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在星团中“太阳兄弟”周围发现首颗行星

在星团M67中新发现行星的艺术概念图。版权：ESO/L. Calçada。

现在已经知道，太阳系之外的行星非常普遍。它们所围绕的宿主恒星有着各异的年龄和化学组成。但在星团中仅发现了极少量的行星，而大多数的恒星却都形成于星团之中。天文学家想知道，星团中的行星形成过程是否有其自身的特殊性。

为此，在6年的时间里，他们监测了星团M67中的88颗恒星。如果有行星存在，那么它们就会具有朝向或者远离地球的微小运动。这个星团位于巨蟹座，距离地球2,500光年，包含了约500颗恒星。不过，其中许多恒星过于暗弱，不适合来搜寻其周围的行星。通过这些观测发现了3颗行星，2颗围绕着与太阳相似的恒星，1颗围绕着大质量红巨星。前两颗行星的质量都约为木星的三分之一，公转周期分别为7天和5天。第三颗行星的质量则比木星还大，其公转周期为122天。

这里第一颗行星的宿主恒星是一颗引人注目的恒星。它是目前已知与太阳最相似的恒星之一，几乎和太阳一模一样。这是第一次在一个星团中的“太阳兄弟”周围发现行星。这三颗行星中有两颗属于热类木星。它们有着与木星相当的大小，但到其宿主恒星的距离比木星到太阳的近得多，因此温度也高得多。所有这三颗行星都太靠近它们的宿主恒星，因而都不处于可以有液态水存在的宜居带中。

甚大巡天望远镜拍摄的礁湖星云

甚大巡天望远镜所拍摄的礁湖星云。版权：E S O/ VPHAS。

位于人马座，距离我们约5,000光年的礁湖星云是一个绚丽的天体。也被称为M8，这个巨大的星云直径100光年，其中有新的恒星正在形成。这些新生恒星所发出的强劲辐射会雕琢周围的气体和尘埃，形成各式各样的结构和形状。这幅礁湖星云的图像由欧洲南方天文台专门用来巡天的甚大巡天望远镜所拍摄。

甚大巡天望远镜并没有专门对准礁湖星云，相反它所成像的范围覆盖了银河中大得多的区域。这幅图像是更大规模巡天的一部分。这些巡天涉及到现代天文学中许多重要的问题。它们包括探究暗能量的本质，搜寻早期宇宙中的明亮类星体，探测银河系的结构，寻找不同寻常的天体，详尽地研究大小麦哲伦云等。历史已经证明，巡天往往会发现意料之外的天体，为天文学研究带来突破性的进展。

对于天文爱好者来说，礁湖星云也是夏季夜空中易于观测的天体。仅次于猎户星云，它是北半球观测者可见的最明亮的恒星形成区。这个星云的外形呈现出不平衡的态势，西侧要比东侧更臃肿一些。如果夜空足够黑，你可以尝试使用双筒望远镜寻找一下把这个星云一分为二的黑色礁湖，5.9等星人马9就位于它的西侧。

黑洞释放极端能量

使用美国宇航局的钱德拉X射线天文台和其他望远镜，天文学家们发现了迄今最强劲的黑洞之一。这个黑洞在其周围的高温气体中雕凿出了巨大的结构，使得数万亿颗恒星无法形成。这个黑洞位于星系团RX J1532.9+3021中，距离地球39亿光年。这幅图像是使用“钱德拉”和哈勃空间望远镜的数据合成的。该星系团中发出X射线的高温气体用紫色表示，可见光数据则用黄色表示。这个星系团在X射线下极为明亮，暗示其质量约为太阳的一千万亿倍。在其中央有一个巨大的椭圆星系，在后者的中心则有一个超大质量黑洞。

该星系团中心附近的大量高温气体给天文学家出了个难题。发出X射线的高温气体应该会冷却，星系团中心的稠密气体则冷却得最快。其压强会随之降低，使得外部的气体向内沉降，沿途形成数万亿颗恒星。但在这个星系团的中心却没有出现这一现象。在其他星图中也发现了这一情况，不过RX J1532.9+3021是个极端。观测显示，在中央星系两侧的高温气体中存在两个巨大的空腔。它们极有可能是其中央超大质量黑洞所射出的高速喷流所开凿出的。这一能量注入会使得大部分气体无法冷却，因而也无法形成恒星。

利用“钱德拉”和“哈勃”观测结果合成的星系团RX J1532.9+3021的图像。版权：X射线：NASA/ CXC/Stanford/J.Hlavacek-Larrondo等人；可见光：NASA/ESA/STScI/M.Postman & CLASH team。

探明大质量椭圆星系的演化过程

使用美国宇航局的哈勃空间望远镜和欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜，天文学家们拼合出了致密椭圆星系演化的整个序列。这些星系在宇宙的早期就会出现大规模的恒星形成并很快燃烧殆尽。

