□ 供稿/赵冬瑶

1.首次发现宇宙中的核裂变现象

由美国天文学家领导的研究团队近期在恒星中首次发现了宇宙中存在核裂变的证据。天文学家一直认为宇宙中正在发生核裂变，但在此之前没有人能够证明这一点。此次的发现支持了这样一种观点，即当两颗中子星相互碰撞时，“超重”元素——也就是比元素周期表中最重的元素还要重——就会被产生，之后这些元素通过核裂变分解成金等其他元素。

在宇宙中，天文学家更加熟悉核聚变，即两个较轻的元素结合形成一个较重的元素并释放出大量能量，恒星的核心部位就在持续发生着这样的反应。核裂变简单来说与核聚变相反，是较重元素分裂产生较轻元素并释放能量的过程。核裂变也是众所周知的，它是地球上核电站运行的理论基础。然而，天文学家之前从未在宇宙中发现过核裂变反应。寻找核裂变有助于解开宇宙重元素来源的谜团。

天文学家知道，核聚变不仅是恒星的主要能量来源，也是合成多种重元素的有效途径，但其能产生的最重的元素是铁。然而，金和铀等更重元素的合成过程却更加神秘。天文学家怀疑这些宝贵而稀有的重元素是在两颗中子星碰撞并合时产生的。中子星并合创造了一个异常极端的环境，足以形成那些即便在最动荡的恒星中心也无法产生的元素。这个并合过程会释放大量的自由中子，由于中子通常会与质子结合在一起，中子星并合环境中的其他原子核会快速捕获这些自由中子，这一过程被称为快速中子捕获或“r过程”。这个过程使原子核变得更重，从而产生不稳定的超重元素。研究团队发现原子质量（原子核中质子和中子的总和）大于260的元素，可能会短暂地存在于中子星并合后的环境中。之后，这些超重元素可以发生核裂变，分解成更轻、更稳定的元素，比如金。

研究团队中的天文学家于2020年预测了r过程产生的原子核，其“裂变碎片”将如何分布；并且理论计算了r过程如何导致“轻质精密金属”（如钌、铑、钯和银等）和“稀土元素原子核”（如铕、钆、镝和钬等）的共同产生以及它们之间的相关性。理论结果表明，当其中一组元素增加时，另一组中相应的元素也会增加。这个理论预测不仅可以通过观测中子星并合来检验，还可以通过观测恒星中因r过程产生元素的丰度来检验。研究人员观测了42颗恒星，发现了理论预测的相关性：每当宇宙中产生一个银原子时，它也会按比例产生更重的稀土原子核。这两组元素的变化是同步的，而只有一种机制可以对此负责，这就是核裂变。相关研究论文发表于2023年12月7日的《科学》杂志上。

2.外观相近的天王星和海王星

近期，由牛津大学天文学家领导的研究团队更新了天王星和海王星的真实面貌。与我们之前的印象不同，它们的颜色看起来似乎更为相似；团队还对天王星长期存在的颜色变化之谜进行了解释。《皇家天文学会月刊》杂志于2024年1月4日刊登了此次研究的相关结果。

当提到天王星和海王星，人们头脑中会分别想到淡青绿色和深蓝色的星球。大众对于这两颗星球颜色的认知来自20世纪拍摄的行星图像。1989年夏天，美国国家航空航天局的旅行者2号探测器向地球发送了人类历史上第一张海王星的图像。照片显示，这颗位于太阳最外围区域的行星，是一个令人惊叹的深蓝色球体。相比之下，它的邻居天王星则明显苍白，照片呈现为淡青绿色。旅行者2号传回的照片是将拍摄的单色照片组合后创建的复合图像。天王星的照片虽然经过处理，但接近其真实颜色。然而，出于对云、带和风更好显示的需求，海王星的照片被刻意增强了对比度，因此人为的变得太蓝了。尽管当时发布的海王星图像会附有说明文字，但随着时间的推移，这种提示已经被忽视了。

