圖片來(lái)源：ALMA/ESO

(資料圖)

2000多年前，人類(lèi)對(duì)于星空宇宙的探索只能憑借肉眼和想象，因此對(duì)宇宙的理解和發(fā)現(xiàn)在幾十年甚至上百年或許都不會(huì)有大的突破。然而在距今400多年前，意大利科學(xué)家伽利略將那個(gè)簡(jiǎn)陋的望遠(yuǎn)鏡指向天空，他從來(lái)沒(méi)有想到這個(gè)小小的舉動(dòng)引發(fā)了對(duì)宇宙探索的深刻變革。從最初的2.5 cm口徑望遠(yuǎn)鏡，到目前最大10 m口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)波段從最初狹窄的可見(jiàn)光擴(kuò)展到從射電、紅外、紫外到X射線和γ射線全部電磁波段，觀測(cè)手段從光子擴(kuò)展到粒子，尤其新近探測(cè)到的引力波，打開(kāi)了一個(gè)探索宇宙的新窗口。

天文學(xué)是一門(mén)觀測(cè)的學(xué)科，天文觀測(cè)設(shè)備的先進(jìn)程度決定著天文學(xué)的水平程度。令人欣喜的是，中國(guó)在過(guò)去的十幾年中，望遠(yuǎn)鏡硬件技術(shù)和空間技術(shù)逐步提高，建成了世界最大口徑的500 m射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射了中國(guó)第一顆X射線衛(wèi)星，也有了精度很高的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星，這些不同類(lèi)型的望遠(yuǎn)鏡或探測(cè)器都在逐步彌補(bǔ)中國(guó)與世界天文發(fā)現(xiàn)和研究的差距。

在這些天文利器的幫助下，宇宙探索向著更深更大的方向發(fā)展，天文探索也是日新月異。本文遴選2017年天文學(xué)領(lǐng)域的5項(xiàng)熱點(diǎn)研究和4個(gè)大型天文設(shè)備進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)前景進(jìn)行展望。

研究進(jìn)展

LIGO 黑洞探測(cè)成常態(tài)并獲2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，開(kāi)啟多信使天文學(xué)時(shí)代

2017 年天文學(xué)的絕對(duì)熱點(diǎn)必然還是屬于引力波探測(cè)。引力波繼續(xù)延續(xù)著之前的探測(cè)神話，不僅發(fā)現(xiàn)了更多的黑洞天體，使得LIGO團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)始人毫無(wú)懸念地獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與此同時(shí)，中子星合并引力波和電磁對(duì)應(yīng)體的直接聯(lián)合探測(cè)，更是開(kāi)啟了引力波多信使天文學(xué)，再次掀起了引力波研究的更大熱潮。

2016年2月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)宣布第一例引力波事件被LIGO在2015年9月直接探測(cè)，這次發(fā)現(xiàn)不僅確認(rèn)了黑洞的存在，看到一個(gè)前所未見(jiàn)的宇宙，更重要的是打開(kāi)了一扇新的觀測(cè)窗口。自從其被宣布直接探測(cè)到的那一刻起，引力波獲得諾貝爾獎(jiǎng)的呼聲隨之響起。盡管最早的幾位創(chuàng)始人在2016年幾乎拿遍了所有的大獎(jiǎng)，但遺憾的是，2016年的諾貝爾獎(jiǎng)并沒(méi)有被授予引力波。2017年，LIGO聯(lián)合VIRGO有條不紊地公布了幾次探測(cè)到新的黑洞合并事件。隨著LIGO/VIRGO探測(cè)黑洞合并事件的常態(tài)化，LIGO的幾位創(chuàng)建者也獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管引力波為探測(cè)宇宙打開(kāi)了一個(gè)新的窗口，只有引力波探測(cè)器和目前成熟的電磁波望遠(yuǎn)鏡結(jié)合在一起才能發(fā)揮更大效用。不過(guò)遺憾的是，因?yàn)殡p黑洞合并不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，所以擁有著眾多強(qiáng)大探測(cè)能力的電磁波望遠(yuǎn)鏡在此發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮不了作用，因此天文學(xué)家更是期盼著探測(cè)到另外一種引力波源——雙中子星合并。此類(lèi)事件不僅會(huì)有引力波產(chǎn)生，并且伴隨很強(qiáng)的電磁波產(chǎn)生。原本這一事件預(yù)計(jì)在2020年可以看到，然而就在VIRGO加入LIGO聯(lián)同觀測(cè)的2017年8月17日，這兩組望遠(yuǎn)鏡就探測(cè)到了來(lái)自于這個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)。此后的幾十天中，吸引了全球眾多的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學(xué)家獲得一個(gè)消息，LIGO和VIRGO探測(cè)器探測(cè)到了一個(gè)持續(xù)100 s左右的新引力波信號(hào)，其形式與2個(gè)中子星的并合相一致。GW170817引力波信號(hào)到達(dá)之后大約1.7 s，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的費(fèi)米衛(wèi)星搭載的伽瑪暴監(jiān)測(cè)器（GBM和歐洲INTEGRAL望遠(yuǎn)鏡搭載的SPI-ACS探測(cè)器均探測(cè)到一個(gè)暗弱的短時(shí)標(biāo)伽馬射線暴，并將其命名為GRB170817A）（圖1）。因?yàn)闀r(shí)間和空間的一致性，被認(rèn)為是跟引力波事件成協(xié)。在得知這一令人振奮的消息幾分鐘內(nèi)，世界各地的望遠(yuǎn)鏡就開(kāi)始了忙碌的觀測(cè)。之后的幾周內(nèi)，天文學(xué)家在光譜不同波段上（X射線、光學(xué)和射電等）都投入了可能的觀測(cè)設(shè)備，對(duì)那一區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。這些觀測(cè)對(duì)這一災(zāi)變性事件提供了從并合前約100 s到并合后數(shù)周的全面描述。盡管此源發(fā)生在南天區(qū)，中國(guó)的HXMT“慧眼”衛(wèi)星和南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3還是有幸參加了這次科學(xué)發(fā)現(xiàn)的盛事，其中AST3對(duì)其光學(xué)對(duì)應(yīng)體進(jìn)行了10多天的追蹤觀測(cè)，得到了重要的光學(xué)數(shù)據(jù)觀測(cè)。

