本
文
摘
要
时值岁末，我们即将告别虎年，迎来新的一岁。回望2022，虽仍旧饱受疫情的影响，但我们探索宇宙的初心没有改变，依然火热。按惯例，我们从2022年发生的众多天文事件中，遴选出我们认为最具代表性的十件，以飨读者。
1/ 银河黑洞终现身，
最近黑洞始发现
北京时间2022年5月12日晚上9时许，包括中国在内的事件视界望远镜（EHT）合作组织又一次发布了银河系中心的黑洞照片，正是人们期待已久的位于银河系正中心的大质量天体照片，这是人类“看见”的第二个黑洞。这表明这个被称为人马座A*（SgrA*）的天体是一个黑洞，此次拍摄为其提供了第一个直接的视觉证据。在SgrA*的照片之前，EHT合作组织于2019年发布了首张黑洞图像——距离地球5500万光年的M87星系的黑洞M87*，其质量是65亿倍太阳质量。
我们地球距离银河系中心，也就是银河系中心的超大质量黑洞SgrA*，大约27000光年。在我们看来，这个黑洞在天空中的大小与月球上的甜甜圈差不多。这张银河系中心黑洞的照片，与人类看到的第一张黑洞照片拍摄者和拍摄时间均相同，都是由EHT合作组织在2017年拍摄的。EHT将地球上现有的八个射电天文台连接在一起，形成一“地球大小”的虚拟望远镜，并在5个晚上分别观测了M87*和SgrA*。
5月，EHT合作组织发布了银河系中心的黑洞首张照片，这是人类“看见”的第二个黑洞。版权／EHT
尽管我们看不到黑洞本身，因为它是完全黑的，但周围的发光气体揭示了黑洞的一个明显特征：被明亮的环状结构包围的黑暗中心区域（称为“阴影”）。SgrA*这张黑洞照片展示了被黑洞的强大引力弯曲的光线，我们可以推断出黑洞的质量是太阳的400万倍。从20世纪90年代起，美国和欧洲的科学家分别利用各自的望远镜，对银河系中心的黑洞质量进行精确测量，并在2019年获得了诺贝尔奖。
虽然银河系黑洞距离我们更近一些，但是SgrA*黑洞照片要比M87*难拍很多。一方面因为，银盘之上，我们和黑洞之间有大量的气体妨碍观测；另一方面，气体环绕较大的M87*需要几天到几周时间，而银河系黑洞SgrA*相对来说则小得多，气体环绕SgrA*一周只需几分钟。这意味着当事件视界望远镜团队观察到SgrA*时，SgrA*周围气体的亮度和模式正在迅速变化，好比我们试图拍摄一张小狗快速自己追逐尾巴的清晰照片。相比较而言，M87*是一个更容易、更稳定的目标，几乎所有的图像看起来都是一样的。而在拍摄银河系中心黑洞照片时，研究人员不得不开发复杂的新工具来研究SgrA*周围的气体运动。最终，科学家们通过提取不同图像的平均值，首次揭示了隐藏在银河系中心巨型黑洞的真实面貌。
获得两个大小截然不同的黑洞的图像之后，科学家们就有机会对它们进行分析和比较了，测试引力在这些极端环境中的行为，以获得关于这一重要过程如何工作的有价值的新线索。与此同时，他们开始使用新数据来测试超大质量黑洞周围气体行为的理论和模型，虽然目前还在研究中，但被认为在塑造星系的形成和演化过程中发挥了关键作用。
相关研究成果以特刊的形式发表在《天体物理学杂志通讯》上。与此同时，EHT网络也在不断扩大和重大技术升级，科学家希望在不久的将来能够分享更加令人印象深刻的黑洞图像和电影。
EHT合作组织拍摄黑洞照片所用的望远镜及所在位置。来源／EHT
寻找黑洞的努力也一直在持续当中。就在2022年11月，arxiv有论文显示人们找到了距离地球最近的一个恒星级黑洞。天文学家利用夏威夷的双子北望远镜（Gemini North telescope）发现了距离地球最近的黑洞，研究人员将其命名为盖亚BH1（Gaia BH1）。之所以以盖亚命名，是因为该团队使用并分析了欧洲空间局盖亚天文卫星的数据，以确定该系统是否存在黑洞。盖亚捕捉到了恒星微小的不规则性运动，这是由一个看不见的大质量物体的引力引起的。为了更详细地探索这个系统，团队借助双子北望远镜的多目标光谱仪，测量了这颗伴星绕黑洞运行时的速度，并提供了其轨道周期的精确测量探测结果表明，这个黑洞处于休眠状态，即没有处于吸积活跃的状态。黑洞位于蛇夫座距离地球约1600光年，质量大约是太阳质量的10倍，比之前的最近纪录保持者——麒麟座X射线双星A0620，离地球的距离要近三倍。
