2017年十大太空故事
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幾乎每一年，都有關於天文學的十大太空故事排行榜。排 出2017年的榜單卻並不容易，因為在過去的一年中充滿了各種令人興奮而意想不到的發現。當然，對中子星併合的探測毫無懸念地位居榜首。這是天文學家有史以來第一次發現了一對碰撞併合的中子星，它不但會發出引力波，還有γ射線和其他許多波段的電磁輻射。位居第二的是在一顆恆星的宜居帶中發現了7顆類地行星。通過全球網路確定了一個神秘快速射電暴的位置也進入了這個排行榜的前10名。
2017年最重大的太空故事並非都來自太陽系之外。在歷經了13年不可思議的發現之旅後，卡西尼土星探測器和所有人告別；還有，在地球上，有數百萬人觀看了月球遮擋太陽的景象，它所投下的影子橫貫了美國大陸。下面將一一悉數2017年的十大太空故事。
NO.10
土衛六上的複雜化學反應和天體生物學
卡西尼土星探測器的高解析度相機穿透了土衛六的霧霾，發現在其表面上存在由液態碳氫化合物組成的海洋和湖泊。這些海洋興許可以承載生命。天文學家在土衛六上發現了丙烯腈分子發出的信號，它可以形成細胞膜。版權NASA/JPLCALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE。
土星最大的衛星土衛六是太陽系中最引人入勝的天體之一。它擁有一個比地球更稠密的大氣層，在其表面上散布著甲烷和乙烷混合物流淌的河流和湖泊。土星的這顆衛星甚至還擁有一個複雜的天氣循環系統：液態甲烷和乙烷會蒸發到大氣中，凝結成雲，然後再降雨回地面。地球上的生命依賴水，那麼在土衛六上是否可能存在依賴碳氫化合物的生命形式呢？也許。儘管沒有發現地外生命，但科學家們卻在土衛六上不斷地探測到了越來越複雜的化學反應。
這使得土衛六非常具有天體生物學潛力。當天文學家在阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣的存檔觀測資料中尋找乙腈分子時，發現了一種更令人興奮的丙烯腈分子的信號。實驗室試驗和計算機模擬表明，這種特殊的分子是一種穩定的物質，可以形成雙層脂質膜。這一結構可以隔絕並保護細胞內的物質免受外界環境的破壞。地球上所有生物都具有這樣的細胞膜。
天文學家在對土衛六數月的觀測數據中發現了3條與丙烯腈有關的譜線。根據不同的理論模型，天文學家估計了土衛六上丙烯腈的總丰度，但現有的數據還不足以給出這些分子在土衛六大氣層中分布情況。阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣已對土衛六進行了更多的觀測，對數據的分析仍在進行中。
尋找具有重要生物學意義的化學成分是研究生命在地球上和地球之外起源的第一步。也許很快就會發現，我們並不孤單。
NO.9
完美標準燭光
得益於引力透鏡現象，遙遠的超新星iPTF16geu在天空中閃亮了不是1次，而是4次。哈勃空間望遠鏡拍攝了這一受引力透鏡新星的圖像，在一個藍色前景星系周圍它呈現為4個亮點。這個超新星本身發生在距離地球43億光年處。版權：NASA/ESA/HUBBLE。
2016年9月5日，美國帕洛瑪天文台的1.21米望遠鏡捕獲到了一個恆星爆炸，被稱為iPTF16geu。這不只是一般的爆炸，而是可以用作標尺來測量宇宙距離的Ia型超新星。該型超新星有著幾乎相同的光變曲線，後者描述了其亮度隨時間的變化。亮度越弱，距離地球就越遠。得益於它們的相似性，通過比較不同的Ia型超新星，就可以精確地計算出它們的距離。20世紀90年代末，天文學家通過這一方法證明宇宙的膨脹在加速。