圖1 LIGO引力波信號(hào)結(jié)束的時(shí)間和伽瑪暴的開(kāi)始時(shí)間相差大約2 s

（圖片來(lái)源：LIGO-VIRGO）

引力波和電磁波的聯(lián)合觀測(cè)不僅促使100余篇文章發(fā)表（包括1篇由全球953家科研機(jī)構(gòu)的3674名研究人員聯(lián)合撰寫(xiě)的發(fā)現(xiàn)性論文），也產(chǎn)生了許多重要的科學(xué)結(jié)果。這次觀測(cè)確認(rèn)了短伽瑪暴的起源問(wèn)題（圖2）：產(chǎn)生于2個(gè)中子星并合，確認(rèn)了理論預(yù)言的千新星，同時(shí)也幫助確認(rèn)了雙中子星合并是重金屬來(lái)源的一個(gè)主要方式，還獨(dú)立測(cè)量了宇宙膨脹速度。因此引力波和電磁波聯(lián)合必將對(duì)于宇宙學(xué)研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。400年前伽利略將望遠(yuǎn)鏡指向天空，從而改變了人們認(rèn)識(shí)宇宙的方式。而引力波結(jié)合目前成熟的電磁波探測(cè)方式，也必將開(kāi)啟一個(gè)新的觀測(cè)時(shí)代。

圖2 雙中子星旋近，最終合并產(chǎn)生千新星的過(guò)程（圖片來(lái)源：LIGO-VIRGO）

發(fā)現(xiàn)7 顆類(lèi)地行星，3 顆處于宜居區(qū)

2017年2月23日NASA公布了一項(xiàng)令人既吃驚又興奮的新發(fā)現(xiàn)：科學(xué)家通過(guò)斯皮策紅外太空望遠(yuǎn)鏡，利用凌星法，在距離地球39光年的區(qū)域，首次在恒星TRAPPIST-1周?chē)l(fā)現(xiàn)7個(gè)地球大小的行星，更重要的是，其中3顆行星位于宜居帶內(nèi)（圖3）。

圖3 TRAPPIST-1系統(tǒng)圖（圖片來(lái)源：NASA）

如果能夠找到地外生命，這將是人類(lèi)歷史上最為偉大的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。自20世紀(jì)50年代的費(fèi)米悖論開(kāi)始，科學(xué)家就通過(guò)科學(xué)方式追尋著這個(gè)目標(biāo)。隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，第一顆系外行星在20 世紀(jì)90 年代初被發(fā)現(xiàn)。而在過(guò)去的幾年中探測(cè)技術(shù)日臻成熟，在太空衛(wèi)星的幫助下，發(fā)現(xiàn)系外行星的數(shù)目激增，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3724顆系外行星（截至2017年12月24日）。作為尋找地外生命的第一步，首先是尋找可能支撐生命存在的行星，也就是宜居區(qū)內(nèi)的行星。截至目前，僅發(fā)現(xiàn)了10多顆宜居區(qū)內(nèi)的系外行星。而這10多顆中的有3顆是2017年在恒星TRAPPIST-1周?chē)l(fā)現(xiàn)的。

