形状。2010年他公布了测量结果，表明暗物质晕是一个扁平的球体，并且在太阳附近暗物质分布有脱节现象。劳认为新的研究结果与他得到的晕的形状是一致的，但是他也提出新的结果应该更谨慎些。

“我不认为现在就可以确定太阳附近完全不存在暗物质。”劳说，“这可能并不是最好的解释。”

暗物质纤维被照亮

天文学家想象在朦胧的宇宙网络中的一条线。

德温·鲍威尔

一张看不到的被认为跨越了整个宇宙的网现在显露出了它其中的一条线。

这条线是由暗物质和两个巨大的星系团连接构成的。该发现被报道在2012年7月12日出版的《自然》杂志中，它支持星系团在暗物质纤维节点处生长的观念，并且它的重要性支持了这样的纤维隐藏了超过一半的物质的论断。

顾名思义，暗物质很难被探测到，因为它不会发出任何可探测的射线。这种物质的存在通常通过观测它对恒星和星系的引力作用而被推断出来。

但是暗物质的引力还会扭曲时空，并使经过它的光线弯曲，以至于更远的星系会因介于中间的暗物质而变得扭曲变形。

慕尼黑大学天文台的天文学家约尔格·迪特里希和他的同事关注星系团Abell 222/223。它们是一对彼此靠近、进而被相对大质量的纤维连接在一起的星系团。研究人员使用位于夏威夷的昴星团望远镜看到了从遥远星系发出、穿过这两个星系团之间的空间到达地球的光线。

足可认定，被扭曲的星系形状揭示了一条与小星系团质量相当的粗纤维的存在。其中，气体只占到9％左右，暗物质似乎构成了剩余部分。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：J. Dietrich/Univ. Observatory Munich

等高线示踪夜空中连接星系团Abell 222（底部）和Abell 223（顶部）的不可见的暗物质纤维。

虽未参与到该项研究中，英国诺丁汉大学的天文学家梅根·格雷表示：“未来我希望我们能进一步拓展并且看到更多这样的纤维。”

用DNA捕捉暗物质

物理学家针对那些难以捉摸的粒子提出了生物基探测器。

塔尼娅·刘易斯

美国北卡罗来纳州首府罗利的物理学家争相探索名为暗物质的神秘物质，他们跳出固有思维模式，试图在细胞内另辟蹊径。他们提出了一项依赖于DNA链来追踪暗物质粒子的提议。

宇宙中所有普通物质，下到组成人体的原子，上到恒星中的热等离子体，加在一起也只占了宇宙物质和能量总和的5％左右。将近四分之一的宇宙由暗物质构成。（剩余部分为一种更加令人迷惑的、被叫作暗能量的存在。）尽管一些实验声称已经探测到暗物质，但是结果并不统一，也不具有结论性。

2012年10月28日，密歇根大学的理论物理学家凯瑟琳·弗里兹在科学新视野大会上提出：一种新的基于DNA的探测器技术不仅可以甄选出暗物质粒子的主要候选体，还可以确定入射粒子的飞行方向。该提议在2012年早些时候在arXiv.org网站上也出现过。

麻省理工学院和伦敦皇家霍洛威大学的暗物质物理学家乔斯林·门罗说：“将由生物学发展出来的技术应用到基础粒子物理问题上是一个十分机智的方法。”

普遍认为，一个由WIMPs（弱相互作用大质量粒子）构成的暗晕包围着银河系。因为太阳环绕银河系中心运转，所以它应该会遭遇来自天鹅座方向的WIMPs“风”。在地球上的每个地方，随着地球接近或远离WIMPs“风”，以及行星自转周天影响，这股风会周期性地加强和减弱。

弗里兹和他的同事提出的探测器对这些波动很敏感，它是由一摞悬有单股DNA片段的金箔组成的。当一个WIMP拍进金原子的原子核内，原子核将作用于数百条DNA链，切断它所击打的那些，定位精确。

然后科学家将收集和排序DNA序列，通过外推法重建原子核及WIMP的旅行路径。如果探测器发现的日常波动和粒子的路径证明与WIMP风的方向一致，那么这足以作为信号来自暗物质的令人信服的证据。

“这些探测器的优势在于，DNA之间的差异在毫微米级别，”弗里兹说，“因此它有更高的分辨率——约是现有探测器的1000倍。”

该设备也会比现有探测器更小，且成本更低。

但是，该技术还有待证实，乔治梅森大学的生物分子学家乔尔·施努尔表示。“DNA真正的敏感度有多高？”他问，“随着时间的推移，有多少颗粒会降落？而这项技术可以探测到它们吗？”

分裂的星系为暗物质提供了线索

与天体分离，看不见的团块暗示了自相互作用粒子。

安德鲁·格兰特

宇宙中发生的一次碰撞以某种方法将一个星系的暗物质与其本体分离。暗物质是某种神秘的看不见的物质，通常决定了一个星系的质量。碰撞发生后，由于另一团暗物质的影响，该星系的暗物质可能放缓了速度，进而落后于它的宿主星系。如果是这样的话，那么这将会是暗物质与除了引力之外的另一种力之间发生相互作用的第一个证据。

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星系团Abell 3827包含四个正在碰撞的星系（图中黄色斑点）。这几个星系周围蓝白色的光环是一个更遥远的星系所发出的光在星系团中心的附近因星系团中恒星和暗物质的引力而弯曲形成的。

纽约大学的理论物理学家尼尔·韦纳说：“令人激动的是，我们想知道暗物质是否与其自身发生了相互作用。”

这项研究，发表于6月1日出版的《皇家天文学会月报》上，利用星系碰撞的现象来探测暗物质。通过绘制暗物质交互的图像，物理学家希望缩小暗物质候选体名单的范围。

几十年来的研究表明暗物质确实存在，它的引力影响了银河系自转，而且使得来自遥远天体的光线发生偏折。但是由于暗物质不会辐射、吸收或者散射光线，科学家还无法获知它是由什么组成的。一些科学家试图通过观察在自然状态下的暗物质来解决这个谜题，以碰撞的星系和充满着这种看不见的物质的星系团的形式。这些研究人员通过一种新颖的方式已经找到了暗物质与其自身发生相互作用的证据。“如果暗物质会与它自己进行‘对话’的话，那么我们将可以看到它们留在宇宙中的印记。”韦纳说。

英国达勒姆大学的宇宙学家理查德·梅西和他的同事，专注于一个距离我们约13亿光年、位于印第安座的星系团Abell 3827中的一个星系。这个星系正在与其他三个星系发生碰撞，给了我们一个观察暗物质团块快速穿过另一个团块的机会。另外，这个星系正好位于地球和另一个距离我们74亿光年、更远的星系之间。利用智利的甚大望远镜和哈勃太空望远镜的数据，梅西的团队测量了来自较远的那个星系的光线在经过正在发生碰撞的这个星系时发生偏折的程度。这些测量结果使得研究人员可以绘制出处于中间位置的这个星系的质量分布。

绘制出来的图像显示在这个星系中的恒星和它的暗物质之间有一个约5000光年的间隔。这些恒星的总质量约1000亿倍太阳质量，而暗物质的总质量约10倍于这个质量。

很多理论预测，除了引力，作用于暗物质粒子彼此之上的应该还有另一种力。当星系发生碰撞，两个或者几个暗物质团块相遇时，那种力可以以一种摩擦力来源的形式使它自己呈现出来。当星系中的恒星毫不费力地划过彼此时，这种力会使星系中的暗物质落在后面。在假设Abell 3827星系团中的这个星系也是这种情况的前提下，梅西的团队计算了在一个暗物质粒子周围这种假想的力场的最小尺寸，也就是说，一对粒子经过彼此时靠得有多近才会受到另一个的影响。2015年3月，梅西所在的另一个团队在观察了72个星系团的碰撞之后给出了一个尺寸上限。这两个研究结果为粒子物理学家提供了一个范围，可以用此来检测他们的理论。

