積硅步，致千里︱2023年天文界的人和事

2023年的天文界沒有像去年銀心黑洞照片或者韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)布首批科學(xué)數(shù)據(jù)這種級別的出圈大新聞，但在一群專注于仰望星空的人的努力下，我們依舊在拓寬人類知識邊界的道路上積累了不少硅步。

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自去年7月發(fā)布首批科學(xué)數(shù)據(jù)一年多以來，韋布望遠(yuǎn)鏡可以說完全對得起他超過百億美元的造價，單就韋布望遠(yuǎn)鏡官網(wǎng)的「Science Releases」[1]一欄來說，過去一年的更新頻率平均一星期多點(diǎn)，在科學(xué)界應(yīng)該算得上「高產(chǎn)似xx」了，這個上新速度估計比某些知名up主還要高。

韋布望遠(yuǎn)鏡官網(wǎng)的「Science Releases」

得益于韋布在紅外波段一騎絕塵的觀測能力，與韋布相關(guān)的許多發(fā)現(xiàn)中都有「最」，「首次」等字眼。比如2023年6月發(fā)表在《自然》的一篇論文中，研究團(tuán)隊注意到一個位處早期宇宙的星系中存在復(fù)雜的有機(jī)分子多環(huán)芳烴（PAHs），該星系由韋布望遠(yuǎn)鏡觀測到，它發(fā)出的光經(jīng)過了120億年才來到地球，也就是說這個星系在大爆炸后不到15億年時就已經(jīng)存在，在這個星系中發(fā)現(xiàn)的多環(huán)芳烴也是迄今為止宇宙中已知最早（120億年前）的復(fù)雜有機(jī)分子。

復(fù)雜有機(jī)分子所在的SPT0418-47（橙紅色環(huán)），因引力透鏡效應(yīng)呈環(huán)狀，藍(lán)色部分為前景星系︱J. Spilker / S. Doyle / NASA / ESA / CSA

另外韋布望遠(yuǎn)鏡還首次在類地行星形成區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了水蒸氣。在距離地球370光年，半人馬座方向的金牛T星PDS 70的原行星盤中，韋布望遠(yuǎn)鏡的中紅外儀器（MIRI）檢測到了其中的水蒸氣。這一發(fā)現(xiàn)關(guān)系到地球上水的起源，過去一般認(rèn)為地球形成后受到含水小行星不斷撞擊使得地球獲得大量的水，而如今的觀測證據(jù)顯示水可能在巖質(zhì)行星形成之初就已存在。相關(guān)研究[2]于2023年7月發(fā)表在《自然》上。

韋布望遠(yuǎn)鏡觀測到的PDS 70原行星盤中的水蒸氣發(fā)射光譜︱NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

黑洞一直是天文學(xué)研究的前沿課題之一，但由于黑洞的特殊性質(zhì)，長期以來相關(guān)研究多少有些「紙上談兵」的味道，對普通人而言也很難對黑洞「眼見為實(shí)」。直到近些年隨著觀測設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展，我們陸續(xù)獲得了橢圓星系M87的中心黑洞以及銀心黑洞的照片，2020年諾貝爾物理學(xué)獎的一半獎金也頒發(fā)給了致力于銀心黑洞觀測研究的兩位學(xué)者。

2020年諾貝爾物理學(xué)獎得主丨nobelprize.org

2023年有關(guān)M87中心黑洞的研究又有了新進(jìn)展：天文學(xué)家先后獲得了該超大質(zhì)量黑洞噴流的首張高分辨率圖像[3]，以及該噴流存在周期性擺動的觀測證據(jù)[4]。值得一提的是兩項(xiàng)研究的團(tuán)隊均由中國天文學(xué)家領(lǐng)銜（路如森，崔玉竹），觀測設(shè)備中也有許多國內(nèi)天文望遠(yuǎn)鏡的身影。

3.5mm波段下M87中心黑洞及其噴流︱參考文獻(xiàn)[3]

黑洞噴流觀測數(shù)據(jù)與進(jìn)動模型的最佳擬合結(jié)果（紅線）︱Yuzhu Cui et al. 2023

對宇宙中第一代恒星的研究同樣飽受「觀測困難癥」的困擾，今年發(fā)表的兩項(xiàng)研究另辟蹊徑，間接證實(shí)了第一代恒星的存在。第一項(xiàng)研究[5]找到了一顆貧金屬星，光譜顯示其金屬豐度特征十分特殊，其前身星[6]是一顆生對不穩(wěn)定性超新星，而這類超新星正是第一代恒星的演化終點(diǎn)之一，這顆貧金屬星是第一代恒星曾經(jīng)存在的證據(jù)。

