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2023年度之最!13项破纪录太空发现,最热的夏天、最古老的超大质量黑洞等上榜

2023年度之最!13项破纪录太空发现,最热的夏天、最古老的超大质量黑洞等上榜
图|詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在 IC 348 星团中发现了三颗褐矮星。
2023 年已接近尾声,这一年注定非同寻常。

日前,美国太空新闻网站 Space 选出了今年 13 项破纪录的太空发现,其中包括来自太阳的最强光、宇宙最大爆炸、有记录以来最热的夏天以及最古老的超大质量黑洞等。


有史以来最强的太阳光线

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在这些破纪录的太空发现中,有一项来自太阳的最高能量伽马射线,它比以前看到的要高一个数量级。

“太阳比我们所知道的更令人惊讶,”密歇根州立大学的天文学家 Mehr Un Nisa 在一份声明中说。

此前,美国宇航局(NASA)的费米伽马射线太空望远镜已经探测到来自太阳的伽马射线,其能量高达 200 千兆电子伏特。这些伽马射线是在宇宙射线与太阳大气层碰撞时产生的。然而,墨西哥高海拔切伦科夫天文台(HAWC)的观测到了有史以来最强的太阳光线。

HAWC 能够间接探测伽马射线。当伽马射线光子进入地球大气层时,它必然会与大气分子碰撞,将分子粉碎,形成亚原子粒子雨,落在 HAWC 上。

HAWC 由 300 个水箱组成,每个水箱装满 200 吨水。伽马射线和分子碰撞产生的亚原子粒子移动非常快,当它们进入水中时,比光在水中移动得更快。亚原子粒子产生闪光,视觉上等同于音爆,称为切伦科夫辐射。

HAWC 数据显示,亚原子粒子来自太阳伽马射线,能量约为 1 万亿电子伏特,还有一些能量高达近 10 万亿电子伏特。

Nisa 说:“在查看了 6 年的数据后,我们发现了这种过量的伽马射线。当我们第一次看到它时,我们想,‘我们肯定搞砸了,太阳不可能在这些能量下这么亮。’”

虽然确切的机制尚不清楚,但可能是由于宇宙射线的原因,它们穿透太阳可见表面以下 1000 公里,在那里与隐藏的磁场相互作用。因此,这些被探测到的伽马射线也许可以告诉我们一些关于太阳表面下发生的事情。

然而,尽管这些伽马射线是有史以来从太阳观测到的最强大的伽马射线,但它们并不是整个宇宙中探测到的最强大的伽马射线。2021 年,中国大型高空空气淋浴天文台探测到了能量高达 1.4 千万亿电子伏特的伽马射线。


VELA 脉冲星打破伽马射线能量记录

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这项破纪录的伽马射线来自 VELA 超新星残骸内脉冲星的 20 万亿电子伏特光子。

脉冲星是一颗旋转的中子星,由一颗曾经在超新星中繁荣的大质量恒星残骸组成。脉冲星通常可以在无线电波长下被探测到,但其中一些也会发射伽马射线,人们认为它是由围绕现象的强磁场线旋转的电子产生的。

脉冲星的伽马射线发射可以通过光谱中的强度与能量来描绘。通常情况下,这些伽马射线的能量高达几百千兆电子伏特,超过这一数值就存在一个截止点。人们偶尔会观测到一颗脉冲星突破这个截止点,比如,蟹状星云中的脉冲星发出的伽马射线峰值可达 1 万亿电子伏特。

然而,来自 VELA 超新星残骸中的脉冲星释放的伽马射线已经超越了先前的峰值。这一惊人的发现是由纳米比亚的高能立体系统(HESS)所观测到的。这些伽马射线的能量远远超过通常的千兆电子伏特截止值,这表明我们对电子在强磁场中加速过程的理解还存在一些不完整之处。


宇宙中最大的爆炸
 
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有史以来最强烈、最持久的爆炸在一个星系中被发现,其光线已传播了 80 亿年,其亮度超过任何已知超新星的十倍,甚至至今仍在持续喷发。

这一爆炸事件被标记为 AT2021lwx,是由加利福尼亚州的 Zwicky 瞬态设施和夏威夷的小行星撞击地面最后警报系统(ATLAS)共同探测到的。该系统专门搜索太空中的瞬态事件,范围涵盖从移动的小行星到宇宙中燃烧的爆炸等各种可能。

南安普敦大学的 Sebastian Hönig 在一份声明中表示:“一旦你确定了与物体的距离以及它在我们视野中的亮度,你就能够计算出物体的亮度来源。在进行这些计算之后,我们意识到这个物体实际上非常明亮。”