暴胀理论追踪

天体物理学家审查他们最成功的一个理论。

亚历山大·维特兹

当你问任何一名天体物理学家暴胀是什么的时候，你会被告之暴胀是宇宙演化早期的一段时期。在那段时期，宇宙原始火球如打了激素的气球一般膨胀，在它发展成我们现在看到的宇宙之前舒展平滑了它最初的褶皱。

现在，一些物理学家正尝试将这一图像中的一点空间填满，使其真正拼凑在一起。

暴胀宇宙论作为解释初期宇宙最成功的理论之一，确切说来并未受到挑战。但一些科学家因其完全不可捉摸性而质疑其是否与其盛名相符。研究人员认为暴胀理论也许是针对现在宇宙的众多特征的最前沿的解释，但它仍存在诸多问题。

“图像并不能真正拼凑在一起，”普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特说，“或者暴胀理论需要一次大修，或者我们需要寻找其他途径来解释宇宙论。”

2012年4月发表在arXiv.org网站上的一篇论文中，加拿大麦吉尔大学的物理学家罗伯特·布兰登贝格尔认为科学家应该继续对暴胀理论的其他可能性进行探索，而不是理所当然地认为它就是对的。

经过过去十年的发展，其中一种理论认为，宇宙并非始于单一的大爆炸，而是经历了无数次压缩与膨胀的循环。另一种则假想一个由微小震动弦聚集而成的世界，这些微小震动弦的运动产生了宇宙特性，现阶段可以通过暴胀理论解释这些特性。

未来几年内，天文望远镜也许可以收集到足够多的数据以区分众多可能性。暴胀不可知派认为，只有到那时整个图像才能拼合在一起或者彻底四分五裂。

“我们并不知道宇宙形成初期发生了什么，”德国波茨坦市马克斯普朗克引力物理研究所的天体物理学家让-吕克·莱纳斯说，“我们知其然，但不知其所以然”。

那些中间派迅速指出暴胀理论可以被证明是正确的。斯坦福大学的安德烈·林德认为暴胀理论是“针对早期宇宙现存唯一内部统一的理论”。林德对初期的暴胀理论的发展做出了贡献。他认为那些质疑者要么是不太理智，要么就是被那些追求故事性的记者引入了歧途。他认为：“这个理论很有可能最终会得到推广，迄今为止所有试图取代它的更优理论都失败了。”

大气球

1981年，现就职于麻省理工大学的艾伦·古思发表了暴胀理论，并且证明了它可以解释关于宇宙的两个未解之谜：为什么宇宙如此平滑和为什么宇宙如此平直。

宇宙的远端看起来是相似的，即使在137亿年前大爆炸产生宇宙后它们彼此远离从未有过接触。但是如果初期的宇宙在其减速至更为舒缓的膨胀速度之前，以近乎荒谬的速度向外膨胀，那么这种暴胀将会使那些区分不同空间区域的原始混乱状态变平滑。仅仅极短时间（远小于1秒）的暴胀，就会使物质均匀延展，除了那些因密度波动而产生的一些小块。这些小的团块将会作为早期原星系的种子而进一步成长。

这样一个“暴胀”时期也将宇宙带入到一个今天看来十分平衡的状态：宇宙空间在大尺度上来看是十分接近平坦的。

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最近的一项提案将循环理论混合进描述早期宇宙的暴胀理论中，创造了一系列不同历史的宇宙。一些始于暴胀（黄）然后经历扩张和收缩的循环（红色和蓝色）。

1992年，宇宙背景探测卫星（COBE）通过测量大爆炸残余热量中的微小波动证实了古思理论中的关键部分。之后来自威尔金森微波各向异性探测器（简称WMAP）的数据使这些宇宙波动成为更加重要的焦点。天文学家开始讨论一个精确宇宙学时代的到来，其详尽的观测将产生可信的数字以支持暴胀理论。

但其他人并不如此肯定，“我们不能将我们的计算与现阶段观测一致视为一个成功，”布兰登贝格尔说。

关于暴胀理论他仍有许多质疑。首先，它的数学并不能很好地与新兴粒子物理概念相匹配。暴胀理论并不能很好地协调自身与用以统一量子力学和广义相对论的弦理论的关系。

他提出的另外一个问题是，暴胀理论要求宇宙初期的密度波动的波长小于普朗克长度，但是小于普朗克长度的话，那么建立的关于空间的常见概念就会瓦解。“这并不是说我们的计算是错误的，只是计算过程已经外推至一个不可信任区域。”布兰登贝格尔说。

近期其他工作也试图解释暴胀理论引申出的新问题。其中涉及的一个现象是从未停止的永恒的膨胀。

古思最初的观念要求暴胀在若干分之一秒后就停止，但是斯坦哈特和其他人很快发现暴胀会在一些稀有的点处永远持续下去，产生可持续膨胀的异常区域。“这个发现将故事逆转了，”斯坦哈特说，“宇宙的大部分正在膨胀，而不是像我们的宇宙一样。”

在永恒膨胀的作用下，无数的“口袋”宇宙出现了。而且在一个任何可能发生的事情都将会发生无数次的宇宙空间内，确定哪些事件是差不多相似的变成了不可能的任务。

古思本人设法解决了最后一个被称为“测量问题”的要点。在发表于arXiv.org网站上的一篇文章中，他和斯坦福大学的维塔利·凡瑟林（Vitaly Vanchurin）描述了他们为了定义永恒膨胀宇宙中事件的可能性所做的工作。

尽管这样，不理解永恒膨胀并不代表暴胀理论是错误的。“许多天体物理学家，包括我，相信永恒膨胀几乎是我们对基础物理法则最好理解的必然结果。”古思说，言外之意是即使备选的理论也将面临永恒膨胀问题。

其他历史

在众多观点中，最具吸引力的是一个来自于包括斯坦哈特和现就职于加拿大理论物理研究所的尼尔·图罗克在内的科学家的想法，即考虑了循环的收缩和膨胀。

在这个“循环方案”中，大爆炸并不是时间和空间的起点，而只是一个从宇宙处于压缩状态的早期过渡的过程。它通过在收缩期间平滑物质团块来解决永恒膨胀问题。任何异常区域因此而收缩，不再成为一个问题。

只有经历过一个收缩时期宇宙才能颠倒自身并向外膨胀，因此今天的天文学家才能看到遥远的星系正在加速远离。但是，这个宇宙仍有其自身问题，最为显著的是研究人员不能确切地描述从收缩到膨胀的变化过程。

其他备选理论包含“物质反弹”理论。该理论也依赖于宇宙从收缩到膨胀的转换，但是使用了不同的数学方法。布兰登贝格尔的最爱，“弦气体宇宙论”需要早期宇宙中的一种微弱震动弦气体而非粒子气体，进而符合弦理论。

大部分科学家仍然认为相较于其他提案，暴胀理论仍是更为强劲的备选方案。“所有这些备选模型都没有经过观测或者理论上的证明。”慕尼黑路德维格马克西米利安大学的维亚切斯拉夫·马克翰维（Viatcheslav Mukhanov）说。

