回顧了2022年天文學(xué)領(lǐng)域重要科學(xué)研究進(jìn)展和重要科技事件，在科學(xué)研究進(jìn)展方面，2022年對(duì)黑洞的探索向前邁出了重要的一步；詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于到達(dá)了目的地，產(chǎn)生了第一批可觀的成果；美國(guó)航天局（NASA）的小行星撞擊試驗(yàn)取得了巨大成功；來(lái)自中國(guó)天眼（FAST）和郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的研究成果依舊保持高水平產(chǎn)出；嫦娥五號(hào)帶回的月球土壤分析帶來(lái)連連驚喜；在全新的空間觀測(cè)設(shè)備方面，2022年成功發(fā)射了多臺(tái)空間觀測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)了重大突破。
天文學(xué)是一門傳統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)，自人類文明出現(xiàn)伊始，天文學(xué)就有舉足輕重的地位。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，天文學(xué)的研究對(duì)象從太陽(yáng)系逐漸發(fā)展到了整個(gè)宇宙。回顧2022年，天文學(xué)依舊蓬勃發(fā)展，觀測(cè)與理論齊頭并進(jìn)，在各自領(lǐng)域都取得了重大突破。在科學(xué)研究方面，天文學(xué)家勤奮耕耘，碩果累累：事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）拍攝銀河系中心黑洞的照片，使人類探索黑洞之路又向前邁進(jìn)一大步；等待數(shù)十載，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）不負(fù)眾望地頻頻產(chǎn)出觀測(cè)成果，不斷為天文學(xué)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇；美國(guó)航天局（NASA）進(jìn)行雙小行星重定向測(cè)試（Double Asteroid Redirection Test，DART），第一次為抵御小行星墜落提出了有效的防御手段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果振奮人心；中國(guó)探測(cè)到迄今為止最亮的伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，GRB），為該領(lǐng)域增加稀有數(shù)據(jù)，促進(jìn)理論研究；嫦娥五號(hào)月壤樣品分析結(jié)果帶來(lái)許多驚喜，為月球研究指引全新方向；500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST）在快速射電暴（fast radio burst，F(xiàn)RB）領(lǐng)域依舊大放異彩，取得矚目成績(jī)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了歷史上最大的原子氣體系統(tǒng)；郭守敬望遠(yuǎn)鏡（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope，LAMOST）重新構(gòu)建銀河系形成歷史。在新的空間觀測(cè)設(shè)備方面：對(duì)于我們近鄰月球的探索仍舊是熱點(diǎn)，“阿爾忒彌斯登月計(jì)劃”終于實(shí)施，人類即將再摘月宮桂枝；蓋亞（Gaia）釋放第3次數(shù)據(jù)，更新銀河系恒星的基本信息，為描繪銀河系藍(lán)圖再添磚瓦；愛(ài)因斯坦探針（Einstein in Probe，EP）探路者實(shí)驗(yàn)的成功，預(yù)示了中國(guó)將在X射線天文學(xué)領(lǐng)域大顯身手，更加緊密推動(dòng)國(guó)際合作；“夸父一號(hào)”成功“逐日”，拍下首張從地球視角觀測(cè)到的太陽(yáng)在硬X射線波段的圖像。本文從科學(xué)研究和天文設(shè)備兩個(gè)方面，對(duì)2022年天文學(xué)發(fā)展的重要科學(xué)進(jìn)展和重大事件進(jìn)行回顧。
01科學(xué)研究
北京時(shí)間2022年5月12日21時(shí)，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）發(fā)布了銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*（Sgr A*）的圖片（圖1），這個(gè)黑洞的質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，距離地球2.67萬(wàn)光年。
圖1 銀河系中心黑洞Sgr A*的第一張照片（圖片來(lái)源：Event Horizon Telescope Collaboration）
回顧3年前，也就是北京時(shí)間2019年4月10日21時(shí)（美國(guó)東部時(shí)間2019年4月10日上午9時(shí)），EHT發(fā)布了人類歷史上的第一張黑洞照片，照片的主角是位于室女座的超大質(zhì)量黑洞M87*，其質(zhì)量約為65億倍的太陽(yáng)質(zhì)量，距離地球5500萬(wàn)光年。從這些圖片中可以直觀地看到黑洞周圍的真實(shí)形態(tài)，這是人類歷史上的一個(gè)重要里程碑。兩個(gè)黑洞的質(zhì)量相差了約1500倍，通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行比較研究，可以幫助科學(xué)家更好地理解氣體在超大質(zhì)量黑洞周圍的行為、星系的形成和演化以及引力理論等多個(gè)方面。
黑洞是廣義相對(duì)論的基本預(yù)測(cè)，在天體物理學(xué)中很常見(jiàn)，并且存在于廣泛的質(zhì)量范圍內(nèi)。對(duì)于恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的研究，一般是通過(guò)研究吸積盤的X射線光譜性質(zhì)，從而對(duì)黑洞的基本物理參數(shù)如質(zhì)量、自旋等給出限制。除此以外還可以通過(guò)引力波信號(hào)進(jìn)行研究。另一類黑洞為超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量分布在數(shù)百萬(wàn)到數(shù)百億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，被認(rèn)為存在于幾乎所有星系的中心，包括橢圓星系M87的核心和銀河系中心。隨著事件視界望遠(yuǎn)鏡的建立，EHT通過(guò)利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（very-long-baseline interferometry，VLBI），并與世界各地的8個(gè)射電天文臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，組成地球大小的等效口徑的望遠(yuǎn)鏡，其觀測(cè)區(qū)域的分辨率直徑達(dá)到了40μas，這使得直接對(duì)超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像成為了可能。在所有已知的超大質(zhì)量黑洞中，M87*和Sgr A*具有最大的角直徑，這使得它們成為EHT觀測(cè)的主要目標(biāo)。
