深邃的星空，埋藏著(zhù)無(wú)數奧秘，叩問(wèn)2020年的宇宙蒼穹，陣陣回響喚起驚奇與敬畏無(wú)數：人類(lèi)首次在銀河系外發(fā)現氧氣、繪制迄今最大宇宙三維地圖、發(fā)現“不可能存在”的中等質(zhì)量黑洞……宇宙的秘密，正在一點(diǎn)點(diǎn)被揭開(kāi)�；蚴巧磉叺奶煳钠嬗^(guān)，或是地外的生命跡象，我們總在追問(wèn)的路上，渴望收獲更多。

　　宇宙還我們以新知，并以更多未知引領(lǐng)我們遙望未來(lái)。銀河系邊界探清后，“身邊”的星系究竟有多少？借助引力波首次探測到中等質(zhì)量黑洞后，人類(lèi)是否能破解超大質(zhì)量黑洞形成的謎團？

　　回望2020，我們以一趟時(shí)光穿越之旅，再次與宇宙對話(huà)。

　　本報記者 金 鳳

　　氧氣現身河外星系

　　氧在宇宙中的豐度僅次于氫和氦。此前，天文學(xué)家曾認為氧分子在恒星間的空間內應普遍存在，但一直未有證據表明銀河系外也有氧氣。

　　這一“懸疑”今年2月1日《天體物理學(xué)》雜志刊發(fā)的一篇文章被解開(kāi)。在距地球5.6億光年的“馬卡良231”(Markarian 231)星系內，中外科學(xué)家聯(lián)手發(fā)現了氧氣。據悉，這是人類(lèi)首次在銀河系外發(fā)現氧氣，也是迄今為止在太陽(yáng)系外探測到氧氣最多的一次。

　　“馬卡良231”位于大熊星座。此前，天文學(xué)家在銀河系內的獵戶(hù)座星云和蛇夫座星云都探測到過(guò)氧氣。據推算，“馬卡良231”的氧氣比重是獵戶(hù)座星云內氧氣比重的100倍�？茖W(xué)家推測，“馬卡良231”內經(jīng)歷了比獵戶(hù)座星云更強烈的氧氣形成過(guò)程。

　　天文學(xué)家表示，在地外物質(zhì)的光譜中發(fā)現氧氣、水等存在的條件，不能就此斷言其所處的環(huán)境中一定存在著(zhù)生命；看不到這些“標志物”，也未必沒(méi)有存在生命的可能性。

　　上述研究論文第一作者、中國科學(xué)院上海天文臺研究員王均智表示，這次在銀河系外發(fā)現氧氣，有助于進(jìn)一步加深對宇宙物質(zhì)組成的認識，對于星際介質(zhì)中氧氣的形成和消耗等相關(guān)理論提出了挑戰。

　　“此次研究是科學(xué)家首次在銀河系外發(fā)現氧氣，但氧氣在星際空間的含量為何普遍遠低于預期，仍是未解之謎�！�500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)首席科學(xué)家李菂表示。

　　首次揭示月背地下結構

　　月球背面的馮·卡門(mén)撞擊坑所在地——南極—艾特肯盆地，是太陽(yáng)系中最古老的撞擊坑之一，形成于40億年以前，保留了原始月球的巖石，這里也是月球上已知最深的盆地。

　　2019年1月3日，嫦娥四號探測器在馮·卡門(mén)撞擊坑底部成功著(zhù)陸。之后，“玉兔二號”月球車(chē)利用全景相機、紅外線(xiàn)光譜儀、測月雷達等先進(jìn)儀器，對月球背面展開(kāi)科學(xué)探索研究。

　　2020年2月27日凌晨，國際科學(xué)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》在線(xiàn)刊載了中國“玉兔二號”月球車(chē)為馮·卡門(mén)撞擊坑做的“CT”結果。