正在进行的实验应当会揭示暴胀理论能否最终胜利。其他工作正在努力寻找一种叫作引力波的膨胀迹象。这些贯穿时空的扰动涟漪来自于激烈的宇宙事件如黑洞碰撞或者大爆炸。欧洲空间局的普朗克卫星将会给我们带来其他线索。该卫星建立在COBE和WMAP成功的基础上，于2009年发射。普朗克正在寻找另一个刻印在宇宙微波背景上的微妙特征，预计2013年春天将会得到最初结果。

一项最终方案也许会将备选理论与暴胀理论捆绑在一起。例如，莱纳斯已经努力将永恒膨胀理论与循环宇宙理论结合起来。他说，每一个由永恒膨胀产生的“口袋”宇宙可以不断重演循环过程。

最后，物理学家无疑将会继续探索暴胀理论和它的备选理论，而最终的解释方案也许会介于二者之间。莱纳斯说：“假设我们已经知道答案将会是，什么实际上是有害的。”。

早期宇宙的增长速度

测量暗能量撞击气体之前宇宙的膨胀。

安德鲁·格兰特

一项任务测量到110亿年前宇宙膨胀速度逐渐下降、在一种被叫作暗能量的神秘物质开始刺激宇宙膨胀使其越来越快于之前的宇宙膨胀。这些测量结果于2012年11月12日发表于arXiv.org网站上，有助于理解什么是暗能量以及它是如何工作的。

大约15年前，天文学家发现，宇宙的膨胀在加速。这一结论通过记录被称为Ⅰa型超新星的壮观的恒星爆发而得出。因为Ⅰa型超新星爆发时几乎都有完全一样的光度，所以天文学家可以利用超新星的视亮度来确定其距离，然后测量其红移，或光线被拉伸了多少，以确定超新星正以多快的速度远离地球。该技术揭示出，宇宙的膨胀正在加速，并已经持续了50亿年左右。

但是即使明亮如超新星，在宇宙深空，对应着宇宙仅仅几十亿年龄的地方，我们也很难看到它们。因此一个国际科研小组采用了一种不同的方法，重子振荡光谱巡天，即BOSS。他们使用新墨西哥州的阿帕契点天文台的2.5米望远镜收集到从137亿年前宇宙开端的几十亿年后形成的超大质量黑洞发出的光。

在光向着地球传播的漫长旅程中，它偶尔会跑进氢气云团中从而导致部分被吸收。BOSS项目的科学家反复分析研究了将近50 000颗黑洞发出的光，形成了一幅标明氢气云团位置的地图，并且以红移表示出它们的退行速度。

基于那些云团中最遥远的云团的速度，BOSS项目的科学家确定了宇宙大爆炸后仅30亿年时宇宙的膨胀速度。研究小组随后将其测量的速度与更近的时代的膨胀速度测量结果进行了比较，得出结论：宇宙的膨胀速度在那个时候正在减慢。“那时的宇宙是一个迥然不同的地方。”该研究的合著者、犹他大学的物理学家凯尔·道森说道。

BOSS项目的发现与物理学家关于宇宙的增长速度如何变化的理论是一致的。紧接着大爆炸之后，宇宙在瞬间迅速膨胀，那个时期被称为暴胀。之后，宇宙继续扩张，但是就像一个因惯性而滑行的汽车一般，宇宙没有什么可以保持其加速的东西。宇宙中所有物质的引力作用就像滚动摩擦一样，逐渐放缓了膨胀的速度。

但随着宇宙变得更大，物质更加稀释，科学家相信有些东西会再一次使宇宙的膨胀加速。科学家并不确切知道这个会使宇宙膨胀加速的“元凶”是什么，所以他们称之为暗能量。110亿年前，暗能量仅占宇宙总量的10％，或者更少；现在它几乎占了四分之三。

重子振荡光谱巡天及其他巡天项目使科学家可以跟踪宇宙膨胀速率随着时间的变化，并确定暗能量的演变。到目前为止，这些测量结果对主要理论给予了支持，暗能量是真空的自然属性：宇宙越膨胀，暗能量就变得更强。

哈勃常数值之争

普朗克任务的数据在精确宇宙学上打了个结。

汤姆·西格弗里德

73.8+/-2.4 km/s/megaparsec——基于超新星和恒星的哈勃常数

67.3+/-1.2 km/s/megaparsec——普朗克项目的哈勃常数估值

从人们想知道一些关于宇宙的信息开始，宇宙便一直隐藏着其关键统计数据——它的年龄，它的重量，它的大小，它的组成。不过21世纪伊始，专家开始鼓吹精确宇宙学的新时代。宇宙学家不再争论宇宙是100亿还是200亿岁——它诞生于138亿年前。天文学家精确地描述了宇宙中不同物质和能量的相对含量，而且他们最近就宇宙增长速度也取得了共识，解决了1929年当埃德温·哈勃发现宇宙膨胀时便提出的这一争议。

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盖亚宇宙飞船（如上图所示）正在收集约10亿颗恒星的位置和运动数据。这些数据可以帮助解决关于宇宙膨胀速度的争论。

现在，通往一个精确描述的宇宙的平滑的道路上碰到了一点障碍。欧洲空间局普朗克卫星测得的宇宙膨胀速度的新结果与之前的研究方法的最佳数据不匹配。刚好在宇宙拼图的所有碎片似乎都依序排列好的时候，其中一个碎片突然不再符合得那么完美了。

“一些东西看起来不太对，”普林斯顿大学的天体物理学家大卫·斯珀格尔说，“我们不可以再那么自信地到处发表声明，好像所有数据都是一致的。”

换句话说，测量宇宙膨胀速率（一个被叫作哈勃常数的数值）的不同方法不再趋向同一个数值了。这使得整套描述宇宙特征的参数，即标准宇宙模型，都遭到了质疑。接受新的哈勃常数值意味着修改组成宇宙的各项成分的配比，如隐藏于空间中的暗物质和导致宇宙加速膨胀的暗能量等的相对含量。

多年以来，哈勃常数的值如同它很重要一般，一直很难以捉摸。哈勃自己严重高估了膨胀速度，这取决于距离——两个天体距离越远，使它们远离彼此的空间膨胀速度越快。哈勃计算得出，距离一百万秒差距（约三百万光年）的两个天体以每秒500千米的速度远离彼此。然而自相矛盾的是，如果按照这个速度，那么宇宙将会比地球还要年轻。

精确的测量逐渐将这一估值减小到了一个更现实的范围。到了20世纪70年代，专家们认为哈勃常数或者接近100或者接近50。到20世纪90年代末，哈勃太空望远镜观测得到的超新星的观测数据和其他数据将膨胀速度的值限定在70附近，最终确定为约73千米每秒每百万秒差距。

对大爆炸遗留下来的背景辐射的测量结果又增强了天文学家对这一数值的信心。WMAP卫星对微波背景辐射进行了巡天观测，最终测得的哈勃常数值约为70，这足够接近由超新星数据确定的哈勃常数值73，而且这两个值的误差范围也是重叠的。

但是去年，普朗克卫星发布了更加精确的宇宙微波背景辐射的测量结果，其相应的哈勃常数约为67。这比哈勃望远镜的值低了10％左右。大多数物理学家认为这个差异太大了，不能被忽略。

“我们似乎有了一些分歧。”卡内基天文台的温迪·弗里德曼如是说。她是使用哈勃望远镜测量膨胀速率的研究团队的领导者。

难以忽视的差异

弗里德曼，斯珀格尔和其他专家期望进一步的细化测量将会在没有重大影响的情况下最终解决这一矛盾。然而，2013年12月举办于达拉斯的相对论天体物理研讨会上，这一差异成了一个不变的讨论话题。普朗克团队的科兹托夫·戈尔斯基在这次研讨会上承认了这个不一致性，但是他指出，大部分普朗克数据还尚未被分析。“我想我们只需要保持冷静，然后继续下去。”他说。