雖然Sgr A*離我們更近，相比對(duì)M87*的觀測(cè)，這一次的拍攝反而更加困難。首先因?yàn)殂y河系中心方向存在著大量的星際介質(zhì)，遮蔽的影響使數(shù)據(jù)處理更加復(fù)雜。此外，處于黑洞附近的氣體以接近光速的速度，圍繞黑洞進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。由于M87*和Sgr A*兩者間存在質(zhì)量差異，它們的時(shí)變尺度也存在類似差異。黑洞M87*附近的氣體需要數(shù)十天才能完成一次繞轉(zhuǎn)，而對(duì)于黑洞Sgr A*，氣體繞轉(zhuǎn)黑洞1周只需要幾分鐘，如此快速的繞轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致Sgr A*的圖像在一定時(shí)間內(nèi)有著更加豐富的變化?？茖W(xué)家通過(guò)提取多次觀測(cè)的平均值，最終得到了這張異常珍貴的照片。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)黑洞直接成像是研究黑洞的新方法，此次的照片發(fā)布進(jìn)一步認(rèn)定了銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。同時(shí)，通過(guò)黑洞的成像研究，還可以對(duì)引力理論起到測(cè)試作用，為吸積理論、噴流機(jī)制提供更多的研究材料。
在北京時(shí)間2021年12月25日20：20（美國(guó)東部時(shí)間2021年12月25日7：20），作為新一代大型空間觀測(cè)設(shè)備的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱韋布望遠(yuǎn)鏡）由阿麗亞娜5號(hào)火箭從位于南美洲法屬圭亞那的歐洲太空港發(fā)射升空，并于北京時(shí)間2022年1月25日凌晨3時(shí)（美國(guó)東部時(shí)間2022年1月24日14：00）成功抵達(dá)目的地，也就是距離地球約150萬(wàn)km的日地系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)。
韋布望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)航天局、歐洲航天局和加拿大航天局聯(lián)合研發(fā)的項(xiàng)目。韋布望遠(yuǎn)鏡經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，于2022年6月開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。它擁有6.5m寬的拼接主鏡（直徑比哈勃望遠(yuǎn)鏡大2.7倍左右），更大的鏡片使它擁有更強(qiáng)的收集光的能力。而且其波長(zhǎng)的覆蓋范圍更廣，這使得它的靈敏度也大大提高。與此同時(shí)，考慮到宇宙的紅移效應(yīng)，韋布望遠(yuǎn)鏡的紅外波段可以使我們看到宇宙更遙遠(yuǎn)更早期的情況。所以，韋布望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)是試圖觀測(cè)到宇宙早期形成的第一批星系和星系的形成，以及恒星和行星系統(tǒng)的塵埃云內(nèi)部，以此研究宇宙更深處的奧秘。
圍繞這些科學(xué)目標(biāo)，NASA于北京時(shí)間2022年7月12日22：30（美國(guó)時(shí)間2022年7月12日10：30）公開(kāi)發(fā)布了包括韋布深場(chǎng)的第一批圖像，而美國(guó)總統(tǒng)拜登選擇提前一天展示韋布望遠(yuǎn)鏡拍下的第一張紅外深場(chǎng)圖像（圖2）。
圖2 韋布望遠(yuǎn)鏡公開(kāi)發(fā)布的第一張科學(xué)圖片，圖片中包括了遙遠(yuǎn)星系在內(nèi)的深場(chǎng)觀測(cè)（圖片來(lái)源：NASA）
這張深場(chǎng)照片顯示了46億年前出現(xiàn)的遙遠(yuǎn)星系團(tuán)SMACS 0723，這是有史以來(lái)最清晰的遙遠(yuǎn)星系的圖片，這張圖片包含了諸多細(xì)節(jié)，有數(shù)千個(gè)星系以及一些僅僅發(fā)出微弱亮光的天體，據(jù)NASA消息，這只用了望遠(yuǎn)鏡4個(gè)儀器中的1個(gè)，僅花費(fèi)了12.5h的觀察時(shí)間。相比較而言，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍下第一張深場(chǎng)照片花費(fèi)了10d。在7月12日發(fā)布會(huì)當(dāng)日，韋布團(tuán)隊(duì)發(fā)布了韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的首批全彩色照片與光譜，包括韋布深場(chǎng)在內(nèi)的4張宇宙圖片與1顆系外行星的光譜數(shù)據(jù)。這4張宇宙圖片分別是：韋布深場(chǎng)圖、船底座星云、南環(huán)行星狀星云和斯蒂芬五重星系。船底座星云作為天空中最亮最大的星云之一，是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍下的一個(gè)經(jīng)典天體，而作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，韋布望遠(yuǎn)鏡以全新的視角帶來(lái)不同版本的星云圖片，在星云內(nèi)部誕生的恒星受到塵埃遮擋，在光學(xué)窗口幾乎不可見(jiàn)。但是在韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外波段，這些恒星會(huì)在圖片中變成一顆顆亮點(diǎn)。同樣地，發(fā)布的南環(huán)星云圖片也是首次在塵埃遮蔽下發(fā)現(xiàn)了中心恒星擁有一顆伴星。關(guān)于星云塵埃和氣體內(nèi)部恒星形成的奧秘，韋布望遠(yuǎn)鏡有能力帶領(lǐng)人類看清這一切。另外一張彩色圖像斯蒂芬五重星系群由近紅外和中紅外圖像合成，它是一個(gè)致密星系群。星系合并與相互作用是星系演化研究中重要的一環(huán)，韋布望遠(yuǎn)鏡可以提供絕佳的觀測(cè)資料。與此同時(shí)，發(fā)布會(huì)還展示了一顆編號(hào)為WASP-96b系外行星的大氣光譜分析圖。這是一顆圍繞在類太陽(yáng)恒星周圍的氣態(tài)巨行星，當(dāng)其從主星面前穿過(guò)時(shí)被韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝到?；谶@一大氣光譜，研究人員可以獲得該行星的大氣成分和云霧變化等信息，未來(lái)也許還可以獲得更多新的系外行星的細(xì)節(jié)信息，并且以此推測(cè)是否存在系外生命。這5張照片向世人宣告了韋布望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的觀測(cè)能力，交出了實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)的第一份完美答卷。
韋布望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)了良好的開(kāi)端，拓展了看向宇宙深處的視野，也將帶領(lǐng)人們回望過(guò)去，見(jiàn)證星系的形成和演化，它現(xiàn)在已成為天文學(xué)研究中最受關(guān)注的觀測(cè)工具。未來(lái)，韋布望遠(yuǎn)鏡有足夠的推進(jìn)劑可以繼續(xù)進(jìn)行10年以上的觀測(cè)和科學(xué)研究。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，韋布望遠(yuǎn)鏡獲得的第一批圖像為人類揭開(kāi)了宇宙新的帷幕，但這只是開(kāi)始。無(wú)論是剛上任的韋布望遠(yuǎn)鏡還是即將發(fā)射的其他空間望遠(yuǎn)鏡，都會(huì)讓我們看到一個(gè)全新的宇宙，帶領(lǐng)我們走近天文學(xué)的終極目標(biāo)——探索系外生命，追溯宇宙歷史。