得益于“哈勃”的红外观测能力，天文学家们首次获得了极端致密椭圆星系的光谱信息。这些星系中的恒星形成过程在大爆炸后30亿年时就已终止，这个时间尚不足宇宙目前138亿年的四分之一。斯皮策空间望远镜以及其他地面望远镜也共同参与的这项研究解决了一个存在十年之久的谜题，即今天我们所看到的质量最大的椭圆星系是如何生长的。这是了解和认识这些星系形成和演化中缺失的一环。

新的观测为宇宙中这些最大质量星系的演化过程提供了清晰的图像，从最初的星暴一直到最终演化成巨椭圆星系。通过这项研究，天文学家们发现，致密椭圆星系会狼吞虎咽地消耗其用于恒星形成的气体，直到再也无法制造出新的恒星。随后它们通过与较小的星系并合来形成巨椭圆星系。出乎天文学家们意料的是，在这些燃烧殆尽的星系中，恒星的密度比在近距宇宙中所看到大质量椭圆星系中的还高10～100倍。

小行星多样性佐证太阳系动荡历史

小行星组成的多样性证明巨行星的迁移搅动并混合了太阳系中的物质。版权：David A. Aguilar/CfA。

我们的太阳系似乎是一个整洁而有序的地方。较小的类地行星位于内侧，较大的类木行星位于外侧。然而，太阳系的真实历史可能要动荡得多。巨行星曾经发生过向内和向外的迁移，把形成行星的原材料散射到更广大的区域中。研究表明，小行星带为此提供了新的线索。

在火星和木星之间，有数百万颗小行星在围绕太阳公转。这一小行星带被称为主小行星带。传统上认为，它们是因为木星的强大引力而没有聚集成行星的原始物质。由于到太阳的距离各异，因此它们的含水量也有所差别。

在太阳系的早期，巨行星会横冲直撞，向内或者向外大幅迁移。木星可能向内运动到了火星现在所处的位置，在这个过程中它清除掉了主带中99.9%的原始物质。随着它们的迁移，它们也混合了太阳系中的不同成分。来自水星附近以及海王星附近的物质都被送入了主小行星带。使用斯隆数字巡天的数据，天文学家们研究了数千颗主带小行星的成分，发现它们比之前所想象的更为多样。这一发现也会对地球产生影响。因行星迁移而被散射的小行星可能为地球上的海洋带来了大量的水分。

“赫歇尔”发现谷神星上有水

谷神星上有水蒸气溢出的艺术概念图。版权：ESA/ATG medialab。

使用欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜，天文学家们首次发现了谷神星上存在水蒸气的确凿证据。谷神星是主小行星带中最大且最圆的天体。当其表面的冰被稍稍加热时，这些水蒸气就会周期性地被释放出来。

1801年首次被发现时，谷神星曾被认为是一颗位于火星和木星之间的行星。上个世纪，科学家们则已经知道谷神星是太阳系中最大的小行星。但在2006年，国际天文学联合会将直径950千米的谷神星重新分类为矮行星，其大小介于小行星和行星之间。天文学家们认为，谷神星有着一个岩质的核心以及一层由冰组成的厚地幔。这层冰幔的含水量要超过地球上的水。这些物质可能来源于太阳系历史的极早期，当时行星还尚未形成。

之前有关谷神星上存在冰还仅仅是理论猜测，没有探测到任何决定性的证据。但“赫歇尔”的远红外观测能力则清晰地探测到了水蒸气的光谱信号。不过“赫歇尔”并非在每一次观测中都看到了水蒸气。在它的4次观测中有1次没有探测到水蒸气。这是因为当谷神星通过其轨道上靠近太阳的部分时，其表面会被加热到足以能让水蒸气溢出，速率大约是每秒6千克。当谷神星运动到远离太阳的地方时，水就不会蒸发。

首幅褐矮星云图

甚大望远镜重建出的褐矮星Luhman 16B表面的云图。版权：ESO/ I.Crossfield。

褐矮星是介于气态巨行星和低温暗弱恒星之间的天体。它们没有足够的质量来点燃核心处的核聚变反应，因此只能发出微弱的红外辐射。20年前天文学家才发现了首颗褐矮星，目前已知的褐矮星总数也不过几百颗。

距离地球最近的褐矮星位于一个褐矮星双星系统Luhman 16AB中，距离我们仅6光年。这个系统发现于2013年初，是距离我们第3近的天体，仅次于比邻星和巴纳德星。随着其自转，每过几个小时，较暗弱子星Luhman 16B的亮度就会发生微小的变化，暗示它可能具有表面结构。使用欧洲南方天文台的甚大望远镜，天文学家们不仅获得了这两颗褐矮星的图像，还探测出了Luhman 16B表面明暗不同的区域。为了做到这一点，天文学家们使用了特殊的技术。他们使用甚大望远镜上的低温高分辨率红外阶梯光栅摄谱仪对Luhman 16B进行了观测。由此既可以看到它随转动而出现的亮度变化，还能看到其明暗区域的来和往。综合这些信息就可以构建出其表面明暗区域的分布图。