也许可能只是校准仪器时存在的某些未知的问题困扰了这两种方法中的一个。另一方面，依然有可能是宇宙的基本模型有些问题。

“后一种可能性是最令人兴奋的，”斯珀格尔说，“因为它可能指向关于暗能量的某些东西或者一些我们可以研究的新物理。”

已经有几个理论提案提供了一些新奇的方法来减少或者消除这种差异。一个研究团队提出，可能引力自身有质量，导致超新星的方法过高估计了哈勃常数。或者可能在宇宙组成成分配方中，相互独立的暗能量和暗物质会以某种方式相互作用，而这种方式支持一个高于普朗克结果的哈勃常数。而且宇宙中物质的不均匀分布可能意味着基于邻近宇宙（因此较近期）中的超新星和其他天体的哈勃常数与来源于宇宙微波背景（追溯到将近宇宙开始时刻）的值不匹配。

宇宙膨胀速度变化的估值

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历史上宇宙增长速度的不确定性比今天的大得多。但是最近几十年来发展的技术使得研究人员可以缩小膨胀速度值即哈勃常数的范围。哈勃常数描述空间膨胀使天体之间远离彼此的速度有多快。

大多数专家认为更多的数据将会缓解这种不一致性，而不需要大型的宇宙“手术”。而且更多的数据正在路上。例如，普朗克的报告是基于大约15个月的观测数据，对应于两次巡天观测。最终普朗克团队将会分析50个月的数据，这将会进一步减小误差范围，预计该分析将会在2014年晚些时候发布。

与此同时，弗里德曼和其卡内基哈勃项目的同事继续改进哈勃常数的估值。他们结合了哈勃望远镜、斯皮策太空望远镜和地面望远镜的数据来建立宇宙距离标尺。

因为宇宙的膨胀速度取决于两个天体之间相隔的距离，所以测量它也取决于准确的宇宙距离测量。对于邻近的天体，它们的距离可以直接通过视差计算得出。通过从地球的太阳轨道的两端分别观测该天体，简单的几何结构可以告诉我们它的距离。再远一点，距离测量依赖于“标准烛光”——已知该天体的绝对亮度，它的距离可以通过视亮度推断出来。

传统上，天文学家已经利用一类被称为造父变星的特殊恒星作为标准烛光。造父变星定期变亮变暗，时标取决于它们固有的平均亮度。通过视差测距方法测量附近的造父变星的距离，进而建立光度-距离关系；然后这种关系可以被用来估计那些距离更远的造父变星的距离。

然而，测量哈勃常数还需要更遥远的标准烛光，这就用到了超新星。超新星其中的一个分类，被称为Ia型超新星，不全都是同一亮度，但是它们的固有亮度可以根据它们亮度随着时间变暗的速度计算得到。目前，弗里德曼和他的同事采用同时包含造父变星和Ia型超新星的星系样本，其中造父变星的数据可以用来校准距离标尺。结合天体退行的速度——可从它们发出的光的颜色推断出——那些距离可以确定膨胀速率。将超新星和造父变星的数据结合起来，“提供了目前测量哈勃常数以及最小化系统误差的最好的机会。”弗里德曼如是说。

她指出，这种方法提供了一个直接测量膨胀速度的机会，而宇宙微波背景只给出了间接估计。普朗克测量空间中的温度差异，即宇宙早期物质密度变化的遗迹。结合其他数据和假设，这些测量可以用于推断宇宙的其他性质。普朗克的哈勃常数估值是全部宇宙模型的最佳拟合值，其中包括一个关于暗物质本质的模型。

“所以这个不一致性可能暗示着暗能量并不像我们想象的那么简单。”哈佛大学的宇宙学家罗伯特·科什纳说，“但是现在下这样的断言还为时尚早。”

如果哈勃常数真的偏高，就像超新星数据显示的那样，那么平均来看，现在宇宙的膨胀比它曾经稍快些。这可能意味着暗能量的强度会随着时间而变化。科什纳表示：“这是一个有趣的可能性。”暗能量在强度上有变化，这将影响着宇宙的命运。宇宙不再是永远膨胀，某一天它将会在一次“大撕裂”中被撕碎。

不过，如果普朗克测得的膨胀速度的值是正确的，那么宇宙成分的标准模型将需要进行调整以使所有的数值与实际观测相符。这些成分包括少量普通物质，大量更多的暗物质以及相对更多的暗能量。综上所述，这些组成成分构成了一个一致的宇宙模型，在这个模型中空间的几何结构几乎是完全平坦的（这意味着普通欧几里得平面几何准确描述了整个宇宙。）

在普朗克之前，宇宙的质量-能量配方由4.5％的普通物质、将近23％的暗物质和差不多73％的暗能量构成。普朗克的估值将暗能量的占比降至68％左右，暗物质增加到将近27％，普通物质接近5％。

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普朗克的数据暗示了宇宙中暗能量和暗物质的相对含量的新估值

理论方案

自2013年3月普朗克的结果公布以来，物理学家一直在寻找通过修改标准模型可以解释哈勃常数不一致性的方法。一项提案要求修改为所有宇宙论的科学提供了基础的爱因斯坦广义相对论。在这种方法中，引力自身有重量：引力子，一种用于传递引力的假定无质量的粒子，将会具备微小的质量，为空间增加了一个新的场。这个场可能会影响由暗能量导致的宇宙的加速膨胀，法国巴黎天体物理研究所的道格拉斯·斯波尔亚和牛津大学的马丁·萨哈林及乔·西尔克在发表于2013年12月11日出版的《物理评论快报》上的一篇文章中提出了这一理论。

他们指出，如果引力子的质量减少了暗能量的影响，那么在引力较弱的区域，比如空间中邻近的空洞，暗能量将会更强。在本地的空洞中，更强有力、导致膨胀的暗能量可以解释为何来自邻近超新星的数据得到的哈勃常数值会比普朗克探测到的更遥远的宇宙的测量结果更高。

在另一个偏离标准宇宙学的理论中，圣保罗大学的安德烈·科斯塔和他的同事提出，在宇宙配方中最神秘的两个成分——暗物质和暗能量之间存在一场“阴谋”。在标准宇宙模型中，暗能量和暗物质是相互独立的两个组成成分。一个增加了万有引力（在星系形成中扮演了重要角色）；另一个施加了万有斥力，导致宇宙膨胀速度的加速。但是如果它们两者之间并不是相互独立的，而是以某种方式在相互作用，就像两种药物，单独存在时可以治病，但是结合时会抵消药效，那么哈勃常数的测量值可能受到了污染。

例如，如果能量可以从暗物质流向暗能量，那么普朗克的数据便低估了真正的哈勃常数，而真正的哈勃常数更接近由超新星研究给出的测量值，科斯塔和他的同事在2013年11月发表于arXiv.org网站上的一篇文章中曾如此解释。

其他研究人员认为，最终解决方案可能不需要对当前正统理论有如此猛烈的挑战。两个测量结果不同可能是因为他们探测的是宇宙的不同部分。而且这两种方法测量宇宙膨胀不仅是在不同时期，而且它们也是在不同尺度上探测物理信息。在我们看来，超新星很大，但是在宇宙尺度上，它们只是一些点。宇宙微波背景的测量结果探索的是极大的天空区域，就像2013年一个由法国宇宙学家组成的团队在《物理评论快报》上的一篇文章中指出的那样。