　　由中國科學(xué)院國家天文臺研究員李春來(lái)、蘇彥領(lǐng)導的科研團隊，利用“玉兔二號”月球車(chē)上的測月雷達，首次揭示出月球背面著(zhù)陸區域地下40米的分層結構，發(fā)現地下物質(zhì)由低損耗的月壤物質(zhì)和大小不同的大量石塊組成。這是人類(lèi)首次揭開(kāi)月球背面地下結構的神秘面紗。

　　具體來(lái)說(shuō)，研究團隊沿“玉兔二號”行走的106米路徑，在深度40米的范圍內，識別出3個(gè)地層單元。

　　其中，第一單元為月表到地下12米的細粒月壤，內嵌有少量石塊，這一層形成于多個(gè)撞擊坑互疊的濺射物之上；第二單元為地下12米到24米的濺射物沉積層，其內部存在大量石塊，甚至形成了碎石層和碎石堆；第三單元為地下24米到40米，是更古老的濺射物在不同時(shí)期沉積和風(fēng)化的產(chǎn)物。

　　研究人員表示，該研究可幫助人們了解月球撞擊和火山活動(dòng)歷史，有望為月球背面的地質(zhì)演化研究帶來(lái)新的啟示。

　　探明銀河系邊界

　　天文學(xué)家早就知道，銀河系中最亮的部分是呈薄煎餅狀的恒星盤(pán)，太陽(yáng)便身處其中，其寬約12萬(wàn)光年(1光年約為94600億千米)，恒星盤(pán)之外是氣體盤(pán)。一塊巨大的暗物質(zhì)光暈包裹著(zhù)這兩個(gè)圓盤(pán)，并延伸到遠遠超出它們的范圍之外。但由于這個(gè)暗暈不發(fā)光，因此科學(xué)家很難測量銀河系的直徑。

　　3月23日，美國《科學(xué)新聞》網(wǎng)站報道了一項來(lái)自英國科學(xué)家的研究，英國達勒姆大學(xué)天體物理學(xué)家艾麗絲·迪森及其同事利用銀河系附近星系計算得出結論：銀河系的精確直徑為190萬(wàn)光年，誤差不超過(guò)40萬(wàn)光年。

　　為找到銀河系的邊界，迪森團隊利用計算機模擬了銀河系和其附近大星系——仙女座星系并排出現的情況。結果表明，位于巨大星系暗暈邊緣之外的附近小星系的速度會(huì )顯著(zhù)下降。

　　利用現有的望遠鏡觀(guān)測結果，迪森團隊發(fā)現，銀河系附近的小星系也出現了同樣的速度下降情況。這種情況發(fā)生在距銀河系中心約95萬(wàn)光年的地方，此處應該就是銀河系的邊界。由此他們得出結論，銀河系寬約190萬(wàn)光年。

　　美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家羅斯瑪麗·懷斯指出，最新測量結果可以幫助天文學(xué)家厘清銀河系其他性質(zhì)。例如，銀河系越大，其“體重”也越重，與它“共舞”的星系應該也會(huì )越多�？茖W(xué)家迄今已為銀河系找到約60顆“舞伴”，未來(lái)應該可以找到更多。

　　夏至巧遇“金邊日食”

　　6月21日，當太陽(yáng)幾乎直射北回歸線(xiàn)時(shí)，北半球迎來(lái)白晝最長(cháng)的一天，這一天正是夏至日。同一天，天幕劇場(chǎng)也上演了本年度最精彩的天象演出之一——“金邊日食”。

　　據中國科學(xué)院紫金山天文臺工程師胡方浩介紹，這也是本世紀唯一一次在中國可見(jiàn)且恰逢夏至日的日食。

　　日食食分大小取決于日、地、月三者的位置關(guān)系。中國天文學(xué)會(huì )會(huì )員、天津市天文學(xué)會(huì )理事史志成解釋說(shuō)，被遮擋的太陽(yáng)離地球愈遠則其視直徑愈小，而遮擋太陽(yáng)的月球離地球愈近則其本影愈大，所以當太陽(yáng)處于遠地點(diǎn)而月球處于近地點(diǎn)時(shí)，食分最大。