在最亮的时刻,AT2021lwx 的亮度比太阳高出两万亿倍。天文学家怀疑 AT2021lwx 并非一颗即将消失的爆炸性恒星,因为这类爆炸通常在几周或几个月内消散。相反,他们认为这是一个超大质量黑洞,正在吞噬一颗庞大气体云,或许比太阳体积大一千倍。这一现象被天文学家称为“潮汐破坏事件”,这是一种前所未见的规模。气体云受到黑洞极端引力的潮汐力撕裂,产生冲击波,这一过程在被摧残的云层中回响,释放出巨大的能量。

南安普敦大学的 Philip Wiseman 表示:“随着新设施的启用,我们期待发现更多类似的事件,并加深对它们的了解。尽管这些事件非常罕见,但由于其巨大的能量,它们对于理解星系中心随时间变化的关键过程至关重要。”


最遥远的快速射电暴

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2023 年,科学家发现了有史以来最遥远的快速射电暴(FRB),其已经在太空中旅行了 80 亿年。

快速射电暴是极短暂的无线电波,持续时间仅为几毫秒,然而在极短的时间内,它们能够释放与太阳 30 年相当的能量。目前尚无法确定它们的产生机制,通常这些信号呈现宇宙中的随机消失,有时甚至会呈现重复的特征。磁星,即磁性极强的中子星,是研究人员猜测的主要源头。

这次创纪录的爆发是由澳大利亚平方千米阵列探路者(ASKAP)探测到的,该探测器由 36 个无线电天线组成。ASKAP 通过高精度定位确定了爆发的位置,命名为 FRB 20220610A。随后,智利的大型望远镜跟踪并确认了源头,将其确定为我们观测到的两个或三个碰撞星系系统,与我们所见的情景一致。

由于 FRB 20220610A 必须穿越大量空间才能到达地球,因此它在星际空间中遭遇了许多流浪电子。这些电子窃取了一些无线电波的能量(取决于波长),导致无线电信号略微分散。快速射电暴的信号分散越多,它穿越的电子就越多。因此,通过对色散的测量,我们可以了解隐藏的原子物质储存,否则这些储存是无法被检测到的。

“虽然我们仍然不知道是什么导致了这些大规模的能量爆发,但这篇论文证实,快速射电暴是宇宙中常见的事件。我们将能够利用它们来检测星系之间的物质,并更好地了解宇宙的结构,”澳大利亚斯威本大学的 Ryan Shannon 在一份声明中表示。


21 厘米线的“最远探测”

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2023 年,科学家成功实现了对与中性氢气相关的无线电发射的最远探测,发现了来自宇宙中存在于 88 亿年前星系的无线电波。
 
21 厘米的波长,或称为 21 厘米线,是整个射电天文学中最基本的波长之一。它被广泛应用于研究氢气在星系和整个宇宙中的分布。射电望远镜经常使用 21 厘米线观测银河系以及现代宇宙中其他星系。然而,远离的宇宙中的星系通常太暗,难以在这个波长下被检测到。
 
然而,有一个星系,被命名为 SDSSJ0826+5630(这个名字表明它是在新墨西哥州阿帕奇角天文台的斯隆数字巡天中发现的,其他数字是它的坐标),具有独特的优势。它的光,包括其无线电发射,受到一个介入的引力透镜的放大——这是由一个巨大的物体引起的空间扭曲,在这种情况下是一个位于前景的大星系。
 
“这导致信号放大了 30 倍,使望远镜能够接收到它,”印度科学研究所的 Nirupam Roy 在一份声明中表示。
 
印度的巨型 Metrewave 射电望远镜探测到了透镜 21 厘米无线电信号。包括 Roy 在内的天文学家能够根据 21 厘米信号的强度推断出 SDSSJ0826+5630 中的气体量。他们得出的结论是,SDSSJ0826+5630 所含中性氢气的质量是恒星质量的两倍。


“机智号”火星直升机不断打破纪录
 
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作为火星上唯一的直升机,NASA 的“机智号”(Ingenuity)火星直升机仍在不断地打破记录,这证明了这一真正的实验性任务在过去和现在都具有长久的生命力。

截至 12 月 17 日,Ingenuity 已经进行了 67 次飞行。在这其中,9 月 16 日的第 59 次飞行是其任务中最长的一次,持续时间达到 142.59 秒,创下新纪录。之后,在 10 月 19 日的第 63 次飞行中,它再次实现了这一飞行时间,并在此期间飞越陆地 579 米,成为其单次飞行中的第三大飞行距离(最远飞行的记录是在 2022 年 4 月 19 日,为 704 米)。

自从 2021 年 2 月与毅力号火星车一同抵达火星以来,Ingenuity 在火星空中总共停留了 121.1分钟,覆盖了 15.3 公里,最高飞行高度达到了 24 米。这些持续创纪录的飞行展示了 Ingenuity 在火星上执行任务的卓越表现。