等待更多的数据

普朗克、超新星研究以及其他方法都将会带来更多数据，最终所有的猜测都将会被更多的数据过滤掉。例如，2013年12月欧洲空间局的盖亚探测器发射成功，它将带来更精确的造父变星视差以用于超新星研究，进而得到更精确的哈勃常数测量值。而且斯隆数字巡天项目中的一部分，BOSS项目，已经通过重子声波振荡为哈勃常数之争提供了新的素材。

在极早期宇宙中物质和光的相互作用产生了同心的压力波，叫作声波震荡，就像池塘中一块石头落水时产生的波纹一样。这些声波涟漪在特定的分隔距离上会使物质沉淀，小小的物质种子最终会成长为星系。因此这些涟漪的信号应当会体现在今天空间中星系的分布上。BOSS项目的观测表明两个星系之间偏好的距离约为150百万秒差距（约4.5亿光年）。结合一项红移测量（揭示了一个星系以多快的速度远离地球），BOSS的数据为宇宙距离尺度提供了一次新的检查。再加上宇宙微波背景探测的数据，天文学家又得到了哈勃常数的另一个计算结果。

2014年1月，在美国天文学会会议上，BOSS项目的科学家提出了他们最新的研究结果，得到的哈勃常数的值为68～69。这个结果依然低于超新星测量结果给出的数值，BOSS项目组成员、哈佛-史密松天体物理中心的丹尼尔·艾森斯坦如是说。

“两者之间的不一致性并不是那么强烈，但是它很有趣，所以有很多团队试图追踪这个问题并且试图理解最终解决方法会是什么，”他说，“今天，这一轻微的不一致仍然存在。在6～12个月内，我们将会有新的进展。”

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早期宇宙中的压力波在一个偏好的分隔距离150百万秒差距上（如图中白线所示）堆积物质。这种图像可以帮助建立宇宙距离标尺。

弗里德曼指出，不管怎样，比起早先哈勃常数的100或50之争，当前哈勃常数的争论已经大大缩小了范围。

“幸运的是，现在正在测量的哈勃常数值的范围，以及在这些测量中的不确定性，都已经有了大幅下降，”她在得克萨斯州的研讨会上说，“而且未来计划还会有更大的进步，最终将会解决这个争议。令人兴奋的是，仍然有新的物理存在的机会。或者也可能没有。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：A.G. Riess et al/arXiv.org 2011

天文学家通过记录超新星和造父变星的光度测量了遥远星系的距离——哈勃常数的关键。在这幅哈勃太空望远镜拍摄的星系NGC 4038/4039的图像中，红色、蓝色或者绿色的圆圈为造父变星，不同的颜色取决于它们的周期。

宇宙的精确图像

“普朗克”调整了对宇宙年龄、组成的估计。

克里斯托弗·克罗克特

在意大利菲拉拉的一个宫殿里，宇宙学家公布了迄今为止关于婴儿时期宇宙的最详细的地图。2014年12月1日，这一宣布开启了一个为期一周的会议。该会议展示了欧洲空间局普朗克卫星的最新发现。新的结果很大程度上确认了之前对于宇宙组成的测量结果，但是也排除了一些关于暗物质的想法。

没有重大意外，普林斯顿大学的宇宙学家大卫·斯博格尔说。与“普朗克”释放于2013年的最初的结果相比，并没有太多改变。我们生活在一个138亿岁的宇宙中。在这里，由粒子组成的原子仅占所有物质和能量的4.9％，暗物质占26.6％，剩余的68.5％存在于更神秘的暗能量（一种导致宇宙加速膨胀的排斥力）中。

“普朗克”测得的哈勃常数，即当前宇宙膨胀的速率，稳定在一个新的结果——67.3千米每秒每百万秒差距。这个值一直比通过超新星观测得到的值稍微高一些，但是一些分析表明这两种方法得到的结果之间存在的差异最终会得到解决。

“普朗克”花费了四年多的时间收集来自宇宙微波背景的光，即大爆炸之后约38万年时释放到宇宙中的第一缕光。以前公布的结果仅依据于“普朗克”第一年左右的数据——来自天空中不同点处的微波强度之间存在的微小差异的测量结果。这些变化绘制了早期宇宙中的密度波动，而密度波动反过来又可用于计算描述宇宙的基本参数。

新的结果不仅包含随后几年获得的数据，而且还有描绘微波偏振情况的偏振地图。额外的数据使得研究人员可以追踪迄今为止关于宇宙组成成分的最精确的测量结果。

“我们正在压缩”数据，普朗克团队成员、牛津大学的天体物理学家乔安娜·邓克利说。“普朗克”之前对于宇宙中暗物质总量的测量结果的不确定性约为2％；新的分析则将不确定性紧缩到了1％。

费米和PAMELA卫星暗示暗物质粒子之间会发生碰撞，而普朗克卫星并没有看到暗物质粒子碰撞的迹象。这并不排除暗物质的存在，但是限制了这类粒子的质量。

普朗克检验之前的研究结果：宇宙学家得到的结论大部分是正确的

新的分析确定了关于宇宙性质的基本理念，但是一些未解决的仍是个谜团。

安德鲁·格兰特

“旧的宇宙模型一直都做得很好。”

——肖恩·霍奇基思

一项关于宇宙第一缕光的分析，让宇宙学家在沾沾自喜的同时，依然还保有一些困惑。这一研究结果，是由普朗克卫星观测得到的，并于2015年2月发表在arXiv.org网站上的一系列文章中。它很大程度上支持了宇宙学家描述宇宙的理论框架。但是仍然有一些令人费解的发现，在之前的研究中也有暗示，可能存在一些未被发现的物理现象。

“旧的宇宙模型一直都做得很好，”布赖顿苏塞克斯大学的宇宙学家肖恩·霍奇说，“但是在过去一切异常的东西现在仍然异常。”普朗克的结果也有很多关于暴胀方面的。暴胀是指大爆炸之后宇宙快速增长的一段时期。

宇宙学家可以用一个基于6个参量的模型合理描述宇宙，这些参量包括宇宙膨胀速度和普通物质密度。普朗克任务已经与宇宙微波背景（CMB）四年的测量结果相协调。宇宙微波背景是在大爆炸后约38万年发出的宇宙的第一缕光。

最新的数据支持标准宇宙模型，而且确定了6个参数中的5个参数，精度达到1％，参与普朗克项目的科学家查尔斯·劳伦斯表示。这些参量描述了这样一个宇宙：始于一段短暂的暴胀“插曲”，且一直以来根据普通物质、看不见的暗物质以及导致宇宙加速膨胀的暗能量的组合，不断演化。

然而，普朗克2013年释放的数据和其他微波背景观测，也给出了这些结果，但是有差异，特别是在星系团的数量上。普朗克探测到宇宙微波背景中细微的温度变化。这一变化反映了早期宇宙中的量子涨落，在密度不同的区域，量子涨落会被暴胀放大。随着时间的推移，在密度高的地区，团块应该会聚合在一起形成复杂的星系团。但是普朗克的数据显示应该有更多的星系团，而观测到的星系团数量太少了。这个不一致引起了进一步的研究，但是并没有提出任何新的理论，霍奇说。

物理学家也在考虑宇宙的膨胀速率，即哈勃常数。普朗克的数据表明彼此之间距离百万秒差距（约330万光年）的天体以大约每秒68千米的速度远离。与2013年的结果相比，这并不是一个很大的变化，但是它与通过测量超新星与造父变星的距离和速度得到的估计值相比，要低大约每秒6千米。一个改进的造父变星巡天项目预计会在2015年晚些时候释放数据，这将确定不同方法测得的哈勃常数之间是否依然存在一个差异，芝加哥大学科维理宇宙物理研究所的丹尼尔·斯科尔尼克如是说。