貧金屬星LAMOST J101051.9+235850.2在光學(xué)波段的圖像︱SDSS/NAOJ

第二項(xiàng)研究[7]則找到了三個特殊的遙遠(yuǎn)氣體云，并在背景類星體的幫助下分析了這些氣體云的光譜，發(fā)現(xiàn)他們的鐵含量極少，但有豐富的碳、氧、鎂等元素，而這種金屬豐度特征符合理論研究中某些第一代恒星死亡時的特點(diǎn)：位于外層的元素（碳、氧、鎂等）隨爆炸四散，而更重的元素（如鐵）則留在核心。這些氣體云正是第一代恒星消亡后的「余燼」。

天文學(xué)家利用背景類星體的光分析氣體云的化學(xué)成分︱ESO/L. Cal?ada

2015年激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到引力波，證實(shí)愛因斯坦百年前的預(yù)言后，天文學(xué)家在研究宇宙時，除了通過電磁波、宇宙線、中微子等手段獲取天體信息，還能借助引力波這個「第四信使」破解宇宙奧秘。和電磁波類似，引力波可以根據(jù)頻率分類，一般分為高頻引力波（1~10^4Hz），中頻引力波（10^-4~1Hz）和低頻引力波（10^-10~10^-6Hz）。像LIGO能探測的引力波主要為高頻引力波，如雙中子星或雙恒星級黑洞并合事件。對于質(zhì)量尺度更大的事件，例如星系中心超大質(zhì)量黑洞的相互作用，則會產(chǎn)生低頻引力波，主要集中在納赫茲波段（~10^-9Hz），納赫茲引力波的振蕩周期可達(dá)數(shù)年乃至數(shù)十年，波長則達(dá)到數(shù)光年。

不同天體事件產(chǎn)生的引力波頻率分布及相關(guān)探測手段︱Christopher Moore, Robert Cole and Christopher Berry

納赫茲引力波的特性決定了人類無法僅依靠地球上的設(shè)備開展探測。不過在今年6月，包括來自中國、澳大利亞、北美、歐洲的世界多地的研究團(tuán)隊發(fā)表了一系列論文，宣布在低頻引力波研究上取得了突破[8]。天文學(xué)家創(chuàng)造性地利用毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)周期極為精確的特性，將多顆脈沖星組成脈沖星計時陣，通過測量出計時陣在長時間尺度下的微小變化，證實(shí)了宇宙空間中確實(shí)存在納赫茲引力波。

中國研究團(tuán)隊論文截圖

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2023年，有一批新望遠(yuǎn)鏡與探測器投入使用，人類還收到一份來自小行星的「禮物」。

4月14日，歐洲空間局的冰質(zhì)木衛(wèi)探測器（Jupiter Icy Moons Explorer，JUICE）成功發(fā)射升空，該探測器的探測目標(biāo)是木星的三顆大衛(wèi)星——木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四，它們?nèi)叩墓餐c(diǎn)是同屬于冰質(zhì)衛(wèi)星，地表下可能存在大量液態(tài)水。冰質(zhì)木衛(wèi)探測器在正式對三顆衛(wèi)星展開探測之前還將經(jīng)歷多次變軌，預(yù)計在2031年7月抵達(dá)木星，2034年進(jìn)入木衛(wèi)三環(huán)繞軌道。

JUICE任務(wù)徽章︱ESA

7月1日，歐洲空間局主導(dǎo)建設(shè)的歐幾里得（Euclid）空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，這是一臺工作在可見光與紅外波段的1.2米口徑巡天望遠(yuǎn)鏡，巡天范圍約覆蓋天球的三分之一（1.5萬平方度），并有40平方度的深度巡天區(qū)域，觀測目標(biāo)是紅移值2以內(nèi)的星系與星系團(tuán)，對應(yīng)約100億年前至今的宇宙。根據(jù)現(xiàn)有宇宙演化理論，約100億年前暗物質(zhì)與暗能量開始主導(dǎo)宇宙的演化。通過為期六年巡天觀測，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡有望構(gòu)建出這段時期的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)演化圖景，從而使我們對暗物質(zhì)以及暗能量有更深刻更本質(zhì)的認(rèn)識。

歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡︱ESA–S. Corvaja

9月17日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與南京紫金山天文臺主導(dǎo)建設(shè)的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡正式投入觀測，這是自2008年郭守敬望遠(yuǎn)鏡落成后，15年來中國建成并啟用的第一臺兩米級光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，也是目前北半球時域巡天能力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡一次拍攝可囊括相當(dāng)于36個滿月大小的天空范圍，同時相比現(xiàn)役的大視場巡天項(xiàng)目有更深的巡天深度，大大增強(qiáng)了尋找引力波源電磁對應(yīng)體（如千新星）、高紅移超新星等天體的能力。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡所在的青海冷湖天文觀測基地在未來十年還會陸續(xù)建成多臺口徑4米以上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

左側(cè)圓頂為墨子巡天望遠(yuǎn)鏡︱wfst.ustc.edu.cn

9月24日，美國航天局的小行星探測器奧西里斯王號（OSIRIS-REx）成功將采集到的貝努小行星樣本送回地球。探測器于2016年9月28日發(fā)射，目標(biāo)為貝努小行星（101955 Bennu）。2020年10月20日，探測器成功在小行星表面采樣，次年5月10日探測器返航。本次采樣共獲得樣本250克，是歷來樣本總量最大的一次小行星采樣任務(wù)。對樣本的初步分析顯示貝努小行星有大量富碳物質(zhì)與含水粘土礦物。

奧西里斯王號樣本采集器外部視圖，可見散落的貝努小行星碎片︱NASA/Erika Blumenfeld & Joseph Aebersold

10月13日，美國航天局的又一艘小行星探測器靈神號（Psyche）成功發(fā)射，該探測器得名于其任務(wù)目標(biāo)——富含金屬的M型小行星靈神星（16 Psyche）。靈神星是目前已知最大的M型小行星，靈神號也是人類首次造訪M型小行星。靈神號將要在宇宙空間中航行6年，預(yù)計2029年抵達(dá)靈神星開展探測任務(wù)。

藝術(shù)家筆下的靈神號小行星探測器概念圖︱NASA/JPL-Caltech/ASU

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如果說2023年有哪些令人印象深刻的天象，首先不得不提的是兩次日食。雖然從原理上每年都有不少于兩次日食，但有些年份的日食要么可見區(qū)域極為刁鉆（例如2021年），要么觀賞性略遜一籌（如2022年的兩次日偏食）。今年4月30日發(fā)生的日全環(huán)食是時隔857天后再次出現(xiàn)觀測條件較好的中心日食，而全環(huán)食本身也有著足夠的噱頭——本次日食期間地球上既會上演日全食，也會出現(xiàn)日環(huán)食。

2023年日全環(huán)食丨Wikipedia

半年之后10月14日的日環(huán)食，環(huán)食帶經(jīng)過美國西部數(shù)個州，是美國本土?xí)r隔7年后再次出現(xiàn)中心日食。

2023年日環(huán)食丨Wikipedia

12月初，一則「北京可見極光」的新聞登上了各大網(wǎng)絡(luò)平臺的熱搜。一般來說極光是在兩極地區(qū)才有機(jī)會目睹的自然現(xiàn)象，這和極光的成因有關(guān)：來自太陽的高能帶電粒子在地球磁場的作用下容易與南北兩極的高層大氣發(fā)生碰撞，大氣原子或分子受激后輻射出波長不同的光線，從而產(chǎn)生顏色各異的極光。

北京極光的相關(guān)新聞丨新華社微博

此次在北京這種中緯度地區(qū)出現(xiàn)極光，其中一個原因與近年太陽活動增強(qiáng)有關(guān)。太陽活動存在一個約11年的周期，當(dāng)下正值第25太陽活動周的中期，也是一個活動周之中太陽最為活躍的時期，此時太陽黑子數(shù)量最多，太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽活動也最為頻繁，由此產(chǎn)生的大量高能帶電粒子為北京地區(qū)出現(xiàn)極光創(chuàng)造了合適的條件。

太陽活動正在增強(qiáng)丨swpc.noaa.gov

今年表現(xiàn)最好的流星雨還是要數(shù)12月中旬極大的雙子座流星雨。提到「流星雨之王」，大家首先想到的大概是獅子座流星雨，歷史上的獅子座流星雨確實(shí)有著非常亮眼的表現(xiàn)。但就近些年的流量來看，極大時ZHR穩(wěn)定在150以上的雙子座流星雨才是當(dāng)下真正的流星雨之王。今年雙子座流星雨的月相條件極佳，月亮在天黑以后很快落入到地平線下，我們得以在整夜無月光干擾的情況下欣賞法厄同小行星（3200 Phaeton）的星塵與地球大氣聯(lián)袂奉上的精彩天象。