確認(rèn)行星本身的存在和數(shù)量比較容易，而確定行星的構(gòu)成則相對(duì)比較困難，需要對(duì)行星的質(zhì)量和半徑進(jìn)行測(cè)量后，才有可能做出估計(jì)。對(duì)于目前探測(cè)到的絕大多數(shù)系外行星而言，因?yàn)橘|(zhì)量和半徑不易測(cè)量，因此很難最終確定行星的構(gòu)成。

在此次新發(fā)現(xiàn)的七星系統(tǒng)中，7顆行星距離恒星TRAPPIST-1都非常近，行星運(yùn)行的軌道平面又非常適于觀測(cè)，天文學(xué)家才有機(jī)會(huì)確定這些行星的性質(zhì)。這7顆行星與它們母星的距離如果以太陽(yáng)系做類(lèi)比的話，這7顆地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內(nèi)。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽(yáng)距離的1/100，水星到太陽(yáng)距離的1/30；最遠(yuǎn)的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽(yáng)距離的1/6。正是因?yàn)榫嚯x甚近，7 顆行星的公轉(zhuǎn)周期很短——最短的1.5 d，最長(zhǎng)的也只有20 d。天文學(xué)家在利用美國(guó)斯皮策紅外望遠(yuǎn)鏡對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)20 d的觀測(cè)后，就很好地了解了所有這些行星的基本性質(zhì)。當(dāng)然，因?yàn)槔掀咦钸h(yuǎn)，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和它的轉(zhuǎn)動(dòng)周期差不多，因此天文學(xué)家在這20 d里對(duì)它的了解是最少的。

無(wú)論如何，這一發(fā)現(xiàn)刷新了太陽(yáng)系外圍繞一顆恒星運(yùn)行的宜居行星數(shù)量。在此前發(fā)現(xiàn)的10多個(gè)宜居類(lèi)地系統(tǒng)中，每個(gè)系統(tǒng)中都只有1顆宜居行星。而這一次，在一個(gè)系統(tǒng)中找到3顆宜居行星，是前所未有的。這是目前宜居行星最多的系統(tǒng)，即使在太陽(yáng)系，包括可能的火星，也只有2個(gè)宜居行星。麻省理工學(xué)院教授Sarah Seager說(shuō)，“從無(wú)到有（指此次在一個(gè)恒星周?chē)嬖诙鄠€(gè)類(lèi)地系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)）通常困難重重，但從1到更多會(huì)相對(duì)更容易?！贝舜味鄠€(gè)類(lèi)地行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，或許會(huì)為地外生命的探尋開(kāi)辟一個(gè)新的方向，讓我們期待來(lái)年更多的發(fā)現(xiàn)。

找到首顆奇特超新星，最近至少爆發(fā)5 次

超新星是恒星死亡時(shí)所產(chǎn)生的劇烈爆發(fā)，在宇宙中極為普遍。目前探測(cè)到的所有超新星都是只有一次爆發(fā)，然而在2017年11月《Nature》發(fā)表的一篇文章，觀測(cè)到了一個(gè)非常奇特的超新星，這顆超新星至少爆發(fā)了多達(dá)5次，這是前所未有的。

這顆超新星最早由美國(guó)的iPTF團(tuán)隊(duì)所發(fā)現(xiàn)，根據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)間被命名為iPTF14hls。然而這個(gè)超新星被探測(cè)到之時(shí)，已經(jīng)處于亮度下降的階段，所以當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起該團(tuán)隊(duì)的重視，也沒(méi)有公開(kāi)數(shù)據(jù)。之后這個(gè)超新星也分別被其他2個(gè)不同的團(tuán)隊(duì)在巡天項(xiàng)目中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)是清華大學(xué)教授王曉鋒的超新星巡天團(tuán)隊(duì)，他們利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站80 cm的TNT望遠(yuǎn)鏡在2014年11月14日發(fā)現(xiàn)了此超新星。然而在探測(cè)到之后不久，他們注意到此超新星亮度開(kāi)始上升，這是前所未有的（圖4）。

圖4 超新星iPTF14hls爆發(fā)想象圖（圖片來(lái)源：NASA）

2015年1月，王曉峰團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的2.16 m光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)此超新星進(jìn)行了一系列光譜觀測(cè)，得到了此超新星最早的幾條光譜，并且發(fā)表在《國(guó)際天文學(xué)通報(bào)》雜志上。此超新星的光譜表現(xiàn)出很強(qiáng)的P Cygni線，這是一個(gè)由運(yùn)動(dòng)氣體的吸收和發(fā)射共同導(dǎo)致的譜線。根據(jù)此特征，這個(gè)超新星被分類(lèi)為IIP型，也就是富氫的大質(zhì)量恒星核塌縮超新星。IIP型的超新星很普遍，并不是特別有趣。對(duì)于這個(gè)超新星最為異常的是，通常的超新星只爆發(fā)一次，在光變曲線上只有一個(gè)峰值，而對(duì)于這顆超新星結(jié)果發(fā)現(xiàn)了多個(gè)峰值，達(dá)5個(gè)，這是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一例。