即使这些问题得到解决，标准宇宙模型也不会完全清晰。哈佛-史密松天体物理中心的宇宙学家，罗伯特·科什纳表示，该模型依赖于一些未经证实的假设，包括假设暗能量每单位体积的排斥力是个常量。科什纳以及其他科学家正在进行跟踪暗能量效应随着时间变化的项目。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Planck Collaboration/ESA

宇宙微波背景辐射（颜色显示了温度差异）中的模式提供了早期宇宙中物质分布情况的线索，使得科学家可以推断宇宙的性质。

这个模型也无法解释暴胀为什么会发生以及是如何发生的。普朗克的数据推翻了去年探测原初引力波的BICEP2团队得到的结论。原初引力波可以帮助物理学家为宇宙历史中那个至关重要的瞬间确定物理机制和能量范围。没有原初引力波的探测，“我们对如何将暴胀与我们关于基础物理的理念联系在一起不会有一个明确的想法。”普林斯顿大学的天体物理学家大卫·斯伯格说。

普朗克的分析也利用了BICEP2的数据，更加严格地限制了r的值。r是比较引力波和CMB中物质密度偏差的比值。研究人员发现，r可能小于0.09。这一发现不支持简单形式的暴胀，例如用于宇宙学教材的二次暴胀和自然暴胀，劳伦斯说。在2013年，普朗克提出r小于0.11时，这些暴胀模型就已经被排除了很多。

理论家将会“打磨”他们的想法，使其与最新的数据相一致。与此同时，BICEP2和一批新的实验将会继续探测南极的上空，寻找引力波微弱的信号。

原初引力波被发现

研究人员看到了大爆炸刚刚发生后宇宙膨胀的痕迹。

克里斯托弗·克罗克特

天文学家已经发现了宇宙大爆炸最早的回声，确认了描述大爆炸第一时刻宇宙超速膨胀的长达数十年之久的假说。这一发现为研究人员提供了在接近宇宙膨胀开始瞬间的情况的首次直接测量，而且可能对物理学家理解广义相对论、量子力学和宇宙的起源有着深远的影响。

“我们现在有一个更加强烈的信念：相比昨天，我们更了解早期宇宙了。”加州理工学院的天体物理学家肖恩·卡罗尔说。

几十年来，天文学家一直试图理解与宇宙大爆炸理论（描述宇宙诞生以及演化的理论）相关的一些奇怪现象。20世纪80年代，麻省理工学院的物理学家艾伦·古思认为，如果宇宙经历了一段过度膨胀的时期，即暴胀时期，那么许多怪异的现象就可以得到解释了。古思提出，在暴胀时期，宇宙大爆炸之后的10-36秒中宇宙的体积至少增长了1075倍。

长期以来，科学家一直预测，如果暴胀发生的话，那么它应该在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。宇宙微波背景辐射即宇宙大爆炸之后的38万年左右，宇宙足够冷却、光可以自由旅行时，释放到太空中的辐射。通过研究光子排列形式，即物理学家所指的偏振模式，我们可以找到它的痕迹。由暴胀引起的引力涟漪会在偏振模式中呈现出旋涡形式。直到现在为止，这种B型偏振模式都极难探测到。

B型偏振模式的发现会大大加强暴胀这一理念：原初引力波是唯一已知的B型偏振模式的来源。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：BICEP2 Collaboration

宇宙暴胀时期，引力波生成了宇宙微波背景中的旋转的光，如来自BICEP2望远镜的25到100的天空图像中所示的那样。图中的线描绘了大爆炸之后释放的光子的偏振情况；线的长度显示出光的强度。颜色象征着偏振扭曲的强度，红色为顺时针方向，蓝色为逆时针方向。

2014年3月17日，研究人员宣称他们发现了极难探测到的B型偏振模式。由哈佛-史密松天体物理中心的天文学家约翰·科瓦奇领导的研究团队使用BICEP2望远镜测量了宇宙微波背景的偏振模式中微妙的变化。BICEP2望远镜位于南极洲，拥有512个探测器，每个探测器都冷却到接近绝对零度之上的四分之一摄氏度。探测器交替，过滤掉一半水平光和一半垂直光。通过有规律地扫描南极上空的一片区域，研究人员能够以偏振光的形式绘制出该区域的宇宙微波背景。该团队在网上公布了他们的研究结果。

探测到的引力波的强度显著高于研究人员预期的强度。普朗克任务的数据绘制出了宇宙微波背景在红外和微波波段的微小的变化，然而并没有显示出引力波在暴胀时期扮演了任何角色的迹象。这个意外强烈的信号排除了一些暴胀模型，尽管尚不清楚普朗克和BICEP2的结果为什么会不一致。

“这开启了一个全新的窗口，一个全新的研究领域。”费米国家加速器实验室的天体物理学家斯科特·都德尔逊说。他还将这一发现的重要性与发现希格斯玻色子的重要性做比较。他说，在暴胀时期看到的如此高的能量使得测试一些弦理论的想法可能得到实现。“这对每个人来说都是一片测试他们理论的乐土。”他说。

卡罗尔和都德尔逊初步看了数据后，都认为研究团队已经仔细理解并且解释了可能的系统误差来源。“这不是一次偶然，这是毫无疑问的。”卡罗尔说。但是他补充道，研究人员并不是确切地知道这个信号是否真的来自早期宇宙，或者只是来自望远镜或者介于中间的星系的伪信号。至少八个望远镜在继续寻找B型偏振模式。它们的发现将有助于确定信号的真正来源。

“人们都持怀疑态度。”都德尔逊说。但是在他和其他人开始更加仔细检查数据之前，他享受这一时刻。“初步的结果就很令人兴奋了。”他说，“这是革命性的。”

原初引力波，还是尘埃？

不可预知的银河尘埃辉光可能危害到几年内最大的宇宙学发现。

克里斯托弗·克罗克特

2014年3月17日，加州大学的宇宙学家劳埃德·诺克斯与世界各地的科学家一同庆祝了一个值得颁发诺贝尔奖的发现。那天，宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP）项目的研究人员宣布，他们的南极望远镜BICEP2探测到一个刻印在宇宙微波背景上的微妙的螺旋模式。

这个测量结果是无可挑剔的，其影响深远。BICEP项目的研究人员说，这一特征只可能是原初引力波造成的。原初引力波为大爆炸后一瞬间宇宙爆炸式膨胀时引发的空间中的涟漪。如果这一结果被证实的话，那么这将会被作为快速膨胀即暴胀的首个直接证据。1981年为了解释宇宙的均匀结构，科学家预测，在大爆炸后宇宙经历了一段快速膨胀的时期，即暴胀时期。“首先，我很兴奋，”诺克斯说，“这真的是一个非常令人激动的发现。”

最开始的兴奋消退之后，宇宙学家将他们的注意力转移到了这项分析的细节上，随后他们开始严重怀疑这一结果。虽然BICEP项目的研究人员坚持认为他们的信号来自宇宙最古老的光，但是诺克斯和其他研究人员则担心信号来自一个更常见的来源：我们银河系中的星际尘埃。现在，越来越多的宇宙学家认为尘埃的潜在贡献很显著，BICEP项目组并没有足够的证据支持这一发现。

“这一测量是细致的。它真的是一个了不起的技术成就，”诺克斯说，“但是他们并不能很好地排除信号来自我们自己星系中的某些东西的可能性。”