20世紀(jì)70年代，美國(guó)曾送給中國(guó)1g月球樣品，中國(guó)科學(xué)家利用其中的0.5g樣品開(kāi)展了深入研究，并發(fā)表了多篇科研論文。2020年底，嫦娥五號(hào)圓滿完成任務(wù)，從年輕的月海玄武巖單元帶回共計(jì)1731g異常珍貴的月球樣品，這標(biāo)志著中國(guó)首次完成地外采樣任務(wù)的巨大成功。近1kg的月壤根據(jù)采樣方式和樣品使用的特點(diǎn)，被分類保存在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)月球樣品實(shí)驗(yàn)室的不同存儲(chǔ)裝置中?？茖W(xué)家對(duì)月球樣品開(kāi)展了廣泛而詳細(xì)的科學(xué)研究工作，從探測(cè)月壤物理化學(xué)組成和礦物成分這類基本特征，再到實(shí)驗(yàn)室光譜測(cè)量。這些研究不僅可以幫助科學(xué)家更加了解月球的信息，還可以為未來(lái)中國(guó)在月球建設(shè)基地和望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃提供重要的參考。
利用嫦娥五號(hào)取得的月球樣品，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了地球磁層屏蔽和相對(duì)高溫環(huán)境下對(duì)月球水的原位光譜觀測(cè)。結(jié)果顯示，嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)的月球土壤的羥基平均含量約為十萬(wàn)分之三，這與遙感和地面望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)一致。對(duì)嫦娥五號(hào)帶回樣品的實(shí)驗(yàn)室分析也為這些羥基含量的可能來(lái)源提供了關(guān)鍵線索。此外，嫦娥五號(hào)月壤中凝固的火山玻璃含量要比阿波羅計(jì)劃帶回的樣品中少得多，表明太陽(yáng)風(fēng)植入的貢獻(xiàn)很小。這為研究月球水的分布范圍、時(shí)間變化特征和來(lái)源提供了新的論述。相關(guān)研究成果于2022年6月發(fā)表在《Nature Communications》。
中國(guó)國(guó)家航天局、國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)于北京時(shí)間2022年9月9日聯(lián)合宣布，中國(guó)科學(xué)家首次在月球上發(fā)現(xiàn)新礦物，它被命名為“嫦娥石”。這代表中國(guó)成為世界第3個(gè)在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國(guó)家。研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)2個(gè)多月，經(jīng)過(guò)一次又一次地失敗又重來(lái)，終于提取出了這一新礦物，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)最終確定了全新礦物并且將其命名為“嫦娥石”。這一名字寄托著中國(guó)航天探測(cè)精神，也表明了中國(guó)為月球探索提供的助力。
月海的西面覆蓋著晚期馬式玄武巖，由于缺少樣品分析，以前根據(jù)遙感觀測(cè)推測(cè)晚期玄武巖的礦物具有高含量的橄欖石。2022年10月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的研究團(tuán)隊(duì)，將嫦娥五號(hào)獲得的月球樣品分析結(jié)果和以往獲取的月球樣品的實(shí)驗(yàn)室光譜、X射線衍射和電子探針?lè)治鼋Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明嫦娥五號(hào)采樣月壤的特殊光譜特征主要是來(lái)自于富鐵高鈣輝石，而非此前遙感探測(cè)推測(cè)的橄欖石。這一結(jié)果可以推廣致整個(gè)月球晚期的玄武巖，為月球的熱演化和火山活動(dòng)提供了相關(guān)的約束，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Nature Communications》。
2022年11月，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)嫦娥五號(hào)采樣的月壤粉末中的硫化物顆粒開(kāi)展了深入細(xì)致的原位微區(qū)分析，首次證實(shí)了月壤中撞擊形成的亞微米級(jí)磁鐵礦的存在。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Communications》。這一發(fā)現(xiàn)首次將撞擊事件與鐵磁性礦物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)解釋月球上原生磁鐵礦廣泛存在的現(xiàn)象。此外，這一發(fā)現(xiàn)也為月球表面磁場(chǎng)的相關(guān)問(wèn)題提供了新的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論支持。
嫦娥五號(hào)帶回的月壤樣品帶來(lái)了豐富的研究成果，期待未來(lái)全新的發(fā)現(xiàn)，能更深入地了解到我們這一鄰居衛(wèi)星。
500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）作為世界上口徑最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，在2022年依然保持了高質(zhì)量、高產(chǎn)出。FAST在觀測(cè)快速射電暴這一領(lǐng)域依舊處于國(guó)際領(lǐng)先地位，并且于2022年發(fā)現(xiàn)了此前未發(fā)現(xiàn)的持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴。
北京時(shí)間2022年6月9日，《Natrue》發(fā)表的一篇文章，確認(rèn)了由FAST的“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天（CRAFTS）”項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的快速射電暴（FRB）20190520B宿主星系的色散值比其他FRBs宿主星系的色散值要高1個(gè)數(shù)量級(jí)。后續(xù)對(duì)該事件還進(jìn)行了與多臺(tái)國(guó)際設(shè)備聯(lián)合的空間地面觀測(cè)，覆蓋了射電到高能多個(gè)波段的觀測(cè)，成功找到了它的持續(xù)射電對(duì)應(yīng)體（persistent radio source，PRS），這是歷史上第2個(gè)被確認(rèn)擁有持續(xù)對(duì)應(yīng)體的FRBs。FAST為理解FRBs的物理機(jī)制提供了完善的觀測(cè)手段，并且極大地推進(jìn)了對(duì)宇宙中這一奇妙現(xiàn)象的研究。