但iPTF16geu不僅僅是一顆Ia型超新星。天文學家在一個距離地球約20億光年的星系周圍發現了它的4個影像。結果顯示，從地球上看，這顆超新星就位於該星系的正後方。當天體排成一線時，背景天體所發出的光會被前景天體彎曲，在這裡大質量星系充當了前景天體。這就像把一根吸管放入水杯中，它看上去好像彎曲了。因此，這個超新星爆炸所發出的光在這個星系周圍走了4條不同的路徑，形成了4個不同的像。有了這4個像，就能得到更多的科學結果。這是因為每個像中的光子都會在居間星系周圍走出略有不同的路線。這些路線的差異等同於不同的距離和不同的傳播時間。如果能測得不同像的到達時間，就能很好地測量出宇宙的膨脹速率。
隨著新的巡天設備投入運轉以及新的軟體可以更好地識別出超新星爆炸的多重引力透鏡像，天文學家預計後續的類似發現會越來越多。它們不僅能提高測量宇宙膨脹速率的能力，新的引力透鏡還能讓天文學家更準確地測定宇宙中普通物質和暗物質的分布。
NO.8
月球之旅
阿波羅」17號宇航員拍攝的地球剛從月球地平線上升起的照片。當太空探索技術公司讓人類重返月球時，他們也會看到類似的景象。版權：NASA。
美國太空探索技術公司無疑有著宏大的目標。2012年，該宇航公司成了第一家與國際空間站對接的私人企業。2015年，它成了第一個在把載荷送往國際空間站之後對火箭進行安全回收的組織機構。然而, 2017年2月該公司所公布的目標可能要比之前的難得多，因為涉及人身安全。
這家宇航巨頭宣布計劃把兩名乘客送往月球，當然他們要為此支付一大筆錢。當時，該公司確定的發時間是2018年末，但考慮到它尚未實施過載人任務，因此該目標很難讓人信服。在2017年2月的公告中，太空探索技術公司宣布它的第一次載人飛行任務將在2018年春末進行。2017年7月，該公司通過社交媒體宣布，其獵鷹重型火箭將在11月首飛。但該計劃目前並沒有按照既定時間落實。
去往月球肯定需要強大的火箭。太空探索技術公司已經發射了幾十次其獵鷹9號火箭，但它的任務是把有效載荷放進距離地面高度僅400千米的國際空間站。月球顯然要更遙遠得多，距離地球384 500千米。
發射人和補給品去月球顯然要耗費更多的能量。要想進行一次載人環月飛行，它仍有許多技術必須要完善。許多人懷疑太空探索技術公司是否能在2018年底實現這一目標。如果確實成功了，那它無疑會再次進入明年的這個排行榜。
NO.7
探測反物質的光
當電子在原子的能級間躍遷時，它會吸收或發射特定波長的光。物理學家們測量了正電子在反氫原子核外的躍遷，發現它所發出的光與電子在氫原子核外躍遷發出的光完全一樣。版權：Roen Kelly。
當宇宙在138億年前誕生時，應該創造出了等量的物質和反物質。但現在環顧四周，物質佔據了主導，反物質則不見蹤跡。雖然科學家並不知道為什麼物質受到了青睞，但更多地了解反物質無疑將有助於揭示背後的答案。
然而，這並非易事。當反物質遇到與之相匹配的物質時，兩者就會湮滅。例如，當一個電子遇到一個反電子，即正電子，它們就會轉化為輻射。因此，科學家們必須要找到一種方法來把反物質和物質隔絕開。
2011年，歐洲核子研究組織的反氫激光物理儀器實驗可以製造並束縛住反氫原子——由1個反質子和1個正電子組成——達16分鐘，這足以來對其進行研究。近來，同一小組宣布首次測量到了反氫原子所發射出的光。
每種化學元素——無論是氫、碳還是銅——在受到激發時都會發出特定顏色的光。了解每一種元素所發出光的顏色對於識別這一物質和了解其物理特性至關重要。科學家知道氫原子所能發出的每一種光的顏色。反氫原子會與此有所不同嗎？如果確實如此，那麼它和我們的宇宙選擇物質而非反物質之間有什麼關係？