黑洞的伴星是一颗类似太阳的恒星，绕黑洞的轨道距离与地球绕太阳公转的距离大致相同。尽管在我们银河系中，可能有上亿个恒星量级的黑洞，但之前绝大多数黑洞是通过与伴星的相互作用而探测到的。当来自附近恒星的物质螺旋着进入黑洞时，会产生强大的X射线，甚至物质喷流。如果一个黑洞没有物质吸积，它会与周围环境融为一体，要想探测到它，只能靠伴星运动。
以目前的双星系统演化模型，天文学家很难解释盖亚BH1系统的特殊结构是如何出现的。具体地说，新探测到的黑洞前身恒星的质量至少是太阳的20倍。另外，这颗太阳质量恒星的实际位置，应该比观测到的更近。对于这个系统，天文学家还有很多疑问要解答。这篇文章将正式发表于2023年1月的《皇家天文学会月刊》上。
2/韦布首发照片亮相，
未来发现值得期待
历经多年延期和数十亿美元的预算超支，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）终于在2021年圣诞节，在万众瞩目之下飞离地球。经过数月的太空旅行和自动分离以及复杂的程序部署，JWST于2022年7月发布了第一批图像，向全世界证明了它有能力实现自己的预期——“看到”哈勃空间望远镜（HST）之外的世界。韦布的第一张照片是由美国总统拜登于7月11日，在白宫举行的新闻发布会上向全世界官宣的。这张历史性的图片是JWST拍摄的第一张深场图，展示了遥远宇宙中迄今最深远的天文图像。图中展示了大量的引力透镜星系，充满了惊人的细节，但从JWST的视角来看，“如果你把一粒沙子放在一臂外的指尖上，那就是你所看到的这部分宇宙的大小，”NASA局长比尔·纳尔逊如是说。同时，JWST还获得了图像中48个独立星系的光谱——这是一项首次应用于太空的新技术，也使JWST成为第一个可以解码极早期星系化学成分的望远镜。我们的宇宙大约有138亿年的历史，哈勃能看到133亿年前的星系，但只在特殊情况下耗费数周才能完成。JWST拍摄的光谱轻轻松松捕捉到了一个131亿年前的星系发出的光，而所有这些都是在12.5小时的总曝光时间内完成的。根据设计规划，JWST预计可以看到135亿光年的天体。
JWST拍摄的第一张深场图。版权／NASA
另一张聚焦于星系的照片是斯蒂芬五重奏，这也是首发中最大的图像。借助能够穿透星际介质的强大红外波段和前所未有的高空间分辨率，JWST展示了这个星系群中星系之间相互作用的极端细节，这是以前从未被揭示过的。HST的深场观测告诉我们，早期宇宙中星系的数量和形状与我们今天看到的星系迥然不同。而JWST将把我们所能看到的范围进一步推回到最原初的星系，并带领我们“见证”它们是如何成长和进化的。
在JWST的首批图像中，还有一些令人惊叹的恒星诞生地和它们死亡环境的图像。在南环星云的图像中，我们第一次清晰地看到了一直在寻找的微弱伴星——白矮星，太阳最终将成为的一种天体，其在生命结束时周期性地喷射物质，创造出壮观的外壳。而在船底座星云的图像中，JWST描绘了银河系中最大的恒星孕育区。“今天，我们第一次看到了以前完全隐藏在我们视线之外的新生恒星，”JWST的项目科学家斯特劳恩说，“它是如此美丽，它在提醒我，我们的太阳和行星，以及最终的我们，都是由在这里看到的同一种物质形成的，人类真得与宇宙息息相关。在这片美丽的风景中，我们是由同样的物质组成的。”JWST能够穿透恒星诞生的致密尘埃云和气体云，捕捉到极早期恒星形成的罕见事件，最终可能解开恒星的生命周期之谜。
第一批发布照片中，还有一颗太阳系外行星WASP 96b的透射光谱。虽然这颗系外行星可能不存在生命，但其大气中确实存在一些有趣的成分，比如很可能存在水蒸气。这表明JWST可以获取系外行星大气的许多细节，从而揭示以前从未见过的行星系统，以及是否可能支持生命等信息。
JWST获得的第一批图像不仅使天文学界兴奋不已，也使全世界兴奋不已；然而，这仅仅是开始。HST已经彻底改变了我们对宇宙的理解，而JWST将揭示一个隐藏的宇宙，并使我们更接近天文学的终极目标——发现宇宙的起源和寻找地球以外的生命。
