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TOI 5205行星系统的艺术图。Credit: Katherine Cain, the Carnegie Institution for Science
天文学家近期发现了一个不寻常的行星系统：一颗巨大的气态巨行星在围绕着一颗小质量红矮星运行。这种围绕着较小恒星运行的大质量行星，二者共同形成的“禁忌”系统，对现有行星、尤其是气态巨行星的形成理论，形成了挑战。
系统中的红矮星名为TOI 5205，大小仅为木星的四倍，属于M矮星（最小的红矮星）。M矮星的体积比太阳小得多，温度也低得多，通常只有太阳温度的一半，颜色比太阳更红，光度非常低，但寿命非常长。M矮星是银河系中最常见的恒星类型。尽管这类恒星平均比其他更大质量的恒星拥有更多的行星，但天文学家认为它们不太可能拥有气态巨行星，尤其对于小质量的M矮星，可能性更小。
不过，凌星系外行星巡天卫星（TESS）首先发现了这个系统。观测发现TOI 5205的恒星亮度会在一段时间内有7%的下降，这意味着有一颗行星存在，这颗行星候选体被命名为TOI 5205b。之后，该项目的研究人员使用多种地面望远镜和仪器，对这颗系外行星进行了最终的确认，并分析发现它应该是一颗木星大小的行星。7%的亮度下降，也是目前已知的由系外行星凌星造成的最大亮度下降。为了直观对比TOI 5205这个行星系统的大小比例，我们想像在太阳系中木星和太阳，就像是豌豆围绕着大柚子在运转；而对于TOI 5205b，因为主星小得多，那里更像是一颗豌豆绕着柠檬而运行。
一般认为，在围绕着年轻恒星的“原行星盘”，也就是早期的气体和尘埃盘中，行星在其中慢慢演化形成。当原行星盘中的致密团块在自身引力作用下坍缩时，行星核就会诞生，之后它们会吸聚更多的物质，并逐渐形成行星。目前常用的行星形成理论表明，要诞生一颗气态巨行星，首先需要相当于10倍地球质量的岩石物质形成一个核心，而后这个核心从周围继续吸聚大量气体，形成我们观测到的气态巨行星。在演化早期，如果原行星盘中没有足够的岩石物质来形成行星的初始核心，那么就无法形成气态巨行星；而在晚期，如果原行星盘中的气体在行星核心形成之前就蒸发掉了，那么也无法形成气态巨行星。以天文学家目前对M矮星形成历史的理解，他们认为M矮星，尤其是小质量的M矮星是不太可能拥有气态巨行星的。但事实是TOI 5205b还是形成了，它是一颗“禁忌”行星。
韦布空间望远镜的后续观测，可以帮助我们确定TOI 5205b的大气成分，这有可能会揭示出这颗“禁忌”行星的诞生过程。这将扩展我们对行星形成理论的了解。相关研究成果于2023年2月21日发表在《天文学报》上。
水占据了地球表面的71%，但没有人明确知道如此大量的水是怎样、或是何时到达地球的。发表在2023年3月15日的《自然》杂志上的一项新研究，让科学家们离回答这个问题又近了一步。由美国马里兰大学的研究人员领导的团队，对自45亿年前太阳系形成以来一直漂浮在太空中的无球粒陨石，也就是由熔融物质结晶的、不含球粒的石陨石进行了研究，他们发现这些陨石的含水量极低。事实上，它们可能是有史以来被测量过的最干燥的地外物质之一，因此基本可以排除它们作为来源的可能。
科学家们一直想了解我们的地球是如何获得水的。对于地球这样一个相对较小的行星，并且距离太阳也比较近，在其表面需要拥有水、甚至形成海洋，这并不是一个很容易的事情。在太阳系早期的历史中，许多星子物质，也就是形成行星的原始物质，它们被放射性元素的衰变所加热，完成了被称为熔融的过程。研究团队分析了七颗无球粒陨石，这些陨石从至少五颗星子中分裂而出，经历数十亿年后，于近期坠落至地表。研究人员使用二次离子质谱仪对它们内部的水分含量进行了测量，这也是首次进行类似的成分检测。