通過(guò)對(duì)此超新星拋射物質(zhì)速度的監(jiān)測(cè)，從而推斷出拋射物質(zhì)的質(zhì)量至少是大于45個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。對(duì)于此超新星的多次爆發(fā)并沒(méi)有一個(gè)很好的解釋?zhuān)壳坝锌茖W(xué)家傾向于pusational pair-instability supernova，但是并沒(méi)有定論，對(duì)于它的理解肯定會(huì)改變我們對(duì)于超新星的認(rèn)識(shí)。

更有意思的是，天文學(xué)家在之前的Palomar的巡天數(shù)據(jù)中看到，這顆超新星早在1953年時(shí)就有過(guò)一次爆發(fā)，在1993年的另外一次巡天項(xiàng)目中就消失了，因此這顆超新星很早之前就有過(guò)類(lèi)似的爆發(fā)。目前不知此超新星之后還會(huì)不會(huì)爆發(fā)，或許還有更大型的爆發(fā)在等著我們。

“悟空”獲得精度最高的電子宇宙射線能譜

暗物質(zhì)是21世紀(jì)科學(xué)研究的重要疑難問(wèn)題之一。2015 年底發(fā)射升空的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”（DAMPE），在正常運(yùn)行近2年后，于2017年12月公布首個(gè)物理結(jié)果，宣布其觀測(cè)到高能能譜。比較有趣的是，“悟空”衛(wèi)星首次直接測(cè)量到了電子宇宙射線能譜在~1 TeV處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對(duì)于判定部分（能量低于1 TeV）電子宇宙射線是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用（圖5）。

圖5 “悟空”衛(wèi)星得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色）、美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果（藍(lán)色）、丁肇中團(tuán)隊(duì)的阿爾法磁譜儀的測(cè)量結(jié)果（綠色）的比較（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）

暗物質(zhì)探測(cè)的主要方式有上天、入地和對(duì)撞機(jī)。就上天探測(cè)而言，WIMP的反粒子就是其本身，當(dāng)它和其他WIMP發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)湮滅產(chǎn)生特定能量的高能光子或者電子正負(fù)對(duì)。這就是上天探測(cè)的原理。中國(guó)發(fā)射的“悟空”衛(wèi)星就是用于探測(cè)高能光子和電子的能譜，從而希望發(fā)現(xiàn)可能的暗物質(zhì)信號(hào)。

“悟空”衛(wèi)星采用了中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)自主提出的分辨粒子種類(lèi)的新探測(cè)技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能（5 GeV~10 TeV）電子、伽馬射線的“經(jīng)濟(jì)適用型”觀測(cè)?！拔蚩铡毙l(wèi)星的電子宇宙射線的能量測(cè)量范圍比國(guó)外的空間探測(cè)設(shè)備（AMS-02，F(xiàn)ermi-LAT）有顯著提高，拓展了觀察宇宙的窗口；“悟空”衛(wèi)星測(cè)量到的TeV電子的“純凈”程度最高（也就是其中混入的質(zhì)子數(shù)量最少），能譜的準(zhǔn)確性高。

“悟空”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)初步顯示在~1.4TeV處存在能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)。不過(guò)對(duì)于這個(gè)能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟壳暗闹眯哦容^低（低于3sigma），所以還有待以后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)。“悟空”衛(wèi)星目前運(yùn)行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，或許到時(shí)真的有機(jī)會(huì)揭開(kāi)暗物質(zhì)的神秘面紗。

奧陌陌：首個(gè)星際訪客

2017年10月19日，進(jìn)行常規(guī)近地天體監(jiān)測(cè)的泛星計(jì)劃（Pan-STARRS）偶然發(fā)現(xiàn)了第一顆系外天體，極高的偏心率預(yù)示著其獨(dú)特的來(lái)源。

泛星計(jì)劃是一臺(tái)位于夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文臺(tái)1.8 m口徑的望遠(yuǎn)鏡，希望通過(guò)全天的快速掃描，比較同一天區(qū)的不同時(shí)間圖像，從而發(fā)現(xiàn)潛在的、新的近地天體。在發(fā)現(xiàn)可能的近地天體后，進(jìn)一步計(jì)算運(yùn)行軌道，并對(duì)可能對(duì)地球造成危害的天體提前做出反應(yīng)預(yù)警。