NASA 确认有记录以来最热的夏天

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NASA 位于纽约的戈达德太空研究所(GISS)证实,2023 年北半球夏季经历了自 1880 年有温度记录以来最炎热的夏季,这一现象受人为引起的全球变暖和厄尔尼诺现象共同影响。

GISS 科学家通过将全球气温与 1950 年至 1980 年的夏季平均气温联系起来,比较了全球气温。研究发现,6 月、7 月和 8 月的平均温度较 1950-1980 年的平均温度高出 0.23 °C。仅 8 月份的升温幅度达到了 1.2°C。尽管这一升温看似微小,但减缓气候变化的努力取决于将全球变暖控制在工业化前平均水平的 1.5°C 以内。

NASA 局长 Bill Nelson 在一份声明中表示:“2023 年夏季创下的温度纪录不仅仅是一组数字,它们还将带来其他负面影响,包括加拿大、希腊、夏威夷等地的大规模野火,以及欧洲、日本、南美和美国发生的致命热浪。”

GISS 主任气候科学家 Gavin Schmidt 说:“不幸的是,气候变化正在发生。我们所预言的正在发生,如果我们继续排放二氧化碳和其他温室气体,情况将变得更加糟糕。”


南极海冰创历史新低

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2023 年带来了更为令人沮丧的气候消息,NASA 与科罗拉多大学博尔德分校国家冰雪数据中心(NSIDC)的联合研究发现,南极水域的海冰数量创下历史新低。与此同时,在北极地区,情况也并不乐观,科学家发现,北极地区的海冰表现出有记录以来的第六低水平。

海冰范围被定义为冰覆盖比例至少为 15% 的海洋区域。

科学家利用卫星数据追踪了两个半球的极地地区的海冰情况,结果显示,截至 9 月 10 日,南极海冰仅覆盖了该大陆的 1696 万平方公里,创下历史新低。上一个低点出现在 1986 年,当时的海冰覆盖面积比这一最新数据多了 1.03 平方公里。

在北极地区,尽管不是历史最低水平,但截至 9 月 19 日,冻结的海水面积仅为 423 万平方公里。这比 1981 年至 2010 年期间的平均水平减少了 199 万平方公里。

NSIDC 的 Walt Meier 在一份声明中表示:“这是南极创纪录的海冰低谷。整个大陆几乎所有地区的海冰增长似乎都很低。”

海冰的消失是由人为引起的全球变暖导致气温上升的结果,这是一个可能迅速陷入恶性循环的过程。冰可以高效地反射太阳能回太空,因此冰越少,反射的太阳能就越少,从而加剧地球变暖。此外,冰越少,暴露在较暗海洋中的部分就越多,从而更有效地吸收太阳能。这最终将提高海洋温度,导致海冰减少,形成一个自我加剧的循环。


NASA 宇航员在太空中停留时间的记录被打破

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2023 年,NASA 航员 Frank Rubio 无意中创造了历史,成为第一位在国际空间站(ISS)上度过整整一年的美国人。Rubio 与 Sergey Prokopyev 和 Dmitri Petelin 一同加入了第 67 次远征。尽管原计划 6 个月后返回地球,但由于联盟号太空舱中的冷却剂泄漏,他们被迫在国际空间站停留了一年多。经过 371 天的太空生活,Rubio 与其同伴于 2023 年 9 月 27 日成功返回地球。

Rubio 打破了 NASA 宇航员 Mark Vande Hei 在 2021-2022 年(355 天)和 Scott Kelly 在 2015-2016 年(340 天)创下的纪录。然而,Rubio 仍然落后于全球纪录保持者——已故宇航员 Valery Polyakov,后者在 1994 年至 1995 年间在“和平号“空间站度过了 437 天。


有史以来最快的失控恒星
 
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今年 7 月,天文学家通过仔细研究欧洲航天局盖亚卫星收集的恒星运动数据,揭示了有史以来最快的失控恒星在银河系中的飞驰。

他们发现了六颗新的超高速恒星,其中两颗被命名为 J0927-6335 和 J1235-3752,是有史以来速度最快的恒星。它们以每秒 2285 公里和每秒 1694 公里的速度在太空中穿梭。J0927-6335 的速度相当于在一小时内绕地球运行 694 次。

这些恒星属于白矮星,它们是类太阳恒星的核心,停止了固有的聚变反应,外层膨胀并走向末路。天文学家猜测这些白矮星曾经是双星系统的一部分,它们的伴星在一场灾难性的超新星爆炸中毁灭,为白矮星带来了强大的动能。