对地外物质中的水含量进行测试分析，其挑战在于，样品表面可能沾染地球水分，或测量仪器内部的水分被意外混淆而被检测到，从而污染结果。为了减少污染，研究人员首先在低温真空烤箱中烘烤样品长达一个多月的时间，以尽可能多的去除它们表面的水分；而在二次离子质谱仪分析样品之前，样品会被再次干燥。最后的分析结果表明，水只占无球粒陨石样本质量的不到百万分之二。相比之下，最湿润的陨石，也就是碳质球粒陨石，它们含有占质量高达约20%的水，是该项目样品的10万倍。
研究团队的陨石样本有一些来自于冰冷的外太阳系。科学家们一般认为地球上的水来自于外太阳系；由于外太阳系寒冷多冰，所以普遍默认携带水的天体的水含量较高。此外，天文学家也尚未确定是什么类型的天体将这些水带到了地球。此次的研究结果表明，并非所有的外太阳系天体都富含水，并且无论这些星子起源于太阳系的何处、以及它们开始时含有多少水，星子的加热和熔融都会导致几乎全部的水分流失。因此，研究人员得出结论：水很可能是通过未熔融的球粒陨石被输送到地球的。更多地对水在太阳系中的运输进行分析，有助于进一步研究系外行星中水和生命的起源问题。
图中的白色虚线显示了内太阳系和外太阳系的界线，小行星带大致位于火星和木星之间。图像顶部的放大图显示出，水分子附着在岩石碎片上。Credit: Jack Cook/Woods Hole Oceanographic Institution
彗星是短暂而美丽的天体，发现一颗有潜力的可见彗星总是令人兴奋的事情。最近，天文学家刚刚发现了一颗新彗星——C/2023 A3（紫金山—阿特拉斯），它有可能成为2024年的大事件。虽然每年都会有几十颗新彗星被发现，但其中绝大多数都非常微弱，无法用肉眼看到；仅有少数的才能有机会闪耀在夜空。C/2023 A3目前就非常符合预期，尽管当前它距离到最接近太阳和地球的时刻，还有着18个多月的时间，但人们预计，这将又是一颗会接近肉眼可见的彗星，值得关注。
C/2023 A3的运行轨道，图中表明了它在2024年10月13日最接近地球时的位置。Credit: JPL HORIZONS/Bob King
C/2023 A3是由中国紫金山天文台和南非的小行星陆地撞击预警系统（ATLAS）在2023年初分别独立发现的，所以这颗彗星也被称为Tsuchinshan-ATLAS，也就是紫金山-阿特拉斯。被发现时，这颗彗星距离太阳7.3个天文单位，视星等为18等；它目前位于土星和木星轨道之间，距离地球约10亿千米。根据观测结果，C/2023 A3正在快速向太阳靠近，相对于地球，其速度为80.74千米/秒。对其轨迹的初步分析表明，C/2023 A3每80660年绕太阳公转一周，目前估计它将在2024年9月28日到达近日点，距太阳约5900万千米。而最接近地球的时间目前估计为2024年10月13日，距离地球7000万千米。
彗星在夜空中看起来是否明亮、壮观，这取决于彗星穿过太阳系的路径及其彗核的大小。C/2023 A3能够引起关注，首先是因为它可能足够亮，目前估计其亮度在近地点可能达到-0.2等，预期会在明年带来一个壮观的景象。被发现时，虽然它的亮度比肉眼可见的亮度暗约6万倍，但对于土星、木星这个距离的天体来说它已经很不错了，这预示了C/2023 A3似乎有一个相当大的彗核，从而在其接近太阳时大量物质会被升华并形成巨大的彗尾，到时候看起来可能会非常壮观。此外，从历史上看，绝大多数最亮、最壮观的彗星的运行轨道都非常靠近太阳。C/2023 A3也满足了这个条件：在近日点期间，它将掠过水星的轨道，离太阳非常近。
实际上，彗星的最终效果是很难被预测的。历史上有些彗星被认为可能很明亮，但最终则不然，比如上世纪70年代被宣传为“世纪彗星”的科胡特克彗星，它最终并没有达到预期的那么明亮壮观。此外，彗星解体的频率也非常高。最近解体的一个例子是彗星C/2020 F8，本来它被预测在2020年5月肉眼可见，但在本应最亮的时候分崩离析，几乎消失了。当然也有一些彗星解体后比预测的更加壮观，比如C/1975 V1。所以，C/2023 A3最终到来之前，我们无法确定它是否会成为奇观。它可能会支离破碎，变得不那么明亮，或者会让我们大吃一惊。