此外，對(duì)于另外一個(gè)特殊的射電暴FRB 20201124A，這是一個(gè)非常活躍的重復(fù)暴，中國(guó)天眼FAST快速射電暴優(yōu)先和重大項(xiàng)目科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用FAST對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的深度觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了重復(fù)FRBs的3個(gè)以前從未見(jiàn)過(guò)的特征。根據(jù)這一迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的FRBs偏振觀測(cè)樣本，科學(xué)家首次探測(cè)到距離快速射電暴中心僅1個(gè)天文單位（1AU）的周圍環(huán)境的磁場(chǎng)變化。他們提出了一個(gè)新的Be星的衰減盤物理模型來(lái)解釋這些現(xiàn)象，在研究快速射電暴中心能源機(jī)制這一方向邁出了重要的一步。該成果于北京時(shí)間2022年9月21日正式發(fā)表在《Natrue》雜志。目前，中國(guó)天眼FAST快速射電暴優(yōu)先和重大項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)已有近百人在緊密合作，期待找到?jīng)Q定快速射電暴中心物理過(guò)程和能源機(jī)制的直接觀測(cè)證據(jù)，引導(dǎo)國(guó)際多波段聯(lián)合觀測(cè)，早日揭示快速射電暴的物理起源。
FAST極高的探測(cè)靈敏度使它能夠探測(cè)到遠(yuǎn)離星系中心極其稀薄的彌散原子氣體所發(fā)出的暗弱輻射，這為研究宇宙中的天體起源提供了一個(gè)全新的機(jī)會(huì)。FAST對(duì)宇宙中著名的致密星系群“斯蒂芬五重星系”（Stephan's Quintet，圖3）及其周圍天區(qū)的氫原子氣體進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了1個(gè)尺度約為200萬(wàn)光年，比銀河系大20倍的巨大原子氣體系統(tǒng)。如此龐大的原子氣體系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的星系演化模型提出了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有的理論無(wú)法合理解釋為什么這些稀薄的原子氣體能夠存在于距離星系如此遙遠(yuǎn)的地方，而沒(méi)有被宇宙背景的紫外輻射再電離。也許宇宙中還存在著更多類似這一大尺度的低密度的原子氣體結(jié)構(gòu)，未來(lái)FAST還會(huì)在這一方向持續(xù)進(jìn)行觀測(cè)研究。這一成果已于北京時(shí)間2022年10月19日發(fā)表在《Natrue》。
無(wú)論是在發(fā)現(xiàn)史上第1例重復(fù)活躍快速射電暴，還是探測(cè)到史上最大的原子氣體系統(tǒng)，都展現(xiàn)了FAST仍處于當(dāng)打之年的實(shí)力，未來(lái)FAST會(huì)一如既往，保持其高效的觀測(cè)效率和高質(zhì)量的論文產(chǎn)出，一層層揭開(kāi)宇宙神秘的面紗。
圖3 “斯蒂芬五重星系”周圍天區(qū)的原子氣體分布（用紅色光暈顯示；光暈越薄表示中性原子氫氣體的柱密度越低）
（圖片來(lái)源：NASA/European Space Agency/Canadian Space Agency/Space Telescope Science Institute）
郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）自服役十多年來(lái)，在大規(guī)模光學(xué)光譜觀測(cè)和大視場(chǎng)天文學(xué)研究方面一直居于國(guó)際領(lǐng)先的地位，2022年還更新了第8次數(shù)據(jù)釋放（DR8 v2.0）。作為廣闊銀河系中的一員，我們一直在探尋銀河系的歷史，LAMOST擁有的大規(guī)模光譜描繪了銀河系的繪圖，讓我們得以窺探銀河系的全貌，不斷更新對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)。
北京時(shí)間2022年3月24日，《Natrue》雜志以封面文章形式發(fā)布了德國(guó)馬普天文研究所（MPIA）和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)合作的一項(xiàng)重大研究成果。基于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡和歐洲航天局的天體測(cè)量衛(wèi)星蓋亞望遠(yuǎn)鏡的巡天觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員第一次對(duì)大量樣本的亞巨星進(jìn)行了精確的年齡測(cè)定，分析結(jié)果指出，恒星年齡和金屬豐度的分布分成了兩個(gè)完全不相干的部分，以8Gyr（1Gyr=109年）的年齡為界限：較年輕的一組反映了銀河系形成的晚期階段，也就是銀河系的薄盤形成階段，有明顯的恒星徑向軌道遷移的特征；另一組反映了銀河系形成的早期階段，也就是發(fā)生了動(dòng)力學(xué)劇烈湍動(dòng)過(guò)程的厚盤形成階段。這一研究給出了銀河系形成的演化圖景：130億年前，由于大量氣體的坍縮，星系之間相互并合，在劇烈的動(dòng)力學(xué)作用下銀河系厚盤開(kāi)始形成，這比此前人們預(yù)想的要早很多。厚盤形成這一過(guò)程持續(xù)了50億年，直到氣體耗盡，厚盤的形成停止。隨后，也就是80億年前，在厚盤區(qū)域的外圍，慢慢有新恒星形成，逐漸形成銀河系的薄盤，這一過(guò)程直到今天仍在繼續(xù)。研究給出的銀河系形成的過(guò)程顛覆了之前對(duì)銀河系形成歷史的認(rèn)知，重新精細(xì)地刻畫出了銀河系演化的歷史圖樣（圖4）。
圖4 銀河系早期形成和演化示意：距今138億年前宇宙大爆炸，130億年前厚盤開(kāi)始形成，110億年前銀暈形成，80億年前銀河薄盤形成，至今仍未結(jié)束（圖片來(lái)源：喻京川）
LAMOST擁有千萬(wàn)量級(jí)的光譜數(shù)據(jù)，大口徑和大視場(chǎng)的特點(diǎn)使其在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中成為世界之最。北京時(shí)間2022年9月30日，LAMOST更新了第8次數(shù)據(jù)釋放（DR8 v2.0），LAMOST交替進(jìn)行了中分辨率和低分辨率的光譜調(diào)查，這是第一次由國(guó)家天文數(shù)據(jù)中心與歐洲航天局的ESASky數(shù)據(jù)平臺(tái)聯(lián)合發(fā)布，而未來(lái)更多的天文數(shù)據(jù)系統(tǒng)都會(huì)對(duì)LAMOST進(jìn)行收錄，這將吸引越來(lái)越多的科學(xué)家使用LAMOST的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。DR8數(shù)據(jù)集包括1660萬(wàn)條光譜和791萬(wàn)套恒星光譜參數(shù)。LAMOST發(fā)布的光譜和恒星參數(shù)的總數(shù)仍然是世界上最大的。這不僅為探索銀河系形成演化歷史提供了巨大可用的樣本庫(kù)，也讓天文學(xué)家在此基礎(chǔ)上在恒星的其他研究領(lǐng)域上可以大顯身手。未來(lái)越來(lái)越多高質(zhì)量、高精度的儀器項(xiàng)目開(kāi)始啟動(dòng)，探索銀河系未解之謎這一美好暢想將迎來(lái)最好的時(shí)代。