JWST拍摄的船底座局部。版权／NASA
3/FAST持续显神威，
多领域突破性发现
2022年，中国天眼FAST团队继续发力，在快速射电暴、恒星形成等领域取得一系列具有高显示度的重大成果。快速射电暴（FRB）是在无线电波段最为剧烈的爆发现象，其起源未知，是当今天文学领域最大的热点前沿之一。FAST多科学目标同时巡天项目（CRAFTS）中，探测到一例有趣的重复快速射电暴FRB 20190520B。FRB20121102A是阿雷西博望远镜发现的首个重复快速射电暴，在其被定位的位置还发现了一颗致密的射电持续源，有理论表明这颗致密的射电持续源可能与FRB起源有关。但在之后的快速射电暴样本中，再也没有观测到与快速射电暴位置成协的源。FRB 20201124A被大型米波射电望远镜（GMRT）、澳大利亚平方千米阵探路者（ASKAP）等望远镜探测到持续射电源，但在用更高分辨率干涉阵列观测时并未发现致密点源，最终证明此射电持续源是由恒星形成区域发出，并非与FRB位置成协。以FAST科学团队主导的国际合作团队，利用甚大阵（VLA）等望远镜对FRB 20190520B的位置进行搜寻，发现了一颗致密的射电持续源，这也是发现的第二个与FRB位置成协的射电持续源，对FRB起源及其演化特性起到重大作用。这一成果发表在《自然》杂志上。
FAST探测到的在著名致密星系群“斯蒂芬五重星系”周围天区中的原子气体分布。图中背景为用光学望远镜得到的彩色光 学图像。斯蒂芬五重星系位于图像中间。版权／NASA、ESA、CSA、STScI
FAST团队还系统地分析了来自包括FAST、美国绿岸望远镜（GBT）在内的多项数据，首次提出了统一解释重复快速射电暴偏振频率演化的机制，并基于此导出了描述快速射电暴周边环境单一参数，即“RM弥散”。这一机制支持重复快速射电暴能够处在类似超新星遗迹的复杂电离环境中，并且可以通过偏振观测确定其可能的演化阶段，为最终确定FRB起源提供了关键观测证据。这一发现发表在《科学》杂志上。
另一支国内的科学团队，利用FAST耗时54天82小时，为银河系外一个持续时间仅有十几秒的“神秘信号”——FRB 20201124A拍了一个科学“大片”，对这个河外信号的近2000次爆发进行了动态监测，取得多个国际首次重要发现。研究发现，该信号来自一个宿主星系中恒星不那么密集的地区，那里的磁场变化非常强烈。此外，通过国际合作使中西望远镜“双剑合璧”，在无线电波段和光学波段上优势互补，为快速射电暴可能产生的宿主环境和理论机制提供了新的证据。相关研究成果发表于《自然》杂志上。
除了快速射电暴，FAST也在恒星形成领域取得了重大突破。恒星的磁流量只有同质量分子云磁流量的一亿分之一。因此，从分子云到恒星的演化过程中，如何耗散掉磁流量，即“磁流量问题”是恒星形成经典三大难题之一。塞曼效应是目前在星际介质直接测量磁场强度的唯一方法。由于其信号微弱，并且目前只有氢原子，OH分子与CN分子能作为塞曼效应系统性观测的探针。中性氢窄线自吸收（HI Narrow Self-Absorption，HINSA）已经成为研究分子云形成的关键探针。因其塞曼分裂系数与亮温度大于多数分子谱线，中性氢窄线自吸收一直被认为有机会成为塞曼效应系统性观测的第四种探针，但是在世界其它大型望远镜，包括阿雷西博、甚大阵列（JVLA）、GBT的相关努力一直没有成功。
FAST科学团队在前恒星核L1544包层以中性氢窄线自吸收的塞曼效应，测量到强度为3.8±0.3微高斯的星际磁场。此磁场的方向、强度与L1544周围10秒差距内以氢原子及OH分子塞曼效应测量到的星际磁场相同，显示星际磁场具有跨越多种尺度多种相位的连贯性。进一步分析表明：磁流量耗散主要发生在冷中性气体形成分子云的阶段，而恒星形成标准模型中的双极扩散模型发生在分子云包层到致密云核的阶段。
FAST的结果显示分子云比标准模型超前达到超临界状态，可能存在比双极扩散更有效的耗散机制，为回答恒星形成经典的磁流量问题提供了重要的观测依据。此研究成果获选《自然》期刊2022年第一期封面文章。《科学》网站引用领域独立专家、德国马普空间物理研究所所长卡塞利（Caselli）：“如果文章的结论得到普遍证实，将是恒星形成领域‘革命性’的成就。”