2024年6月上旬，北半球的天文摄影爱好者就可以拍摄到C/2023 A3的优质图像了。8月时这颗彗星会消失在太阳的耀眼光芒中。它在9月底经过近日点时，视野开阔的观察者可以在东方地平线附近看到这颗彗星。让我们一起共同期待吧！
公元185年，中国古代天文学家目睹并记录了一颗“客星”，它肉眼可见的时间持续了大约八个月，之后逐渐暗淡，并从人们的视野中消失。这是人类记录的第一颗超新星，位于圆规座和半人马座之间，距离地球约9000光年，现在被称为SN 185。以SN 185为中心的外围星际空间中，弥漫着一圈撕裂的碎片环，其所环绕的区域比满月的视直径还要大，天文学家将这个结构命名为RCW 86，被认为是超新星SN 185的遗迹。
最近，由安装在智利的托洛洛山美洲天文台4米望远镜上的暗能量相机拍摄了RCW 86的最新的图像，并在2023年3月1日对外公布。暗能量相机的大视场和高分辨率特性，以前所未有的细节揭示了RCW 86当下的结构。从图像中可以看到呈环形分散的卷须状尘埃和气体云，它们似乎正从中心点飞走，就像气球炸裂后的破碎残骸。
尽管RCW 86和SN 185之间的联系看似已经很明显，但仍有问题困扰着天文学家。SN 185曾被认为是一颗核心坍缩超新星，即一颗大质量恒星由于自身引力而爆炸，并将自身物质吹散到星际空间。如果是这种情况，天文学家认为RCW 86需要大约一万年的时间才能形成我们今天测量到的它的大小。然而，SN 185仅仅在1800多年前爆发，这意味着RCW 86比SN 185更古老。但是，2006年的一项研究发现，RCW 86的大尺寸是由于其极高的膨胀速度造成的，由此估算出了一个更小的年龄，大约为2000年，这大大加强了RCW 86与SN 185之间的联系。但这里仍然有一个疑问：RCW 86为什么会膨胀得如此之快？
利用来自其它望远镜的数据，天文学家发现RCW 86中含有大量的铁元素，这是另一种类型的超新星爆发的明显特征，即Ia型超新星。Ia型超新星发生在双星系统中，即当一颗致密的白矮星从它的伴星吸积物质到临界点时就会发生爆炸。这种超新星异常明亮，即使在人类历史的早期，天文学家仅限于肉眼进行观察，这种现象也不会被忽视。
天文学家现在认为，SN 185前身应该是处于一个双星系统之中，SN 185在吞噬伴星的物质时，产生的高速风会将周围的气体和尘埃向外推，形成一个空腔。之后，当SN 185无法承受更多从伴星吸积到它身上的质量时，它发生了猛烈的爆炸。而先前形成的空腔为高速的爆发过程提供了充足的空间，使其仍然能够以非常高的速度保持快速膨胀，最终形成我们今天看到的巨大超新星遗迹。暗能量相机清晰完整的图像，可以让天文学家更加深入地研究RCW 86，有助于阐明它在过去1800多年中的演化过程。
暗能量相机拍摄到的超新星遗迹，可能对应着发生在公元185年的超新星爆发事件。Credit: NSF NOIRLab
近期，由耶鲁大学天文学家领导的团队发现了一个“逃跑”的超大质量黑洞，它似乎是从其宿主星系中被弹射出来的，在星际空间中疾驰而过，并且有一个长长的恒星和气体光带尾随其后。对于超大质量黑洞可以从其宿主星系中逃离出来的理论，该发现提供了首个观测证据。研究结果已于近期被《天体物理学报通信》确认接收。
研究人员在使用哈勃空间望远镜对距离地球约75亿光年的矮星系RCP 28进行观测时，发现了一条明亮的光带。这条光带的长度超过了20万光年，大约是银河系直径的两倍，并且它指向星系的中心，那里通常是一个超大质量黑洞的所在位置。
利用哈勃空间望远镜观测矮星系RCP 28时，发现的一条明亮光带，猜测是由一个被弹射出的超大质量黑洞造成的。Credit: van Dokkum et al.（2023）