当我们试图研究宇宙较远距离的区域时，银河系内的尘埃会是一个麻烦。当像太阳这样的恒星到达年老阶段时，它们会喷出微小的棒状尘埃颗粒，这些颗粒最终会聚集成尘埃云，遍及整个星系。那些尘埃不仅会使来自遥远天体的光变得模糊不清，而且它们自身也会发光。星光将尘埃云加热到绝对零度以上约20摄氏度。对于尘埃来说，这个温度足够温暖，它们可以以微波的形式辐射出低能的光。这与BICEP2旨在测量的、组成宇宙微波背景（CMB）的光是相同的类型。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：J.-P. Bernard/Planck Collaboration；R. Flauger

尘埃数据　BICEP团队使用一幅示意图（上方左图）来估计银河系中尘埃在穿过天空的光的偏振情况方面的影响（红色表示偏振较强，蓝色较弱）。拉尔夫·弗劳格根据其他的源重建了一幅类似的示意图（右图），显示出尘埃在BICEP团队探测到的信号中的影响显著。

更为复杂的是，尘埃也会发出偏振光：尘埃的棒状形状会使它自己发出的光波沿同一方向排列。这种偏振形式会呈现出一个螺旋模式，这与BICEP项目的研究人员在支持暴胀理论的CMB中找到的那种螺旋模式相同。

BICEP项目的研究人员知道他们的望远镜无法区分不同的光源。他们给出这样的结论的信心来自于他们为了减小尘埃带来的影响所作出的辛勤的工作。他们将BICEP2指向一片已知几乎没有尘埃的天空。而且他们所探测的光的频率为150千兆赫，在这个频段，CMB应该比银河系的尘埃所发出的光更显著。CMB辐射出的大部分能量约在160千兆赫，而尘埃辐射则主要在3000千兆赫附近。

不幸的是，BICEP项目的科学家只对尘埃辐射出的光的偏振情况进行了粗略估计。所以当详细检查望远镜观测数据并将CMB与尘埃分开时，BICEP项目的研究人员不得不做出一些假设，而且这些假设依赖于他们可以得到的不完备的尘埃数据。

这样的数据包括普朗克太空望远镜项目的一名研究人员在2013年的一次演讲中提到的数据。普朗克太空望远镜项目的一项任务便是在七个频率上记录光的偏振情况，进而绘制且描述遍及整个天空的CMB的特征。普朗克的完整的结果尚未公布，但是那次演讲的其中一页幻灯片中展示了普朗克初步的偏振示意图。BICEP项目的研究人员拿到了这页幻灯片的PDF版本——一个由红色、黄色和蓝色的斑点构成的椭圆形的示意图。他们基于颜色将图像转换成数字栅格，并且使用这些数字作为一种估算他们自己的数据中尘埃污染的参量。

这种方法为BICEP项目的发现带来了首次严峻的挑战。在2014年5月15日的演讲中，普林斯顿高级研究所的物理学家拉尔夫·弗劳格认为，根据普朗克给出的偏振情况的示意图分解出来的BICEP项目的数据低估了银河系尘埃偏振光的影响。在分析了根据普朗克的其他数据分解出来的数据后，弗劳格得出结论，在没有更多数据的情况下，没有办法判断在移除掉尘埃的影响后这个暴胀信号是否会依然存在。“根据我估计的范围，如果是较低的估值的话，那么看起来一切可能都是好的。”他说，“如果是较高的估值的话，那么尘埃可以构成整个信号。”

另一个独立的分析也支持弗劳格的结论。加州大学伯克利分校的宇宙学家迈克尔·莫特森（Michael Mortonson）和乌罗什·塞利亚克将BICEP2的数据与之前公布的普朗克测得的温度分布情况示意图结合。温度可间接体现尘埃偏振光的强度。在2014年5月22日arXiv.org网站上的一篇文章中，莫特森和S塞利亚克坚称数据中没有明显的证据表明存在引力波。“我们并不是说绝对没有来自暴胀的信号。”莫特森说，“但是考虑到不确定性，我们不能确切地表明信号是来自哪种方式，或者全部来自尘埃，或者全部来自暴胀，又或者是这两者的某种组合。”

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：BICEP2（left）：Steffen Richter/Harvard Univ.；Planck（right）：ESA，AOES Medialab；Chart：E. Otwell

透过尘埃观测　BICEP2（左图）在150GHZ频率上测量了光的偏振情况。在这个频率上，宇宙微波背景的古老的光（如下图中红线所示）被估算来绘出尘埃和其他银河系中的源所辐射出的光的轮廓（蓝线所示）。普朗克（右图）的数据在七个频率上均有测量，可以解决这一争论。

普朗克最近公布的遍及大部分天空的偏振情况示意图为BICEP项目的批评者提供了更多“弹药”。尽管这个示意图不包括BICEP2观测的那一小片天空区域（该区域仍在分析中），弗劳格认为新的示意图显示出整个天空中的偏振情况普遍强于BICEP项目的研究人员在他们的计算中所使用的尘埃偏振强度。这个示意图还揭示了，银河系中尘埃密度较低的区域会发出高度偏振的光，莫特森如是说。既然BICEP2观测的那片天空的尘埃密度很低，那么因尘埃而造成的偏振或许会高于假定的强度。

尽管最近遭受到接二连三的挑战，但是BICEP项目的研究人员没有退缩。该团队中来自加州理工学院的天体物理学家杰米·博克指出，BICEP的分析并不是仅仅依赖于数字化了的普朗克图像。研究人员也使用了六个关于尘埃如何影响偏振情况的理论模型。这些模型主要是根据较老的数据提出的。

该团队也拿到了来自BICEP2的前任BICEP1的数据。BICEP1在两个频率上观测了同一片天空。BICEP1的数据也主张在这片天空中尘埃的污染很低。博克说：“我们支持我们自己的数据。”

2014年晚些时候，当普朗克望远镜的科学家公布他们所有的偏振数据时，真正的考验就要来到了，博克如是说。他为普朗克和BICEP2都曾设计过探测器。通过将7个频率上的所有数据拼凑在一起，天文学家应该能够推断出BICEP2的观测所受到的来自尘埃的影响有多强烈。然而，一些科学家担心普朗克没有能力确认或者拒绝BICEP的发现。诺克斯说：“一开始，普朗克并不是被设计用于探测偏振的。”普朗克的主要任务是测量宇宙微波背景的亮度；工程师大幅修改了原设计，增加了其测量偏振的能力。

如果普朗克不能解决这一争议，那么其他望远镜可能会有所帮助。凯克阵列，由BICEP团队操控的第二个南极望远镜，正在在另一个频率上吸收微波的光。博克说，凯克的灵敏度应该会超越BICEP1的灵敏度，填补空白。另外，在其他站点进行的至少六个实验也正在试图复制BICEP2的发现。

现在，大家需要耐心等待数据。诺克斯说，在经历了2014年3月公布这一发现时的兴奋后，很难有耐心等待，但是没有人希望盲目相信这一发现，因为它可能最终只是风中之尘。“这是一个具有如此非凡意义的结论，”他说，“所以现在情绪上很难接受它依然不确定的这一事实。”

尘埃获胜

新数据并不支持BICEP2的结果。

克里斯托弗·克罗克特

2014年3月，一个研究小组宣布发现了来自宇宙初期的原始引力波信号。研究人员使用南极的BICEP2望远镜发现了大爆炸之后不久建立的空间结构中的涟漪。该信号被解释为引力波。而欧洲空间局的普朗克卫星观测得到的新数据为这一新发现带来了诸多难题。普朗克卫星的数据表明银河系中的尘埃或许可以解释这个被认为是引力波的信号。