根據(jù)現(xiàn)有的行星形成理論，恒星-行星系統(tǒng)在形成之初，會(huì)殘留有大量的小行星，這些小行星在巨行星向內(nèi)移動(dòng)的過(guò)程中會(huì)與之相互作用，很大一部分會(huì)被散射出恒星-行星系統(tǒng)，在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的飛行后進(jìn)入其他恒星-行星系統(tǒng)。理論學(xué)家已經(jīng)預(yù)測(cè)太陽(yáng)系中存在著很多來(lái)自于其他系統(tǒng)的小天體，尤其是彗星，并為之尋找了幾十年。但是因?yàn)榻^大多數(shù)很小，或者距離地球比較遠(yuǎn)，很難被發(fā)現(xiàn)。

此系外天體是由夏威夷大學(xué)天文系博士后Rob Weryk所發(fā)現(xiàn)，之后利用更大口徑的望遠(yuǎn)鏡追蹤觀測(cè)表明，此天體的軌道非常極端：雙曲線軌道偏心率達(dá)到了1.19，這是目前已知最高的。如此高的偏心率表明這是一個(gè)來(lái)自于太陽(yáng)系之外的天體，是目前為止發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)。

首次發(fā)現(xiàn)源自太陽(yáng)系外的天體，不管是科學(xué)家還是大眾，都非常興奮。根據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)間和類(lèi)別，被國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（Internatioanl Astronomical Union）給予了一個(gè)永久的科學(xué)名字1I/2017 U1，“1I”中的字母“I”表示星際天體，“1”是此類(lèi)天體中的第一個(gè)。除科學(xué)名稱(chēng)外，還有一個(gè)昵稱(chēng)，作為此天體的發(fā)現(xiàn)者，泛星計(jì)劃望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)家用夏威夷當(dāng)?shù)氐耐琳Z(yǔ)為它命名“`Oumuamua”，意思是“第一位來(lái)自遠(yuǎn)方的使者”，它的中文名也被全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)天文學(xué)名詞審定委員會(huì)確定為“奧陌陌”（圖6）。

圖6 “奧陌陌”外觀想象圖（圖片來(lái)源：ESO/M Kornmesser/PA）

大型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)表明，此天體并沒(méi)有暈，所以排除了是彗星的可能性。其他的更多觀測(cè)對(duì)此天體的形狀也做出了限制，發(fā)現(xiàn)它呈現(xiàn)一個(gè)雪茄狀，大約長(zhǎng)400 m，寬40 m，顏色偏紅，具有固態(tài)表面，不能確定是巖石還是金屬構(gòu)成。它的形狀也讓人非常困惑，到目前為止，還沒(méi)有在太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)現(xiàn)過(guò)此類(lèi)形狀的小行星。按照現(xiàn)有的觀測(cè)和計(jì)算結(jié)果，此天體在2017年9月9日達(dá)到了近日點(diǎn)，以約40 km/s的速度離開(kāi)太陽(yáng)系，并于11月1日經(jīng)過(guò)了火星軌道上空。因?yàn)榇颂祗w很小很暗，對(duì)它的觀測(cè)將持續(xù)到2017年12月中旬，在此之后，由于太暗的緣故，即使使用地球上最大口徑的望遠(yuǎn)鏡，也很難再觀測(cè)到了。

天文儀器

視界面望遠(yuǎn)鏡首次進(jìn)行黑洞成像觀測(cè)

對(duì)于黑洞的形象，即使做了幾十年黑洞研究的科學(xué)家，也不是很確定。不過(guò)在2017年，科學(xué)家終于為黑洞拍下了第一張真正的照片。在2017年4月5—14日，由麻省理工學(xué)院科學(xué)家聯(lián)合全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家開(kāi)展了一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測(cè)計(jì)劃，利用分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（圖7），人類(lèi)或?qū)⒌谝淮慰吹胶诙吹囊暯缑妗＿@個(gè)虛擬的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為“視界面望遠(yuǎn)鏡”（event horizon telescope，EHT），其有效口徑尺寸可達(dá)到地球直徑大小，它由兩個(gè)相距最遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡距離決定。

圖7 望遠(yuǎn)鏡全球分布示意

黑洞，一個(gè)連光都難以逃脫的天體，自從被廣義相對(duì)論在1916 年理論預(yù)言，人們就一直對(duì)它充滿了好奇。20世紀(jì)60年代天鵝座黑洞X-1的偶然發(fā)現(xiàn)，成為黑洞的第一個(gè)候選體。到目前為止，天鵝座X-1黑洞已經(jīng)被確認(rèn)，許多其他的黑洞也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。根據(jù)黑洞質(zhì)量的大小，天文學(xué)家將之劃分為恒星量級(jí)的黑洞和超大質(zhì)量的黑洞。天鵝座X-1黑洞就是恒星量級(jí)黑洞的經(jīng)典代表，而銀河系中心的黑洞Sgr A*是超大質(zhì)量黑洞的代表。