　　兩千多年前，日食就啟發(fā)人類(lèi)認識宇宙，發(fā)現地球公轉的規律。當太陽(yáng)被月亮遮擋時(shí)，人們更容易觀(guān)測到太陽(yáng)日冕活動(dòng)情況，從而有助于對其未來(lái)活動(dòng)趨勢進(jìn)行預測。日食作為一種天文現象，對星地通信中起到關(guān)鍵作用的電離層有一定影響。

　　與以往日環(huán)食不同的是，此次日環(huán)食非常接近全食。太陽(yáng)整個(gè)圓面超過(guò)99%的面積被遮住，剩下的一圈金邊兒非常細。

　　有專(zhuān)家表示，在21世紀剩余的80年里，發(fā)生在我國范圍內的日環(huán)食僅剩10次，其中5次將發(fā)生在極北或極南地區，環(huán)食帶范圍小、月球地影過(guò)境時(shí)間短，不便觀(guān)測。

　　迄今最大宇宙三維地圖出爐

　　宇宙誕生于約138億年前的大爆炸。對于宇宙的早期和近期，科學(xué)家都有所了解，但其間110億年宇宙究竟經(jīng)歷了怎樣的變化，一直是未解之謎。

　　7月20日，據外媒報道，在對400多萬(wàn)個(gè)星系和蘊含巨大能量的超亮類(lèi)星體進(jìn)行分析后，國際斯隆數字巡天調查項目(SDSS)發(fā)布了迄今最大的宇宙三維地圖，講述了宇宙在110億年間的膨脹“故事”，填補了人類(lèi)在宇宙史探索中的空白。

　　繪出這份地圖的是多國科研人員組成的“擴展重子振蕩光譜巡天”項目(eBOSS)，它是SDSS的一部分。這一成果的獲得，建立在世界各地數十家機構的數百名科研人員超過(guò)20年合作的基礎上。

　　研究顯示，構成宇宙結構的細絲和空隙始于宇宙誕生僅30萬(wàn)年時(shí)。此外，宇宙在大約60億年前開(kāi)始加速膨脹，且此后一直持續膨脹。這種加速膨脹似乎是由暗能量所驅動(dòng)，這一點(diǎn)與愛(ài)因斯坦廣義相對論所預言的一致。

　　此外，研究人員指出，天體物理學(xué)家早在多年前就知道宇宙在膨脹，但一直無(wú)法精確測量宇宙膨脹的速度——哈勃常數。eBOSS和SDSS的調查結果表明，宇宙目前的膨脹速度和早期由其他研究得出的膨脹速度不匹配，仍需科學(xué)家進(jìn)一步的研究調查。

　　找到“不可能存在”的中等質(zhì)量黑洞

　　9月2日，據美國激光干涉引力波天文臺官網(wǎng)報道，該天文臺與位于意大利的室女座引力波天文臺攜手，探測到了一個(gè)142倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這是科學(xué)家首次探測到此類(lèi)中等質(zhì)量黑洞。

　　研究人員指出，此前所觀(guān)測到的黑洞大致分兩類(lèi)：恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞，前者質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的數倍到數十倍不等，被認為是大質(zhì)量恒星死亡后形成的；后者質(zhì)量約為太陽(yáng)的數十萬(wàn)倍到數十億倍。中等質(zhì)量黑洞介于兩者之間，質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的100到1000倍。在收到這次信號前，科學(xué)家沒(méi)有發(fā)現任何證據證明它們的存在。

　　這個(gè)黑洞由兩個(gè)分別約85倍太陽(yáng)質(zhì)量和65倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合而成，并合釋放出的8倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波形式彌漫于宇宙中，被兩大探測器攜手“逮個(gè)正著(zhù)”。

　　研究人員在2019年5月21日探測到引力波信號GW190521，該信號持續時(shí)間不到0.1秒�？茖W(xué)家推測，GW190521最有可能是擁有特殊性質(zhì)的雙黑洞并合產(chǎn)生的信號。