2023年雙子座流星雨丨One 2

2023年雙子座流星雨丨地理科代

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在與國際天文學(xué)聯(lián)合會有深度合作的三大國際天文學(xué)獎項(xiàng)中，兩年一頒發(fā)的科維理天體物理學(xué)獎今年正好輪空；英國天文學(xué)家理查德·埃利斯（Richard Ellis）獲得格魯伯宇宙學(xué)獎；澳大利亞天文學(xué)家馬修·拜萊斯（Matthew Bailes）、美國天文學(xué)家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）與毛拉·麥克勞克林（Maura McLaughlin）分享了邵逸夫天文學(xué)獎。美國天文學(xué)家馬西婭·里克（Marcia Rieke）則獲頒太平洋天文學(xué)會布魯斯獎?wù)拢摢勴?xiàng)被看作是天文界的「終身成就獎」。

在格魯伯宇宙學(xué)獎的頒獎詞中，評委會認(rèn)為埃利斯的貢獻(xiàn)「在過去的半個世紀(jì)從根本上重塑了宇宙學(xué)研究的面貌」。埃利斯是20世紀(jì)80年代以來最具影響力的英國天文學(xué)家之一，他致力于研究引力透鏡、遠(yuǎn)距離超新星、大尺度結(jié)構(gòu)、星系形成與演化等四個方面的課題。20世紀(jì)90年代中期，埃利斯利用哈勃望遠(yuǎn)鏡以及地基望遠(yuǎn)鏡研究解決了「暗弱藍(lán)色星系」問題，在早期宇宙相關(guān)的課題上也取得了重要進(jìn)展。

理查德·埃利斯（Richard Ellis）︱Gruber Foundation/R. Ellis

獲得邵逸夫天文學(xué)獎的三位天文學(xué)家在2007年聯(lián)名發(fā)表論文，首次描述了一種神秘的天文現(xiàn)象——快速射電暴（FRB），這也是他們的獲獎理由。快速射電暴是一種強(qiáng)烈的射電爆發(fā)現(xiàn)象，可以在數(shù)毫秒內(nèi)釋放相當(dāng)于太陽數(shù)天的輻射總能量。三位學(xué)者從有限的觀測數(shù)據(jù)中盡可能破解了關(guān)于快速射電暴的許多關(guān)鍵特征，包括來源大小（小于地球），距離（10億光年開外）等，并合理估計了這一現(xiàn)象在宇宙中的出現(xiàn)頻率，以及潛在的科學(xué)價值。如今快速射電暴是天文學(xué)熱門研究課題之一，我國學(xué)者在該研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

馬修·拜萊斯（Matthew Bailes）、鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）與毛拉·麥克勞克林（Maura McLaughlin）︱Shaw Prize

今年的布魯斯獎?wù)碌弥黢R西婭被視為紅外天文學(xué)的奠基人之一，長期專注于對銀河系中心以及宇宙高紅移星系的紅外觀測。她曾為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以及斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡設(shè)計儀器，并領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計了詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)（NIRCam）。

馬西婭·里克（Marcia Rieke）︱ASP

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這一年我們不得不與幾位同樣心懷宇宙的前輩告別。他們留下的智慧與貢獻(xiàn)將會繼續(xù)指引我們探索宇宙，發(fā)現(xiàn)未知。

1月20日，美國行星科學(xué)家彼得·吉拉什（Peter Gierasch）逝世，享年81歲。吉拉什是行星大氣研究先驅(qū)，曾深入研究了火星，金星，木星，以及土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六，他的許多關(guān)于行星大氣的預(yù)言都被隨后發(fā)射的探測器證實(shí)。他曾是海盜號，先驅(qū)者號，伽利略號以及卡西尼號的團(tuán)隊科學(xué)家之一。吉拉什曾獲得2014 年美國天文學(xué)會柯伊伯行星科學(xué)獎（Gerard P. Kuiper Prize），這是行星科學(xué)領(lǐng)域的最高獎之一。