黑洞自身不發(fā)光，難以直接探測(cè)，科學(xué)家通常采用“曲線救國(guó)”方式，即利用觀察周?chē)阈堑倪\(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量質(zhì)量，如果超過(guò)一定質(zhì)量或者在狹小的空間之內(nèi)質(zhì)量過(guò)大，就可以判斷其為黑洞，然而最為確定的方式是直接觀測(cè)到黑洞。

視界面望遠(yuǎn)鏡此次觀測(cè)目標(biāo)主要有兩個(gè)，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中的黑洞。之所以選定這兩個(gè)黑洞作為觀測(cè)目標(biāo)，是因?yàn)樗鼈兊囊暯缑嬖诘厍蛏峡雌饋?lái)是最大的。其他黑洞因?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)或質(zhì)量大小有限，觀測(cè)的難度更大。

要想看清楚兩個(gè)黑洞視界面的細(xì)節(jié)，視界面望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高，需比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上?？茖W(xué)家之前可以利用單個(gè)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)黑洞周?chē)阈俏恢玫臏y(cè)量，但是相較于恒星與黑洞之間的距離尺度（約在光年尺度以上，1光年=9.5×1012 km），視界面的尺度太過(guò)微?。ㄖ辽傩?05倍），因此利用單個(gè)鏡面很難完成。為增強(qiáng)空間分辨率，需采用“干涉”技術(shù)，即利用多個(gè)位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟。

根據(jù)視界面望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目組成員、馬普射電天文研究所所長(zhǎng)Michael Kramer所言，“所有觀測(cè)結(jié)果都很好，而且南極觀測(cè)數(shù)據(jù)也已經(jīng)拿到”。因?yàn)橐暯缑嫱h(yuǎn)鏡要處理的數(shù)據(jù)量巨大，為黑洞“洗照片”的耗時(shí)恐怕有些漫長(zhǎng)，黑洞的面貌究竟是否真如作家、藝術(shù)家或電影導(dǎo)演所呈現(xiàn)的那般，讓我們期待2018年。

“慧眼”衛(wèi)星發(fā)射成功，開(kāi)啟中國(guó)X射線天文學(xué)時(shí)代

2017年6月15日上午11時(shí)，中國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”（HXMT）從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空（圖8）。

圖8 HXMT衛(wèi)星發(fā)射升空

由于地球大氣的吸收，對(duì)天體X射線的觀測(cè)只能在大氣層之上進(jìn)行。自1970年世界首顆天文X射線衛(wèi)星Uhuru發(fā)射以來(lái)，人類(lèi)至今共發(fā)射了50多臺(tái)X射線天文望遠(yuǎn)鏡，如NASA 的Chandra 和歐洲航天局的XMM-Newton。中國(guó)由于技術(shù)和經(jīng)費(fèi)原因，HXMT的研制過(guò)程異常艱辛。如今在科學(xué)家20多年的不懈努力之下，“慧眼”上天，中國(guó)X射線天文學(xué)時(shí)代終于到來(lái)。

“慧眼”又名硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（hard X-ray modulation telescope，HXMT），主要載荷包括高能X射線望遠(yuǎn)鏡（能區(qū)20~250 keV，面積5000 cm2）、中能X射線望遠(yuǎn)鏡（5~30 keV，952 cm2）、低能X 射線望遠(yuǎn)鏡（1~15keV，384 cm2）和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器，利用簡(jiǎn)單成熟的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高靈敏度快速成像?？茖W(xué)目標(biāo)是進(jìn)行X射線銀盤(pán)巡天，對(duì)可能的黑洞、中子星等X射線源進(jìn)行定點(diǎn)研究，同時(shí)對(duì)遙遠(yuǎn)的宇宙學(xué)距離上的伽馬射線暴進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

“慧眼”發(fā)射后，科學(xué)家對(duì)它進(jìn)行了詳細(xì)全面的在軌測(cè)試工作。經(jīng)過(guò)5個(gè)月的測(cè)試，HXMT衛(wèi)星和有效載荷的各項(xiàng)功能、性能均符合研制總要求，有效載荷工作原理和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)得到驗(yàn)證，取得了初步科學(xué)成果。尤其是參與了轟動(dòng)全球的雙中子星并合產(chǎn)生引力波及電磁對(duì)應(yīng)體事件的探測(cè)，對(duì)其伽馬射線電磁對(duì)應(yīng)體在百萬(wàn)電子伏特能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制，為理解該引力波事件做出了積極貢獻(xiàn)。