　　迄今為止，幾乎所有被“驗明正身”的引力波信號均來(lái)自于雙星并合，包括雙黑洞并合以及雙中子星并合等。

　　水分子現身月球光照區

　　月球究竟有沒(méi)有水？科學(xué)家從未停下探索的腳步。此前科學(xué)家推測，月球背面常年陰暗的隕石坑里可能藏有冰。如今，最新研究證實(shí)，月球光照面也可能存在水。

　　10月26日，《自然·天文學(xué)》發(fā)表文章稱(chēng)，美國國家航空航天局依靠平流層紅外天文臺“索菲亞”，在月球光照區——月球南半球的克拉維斯環(huán)形山表面，首次探測到了水分子。

　　這一發(fā)現表明，水可能分布在整個(gè)月球表面，而不僅限于陰暗的月背。換句話(huà)說(shuō)，即使在太陽(yáng)輻射下，水也能在月球表面存在。

　　在陽(yáng)光照射的月表，水分子想保留下來(lái)非常不易。此次的探測數據顯示，水被“困在”月球表面的土壤中，濃度為百萬(wàn)分之100—400，相當于每千克月壤中含有100—400毫升水，這比撒哈拉沙漠還要干燥100倍，不過(guò)精確的水含量需要進(jìn)一步驗證。

　　另?yè)�論文介紹，探測到的水可能儲存在月球表面的玻璃般物質(zhì)中或是晶粒之間，這些玻璃般物質(zhì)或晶粒能在惡劣環(huán)境中對水起到保護作用。

　　沒(méi)有大氣層保護，月表太陽(yáng)照射面的水源是否可以利用？“這還需要弄清楚水在月表的分布范圍、埋藏深度、是否能長(cháng)期保存等�！蹦暇┐髮W(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇認為，這需要搞清楚水含量是否足夠高，在哪些地區富集，是否能達到開(kāi)采的級別，水在月表儲存的機制是什么，需要用什么樣的技術(shù)才能把水有效地收集起來(lái)。

　　“這些發(fā)現確實(shí)令人興奮，很有研究和應用的前景，但成本目前還無(wú)法預料�！敝芏Y勇說(shuō)。

　　“中國天眼”看見(jiàn)快速射電暴源頭

　　快速射電暴，宇宙中一種神秘的射電波暴發(fā)現象。它的持續時(shí)間短到只有幾毫秒，但在這“靈光乍現”的幾毫秒中，卻蘊藏著(zhù)巨大的能量，它可以把地球上幾百億年的發(fā)電量，完全以射電波的形式釋放掉。

　　過(guò)去十幾年，天文學(xué)家一直在探尋它的來(lái)源，又包含了哪些信息？

　　科學(xué)家在《自然》雜志上分別發(fā)表了3篇關(guān)于快速射電暴的研究成果，利用500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)，他們捕捉到快速射電暴起源的一些蛛絲馬跡。

　　北京大學(xué)教授、中國科學(xué)院國家天文臺研究員李柯伽研究團隊，在12小時(shí)的觀(guān)測時(shí)間里，利用FAST探測到了快速射電暴爆發(fā)源FRB 180301的15次暴發(fā)，每次暴發(fā)的強度曲線(xiàn)各不相同。這是國際上首次發(fā)現該爆發(fā)源的輻射具有非常豐富的偏振特征。FAST觀(guān)測到的偏振變化多樣性明確說(shuō)明：宇宙中快速射電暴的爆發(fā)源可能來(lái)自致密天體磁層中的物理過(guò)程。

　　“類(lèi)似于地球，磁星也會(huì )形成磁層。我們這次的觀(guān)測結果是快速射電暴來(lái)源于磁層的一個(gè)最直接證據�！崩羁沦ふf(shuō)。

　　此外，包括北京師范大學(xué)林琳博士、北京大學(xué)張春風(fēng)博士、中國科學(xué)院國家天文臺王培博士在內的聯(lián)合研究團隊，利用FAST對銀河系磁星軟伽馬重復暴源SGR 1935+2145進(jìn)行多波段聯(lián)合觀(guān)測。觀(guān)測結果表明，快速射電暴與軟伽馬射線(xiàn)重復暴發(fā)具有較弱的相關(guān)性，磁星暴發(fā)產(chǎn)生快速射電暴必須依賴(lài)于極其特殊的物理條件。