褐矮星的大气与太阳系外高温气态巨行星的十分相似。因此通过更易于观测和研究的褐矮星，天文学家们就能对年轻巨行星的大气有更多的了解。

大幅晃动的太阳系外行星

想象一下你居住在一颗季节剧烈变化的行星上，才过夏季转瞬就是冬季。这正是太阳系外行星“开普勒-413b”所经历的情况。它位于天鹅座，距离地球约2,300光年。每过66天它就会围绕一个双星系统公转一周，这个双星由一颗橙矮星和一颗红外星所组成。使得这颗行星与众不同的是，它的自转轴会大幅度地摆动，即进动。在11年的时间里其自转轴的倾角可以变化多达30°，使得其季节发生快速而剧烈的变化。作为比较，地球自转轴变化23.5°则需要26,000万年的时间。

这颗气态巨行星到其宿主双星的距离位于该系统可以有液态水存在的宜居带内边缘的里侧。它的质量则约为地球的65倍，属于超级海王星。它的轨道平面与其宿主双星轨道平面的夹角为2.5°。在11年的时间里，它的轨道也会发生进动。使用开普勒空间望远镜，天文学家们通过其特殊的凌星模式发现了这颗行星的独有特点。太阳系外行星的凌星现象通常是非常规律的。但“开普勒-413b”因其轨道进动，它凌星发生的时刻也会随之发生大幅度的改变。天文学家们目前正在试图解释在这个系统中所观测到的现象。这可能与附近还存在其他的行星或者恒星有关。

解剖名为“丝川”的小行星

花生形的“丝川”其两部分可能有着不同的密度。版权：ESO/JAXA。

根据观测资料画出的Kepler-413b双星系统。版权：NASA/ESA/STScI。

通过非常高精度的地面观测，天文学家测量了近地小行星“丝川”的自转速度及其随时间的变化，由此进一步了解了小行星是如何辐射热量的。使用欧洲南方天文台的新技术望远镜，天文学家们从2001年到2013年对小行星“丝川”进行了长期的观测，测量其亮度随自转的变化。根据这些数据可以十分精确地确定它的自转周期及其随时间的变化情况。把这些信息和“丝川”特殊的花生形状相结合，天文学家就可以研究它的内部结构，进而首次揭示出了其内部构造的复杂性。

小行星和其他小天体的自转会受到阳光的影响。当被吸收的太阳光以热量的形式从小行星的表面被再次辐射出去时，就会引发这一效应。因为小行星的形状通常都极不规则，所以热辐射并不均匀，由此会产生微小但却连续的力矩，这会改变它的自转速率。测量发现，这一效应正在以每年0.045秒的幅度缓慢地加快“丝川”的自转速率。这与预期的差异极大，只能用这颗小行星花生形状的两部分有着不同的密度来解释。

这是天文学家们第一次获得了小行星有着高度不同的内部结构的证据。之前有关小行星的内部结构信息只能通过整体密度来进行推测。这一结论也为“丝川”的起源带来了疑问，一种可能性是它是由两颗小行星聚集而成的。

半人马A的新貌

“钱德拉”新近拍摄的半人马A及其喷流的图像。版权：NASA/CXC/U.Birmingham/M.Burke等人。

就在1999年美国宇航局的钱德拉X射线天文台开始运转之后几周，它便对准了星系半人马A。这个星系距离地球1,200万光年，从其中央的超大质量黑洞射出了一道巨大的喷流。从那时起，“钱德拉”便不断地观测这一星系，一点一点地积累数据。同时，新的数据处理技术也向天文学家们呈现出了它新的细节。这幅半人马A的新图像包含有1999年至2012年的观测数据，相当于超过9.5天的观测量。其中，“钱德拉”所探测到的能量最低的X射线用红色表示，中等能量的X射线用绿色表示，最高能的则用蓝色表示。

亦如之前的半人马A影像，这幅新的图像也呈现出了壮观的喷流。它从图像的中心射出，直冲左上角，由该星系中央的巨型黑洞所驱动。在这些高能图像中还能看到该星系中间的尘埃带。天文学家们认为，这是它和小型星系在数百万年前发生碰撞所留下的痕迹。针对“钱德拉”所获得的有关半人马A的大量数据，天文学家们进行了各种各样的研究，由此找到了其中许多点状的X射线源。它们大部分是正在吸积伴星物质的致密天体——要么是黑洞，要么是中子星。中子星形成与大质量恒星的坍缩，而形成黑洞的恒星质量甚至比形成中子星的还大。

（责任编辑 张长喜）

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