2022年初，国家天文台团队利用自主命名的中性氢窄线自吸收方法，使用FAST望远镜精确测量星际磁场强度, 刻画了宇宙偏振的精细特征，并成为《自然》杂志封面。来源／Nature /doi.org/10.1038/s41586-021-04159-x
4/ LAMOST再立奇功，
揭示银河系成长历程
千百年来，人类从未停止过对广袤银河的好奇与探索。时光辗转，尽管银河依旧，然而我们对于银河系的认识已经发生了巨大的变化。
作为无数宇宙岛中的一个普通盘星系，银河系在过去的一百多亿年间集成了上千亿颗恒星。这些恒星在漫长的演化过程中逐渐形成了银河系的几个主要特征结构——核球、银晕和银盘，其中，银盘又从几何上分为一个相对较厚的厚盘和一个相对较薄且更延展的薄盘。然而，这些结构究竟是在何时、如何形成，又是怎样一步步组装起来并演化成如今的银河系？这个问题始终是个未解之谜，也成为了近年来全世界许多大型天文巡天观测计划和地面望远镜的一个主要科学目标。
基于数值模拟以及天文学家对于碎片化观测证据的推测，过去关于银河系早期形成过程的观点普遍认为：银河系在极早期经历了剧烈的形成过程，大量气体塌缩或是富含气体的星系间相互碰撞、并合，从而形成了银河系的恒星晕；随后气体逐渐冷却形成了早期银盘即银河系厚盘；随着时间推移，气体进一步冷却，从大约80-100亿年前开始形成薄盘，这个过程直到今天仍在有序进行中。
银河早期集成和演化图像示意图：138亿年前宇宙大爆炸，130亿年前厚盘开始形成，110亿年前银晕形成，80亿前至今银河薄盘形成。版权／喻京川
随着大规模巡天时代的到来，海量且多维度的恒星观测数据为我们开启了刻画银河系演化和形成历史图景的新时代。尤其，我国郭守敬望远镜（LAMOST）巡天发布千万量级的恒星光谱数据，构建了史无前例的银河系数据库。基于此数据库，并联合欧空局盖亚天文卫星提供的10亿颗恒星的位置和运动信息，国家天文台和德国马普天文研究所的研究人员合作，获取了迄今最为精确的大样本恒星年龄信息，按照时间序列清晰还原了银河系幼年和青少年时期的形成与演化图像，改写了人们对银河系早期形成历史的认知。
这项研究发现，银河系的厚盘在130亿年前，也就是宇宙大爆炸之后8亿年的时间，就已经开始形成了，这比过去普遍认为的要早很多，甚至可能先于银河系晕的形成。此前，Gaia的观测数据揭示了银河系的晕是由早期银河系在110亿年以前吞并了一个叫盖亚·恩克拉多斯的矮星系形成的。这一星系并合过程不仅让盖亚·恩克拉多斯变成了银河系的晕，同时也使得银河系厚盘得以快速生长并持续了将近30亿年。直到距今80亿年前的时候，由于气体耗尽，厚盘形成戛然而止。而在厚盘区域之外的地方，逐渐开始有新的恒星产生，形成银河系的薄盘，这个过程一直延续到今天，我们身处的太阳系就位于银河系的这个薄盘上。这一银河系早期形成图像改变了我们对银河系形成历史的传统认识。
2022年3月24日，《自然》以封面文章的形式发布了这项银河系研究的重要进展。一个时间轴上被精确刻画的早期银河系形成和演化图像得以呈现，审稿人莫西·比尔斯为该研究撰写了评论文章，并评价该成果是第一次对银河系的形成历史提供的如此清晰的描绘，且该研究所使用的方法是可扩展的。随着大数据时代提供的银河系中更大样本恒星的数据，银河系的形成与演化图景将变得更加清晰。
3月24日刊《自然》杂志封面： 追星人的银河指南。来源／Nature
作者简介 /
李海宁，中国科学院国家天文台副研究员，主要从事银河系考古研究。曾翻译包括《天文学百科》在内的多部科普书籍。
苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。
——欲知更多天文内容，尽在《中国国家天文》12月刊——
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编辑 /缓缓 怀尘
中国国家天文
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