　　金星大氣首現磷化氫

　　9月14日，《自然·天文學(xué)》雜志發(fā)表文章稱(chēng)，包括英國卡迪夫大學(xué)科學(xué)家簡(jiǎn)·格里弗斯在內的研究團隊，于2017年和2019年，分別利用麥克斯韋望遠鏡(JCMT)和阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA)，在金星上探測到只屬于磷化氫的光譜特征，并估算出了金星云層中的磷化氫豐度。

　　這是科學(xué)家首次在金星大氣中探測到磷化氫。研究人員認為，探測到磷化氫尚無(wú)法作為微生物生命存在的有力證據，但可以表明金星上可能發(fā)生著(zhù)未知的地質(zhì)或化學(xué)過(guò)程。

　　環(huán)境惡劣的金星，因為磷化氫的蛛絲馬跡，讓人看到生命的希望，但好消息沒(méi)有持續多久，便遭遇質(zhì)疑。

　　10月26日，一項發(fā)表在《自然·天文學(xué)》雜志上的最新研究指出，此前被認為是磷化氫的光譜數據，實(shí)際上非常接近二氧化硫，后者在金星大氣中很常見(jiàn)。

　　另一項由荷蘭萊頓大學(xué)主導的研究顯示，ALMA獲得的光譜數據可以用磷氣體以外的化合物來(lái)解釋。據此，他們得出結論：在金星大氣層中“沒(méi)有檢測到具有統計學(xué)意義的磷化氫”。

　　不過(guò)金星上的生命“希望”并未就此終結。格里弗斯團隊重新檢驗最初數據后，再次發(fā)布結論稱(chēng)，ALMA的數據顯示了一種光譜特征，這種特征只能用磷化氫化合物來(lái)解釋?zhuān)�根據最新數據，磷化氫的含量只有最初發(fā)布結果的1/7。

　　金星大氣層中是否真的存在磷化氫？磷化氫究竟來(lái)自何處？它們是否帶有生命的印記？這些都值得我們期待。

　　GECAM引力波探測器升空

　　12月10日4時(shí)14分，西昌衛星發(fā)射中心，長(cháng)征十號運載火箭搭載“引力波暴高能電磁對應體全天監測器”(GECAM)成功發(fā)射并將其送入預定軌道。

　　該衛星載荷總師李新喬介紹，GECAM將是幾年之內在軌運行的伽馬暴探測靈敏度最高的天文衛星，也是對磁星暴發(fā)、快速射電暴、地球伽馬閃等暴發(fā)事件綜合探測能力最強的衛星。它將對引力波伽馬暴、快速射電暴高能輻射、特殊伽馬暴和磁星暴發(fā)等高能天體暴發(fā)現象進(jìn)行全天監測，研究中子星、黑洞等致密天體及其并合過(guò)程。此外，GECAM還將探測太陽(yáng)耀斑、地球伽馬閃和地球電子束等空間高能輻射現象，為進(jìn)一步揭示其物理機制提供科學(xué)觀(guān)測數據。

　　引力波伽馬暴是GECAM最重要的科學(xué)探測目標。對于引力波的探測，地面設備的空間定位精度不高。因此，科學(xué)家需要一臺能夠以較高精度及時(shí)給出引力波暴發(fā)方位的衛星——GECAM應運而生。

　　李新喬介紹：“GECAM可以對和引力波伽馬暴幾乎同時(shí)發(fā)生的同源伽馬暴的能譜和光變，進(jìn)行連續高精度觀(guān)測，同時(shí)可以給出精度較高的引力波事件的方位信息，把地面引力波探測設備定位的幾十到上百平方度范圍縮小。這將有助于空間及地面其他波段的觀(guān)測設備更好地確定其對應天體源，并開(kāi)展后續觀(guān)測�！