繼“慧眼”之后，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始著手研制其他項(xiàng)目的X射線衛(wèi)星，包括在軟X射線波段巡天的愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星（Einstein Probe）和專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行伽馬射線暴監(jiān)測(cè)的SVOM衛(wèi)星。此外，下一代旗艦型望遠(yuǎn)鏡——增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星（enhanced X-ray timing and polarimetry，eXTP）也在積極準(zhǔn)備申請(qǐng)中，其巨大的探測(cè)面積和高精度的時(shí)間分辨率將幫助科學(xué)家看到更精細(xì)的天體結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)更多的天文現(xiàn)象。

別了，卡西尼！

美國(guó)東部時(shí)間9月15日7∶45，“卡西尼號(hào)”（Cassini）探測(cè)器最終墜落在土星的大氣層中（圖9），自此結(jié)束了它20年的太空征程和13年的土星探索時(shí)期。因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，當(dāng)NASA接收到最后信號(hào)時(shí)，“卡西尼號(hào)”實(shí)際已經(jīng)消失83 min。

圖9 “卡西尼號(hào)”墜落想象圖（圖片來(lái)源：NASA）

該探測(cè)器20年間22次穿越土星與土星環(huán)之間，收集重要數(shù)據(jù)并拍下珍貴照片，總共向地球傳回635 GB科學(xué)數(shù)據(jù)、執(zhí)行了250萬(wàn)條指令，圍繞土星軌道近300次，發(fā)現(xiàn)了6個(gè)衛(wèi)星，并為泰坦（土衛(wèi)六）海底可能存在海洋提供了證據(jù)。

“卡西尼號(hào)”是“卡西尼-惠更斯號(hào)”探測(cè)器的一個(gè)組成部分?！翱ㄎ髂?惠更斯號(hào)”是美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局的一個(gè)合作項(xiàng)目，攜帶了27種最先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備，主要任務(wù)是對(duì)土星系進(jìn)行空間探測(cè)?！翱ㄎ髂崽?hào)”探測(cè)器以意大利出生的法國(guó)天文學(xué)家卡西尼的名字命名，其任務(wù)是環(huán)繞土星飛行，對(duì)土星及其大氣、光環(huán)、衛(wèi)星和磁場(chǎng)進(jìn)行深入考察。而搭載的“惠更斯號(hào)”是用來(lái)探測(cè)土星最大衛(wèi)星土衛(wèi)六的探測(cè)器。

1997年10月15日，“卡西尼-惠更斯號(hào)”從美國(guó)的卡納維拉角發(fā)射升空。從地球到土星，“卡西尼號(hào)”飛了7年。借助引力彈弓效應(yīng)，先后2次掠經(jīng)金星（1998年4月和1999年6月）、1次掠經(jīng)地球（1999年8月）、1次掠經(jīng)木星（2000年12月），最終抵達(dá)土星。

“卡西尼號(hào)”從2004年進(jìn)入土星軌道以來(lái)，已經(jīng)運(yùn)行了13年，飛掠泰坦多達(dá)127次。而隨“卡西尼號(hào)”一起的“惠更斯號(hào)”在2005年登陸泰坦，收集到了這顆土星衛(wèi)星的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，土衛(wèi)六是太陽(yáng)系中的第二大衛(wèi)星，因?yàn)槠浔砻娣植贾罅恳簯B(tài)烷烴，被懷疑可能存在生命。美國(guó)國(guó)家航空航天局猜測(cè)液態(tài)烷烴的海洋能夠支持生命，因?yàn)樵诘厍蛟缙谝灿蓄?lèi)似的大氣成分，嗜好烷烴的生命有可能在那兒生存。

“卡西尼號(hào)”原計(jì)劃在2008年就達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命，2017年“卡西尼號(hào)”攜帶的燃料所剩無(wú)幾，已經(jīng)沒(méi)有能力來(lái)改變它的飛行軌道。為了避免失去動(dòng)力的飛船撞向土星的衛(wèi)星，破壞后續(xù)的探測(cè)任務(wù)，因此NASA選擇讓它墜入土星大氣層自毀?！翱ㄎ髂崽?hào)”以極超音速進(jìn)入土星大氣層，短短幾分鐘內(nèi)便會(huì)熔化，化為灰燼。因?yàn)樘綔y(cè)器不會(huì)有任何大的有機(jī)分子幸存，而且土星并不是一顆適居性星球，這也是NASA決定讓“卡西尼號(hào)”墜毀土星的原因。