該實驗小組正在探測反氫所發出的所有不同顏色的光，現已觀測到了其中的一種。正電子在兩個特定能級之間躍遷時所發出的光與正常氫原子所發出的光完全一樣，這意味著物質和反物質所發出的光完全相同。這一一致性證實了目前粒子物理學標準模型和狹義相對論的預言。
NO.6
「朱諾」公眾相機
2017年7月10日，當「朱諾」相機從近9 900千米的地方拍攝到了木星大紅斑的最近照片時，它又創造了一項第一。版權：NASA/SWRI/MSSS/GERALD EICHST?DT/SEáN DORAN。
紅色的雲彩、白色的橢圓形風暴以及混雜其間的棕色漩渦，這些是由「朱諾」相機在木星上所捕捉到的一些令人難以置信的細節。2017年，這些照片在新聞和社交媒體上引發了轟動。有充分的理由相信，在「朱諾」相機之前人眼從未看到過這些景象。這一切都是得益於增加這一公眾參與儀器的最後決定。
像美國宇航局所有的空間任務一樣，朱諾木星探測器具有一整套的科學目標，但這些目標中沒有一個需要一台可見光照相機。它搭載有7台儀器來探測木星大氣的深層、勘測木星的磁場和重力場並研究其極光。然而, 這些儀器及其收集的數據並不總是能引發公眾的共鳴。一張顯示木星大氣層不同深度水丰度的圖表和一張木星大紅斑的壯觀照片絕不會對普通大眾產生相同的影響。
「朱諾」任務的負責人也認識到了這一事實。在發射之前，「朱諾」又得到了一台儀器：一架能讓公眾參與其中的小型相機。相比其他科學儀器，「朱諾」相機所擁有的資源很少。它沒有專門的大型支撐團隊。其理念是讓公眾來作為成像管理團隊。這意味著由公眾來建議拍攝的目標, 然後討論和投票，這一切都通過互聯網來實現。一旦「朱諾」相機拍攝到了這些圖像，公眾就會對它們進行處理。事實證明，這個理念相當成功，遠超預期。
「朱諾」每53天就會繞木星1周，從其雲層上方几千千米處飛過。其主要任務包括了12條周期為53天的軌道，將一直延續到2018年7月。美國宇航局隨後很有可能會延長其任務期限。
NO.5
告別「卡西尼」
2017年9月15日，卡西尼探測器飛入土星大氣層，期間它一直把天線指向地球，直到美國太平洋夏季時間早晨4時55分。在失去信號後不久，它結束了自己的使命，化成一顆流星划過土星的天空。版權：NASA/JPL-CALTECH。
在7年長途跋涉之後，「卡西尼」於2004年夏到達了土星。從那時起，「卡西尼」不僅以前所未有的精細程度揭示了土星本身，它還向人們呈現了土星衛星的多樣性及其能承載生命的可能。人類對土星系統的看法和認識就此發生了翻天覆地的改變。
「卡西尼」的主任務為期4年，但在2次任務延長之後，其燃料幾乎耗盡。科學家決定將其最後的數月用於特定的研究，並將該任務命名為「大結局」。
在最終飛入土星高層大氣解體之前，「卡西尼」一共22次從土星內環和它高層大氣之間的空隙飛過。
在每一次近距離穿越的過程中，「卡西尼」到土星雲層頂的距離在1700～3900千米之間。雖然「卡西尼」上的其他11台儀器也在記錄數據，但它的成像相機一直在不斷地拍攝令人咋舌的照片。在其每條軌道的近土點，「卡西尼」的運行速度太快，時速約120700千米，那時無法拍攝照片，但在軌道的其他地方它的相機系統則可以很好地聚焦來拍攝圖像。它拍攝了土星大氣的渦旋、其北極的巨型六邊形風暴以及土星環中的結構。飛入光環之內也意味著「卡西尼」可以精確測量土星環的質量，甚至可以對光環粒子進行採樣，這是此前從未有過的。從如此近的距離飛過土星，讓「卡西尼」上的磁強計能夠對土星磁場的強度和方向進行詳細的測量。科學家可以利用這些信息來了解土星核心的旋轉和大小，並確定其雲層頂部相對