天文学家认为，在很多星系的中心可能都拥有一个超大质量黑洞。而活跃的超大质量黑洞能够将周围物质以高速喷射出去，并产生喷流，从而形成长长的光柱。从表面上粗略来看，喷流与研究人员发现的光带是相似的。那么这条光带真的是喷流吗？研究团队分析了这条光带的数据，发现它不具备喷流的特征。通常喷流会随着远离发射源而变得越来越弱，但这条光带随着远离其可能的起源点，也就是矮星系RCP 28的中心，却变得越来越强。此外，超大质量黑洞喷射的喷流是从源头呈扇形散开的，而这条光带却一直保持着一条线的状态。
经过研究，研究团队得出的结论是，最符合这条光带性质的解释是，这是一个超大质量黑洞被踢出了星系中心，在逃离的过程中留下了痕迹，并使途中的气体被压缩，触发其尾流中的恒星形成。研究人员估计出这个逃跑的超大质量黑洞的质量约是太阳的2000万倍，并以560万千米/小时（相当于大约4500倍音速）的速度远离其宿主星系。
那么接下来的问题就是，这样一个超大质量黑洞是如何从其宿主星系中被弹射出去的。研究人员认为，由三体相互作用引发的像弹弓一样的效应，最有可能解释我们观测到的这个现象。当三个质量相似的天体在引力作用下相互绕转时，其结果不会产生稳定的三体状态，而通常会形成一个双天体系统并弹射出第三个天体。这可能意味着观测到逃跑的超大质量黑洞，它可能曾经属于一个双超大质量黑洞系统，并且在一次星系合并的过程中，第三个超大质量黑洞被引入到相互作用中，而将其中一个黑洞被踢出。超大质量黑洞的弹射现象在50年前就已经被预测过，而这是第一次有明确的观测证据，表明超大质量黑洞可以逃离其宿主星系。
利用韦布空间望远镜拍摄到的早期宇宙图像，一个国际天文学家团队发现了六个大质量星系，它们正在颠覆天文学家之前对宇宙中星系起源的理解。按照之前的理论，似乎它们不应该出现在那里。而现在，没有人能解释它们是如何形成的。
韦布空间望远镜是目前最大的空间红外望远镜，能够观测到哈勃空间望远镜所无法观测到的年老、遥远及暗弱的天体。它能更容易地观测宇宙早期的图景，从而有利于研究宇宙起源的问题。2022年7月，韦布空间望远镜公布了它的第一张彩色图像，天文学家继而投入到对其的研究中。图像中有一些微小的红点，通过分析它们发出的光，研究人员认定它们的距离非常遥远，存在于大爆炸后仅5-7亿年的宇宙初期。此外，这些红点经过确认是星系。
早期宇宙中有星系存在，这并不令人惊讶。根据目前的演化理论，天文学家对早期宇宙中存在的星系类型有特定的预期：它们小且年轻。利用哈勃空间望远镜和其他仪器对早期宇宙进行的观测和研究也证实了这个预期：一些小型、蓝色的婴儿星系，存在于遥远的早期宇宙，它们刚刚才从原始宇宙汤中形成自身的形态，并正在产生恒星和构建它们的结构。但是韦布空间望远镜最新的观测结果，却让天文学家大为震惊。研究人员分析发现，有六个遥远星系的质量大得惊人，都超过了100亿个太阳质量，其中最大质量的星系可以达到1000亿个太阳质量，并且年龄并非十分年轻。这个结果表明，在宇宙年龄仅为当前年龄的3%时，宇宙中就已经分布着质量与银河系相当的成熟星系。这个发现令天文学家非常困惑，因为目前基本所有的宇宙学模型都不能对此给出合理的解释。
六个大质量星系，处于大爆炸后仅5-7亿年的宇宙初期。Credit: NASA, ESA, CSA, I. Labbe（Swinburne University of Technology）
考虑到这些星系拥有如此大的质量，天文学家要么需要修改宇宙学模型，要么需要修正对早期宇宙中星系形成的物理理解。这两种情况都需要天文学家对宇宙形成和演化的理解发生根本性的转变。天文学家计划很快将韦布空间望远镜再次转向这些星系，从而获得它们的光谱。光谱可以给出这些星系非常精确的距离，并且揭示其更多的化学和物理特性，帮助天文学家确认当前的发现是否是真实的。该研究成果发表于2023年2月22日的《自然》杂志上。