盡管“卡西尼號(hào)”已墜毀，它的2個(gè)繼任者已經(jīng)在籌備當(dāng)中，即將探索稍微靠近的木星系統(tǒng)。歐洲航天局的“果汁”（JUICE）任務(wù)將于2022年發(fā)射，探索木星和木衛(wèi)三系統(tǒng)。同年，美國(guó)國(guó)家航空航天局將利用新型超級(jí)運(yùn)載火箭SLS發(fā)射“歐羅巴快帆號(hào)”。這項(xiàng)任務(wù)投資20多億美元，將45次近距離飛躍木衛(wèi)二歐羅巴，研究這顆衛(wèi)星的宜居性。

FAST 首次探測(cè)到脈沖星

2017年10月10日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)公布了500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，F(xiàn)AST）在竣工后1年取得的首批成果，包括探測(cè)到數(shù)顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中2顆已通過(guò)國(guó)際認(rèn)證。這不僅是中國(guó)歷史上首次利用自行研制的天文學(xué)設(shè)備探測(cè)到脈沖星，也表明望遠(yuǎn)鏡調(diào)試進(jìn)展超過(guò)預(yù)期，在1年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基本觀測(cè)功能。

位于中國(guó)貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼喀斯特洼坑的FAST又稱(chēng)“中國(guó)天眼”，是目前世界最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。由4450 塊反射面板單元、6670根主索、2225根下拉索和2225個(gè)促動(dòng)器組成的主動(dòng)反射面系統(tǒng)，接收面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小，比此前最大、被譽(yù)為人類(lèi)20世紀(jì)十大工程之首的美國(guó)Arecibo望遠(yuǎn)鏡（300 m口徑）的靈敏度還要高2倍多。基于3項(xiàng)全部中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主創(chuàng)新——選址方法、索網(wǎng)主動(dòng)反射面、柔性索結(jié)合并聯(lián)機(jī)器人的饋源支撐，突破了射電望遠(yuǎn)鏡工程極限。

如此龐大復(fù)雜的FAST，其建設(shè)和調(diào)試難度可想而知。FAST于2016年9月26日竣工，隨后進(jìn)行了調(diào)試、標(biāo)定望遠(yuǎn)鏡性能及試觀測(cè)等工作，2017年8月27日，F(xiàn)AST 首次實(shí)現(xiàn)跟蹤觀測(cè)，并穩(wěn)定地獲取目標(biāo)源的信號(hào)。隨后，又成功地實(shí)現(xiàn)了換源、編織掃描、跟蹤等多種觀測(cè)模式。至此，F(xiàn)AST完成了望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)將在未來(lái)2年繼續(xù)對(duì)FAST進(jìn)行調(diào)試，以期達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)面向全國(guó)學(xué)者的開(kāi)放。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證、優(yōu)化科學(xué)觀測(cè)模式，繼續(xù)催生天文發(fā)現(xiàn)，力爭(zhēng)早日將FAST打造成為世界一流水平望遠(yuǎn)鏡設(shè)備。

結(jié)論與展望

2017年，天文事件精彩紛呈，最為突出的依舊是引力波探測(cè)，有設(shè)備才能有大發(fā)現(xiàn)，這也體現(xiàn)了天文學(xué)是發(fā)現(xiàn)型學(xué)科的本質(zhì)。視界面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)成功，數(shù)據(jù)處理正在進(jìn)行中，期望2018年得到人類(lèi)歷史上第一幅黑洞圖像，能看到它的真實(shí)面目，著實(shí)令人興奮。中國(guó)的HXMT“慧眼”衛(wèi)星運(yùn)行超乎想象的好，正式觀測(cè)在即，必將做出很多意想不到的發(fā)現(xiàn)。FAST 在2018年3月即將對(duì)收集信號(hào)的饋源做出升級(jí)，從現(xiàn)有的一個(gè)像素更新到19個(gè)饋源，這樣會(huì)使觀測(cè)效率大為提高，因此可以預(yù)計(jì)無(wú)論是從發(fā)現(xiàn)脈沖星或者做出其他發(fā)現(xiàn)的速度將會(huì)得到大大加快。另外暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”運(yùn)行狀態(tài)也很好?？梢钥吹街袊?guó)的觀測(cè)設(shè)備在迎頭趕上，并且有超越之勢(shì)。期待中國(guó)的天文設(shè)備能夠順利運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)更多的宇宙神秘現(xiàn)象。（責(zé)任編輯 傅雪）

文/ 茍利軍，辛玲，孫媛媛

作者簡(jiǎn)介：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授，恒星級(jí)黑洞及其爆發(fā)研究團(tuán)組負(fù)責(zé)人。

注：本文有刪節(jié)，全文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2018年第1期，敬請(qǐng)。