如果BICEP2的观测得到支持的话，那么这将会是宇宙早期暴胀时期的第一个直接证据。暴胀时期是指宇宙早期爆炸性快速膨胀的一段很短的时期。

然而，在这一发现宣布后的几个月，各种怀疑浮出了水面。许多研究人员怀疑BICEP2团队考虑的银河系尘埃的数量是否适当。银河系尘埃的影响可能会干扰观测结果。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Planck Collaboration，Adapted by E. Otwell

布满尘埃的天空　普朗克测量了整片天空中的尘埃，发现被严重污染的区域（红色）和其他相对较干净的区域（蓝色）。左图为银面之上的天空，右图则为银面之下的天空。中心为银极，圆圈象征银纬，圆圈越大，银纬越低。下图中盒状的黑线为BICEP2所观测的那片区域。

2014年9月21日，公布在arXiv.org网站上的普朗克卫星的结果坚定地指出BICEP2并没有看到引力波，观测到的信号只是我们银河系中的尘埃。

“比起他们考虑到的，在BICEP2的信号中有更多的尘埃。”欧洲空间局的一名天文学家，同时也是普朗克项目组的成员，简·陶伯表示。但是，他指出，依然还存在足够的不确定性，数据中仍然可能潜伏着引力波。

BICEP2和普朗克都观测了宇宙微波背景辐射——宇宙大爆炸之后的38万年原始“浓雾”中开始形成原子时释放出的第一缕光。BICEP2通过寻找微波中的旋涡状结构或者偏振模式来搜寻引力波。它盯着天空中的一片区域看了将近三年。

但是星际尘埃——煤灰似的碳和硅的颗粒——可以模拟引力波的偏振模式。BICEP2的研究人员根据6次银河系尘埃的估计将尘埃的因素考虑了进去。他们也选择了一块尘埃应该比较稀疏的天空。

BICEP2比普朗克更灵敏，但是它只能在一个频率150千兆赫上测量光，在这个频率上很难探测到尘埃。普朗克在七个频率上绘制出了整个天空的偏振情况，其中几个频率对尘埃更灵敏。那些更高的频率提供了对整个天空中尘埃偏振情况的首次直接测量。“这是一个重大的改变，现在对这个数据中的污染物有了一个更精确的估计。”加州大学的一名宇宙学家，同时也是普朗克团队的一员，劳埃德·诺克斯说。BICEP2根据计算来猜测尘埃干扰的影响。

BICEP2团队的领导者之一、加州福尼亚理工学院的宇宙学家杰米·博克承认，原始分析可能高估了引力波的强度。“尘埃的影响是显著的。”他说。但是现在还太早，并不知道整个信号是否都是来自尘埃。“这个分析与BICEP2发布的信号也并不是一对一的比较。”他说。

这是因为BICEP2上的装置与普朗克上的非常不同。此外，普朗克对BICEP2数据的解释依据于将353千兆赫频率的观测降到BICEP2的频率150千兆赫的外推的结果。这个外推是根据整个天空的中等频率的观测。但是不能保证BICEP2监测的那片天空中的尘埃与天空中其他区域内的尘埃的影响一致。

2014年7月，这两个团队宣布他们将会分享数据来解决存在的争议。他们计划在2014年11月下旬公布分析结果。

与此同时，许多宇宙学家，包括BICEP2和普朗克的成员，强调当前的图景并不是最终的结论。“结果不是决定性的。”诺克斯说。

费米国家加速实验室的斯科特·都德尔逊，对此表示同意。虽然普朗克的结果暗示尘埃是罪魁祸首，但是他说：“其他方式仍然有很大的空间。”

普朗克发现天空中没有任何一个区域是完全没有尘埃的，但是一些区域比BICEP2选择的更干净些。“对于许多其他寻找引力波的实验来说，这将会影响到将来的策略。”诺克斯表示。

“这些数据是无价的。”SPIDER实验的负责人、普林斯顿大学的宇宙学家威廉·琼斯说。SPIDER实验是指一个气球携带实验，在两个频率进行观测，寻找引力波。这个气球于2014年12月在南极升空。

普朗克绘制的地图将会帮助SPIDER团队设计观测以及选择出尘埃最少的区域。如果来自天空中不同区域的数据彼此之间一致的话，那么它们在宇宙微波背景方面可能有一个共同的起源。然后研究团队就可以确信SPIDER看到了宇宙诞生时的引力回声了。

BICEP2低估了尘埃的影响

空间涟漪可能存在，但是搜寻将需要继续。

安德鲁·格兰特

来自宇宙曙光的一个令人难以捉摸的信号仍然还是未弄清楚。

刻印在宇宙第一缕光中、被科学家解释为时空中的涟漪的信号，其中大部分都来自银河系内的尘埃。前不久BICEP2团队的一个发现可能是关于宇宙暴胀的首个直接证据。暴胀是大爆炸之后的一个短暂的时期，在此期间宇宙快速膨胀。但是BICEP2团队和普朗克太空望远镜的科学家合作的一项新的研究，抹杀了这个发现。

这个宣布于2015年1月30日的分析结果并不意味着暴胀是错误的，或者这个被称为引力波的原初涟漪是不存在的。但是在适当考虑到尘埃的影响之后，科学家一致认为这个证据不足以支持原来的说法。

“存在原初引力波，这是完全合理的。”卡内基梅隆大学的宇宙学家拉斐尔·弗劳格说，“但是现在的实验只是不够准确。”

2014年3月，研究人员宣称，BICEP2，一架南极望远镜，探测到CMB的B-模式。CMB是指宇宙微波背景，该辐射产生于大爆炸之后的38万年。研究团队称，当空间网络快速延展时，这种模式被印在了CMB中。

然而，在我们银河系中的碳和硅的碎片向外辐射的光也“印有”这种涡旋模式，且与引力波的特征不可区分。

BICEP2团队加入普朗克项目的科学家，来仔细研究BICEP2测量的这片天空。BICEP2只测量了处于一个频率上的光。而普朗克则拍摄了一个更宽的光谱，这可以允许科学家隔离出更倾向于发出某特定频率的光的尘埃的影响。最新的巡天数据证实BICEP2低估了银河系内尘埃的影响。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：Planck Collaboration/ESA，Acknowledgment：M.-A. Miville-Deschenes/CNRS

普朗克卫星分析了BICEP2测量的同一片天空（白线圈出的区域）。黄色和红色区域包含着最多的尘埃。

虚拟的宇宙重现了130多亿年的历史

克里斯托弗·克罗克特

“如果你想从零开始制作一个苹果派，”卡尔·萨根说，“那么首先，你必须创造出宇宙。”关于宇宙演化的一个新的模拟，Illustris项目，是一个开始。由麻省理工学院的天体物理学家马克·沃格尔斯伯杰（Mark Vogelsberger）领导的Illustris是目前关于宇宙最细节、最全面的模拟，而且它生成了一个类似于如今景象的宇宙。“我们了解宇宙的唯一途径就是通过望远镜来观察它。”沃格尔斯伯杰说。他还补充道，检验关于宇宙演化的理论的途径是建立模拟。2014年5月8日发表在《自然》杂志上的、由模拟得到的一个观点是关于超大质量黑洞在星系成形中所起的作用。当黑洞吞噬气体时，它会向外喷出携带能量的气泡。这些气泡在宇宙中扩散到成千上万光年远处。如果没有这些喷发，宇宙将会很不同：星系将会更大。Illustris追踪了将近3.5亿光年远处的一个立方体内的120亿个网格胞随着宇宙从大爆炸之后的1200万年演化到今天的踪迹。完成这个模拟需要中央处理机运行1900万个小时，相当于在一个处理器上运行超过2000年。