2020年，太空大发现

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），题图来自视觉中国

1. “天外来客” 

隼鸟2号的回收舱成功着陆。| 图片来源：JAXA

每时每刻

地球总是在迎接不计其数外太空“访客”

它们有的与大气中的分子作用

有的直接穿过我们的身体

有的被地底深处的探测器捕捉

有的轻微地挤压和拉伸地球

......

但在众多的不同访客中

今年有两个是特殊的

因为它们并非不请自来

而是我们“请”来的

第一个来自龙宫

这个龙宫并不是海底宫殿

而是一颗在外太空运行的岩石小行星

12月6日

日本航天局的隼鸟2号的回收舱

着陆在澳洲南部沙漠地区

成功地从龙宫带回了5.4克的样本

第二个访客则来自“广寒宫”

11月24日，嫦娥五号发射前往月球

12月1日，嫦娥五号在月球的吕姆克山脉附近着陆

12月17日，返回器在内蒙古四子王旗预定区域着陆

带回的月球样本重达1731克

这些样本弥足珍贵

它们就像是“时间胶囊”

隐藏着大量关于过去的信息

对它们的研究能够帮助科学家揭开

有关太阳系的种种神秘面纱

2. 地球的卫星 

SOFIA探测到月球的水分子。| 图片来源：NASA/Daniel Rutter

现在，让我们离开地球

前往地球的卫星

我们的第一个目的地

——还是月球

除了从月球上带回了样本

今年平流层红外天文台（SOFIA）

在月球的克拉维乌斯环形山中发现了水分子的证据

与月球上的其他区域相比

这一古老的撞击坑接收到了非常多的阳光照射

这表明水可能分布在整个月球表面

而并不仅限于寒冷、阴暗的地方

我们的第二个目的地是

2020 CD3

这也是一颗环绕地球运行的卫星

只不过与月球相比

它相当的迷你

其直径仅约为1.2米

计算表明

这颗卫星至少已经围绕地球运行了两年半多

但直到它非常接近地球时才被发现

目前，它已经脱离了地球

回到了绕行太阳的轨道中

但未来它也可能再次回到地球的怀抱

3. 金星有生命吗？ 

金星大气层中的磷化氢分子。| 图片来源：ESO/M. Kornmesser/L. Calçada & NASA/JPL/Caltech

我们的下一站

是距离太阳又近了一步的金星

这颗星球常被称为地球的孪生兄弟

其大小、质量和岩石组成都与地球相似

但与地球的宜居环境相比

金星的环境相当严酷

其表面温度可高达470℃

大气压强是地球海平面的90倍

今年9月

一则来自金星的消息让许多人振奋

天文学家宣布在金星的大气中

探测到了磷化氢

在地球上，这种气体的唯一天然来源

是生活在无氧环境中的微生物

因此磷化氢也被认为是一个潜在的生命标记

但这一结果也引发了很大的争议

到了11月

在重新分析最初的数据后

磷化氢的含量虽有下调，但仍然在那

我们尚且无法完全确定磷化氢是否存在

也无法确定如果存在它们又是从何而来

后续的研究将帮助我们回答这些问题

4. 前往红色星球 

毅力号火星车。| 图片来源：NASA-JPL/Caltech

5

4

3

2

1

发射！

今年的7月

是一个激动人心的月份

20日，阿联酋希望号率先发射

23日，我国天问一号在海南文昌启航

30日，美国毅力号也踏上了征程

它们都有着同一个目的地：火星

希望号将绕行火星并追踪火星的大气变化

毅力号将在杰泽罗陨石坑钻孔并收集岩石样本

天问一号是我国的首次火星任务

它将对火星的大气层、内部结构和表面环境

进行全方位的探测

包括寻找是否存在水和生命的迹象

这三台火星探测器

将于明年上半年抵达目的地

5. 从小行星贝努采样 

冥王号抵达贝努。| 图片来源：NASA/Goddard/University of Arizona

除了从龙宫带回样本之外

今年还有一颗小行星值得关注

那就是小行星贝努

在历经数亿千米的旅途之后

于2016年发射出发的冥王号

终于在今年10月份抵达

并与贝努进行了短暂的接触

冥王号是NASA的第一个小行星采样任务

它的目标是收集小行星表面的灰尘和岩石

计划于2023年返回地球

如果能够成功地带回样本

将提供更多关于早期太阳系如何形成

以及生命如何开始的信息

它还将帮助科学家更好地了解

未来可能影响地球的小行星

6. 探测到CNO循环的证据 

Borexino实验和太阳。| 图片来源：Borexino Collaboration

我们在开头就提到过

造访地球的隐形访客

其中之一便是来自太阳的中微子

这些中微子几乎不与物质相互作用

会直接穿过地球

为了捕捉它们

科学家在意大利中部的亚平宁山脉的地下深处

建造了Borexino实验

它包含有300吨液体有机闪烁体

研究人员想要检测的是

当太阳中微子与闪烁体中的电子作用时产生的光

在恒星的一生中

其大部分时间都是通过将氢聚变为氦来获取能量的

这种聚变反应可通过两个过程进行

一种是所谓的质子-质子链

另一种是碳氮氧循环（CNO循环）

这次

Borexino实验的研究人员

探测到了CNO循环产生的太阳中微子

这是首个直接证明了在太阳中存在CNO循环的证据

为详尽理解太阳的结构

大质量恒星的形成

以及测量太阳的金属丰度铺平了道路

7. 发现距黑洞最近的喷流 

中国慧眼“看见”黑洞。| 图片来源：IHEP

现在，让我们冲出太阳系

前往距离地球约1万光年的

MAXI J1820+070

这其实是一个双星系统

包含了一个质量约为太阳8倍的黑洞

以及一个质量为太阳一半的伴星

黑洞强大的引力会吸引伴星的物质

并在黑洞周围形成温度非常高的吸积盘

而且还会产生运动速度接近光速的喷流

炽热的吸积盘和喷流会辐射出强烈的X射线

在X射线亮度中经常会观测到准周期振荡（QPO）

这是指X射线强度会以一定频率闪烁的现象

在对这一系统进行观测后

中国慧眼在9月发布了最新的观测结果

在高于200keV以上的能段

发现了黑洞双星系统的低频QPO

是迄今为止发现的能量最高的低频QPO现象

这一次

慧眼卫星的观测将喷流的源头

定位到距离黑洞百公里处的区域

是迄今为止观测到的

距离黑洞最近的相对论喷流

8. 银河系内的快速射电暴 

磁陀星。| 图片来源：McGill University Graphic Design Team

离开双星系统