北京時(shí)間2022年6月13日，歐洲航天局發(fā)布了蓋亞（Gaia）第3套完整的數(shù)據(jù)。在此之前，蓋亞分別在2016年和2018年發(fā)布了2次數(shù)據(jù)，但相比之下，第3套數(shù)據(jù)歷經(jīng)了34個(gè)月的觀測(cè)，數(shù)據(jù)量更加驚人。該數(shù)據(jù)囊括了銀河系中近20億顆恒星的細(xì)節(jié)，包括化學(xué)成分、恒星溫度、顏色、質(zhì)量、年齡以及恒星的徑向速度，此外還有太陽(yáng)系天體和河外源的信息等。新的數(shù)據(jù)還包含了超過(guò)80萬(wàn)個(gè)雙星系統(tǒng)的質(zhì)量和演化，作為銀河系內(nèi)迄今為止最大的一個(gè)雙星星表，這給科學(xué)家提供了許多前所未有的信息，對(duì)于幫助科學(xué)家更好地理解恒星演化至關(guān)重要。
第3套數(shù)據(jù)對(duì)星震學(xué)、銀河系演化、雙星等許多方面都有促進(jìn)作用。雖然蓋亞衛(wèi)星的主要目標(biāo)并不在此，但令人驚奇的是，蓋亞確實(shí)能夠探測(cè)到星震現(xiàn)象，即恒星表面的微小運(yùn)動(dòng)。此前，蓋亞已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多恒星產(chǎn)生徑向振蕩，在保持其球形的同時(shí)周期性膨脹和收縮。不僅如此，在新數(shù)據(jù)中，蓋亞也發(fā)現(xiàn)了許多恒星的非徑向振蕩，這些數(shù)據(jù)能夠幫助科學(xué)家對(duì)恒星的內(nèi)部運(yùn)作有更加深入的理解。在銀河系演化方面，通過(guò)觀測(cè)恒星的金屬豐度情況，可以判斷該恒星的星族，對(duì)比周圍的星際介質(zhì)成分，就可以了解它是在哪兒誕生的。通過(guò)其出生地和之后的位置信息，科學(xué)家可以揭示銀河系中星體的移動(dòng)變化、星系的演化過(guò)程等。
蓋亞是歐洲航天局于2013年末發(fā)射的一顆太空望遠(yuǎn)鏡，在拉格朗日L2點(diǎn)運(yùn)行，旨在繪制銀河系的三維地圖，揭示銀河系的組成、形成和演化（圖5）。
圖5 蓋亞衛(wèi)星觀測(cè)銀河系的藝術(shù)想象圖（圖片來(lái)源：European Space Agency）
蓋亞的任務(wù)目標(biāo)是對(duì)銀河系中約10億顆恒星（約占銀河系恒星總量的1%）提供精確的位置測(cè)量，并為其中最亮的1.5億顆提供徑向速度測(cè)量。通過(guò)其330~1050nm波段的多色測(cè)光系統(tǒng)，能夠獲得恒星的大量天體物理信息，這些數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家定量研究銀河系的早期形成以及隨后的動(dòng)力學(xué)、化學(xué)成分和恒星形成演化。此外，蓋亞還將對(duì)數(shù)千個(gè)太陽(yáng)系外行星系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和軌道分類，對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)的小天體進(jìn)行全面調(diào)查，觀測(cè)鄰近的星系以及數(shù)十萬(wàn)個(gè)遙遠(yuǎn)的類星體。它還能提供測(cè)試廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)理論的機(jī)會(huì)，有助于更好地了解宇宙的運(yùn)行機(jī)制。蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡原本計(jì)劃于2019年結(jié)束觀測(cè)任務(wù)，但由于其優(yōu)秀的性能，歐洲航天局決定將運(yùn)行延長(zhǎng)至2025年。
蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡的貢獻(xiàn)是巨大的，不僅提供了大量有關(guān)銀河系內(nèi)恒星的信息，還幫助科學(xué)家更好地理解恒星演化的規(guī)律、為探索銀河系的起源和演化提供了重要的線索。因此，蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡在天文學(xué)界中享有相當(dāng)?shù)穆曂?，這些新數(shù)據(jù)也定會(huì)帶來(lái)更多的發(fā)現(xiàn)。
北京時(shí)間2022年10月9日，爆發(fā)了迄今為止最強(qiáng)烈的一次伽馬射線暴（GRB），編號(hào)為GRB 221009A（圖6）。
圖6 GRB 221009A爆發(fā)1h后雨燕γ射線暴探測(cè)器（Swift）拍下的爆發(fā)余暉（圖片來(lái)源：NASA/Swift）
伽馬射線暴是觀測(cè)到在短時(shí)間內(nèi)在天空中某一方向伽馬射線迅速增強(qiáng)消退的現(xiàn)象。爆發(fā)持續(xù)時(shí)間一般為幾毫秒到幾千秒，輻射能段在0.1~100MeV。以2s為分界，分類為長(zhǎng)暴和短暴。一般認(rèn)為長(zhǎng)暴于大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞的過(guò)程中產(chǎn)生，目前這個(gè)理論已得到學(xué)界的一致認(rèn)可。短暴則是產(chǎn)生于致密雙星并合，例如黑洞與中子星并合，同時(shí)發(fā)射出引力波，2017年的雙中子星并合引力波事件就證實(shí)了這一觀點(diǎn)。許多衛(wèi)星如雨燕γ射線暴探測(cè)器（Swift）、全天X射線圖像監(jiān)視器（MAXI）都觀測(cè)到了此次爆發(fā)。通過(guò)費(fèi)米衛(wèi)星（Fermi）在10~1000keV波段的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高能爆發(fā)事件持續(xù)時(shí)間為327s，事件能量密度達(dá)到了18.2 GeV·cm-2，更易探測(cè)到許多之前由于太過(guò)暗弱而無(wú)法看到的細(xì)節(jié)。
爆發(fā)源位于射手座方向，距離地球約24億光年。通過(guò)對(duì)這次爆發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，科學(xué)家認(rèn)為，這次爆發(fā)很可能是由大質(zhì)量恒星晚期發(fā)生坍縮，產(chǎn)生超新星爆炸形成黑洞引發(fā)的。如此明亮的GRBs并不常見(jiàn)，可能要幾十年才會(huì)出現(xiàn)一次。
與此同時(shí)，當(dāng)天北京時(shí)間21∶17，中國(guó)的高海拔宇宙線觀測(cè)站拉索（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）、高能爆發(fā)探索者（High Energy Burst Searcher，HEBS）和慧眼衛(wèi)星（Hard X-ray Modulation Telescope，Insignt-HXMT）都同時(shí)觀測(cè)到了這次爆發(fā)。這是中國(guó)首次對(duì)伽馬射線暴的空間與地面多手段聯(lián)合觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了從最高的十幾太電子伏光子（LHAASO）到兆電子伏伽馬射線（HEBS）以及千電子伏X射線（HXMT）的多波段精細(xì)測(cè)量，跨越了9個(gè)量級(jí)。得益于中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所近些年在天地一體化觀測(cè)能力建設(shè)的高速發(fā)展，尤其是LHAASO的成功建造和運(yùn)行，占據(jù)了國(guó)際領(lǐng)先地位，在此次觀測(cè)中，LHAASO從GRB 221009A中檢測(cè)到5000余條超過(guò)500 GeV的伽馬射線，其中能量最高的伽馬射線達(dá)到18 TeV。這將伽馬射線暴光子最高能量的記錄提升了近20倍，首次打開(kāi)了10 TeV波段的伽馬射線暴觀測(cè)窗口，意義重大。