实际上，天王星和海王星有很多共同点，它们的大小接近，质量几乎相同，并且都被由相似物质组成的厚重大气所包围。人们则会产生疑问：为什么这两个星球的颜色会如此不同呢？为了消除这种误解，研究团队使用了哈勃空间望远镜和甚大望远镜的新数据。这些望远镜搭载的仪器能够接收到每个像素中连续的光谱信息，根据这些光谱数据，研究人员将旅行者2号的单色照片重新进行了合成，还原出了天王星和海王星的“真实表观颜色”。图像表明，天王星和海王星实际上具有非常相似的绿蓝色，这种颜色来自行星大气中的甲烷层，它吸收了太阳光中的红色。此外，天王星的颜色更白一些，可能是因为其停滞迟缓的大气，使得其中的甲烷得以积聚到更厚。与海王星相比，更厚的甲烷层会更多地吸收太阳光中的红色部分。研究团队此次公布的天王星和海王星的图像，显示了迄今为止能够重建的这两颗行星的最准确颜色。

此次研究还解答了长期以来的谜团：为什么天王星的颜色在其84年的公转周期中略有变化。此前，位于美国亚利桑那州的洛厄尔天文台于1950年至2016年期间持续拍摄了天王星的图像，图像显示其在夏至或冬至时（其极轴指向太阳）会更绿，而在春分或秋分时（太阳光直射其赤道）会更蓝。颜色的变化源于反射率的变化，但天文学家之前一直不太清楚天王星反射率改变的原因。

此次，研究团队创建了一个模型，模拟了天王星极地区域与赤道区域的光谱和颜色。根据观测数据，研究人员证实，相比于赤道地区，天王星极地地区对绿色和红色波长的反射率高于蓝色波长。模拟表明部分原因是甲烷在两极附近的含量大约是赤道附近的一半。然而，这还不足以完全解释颜色的变化。研究人员在模型中进而添加了一个新的变量，其形式是从赤道到极地的逐渐增厚的冰“罩”。结果显示，冰颗粒进一步增加了两极对绿色和红色波长的反射，并最终解释了为什么天王星在“两至”时的颜色更绿。

3.小麦哲伦云的真实图景

一个由多国天文学家组成的国际研究团队公布了他们的新发现：小麦哲伦星云不是一个单一的星系，它实际上是两个星系，而在地球的视角看来，其中的一个处在另一个后面。该研究的相关论文已于最近被《天体物理学报》接收。

在南半球的夜空，人们可以观测到看起来彼此十分接近的大小麦哲伦云。大小麦哲伦云一直被认为是两个不规则的矮星系，它们属于距离银河系最近的星系，在引力作用下与银河系相连，并且正在被稳定地吸引到我们的星系，在遥远的未来会与银河系发生碰撞和并合。

小麦哲伦云距离地球约20万光年，质量相当于太阳的约70亿倍。20世纪80年代后期，一些证据表明小麦哲伦云不是一个，而是两个矮星系。但由于小麦哲伦云含有大量的气体和尘埃，诸多信息在很大程度上被它们所掩盖，因此两个星系的特征很难区分。在此次的新研究中，研究人员发现了更多明确的证据，表明小麦哲伦云确实是两个小型矮星系。

为了得到有关小麦哲伦云的更多信息，利用澳大利亚平方千米阵探路者（ASKAP），研究团队首先对小麦哲伦云中氢气云发射的射电辐射进行了探测。之后，他们利用欧洲空间局盖亚天文卫星的数据，对这些气体云中年龄不到1000万年的年轻恒星的速度和运动方向进行了测量。在年轻恒星与孕育它们的巨大气体云一起移动的前提假设下，研究人员确定了小麦哲伦云中包含两个不同的部分。这两个部分的化学成分是不同的，具有不同的金属丰度。并且其中一个部分似乎比另一个更近，二者距离地球分别为19.9万光年和21.5万光年，更近部分的运动速度更快。

然而，研究人员还需要确认这两个部分是否对等；或者其中一个部分只是由气体组成，只是因为大小麦哲伦云的引力相互作用被抛射出来的物质。如果是后者这种情况，那么脱离部分的质量应该明显较小。研究人员分析发现，小麦哲伦云的这两个部分的质量大致相同，并且它们都与大麦哲伦云存在引力相互作用。证据非常有力地表明，小麦哲伦云确实由两个不同的星系组成；只是从地球的角度观测，其中一个星系几乎正好位于另一个星系的后方。也正是这种位置分布，才导致了直到最近，天文学家才能充分证实这两个矮星系的存在。