卡西尼號丨NASA/JPL

4月22日，美籍華裔天文學(xué)家，布魯斯獎?wù)屡c邵逸夫天文學(xué)獎得主徐遐生逝世，享年79歲。徐遐生最為知名的天文學(xué)工作是與林家翹合作的關(guān)于盤狀星系螺旋結(jié)構(gòu)的密度波理論，這是他在撰寫本科學(xué)位論文時就開展的研究。徐遐生的其他研究課題還包括行星環(huán)的動力學(xué)、相互作用雙星的質(zhì)量轉(zhuǎn)移理論、恒星與行星的形成理論、隕石的起源等。徐遐生還是天文學(xué)教材《物理宇宙：天文學(xué)導(dǎo)論》（The Physical Universe: An Introduction to Astronomy）的作者，多年來一直是天文系本科生與研究生的必讀教材。

《物理宇宙：天文學(xué)導(dǎo)論》（The Physical Universe: An Introduction to Astronomy）

5月28日，美國天文學(xué)家、天文學(xué)史家歐文·金格里奇（Owen Jay Gingerich）逝世，享年93歲。金格里奇是哈佛大學(xué)天文學(xué)教授與科學(xué)史教授，他自20世紀(jì)70年代起走訪世界各地，花費(fèi)30年深入調(diào)查了著名天文學(xué)家哥白尼的著作《天球運(yùn)行論》的第一版與第二版的流傳、注釋、保存等情況，于2002年出版專著《哥白尼〈天球運(yùn)行論〉1543年紐倫堡版與1566年巴塞爾版的普查與注釋》，隨后又以自己搜尋各版本《天球運(yùn)行論》過程經(jīng)歷的故事集結(jié)成另一部作品《無人讀過的書：哥白尼〈天體運(yùn)行論〉追尋記》。

金格里奇曾擔(dān)任國際天文學(xué)聯(lián)合會行星定義委員會的主席，該委員會起草了新的行星定義，在該定義下冥王星仍然屬于行星，但國際天文學(xué)聯(lián)合會最終沒有采納委員會的提議，最終冥王星降級為矮行星。

《無人讀過的書：哥白尼〈天體運(yùn)行論〉追尋記》中譯本

8月19日，法國天文學(xué)家弗朗索瓦·羅迪耶（Fran?ois Roddier）逝世，享年86歲。羅迪耶是自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)之一，他與妻子克勞德在夏威夷大學(xué)天文研究所領(lǐng)導(dǎo)了一個小組為莫納克亞山的天文望遠(yuǎn)鏡研發(fā)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，以提高望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)一般由一面變形鏡和曲率傳感器組成，來自宇宙的星光經(jīng)主鏡反射先后經(jīng)過變形鏡和曲率傳感器，曲率傳感器可以實(shí)時檢測大氣抖動，將信號傳至計算機(jī)，再由計算機(jī)控制變形鏡抵消因大氣抖動引起的光波前畸變。該小組設(shè)計的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用在8米（口徑，下同）的北雙子望遠(yuǎn)鏡，4.6米加拿大-法國-夏威夷望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上。

北雙子望遠(yuǎn)鏡丨International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Michaud

8月27日，我國著名天文學(xué)史家張培瑜逝世，享年88歲。張培瑜畢業(yè)于南京大學(xué)天文系，畢業(yè)后一直在中國科學(xué)院紫金山天文臺從事科研工作，主要研究領(lǐng)域包括天體力學(xué)、天體測量學(xué)、中國古代天文學(xué)。張培瑜依托現(xiàn)代天文學(xué)知識系統(tǒng)整理了中國古代歷法，對缺少文獻(xiàn)記載的先秦歷法進(jìn)行復(fù)原研究，并梳理了從商代至今三千余年的天象，以及春秋時期至今的歷日。20世紀(jì)90年代末，張培瑜參與夏商周斷代工程，對相關(guān)時期的天象開展了系統(tǒng)研究。著有《三千五百年歷日天象》、《中國古代歷法》等書。

《三千五百年歷日天象》

參考&拓展

[1]https://webbtelescope.org/news/news-releases?itemsPerPage=50

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9

[3]https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2304/2304.13252.pdf

[4]https://arxiv.org/pdf/2310.09015.pdf

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1

[6]可以通俗理解為這顆恒星的前世

[7]https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2306/eso2306a.pdf

[8]https://www.science.org/content/article/long-sought-hum-of-gravitational-waves-from-giant-black-holes-heard-for-first-time

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