高海拔宇宙線觀測(cè)站是中國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，位于四川省稻城縣海子山，核心科學(xué)目標(biāo)是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。高能爆發(fā)探索者搭載于空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（SY-01）上，主要探測(cè)研究伽馬暴、引力波電磁對(duì)應(yīng)體、磁星爆發(fā)等天體爆發(fā)現(xiàn)象。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”是中國(guó)第一個(gè)空間天文衛(wèi)星，于2017年6月15日發(fā)射成功，主要科學(xué)目標(biāo)包括：搜尋銀盤面上的新的暫現(xiàn)源，監(jiān)測(cè)已知的變?cè)?；觀測(cè)X射線雙星以研究強(qiáng)引力場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和輻射機(jī)制；監(jiān)測(cè)研究伽馬射線暴和引力波電磁對(duì)應(yīng)體。
02天文設(shè)備
北京時(shí)間2022年11月16日14：47（美國(guó)東部時(shí)間2022年11月16日凌晨1：47），NASA的重型運(yùn)載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，SLS）攜帶獵戶座飛船（Orion）（圖7），從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空，執(zhí)行“阿爾忒彌斯1號(hào)（Artemis 1）”任務(wù)。飛船用了9天半的時(shí)間運(yùn)行到月球軌道，隨后在距離月球表面7×104km的高度，花費(fèi)6天時(shí)間繞月逆向飛行了半圈，最后返回地球，整個(gè)任務(wù)歷時(shí)25天10小時(shí)（圖8） 。北京時(shí)間2022年12月12日凌晨1∶40（太平洋時(shí)間12月11日9：40），獵戶座飛船成功回落在加利福尼亞州以西的太平洋上，圓滿完成了“阿爾忒彌斯1號(hào)”無(wú)人繞月飛行測(cè)試任務(wù)。
圖7 NASA的SLS火箭于2022年8月26日在佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心亮相
（圖片來(lái)源：Agence France-Presse）
圖8 “阿爾忒彌斯1號(hào)”任務(wù)的飛行路徑（圖源：NASA）
此次任務(wù)的主要目標(biāo)是測(cè)試獵戶座飛船系統(tǒng)在太空環(huán)境飛行的穩(wěn)定性，以確保后續(xù)的載人航天任務(wù)中飛行機(jī)組人員能夠安全地升空與返航。因此本次任務(wù)是無(wú)人駕駛飛行試驗(yàn)，通過(guò)使用裝有傳感器的人體模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)飛行中的機(jī)組人員記錄振動(dòng)、加速度等數(shù)據(jù)。本次項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人邁克·薩拉芬表示，任務(wù)的圓滿成功表明飛船可以承受從月球重返地球時(shí)需要面對(duì)的極端條件。
2017年10月，NASA正式宣布將實(shí)施阿爾忒彌斯計(jì)劃（Artemis program），其目標(biāo)是再次將美國(guó)航天員送上月球，并于月球表面建立永久基地，為后續(xù)登陸火星以及開(kāi)展更深層次的深空探測(cè)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。上一次登陸月球，得益于美國(guó)在1961年到1972年期間相繼開(kāi)展的一系列載人登月飛行任務(wù)，也稱阿波羅計(jì)劃（Apollo program），先后共有12名宇航員登上月球，在此之后的50年，人類對(duì)月球就再無(wú)實(shí)地造訪。此次任務(wù)代號(hào)為阿爾忒彌斯，也是為了與當(dāng)年的阿波羅計(jì)劃相呼應(yīng)。在古希臘神話中，阿爾忒彌斯是阿波羅的雙胞胎姐姐，也是一位與月亮有關(guān)的女神。
阿爾忒彌斯登月計(jì)劃共分為3部分，此次任務(wù)為第一部分，起到測(cè)試作用。阿爾忒彌斯2號(hào)任務(wù)為載人航天任務(wù)，計(jì)劃于2024年進(jìn)行，屆時(shí)飛船將載有4名船員完成繞月飛行。第3次任務(wù)的目標(biāo)為正式登月，預(yù)計(jì)于2026年執(zhí)行，這是自1972年阿波羅17號(hào)任務(wù)之后，再次將宇航員送上月球，整個(gè)任務(wù)的耗資預(yù)計(jì)高達(dá)930億美元?？偟膩?lái)說(shuō)，阿爾忒彌斯計(jì)劃是一項(xiàng)重大的太空探索計(jì)劃。通過(guò)這幾次任務(wù)，將會(huì)逐步豐富科學(xué)家對(duì)于新一代宇航服、運(yùn)載火箭等相關(guān)內(nèi)容的知識(shí)，幫助人類進(jìn)一步探索月球，為人類提供更多機(jī)會(huì)進(jìn)行太空探索，為未來(lái)對(duì)火星的探索做好充足的準(zhǔn)備。
夸父逐日的古代神話故事表明了中國(guó)人自古以來(lái)對(duì)于神秘的太陽(yáng)的征服欲。無(wú)論是2018年發(fā)射的“帕克號(hào)”（Parker Solar Probe，PSP），還是2021年升空的“羲和號(hào)”（Chinese Hα Solar Explorer，CHASE），都承載了人們對(duì)于探索太陽(yáng)的渴望。北京時(shí)間2022年10月9日7：43，中國(guó)綜合性太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)，“夸父一號(hào)”（Advanced Space-based Solar Observatory，ASO-S）在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心采用長(zhǎng)征二號(hào)丁型運(yùn)載火箭發(fā)射升空。昔日的神話今朝成為了現(xiàn)實(shí)?！翱涓敢惶?hào)”是專門為太陽(yáng)觀測(cè)而提出、完全以科學(xué)目標(biāo)為牽引的空間科學(xué)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)天基太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星跨越式的突破。與“帕克號(hào)”和“羲和號(hào)”不同的是，“夸父一號(hào)”是在可見(jiàn)光波段對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行直接觀測(cè)。其科學(xué)目標(biāo)可概括為“一磁兩暴”，“一磁”是指太陽(yáng)的磁場(chǎng)，“兩暴”是指發(fā)生在太陽(yáng)上的兩類最為劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射（CME）。通過(guò)研究日冕拋射的起源以及它們之間互相作用的關(guān)系，不僅能夠解釋太陽(yáng)磁場(chǎng)變化導(dǎo)致的爆發(fā)現(xiàn)象的內(nèi)在物理機(jī)制，還可以提供空間天氣的預(yù)警支持?！翱涓敢惶?hào)”還有另外2個(gè)突破點(diǎn)，一是第一次在一顆近地衛(wèi)星平臺(tái)上，對(duì)全日面矢量磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑非熱輻射成像、日冕物質(zhì)拋射的日面形成和近日冕傳播同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)；二是第一次在萊曼阿爾法譜線波段實(shí)現(xiàn)全日面和近日冕無(wú)縫同時(shí)成像觀測(cè)。