哈佛-史密斯尼天体物理中心的 Kareem El-Badry 表示:“这些恒星之所以非凡,是因为它们的速度超过了银河系中普通恒星的行进速度,由于它们的速度超过了银河系的逃逸速度,所以它们将很快被抛射到星系际空间。”


有史以来最古老的超大质量黑洞

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作为有史以来最昂贵的望远镜,JWST 经常刷新新的天文记录,其中最引人注目的是它发现了宇宙中已知存在的最遥远的超大质量黑洞。

JWST 在一个名为 CEERS 1019 的星系中探测到了这个黑洞,它存在于大约 133 亿年前。这个黑洞的质量约为太阳质量的 900 万倍,大致是银河系中心超大质量黑洞质量的两倍。

CEERS 是 Cosmic Evolution Early Release Science 的缩写,这是一个研究项目,旨在利用 JWST 的能力识别宇宙中最遥远的星系。CEERS 团队还在研究更遥远星系中的其他几个潜在的黑洞,但尚未得到验证。这些超大质量黑洞如何如此迅速地形成和增长,仍是一个谜。这些黑洞之所以能够被观测到,是因为它们通过疯狂地吸取周围明亮的热气体盘而变得可见。

在 CEERS 1019 下,该星系呈现出一种不规则的形状,有三个明亮的团块,可能是由于两个或多个星系之间的聚集导致形变,从而大量物质被输送到黑洞中。

“星系的合并可能是推动这个星系黑洞活动的部分原因,这也可能导致恒星形成的增加,”罗切斯特理工学院的 Jeyhan Kartaltepe 在一份声明中说。

然而,如果黑洞真的是从小质量的恒星黑洞开始形成的,似乎还没有足够的时间让它增长到 900 万太阳质量。相反,科学家认为黑洞一定是从一个巨大的“种子”开始形成,其质量可能是太阳质量的数万倍。这个潜在的“种子”可能是由一个巨大的气体云的直接引力坍缩形成的。目前,这仅仅是一个带有一些间接证据的理论,但 JWST 的观察使我们更加接近一些答案。


JWST 发现了最小的褐矮星

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并非每一项新的天文记录都必须是关于最大或最遥远的。JWST 发现了迄今为止发现的最小的褐矮星,其质量仅为木星的三到四倍,与一些行星的大小相当。

通过 JWST,天文学家在星团 IC 348 中发现了这颗褐矮星,以及其他质量不到木星八倍的褐矮星,IC 348 在一千光年外的英仙座分子云中被发现。

“在每本天文学教科书中,你都会发现的一个基本问题是,最小的恒星是什么?这就是我们试图回答的问题,”宾夕法尼亚州立大学的 Kevin Luhman 在一份声明中说到。

褐矮星通常被称为失败的恒星,因为它们像恒星一样通过直接从气态星云中聚结而形成,但由于它们的小尺寸,它们没有足够的质量来产生氢核聚变所需的核心温度,这是恒星的标志。(不过,一些褐矮星确实在短时间内控制了氘的聚变。)

这颗创纪录的褐矮星不可能是一颗流氓行星,在被抛射之前在恒星周围的圆盘中形成,因为它(以及 IC 348 本身)只有大约 500 万年的历史,这还不足以让一颗气态巨行星以传统方式在恒星周围形成,然后被喷射到深空。


汤加火山引发了有史以来最强烈的闪电风暴

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在 2023 年夏天,一项新研究发现,2022 年 1 月 15 日洪加汤加-洪加哈阿派火山的爆炸性喷发在一场超强雷暴中产生了创纪录的雷击次数,这场雷暴持续了 11 小时,横跨了 240 公里宽的巨大区域。

这座火山于 2021 年 12 月首次活跃,但一个月后的爆炸性喷发成为头条新闻。它产生了有史以来最强大的大气爆炸,而且火山喷发的源头火山口位于水下 150 米处。

火山喷发每秒喷出 50 亿公斤的物质,形成了 58 公里高的羽流。

“羽流可以达到多高,喷发速度有多快,理论上有限制,而洪加汤加火山喷发只是把它们都粉碎了,”美国地质调查局的 Alexa Van Eaton 在一个采访中说道。

当羽流在海面上方高处变平时,形成了一个巨大的圆顶形云。此外,当溢出的羽流物质落到云层上时,导致了压力波,这些压力波以同心圆的形式荡漾开来。正是在这些涟漪中,充满了来自喷发水下性质的带电冰晶体和电离火山灰,才观察到了闪电-高峰时每分钟 2600 次闪光,在 11 小时内总共有 192000 次闪光。

Van Eaton 总结了这一新的闪电记录是多么离谱,他说:“我们以前从未见过如此纯粹的闪电速度,而且还是在如此高的海拔。”

原文链接:
https://www.space.com/record-breaking-space-discoveries-2023
作者:Keith Cooper,自由科学记者

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