我们前往另一个致密天体

SGR 1935+2154

这是银河系中的一颗磁陀星

一颗高度磁化的年轻的中子星

距离地球约3万光年

今年4月

天文学家通过空间望远镜

先是看到了这颗磁陀星的多次X射线和γ射线爆发

之后地面望远镜又探测到了FRB

FRB，即快速射电暴

是仅持续几毫秒的射电波的明亮爆发

自2007年被发现以来

天文学家就迫切的想要知道

究竟是什么产生了FRB

它是射电天文学最大的谜题

过去

已探测到的FRB均来自遥远的深空

远在银河系之外

直到今年11月

三篇发表自《自然》的论文

报道了来自SGR 1935+2154的FRB

目前科学家无法确认

是否所有的FRB都与磁陀星有关

但可以确认的是

磁陀星可以产生FRB

9. 绘制银河系地图 

恒星的轨迹。| 图片来源：ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO. Acknowledgement: A. Brown, S. Jordan, T. Roegiers, X. Luri, E. Masana, T. Prusti and A. Moitinho

无论是太阳

还是磁陀星

或是黑洞

都只是银河系中的一员

银河系所包含的天体数量极其惊人

今年12月

盖亚卫星发布了新一波的数据

使研究人员可以更详尽地绘制银河系地图

新发布的数据包括了超过18亿个天体的

位置、距离和运动的详细信息

基于新数据

研究人员还模拟了

在未来40万年中

位于太阳系326光年范围内的

4万颗恒星的运动路径

10. 发现中等质量黑洞 

图片来源：原理

我们接下来要前往的地方

是非常遥远的深空

距地球约170亿光年

那里曾发生了一场灾难性的事件

事件的主角是两个黑洞

一个质量为太阳的66倍

另一个质量为太阳的85倍

它们相互旋进并最终并合在一起

形成一个142倍太阳质量的黑洞

并合过程中会释放出巨大的能量

以引力波的形式扩散到宇宙中去

最终被地球上的LIGO和Virgo引力波探测到捕捉到

这次的事件有两个特殊之处

一是根据黑洞的常规形成机制来看

质量在65到135个太阳质量之间的黑洞是一个禁区

85倍太阳质量的黑洞应该无法形成才对

二是最终探测到的并合的黑洞质量

属于中等质量黑洞

这是首次直接观测到的中等质量黑洞

未来

当更多的类似事件被探测到时

将帮助科学家更好地理解黑洞

11. 测量宇宙中的重子密度 

图片来源：原理

现在

让我们回到宇宙诞生的最初时刻

在大爆炸后大约一秒钟

宇宙就像是一锅滚烫的粒子汤

其中包括了大量的中子和质子

随着宇宙的膨胀和冷却

中子和质子在一系列的反应中

会结合形成轻元素的原子核

这个过程被称为大爆炸核合成

在一项新的研究中

研究人员测量了其中一个核反应的速率

在这个反应中

一个质子与氘结合形成一个氦-3和一个光子

这次的实验是在地底下超过一千米的地方进行的

以阻挡宇宙射线的干扰

新的测量是迄今为止最精确的结果

这一结果增强了物理学家对大爆炸核合成的理解

使得他们可以更精确地测量宇宙中普通物质的含量

根据新得出的数据

研究人员计算出由质子和中子组成的重子物质

占今天宇宙总密度的4%

12. Sigma-8争议 

为了确定宇宙中物质的聚集程度，研究人员通过帕拉纳尔天文台的KiDS数据，分析了数千万个星系的分布。图中黄色表示宇宙中密度较大的区域，粉色表示密度较低的区域。| 图片来源：B. GIBLIN, K. KUIJKEN KIDS TEAM (SKY SURVEY); Y. BELETSKY/ESO

过去几年

宇宙学中最大的争议便是

宇宙究竟膨胀的有多快？

这一争议源自于两个同样精确的测量

却给出了不一致的结果

然而一波未平一波又起

今年

天文学家在分析了3100万个星系后

发现宇宙比理论预测的更加均匀

换句话说

宇宙中的星系和其他物质

并没有像预期中的那样聚集在一起

更确切地说

这一争议被称为Sigma-8争议

这一参数反映了宇宙中物质的密度

以及物质聚集的程度

但两种完全不同的方法却给出了不一致的值

这或许是因为在计算中隐藏着统计误差

又或许是因为宇宙学模型出了问题

要更好地理解这一差异

或许还需要以更高的精度来对数据进行全面评估

以此来确定宇宙的物质密度

参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41550-020-01222-x

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/abc3bc

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03258-5

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2934-0

https://www.nature.com/articles/s41550-020-1192-2

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2828-1

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2863-y

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2839-y

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2872-x

https://sci.esa.int/web/gaia/-/gaia-s-new-data-takes-us-to-the-milky-way-s-anticentre-and-beyond

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2878-4

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200902

https://arxiv.org/pdf/2007.15633.pdf

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687）