於核心的運動速度。
在這22軌之後，「卡西尼」完成了其最後的半條軌道。2017年9月15日，「卡西尼」墜入土星大氣層，其所發出的最後信號在當地時間早晨4時55分到達地球。「卡西尼」任務團隊最終告別了這位近20年的朋友。
NO.4
橫穿美國的日全食
2017年8月21日出現近100年來第一個橫穿美國大陸的日全食。成千上萬的人看到月球完全遮住了太陽的圓盤，讓絢爛的太陽日冕得以顯現。版權：NASA/AUBREY GEMIGNANI。
2017年8月21日太平洋夏令時上午10時16分，大自然最壯觀的景象之一降臨在了美國俄勒岡州的海岸。隨著月球遮擋住太陽的圓面，天空陷入了一片黑暗。太陽數百萬度的外大氣層日冕由此脫穎而出。在月球所投下的115千米寬的影子里，至少有數百萬人看到了從太陽灰色圓盤冒出的如火焰般的日冕。隨後，在從南卡羅來納州海岸進入大西洋之前，月影先後掃過了美國13個州。
在科學上，8月21日的日食並沒有什麼令人稱奇的。天文學家對日食的發生機制已了如指掌，可以提前預報幾千年後的日食。但其他原因使之成了一次具有歷史性的日食。它是近一個世紀以來第一個橫穿整個美國大陸的日食。
在2017年的日食帶上住有超過1 200萬人口。此外，還有2 000萬人從其他地方趕來一睹這一盛景。一些旅館和露營地幾年前就已被提前預訂。日全食沿線上散布著21個國家公園和7條國家景觀步道，其中一些在日食當天人頭攢動。
無論是幾年前就做了計劃還是直到2017年8月21日前一天才臨時決定，沿著月球本影所經過的路線，天體幾何學向世人上演了一場動人的表演。在歷史上，恐怕沒有其他的天文事件能引起如此多的關注。
NO.3
定位快速射電暴
FRB 121102是唯一已知會反覆出現的快速射電暴。天文學家利用這一特性來追蹤它的宿主星系：一個距離約24億光年的不起眼的矮星系。版權：GEMINIOBSERVATORY/AURA/NRC/NSF/NRAO。
在現代天體物理學中, 最神秘的信號之一就是持續僅幾毫秒的射電波爆發，被稱為快速射電暴。在2007年發現了第一個快速射電暴，但過了好幾年天文學家才發現了另一個。現在，已知約20個快速射電暴。然而，由於天文學家無法準確地確定它們源自何處，這些奇怪的信號仍然為神秘所籠罩。
天文學家所需要做的就是以足夠的精確度來測定這些信號在天空中的位置，以此來確定它們的距離。這一切都取決於幾年前的一項發現。雖然沒有明顯的特徵，但天文學家當時發現有一個快速射電暴會反覆出現。使用甚大天線陣在2015年和2016年所進行的為期83個小時的觀測，天文學家觀測到快速射電暴FRB 121102反覆出現了9次並測得了它在天空中的大致位置。
在這個位置上存在著各種不同的射電源。其中哪一個與快速射電暴有關？天文學家使用其他的射電望遠鏡對這一天區開展詳查。由散佈於歐洲的21台射電望遠鏡所組成的歐洲超長基線干涉測量網對該區域做了進一步限定。發現在這個快速射電暴附近有一個既會發出射電波也會發出可見光的源。這兩者之間或許存在著關聯。
接著，天文學家使用光學望遠鏡來識別該信號在3維空間的位置。結果顯示這個快速射電暴位於一個暗弱的小型星系中。這個矮星系的質量只有銀河系的1/1000，直徑只有銀河系的1/10。它的距離極為遙遠，射電波
要穿越約24億光年才能到達地球。
現在天文學家已經測定了它的精確位置，下一步就是要搞清楚其射電信號反覆出現的原因。
NO.2
繁盛的類地行星