值得一提的是，“夸父一號(hào)”攜帶3臺(tái)載荷：全日面矢量磁像儀（Full-disc vector MagnetoGraph，F(xiàn)MG）、萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（Lyman-alpha Solar Telescope，LST）、硬X射線成像儀（Hard X-ray Imager，HXI）。這3個(gè)先進(jìn)的觀測(cè)儀器是實(shí)現(xiàn)它“逐日”的不可缺少的部分：FMG和LST是在磁場(chǎng)探測(cè)和日冕成像觀測(cè)領(lǐng)域的中國(guó)第一臺(tái)空間太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)施，相比國(guó)際同類設(shè)備，“夸父一號(hào)”具有更高的靈敏度和時(shí)間分辨率。HXI采用獨(dú)特的傅里葉變換調(diào)制成像原理，可對(duì)太陽(yáng)耀斑活動(dòng)中30~200keV高能輻射進(jìn)行全面高分辨率成像和能譜探測(cè)，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際一流水平。
經(jīng)過(guò)多番調(diào)試測(cè)驗(yàn)，北京時(shí)間2022年11月21日下午，“夸父一號(hào)”衛(wèi)星的硬X射線成像儀拍攝的首張科學(xué)圖像在中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)發(fā)布，這是從地球視角拍攝的太陽(yáng)在硬X射線波段的首張圖像（圖9）。圖像總體質(zhì)量達(dá)到國(guó)際一流水平，為實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)耀斑展開(kāi)非熱輻射空間分布、時(shí)間結(jié)構(gòu)、能譜特征觀測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)太陽(yáng)活動(dòng)的下一個(gè)峰年將發(fā)生在2024—2025年，屆時(shí)，“夸父一號(hào)”將抓住時(shí)機(jī)，不停逐日，記錄下第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的爆發(fā)過(guò)程。
圖9 “夸父一號(hào)”衛(wèi)星硬X射線成像儀對(duì)太陽(yáng)耀斑在兩個(gè)能段的硬X射線成像圖（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)）
北京時(shí)間2022年9月26日19：14，NASA發(fā)射的一枚航天器成功與長(zhǎng)度約170m的目標(biāo)小行星迪莫弗斯（Dimorphos）發(fā)生了正面撞擊，撞擊發(fā)生時(shí)，航天器與小行星的相對(duì)速度達(dá)到了6.6km/s。2天后，位于智利的南方天文物理研究望遠(yuǎn)鏡 （Southern Astrophysical Research Telescope，SOAR）觀測(cè)到了Dimorphos表面長(zhǎng)約1×104km的拋射物塵尾。后續(xù)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，預(yù)期之外地，通過(guò)這次撞擊，小行星的軌道周期足足改變了32min。這表明NASA的雙小行星重定向測(cè)試（DART）獲得了圓滿成功。
DART是第1例測(cè)試通過(guò)動(dòng)能撞擊法抵御小行星有效性的任務(wù)。該任務(wù)選取了小行星雙星中的一顆，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量小行星被撞擊前后的變化，進(jìn)而測(cè)量軌道的改變（圖10）。執(zhí)行撞擊任務(wù)的航天器于2021年11月發(fā)射升空，在歷經(jīng)了10個(gè)月的飛行之后，成功與目標(biāo)小行星交會(huì)并撞擊。
圖10 DART任務(wù)效果圖（圖片來(lái)源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory）
在對(duì)于地球生態(tài)環(huán)境能夠造成重大危害的諸多災(zāi)難中，小行星撞擊一直是一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題，它可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)或城市遭到毀壞，甚至有可能產(chǎn)生大規(guī)模生物滅絕。著名的案例就是希克蘇魯伯（Chicxulub）小行星，它在6500萬(wàn)年前于墨西哥的尤卡坦半島留下了一個(gè)平均直徑約為180km的碩大隕石坑，撞擊導(dǎo)致了恐龍物種的滅絕。2013年，一顆隕石朝著俄羅斯的車?yán)镅刨e斯克州方向墜落，由于墜落過(guò)程中在大氣層內(nèi)的高溫摩擦作用，最終發(fā)生燃燒爆炸，導(dǎo)致了近1500人受傷。
小行星越大，則與地球撞擊的概率越小。例如?？颂K魯伯小行星，其直徑在10~15 km，撞擊頻率約為1億年1次，而對(duì)于直徑為20m左右的車?yán)镅刨e斯克小行星，每隔幾十年就會(huì)發(fā)生一次撞擊。由此對(duì)于直徑在30m到1km之間的小行星，它們具有很大的危險(xiǎn)性，而且可能會(huì)在不久的將來(lái)發(fā)生撞擊。此外，還存在有大量尚未發(fā)現(xiàn)的小行星，這使得對(duì)小行星開(kāi)展預(yù)警研究就顯得尤為必要。
迄今為止，對(duì)于即將發(fā)生的小行星撞擊事件，科學(xué)家已經(jīng)提出了多種理論解決方案，如使用動(dòng)能撞擊，引導(dǎo)航天器撞向小行星，傳遞動(dòng)量使其偏移軌道；通過(guò)核爆沖擊，在小行星的一定距離處引爆核武器，利用中子和X射線能量使小行星發(fā)生偏向；使用引力牽引，讓航天器在小行星附近飛行幾年，借助航天器的引力使小行星的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏離。其中，動(dòng)能撞擊被一致認(rèn)為是最可行的方法，此次實(shí)驗(yàn)就是采用的動(dòng)能撞擊法。在航天器主動(dòng)撞擊過(guò)后，小行星會(huì)在撞擊點(diǎn)拋射出物質(zhì)，從而帶來(lái)進(jìn)一步的偏轉(zhuǎn)。拋射物質(zhì)產(chǎn)生的動(dòng)量增強(qiáng)受到多種變量影響，例如小行星的材質(zhì)特性、撞擊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、坡度等因素，很難開(kāi)展先驗(yàn)估計(jì)，因此需要實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行限制，為以后真正需要時(shí)提供寶貴的數(shù)據(jù)。