M型矮星TRAPPIST-1周圍至少有7顆行星。它們大多是大小與地球相仿的類地行星，這不禁讓天文學家遐想它們是否也能承載生命。版權：NASA/JPL-CALTECH。
2017年2月，一個行星科學家團隊宣布，在一顆近距恆星周圍發現了7顆地球大小的行星。所有這7顆行星都位於宜居帶內。在這個區域內，這些行星所接收到的星光可以在其表面維持液態水的存在。雖然位於宜居帶內並不等同於就有液態水存在，但天文學家使用模型計算髮現，若擁有類似地球的大氣層，那麼這些行星中有3顆可以在其表面擁有液態水海洋。
為了尋找這7顆行星 ， 除了斯皮策空間望遠鏡之外, 天文學家還使用了數架地面望遠鏡來對恆星TRAPPIST-1進行觀測。他們監視了這顆恆星的亮度變化。根據數小時的觀測數據，天文學家確定這些亮度變化是由於多顆行星從恆星前方經過，遮擋星光所致。根據被每顆行星所遮擋的星光量，天文學家可以計算它的直徑。通過分析同一顆行星先後2次凌星之間的時間間隔，比較內側6顆不同行星的軌道，天文學家還可以估計它們的質量。有了直徑和質量，就可以計算出密度。結果顯示，雖然密度值有著較大的不確定性，但內側6顆行星與地球、火星、金星和水星類似，是岩質行星。第7顆行星的密度不確定性較大。
儘管這些行星是岩質的並且大小與地球相當，但它們的宿主恆星卻與太陽大相徑庭。TRAPPIST-1的質量只有太陽的8%，直徑約為太陽的12%。它的溫度也低得多，發出的是紅色光芒，而不是太陽的黃白色光。這個行星系統也遠比我們的太陽系要緊密得多。最內側的行星繞TRAPPIST-1公轉一周只要1.5天，而即便是最遠的行星也僅需18.8天。儘管天文學家還沒有發現與太陽系一模一樣的其他行星系統，但在距離我們40光年的一顆恆星周圍發現7顆類地行星卻著實是一個表徵存在另一個地球的好兆頭。
NO.1
多信使天文學誕生
M型矮星TRAPPIST-1周圍至少有7顆行星。它們大多是大小與地球相仿的類地行星，這不禁讓天文學家遐想它們是否也能承載生命。版權：NASA/JPL-CALTECH。
2017年8月17日，再平常不過的一天。但在美國東部夏令時間8時41分，一切都不再平常。在100秒的時間裡，時空結構中的漣漪不斷地拉伸和擠壓地球上極為靈敏的引力波探測器。隨即，一道明亮的γ射線出現在天際。由此，全世界各地和太空中的70多個天文台以及3 500名天文學家和物理學家也開始了為期數周的繁忙工作。
通過2017年10月16日的數場新聞發布會和超過30篇的論文，科學家們向世人公布了有關的分析結果。他們觀測到了一種此前從未被探測到過的引力波源：兩顆中子星的碰撞併合。這一碰撞還會形成γ射線暴，為中子星併合至少是一種γ射線暴起源機制的理論提供了佐證。但這一事件也發出了其他波段的光：可見光、紅外輻射、射電波、紫外線和X射線，天文學家對所有這些輻射進行了仔細地研究。
2017年8月17日的上午，最先抵達地球的是引力波。位於美國路易斯安那州的激光干涉引力波天文台探測到了一個強烈的信號，幾毫秒後它位於華盛頓州的另一台探測器也看到了這一信號。就在引力波科學家向同行發出警報的同時，費米γ射線空間望遠鏡已經探測到了一個剛剛抵達地球的信號。可以肯定這是一個γ射線暴。它到達地球的時間就在引力波信號終止之後的1.74秒。就在引力波天文學家確定了引力波源在天空中的位置之後，結果發現它和「費米」探測到的信號方向一致。這時所有人都明白了，這兩者源於同一事件。
這一中子星併合事件標誌著多信使引力波天文學時代的開啟，未來天文學將能藉由所有波段的電磁波和引力波來研究宇宙中最劇烈的事件。
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