EP探路者是愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡（wide-field X-ray telescope，WXT）的一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，于北京時(shí)間2022年7月27日搭載中國(guó)科學(xué)院的空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空。它是一項(xiàng)測(cè)試未來(lái)愛(ài)因斯坦探針的衛(wèi)星傳感器設(shè)計(jì)的初步任務(wù)，該探測(cè)器將使用12個(gè)傳感器模塊的WXT獲得3600deg2的視場(chǎng)。EP探路者的大視場(chǎng)成像能力是通過(guò)使用最新的龍蝦眼光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的——龍蝦是通過(guò)在一個(gè)眼球上的許多小立方體陣列側(cè)壁的反射來(lái)觀察物體的。用“龍蝦眼”這種成像方式可以建造X射線掠入射成像光學(xué)系統(tǒng)。這種望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)范圍廣、靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕。這使得EP可以對(duì)X射線暫現(xiàn)源進(jìn)行較為精準(zhǔn)的定位，如此卓越的定位能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越以前和現(xiàn)有的所有X射線全天監(jiān)測(cè)儀。北京時(shí)間2022年8月27日，探路者發(fā)布了其早期測(cè)試飛行的第一批結(jié)果，其中包括一張銀心區(qū)域的800s的X射線延時(shí)照片（圖11）。這張照片是迄今為止向公眾提供的宇宙的第一批廣域X射線快照，也是國(guó)際上首次獲得并公開(kāi)發(fā)布的寬視場(chǎng)X射線聚焦成像天圖。
圖11 EP探路者拍攝的銀河系中心（圖片來(lái)源：European Space Agency/Gaia/Data Processing&Analysis Consortium）
由于地球大氣層會(huì)強(qiáng)烈吸收X射線，X射線天文觀測(cè)只能在大氣層之外展開(kāi)。如今，地球軌道上已經(jīng)運(yùn)行著許多X射線望遠(yuǎn)鏡，比如NASA發(fā)射的錢德拉X射線天文臺(tái)（Chandra X-ray Observatory，CXO），日本的“Astro-H”X射線太空望遠(yuǎn)鏡（Hitomi）等。宇宙中X射線的主要來(lái)源是黑洞周圍的空間、恒星和星云等，對(duì)X射線這一高能波段的觀測(cè)有助于了解黑洞相關(guān)的活動(dòng)現(xiàn)象和恒星形成以及爆炸后造成的氣體膨脹現(xiàn)象。目前運(yùn)行的X射線望遠(yuǎn)鏡都只能觀測(cè)短波和中波波段的X射線，并且很難同時(shí)兼顧大視場(chǎng)和高靈敏度2種要求，而中國(guó)即將發(fā)射升空的EP可以解決這種矛盾的現(xiàn)狀。該項(xiàng)目將會(huì)填補(bǔ)國(guó)際上在軟X射線波段的大視場(chǎng)全天監(jiān)測(cè)設(shè)備的空白。EP的主要科學(xué)目標(biāo)為：搜尋并觀測(cè)宇宙X射線暫現(xiàn)源，特別是大量暗弱的、遙遠(yuǎn)的罕見(jiàn)X射線暫現(xiàn)源；搜尋和觀測(cè)來(lái)自吸積黑洞的X射線爆發(fā)；搜索與引力波事件有關(guān)的X射線源，并對(duì)其進(jìn)行較為精確的定位。與此同時(shí)，EP還將監(jiān)測(cè)太空大量樣本中各種類型的X射線源的變化情況。鑒于在未來(lái)10年內(nèi)飽含期待的多信使和多波段全天監(jiān)測(cè)能力，EP將通過(guò)與其他太空監(jiān)測(cè)儀器如日本的全天X射線圖像監(jiān)視器（MAXI）等協(xié)同工作，在X射線波段生成并保存數(shù)據(jù)集，這將成為描述以及理解宇宙暫現(xiàn)源和變化性質(zhì)的關(guān)鍵。
EP探路者成功拍攝X射線成像天圖證明了在X射線望遠(yuǎn)鏡的建造上取得了巨大成功，這對(duì)即將上天的EP來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)令人振奮的好消息。
03結(jié) 論
隨著大科學(xué)研究裝置不斷發(fā)展，越來(lái)越多的天文觀測(cè)設(shè)備及其數(shù)據(jù)得到了充分的研究利用。中國(guó)獨(dú)立研發(fā)的FAST、LAMOST設(shè)備依舊成果頻出，在銀河系結(jié)構(gòu)及演化、快速射電暴等諸多方面取得了重大突破，嫦娥五號(hào)帶來(lái)的月壤讓我們對(duì)這顆鄰星有了更深的理解。2022年中國(guó)也發(fā)射了許多新的設(shè)備，“夸父一號(hào)”讓我們對(duì)太陽(yáng)的理解更進(jìn)一步，探路者模塊良好運(yùn)行預(yù)示著愛(ài)因斯坦探針計(jì)劃初步成功。國(guó)際合作同樣十分重要，詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡讓我們窺見(jiàn)宇宙深處，EHT使我們看到了銀河系中心黑洞的模樣，Gaia的公開(kāi)數(shù)據(jù)也展示了銀河系更多秘密。除了天文觀測(cè)，科學(xué)界也有了更多新的嘗試。阿爾忒彌斯計(jì)劃嘗試重新登上月球，DART項(xiàng)目成功撞擊了目標(biāo)的小行星。天文學(xué)領(lǐng)域日新月異，中國(guó)人自己所做的成績(jī)?cè)絹?lái)越多，期待未來(lái)伴隨新觀測(cè)設(shè)備的投入使用，能夠更加綻放光彩，做出更多成果。
本文作者：宋宇佳、楊雋、馮葉、茍利軍
作者簡(jiǎn)介：宋宇佳，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文和空間科學(xué)學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)楹阈羌?jí)黑洞爆發(fā)現(xiàn)象；楊雋（共同第一作者），中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文和空間科學(xué)學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)楹阈羌?jí)黑洞爆發(fā)現(xiàn)象；茍利軍（通信作者），中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文和空間科學(xué)學(xué)院，研究員，研究方向?yàn)楹阈羌?jí)黑洞爆發(fā)現(xiàn)象。
原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2023年第1期。
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