4.年轻星系中心部位的超重黑洞

近期，天文学家通过统计分析发现，早期星系中心的超大质量黑洞比预期的要大得多。这些令人惊讶的巨大黑洞为超大质量黑洞的起源及其宿主星系的早期演化提供了新的线索。

在邻近的成熟星系中，比如在我们的银河系，恒星的总质量远远超过星系中心超大质量黑洞的质量，它们的质量比大约为1000∶1。然而，在此次新发现的遥远星系中，这个质量比会下降到100∶1或10∶1，甚至达到1∶1，这意味着宇宙早期星系的中心黑洞可以等同于其宿主星系恒星的总质量。该结果来源于研究团队利用韦布空间望远镜对遥远的小质量星系进行的观测。在韦布之前，天文学家对遥远的超大质量黑洞的研究，通常仅限于极其明亮的类星体，它们的中心黑洞一般是太阳质量的数十亿倍，并且其宿主星系的质量也都较大。而由于韦布的性能和工作波长，遥远的小质量星系以及它们的宿主星系都可以被更加容易地观测到。

研究团队对通过韦布巡天项目发现的21个星系进行了统计分析，它们距离地球约120-130亿光年。这21个星系的中心黑洞的典型质量约是太阳的数千万或数亿倍，仍然是超大质量黑洞。在对它们宿主星系的恒星质量进行估算后，研究人员惊奇地发现，这些早期星系的中心黑洞相对于其宿主星系来说无疑质量过大了。对于近邻的成熟星系，天文学家已经很好地证实了其黑洞质量与恒星质量之间的标度关系。而遥远的年轻星系却违反了这个关系，它们的黑洞质量比利用近邻宇宙中的标度关系预测的要大10～100倍。这一结果对于研究早期大质量黑洞的形成具有重要意义。

天文学家目前认为，超大质量黑洞有两条主要的形成路径：形成于“轻”的种子黑洞或“重”的种子黑洞。轻种子黑洞的质量相对较低，约为太阳质量的10～100倍，它们可能是宇宙最早的巨大恒星的残余物。重种子黑洞的质量约为10000～100000个太阳质量，它们可能是由巨大的气体云在引力作用下直接塌缩而产生的。此次的研究结果为重种子黑洞的演化路径提供了可信度，因为对该路径的模拟和理论计算预测，黑洞的质量应该与其所在的年轻星系的恒星质量大致相同，甚至更大。

但是，黑洞、星系以及它们的共同演化仍然是一个悬而未决的问题。黑洞的生长主要是通过吸积物质，还是通过与其他黑洞并合？恒星质量是否主要在星系内累积，或者是否需要与其他更大的星系并合？研究团队将利用韦布空间望远镜进行进一步的研究。此次的研究结果发表于2023年10月23日的《天体物理学报通信》杂志。

5.质量最小的褐矮星被发现

褐矮星有时也被称为失败的恒星。像普通恒星一样，褐矮星通过引力塌缩而形成，但是它们的质量永远不会达到足以点燃中心氢核聚变的程度。褐矮星是横跨恒星和行星之间分界线的天体，小质量褐矮星的质量可以与巨行星重叠，仅为木星质量的几倍。对于天文学家来说，一直存在一个基本问题：最小的恒星是什么样的？他们在通过寻找最小的褐矮星来解答这个问题，从而更多的了解恒星和行星的形成过程。近期，一个由美国天文学家领导的国际团队使用韦布空间望远镜，发现了新的纪录保持者：一颗质量仅为木星质量3-4倍的孤立的褐矮星。

为了寻找小质量褐矮星，研究人员选择了星团IC 348。这个星团距离地球约1000光年，位于英仙座恒星形成区，它也很年轻，只有大约500万年的历史。因此，此区域中的褐矮星由于其形成产生的热量在红外波段仍然会相对明亮，易于在该波段被探测到。选择韦布空间望远镜，一方面因为它的高灵敏度，使研究团队能够在红外波段探测到更加暗弱的天体；另一方面它的高分辨率使研究人员能够排除背景星系而确定褐矮星。研究团队首先使用望远镜的近红外相机对星团中心进行成像，根据亮度和颜色确定褐矮星的候选者。之后，他们使用其中的近红外光谱仪跟踪观测最有希望的目标。研究人员最终发现了三个最值得注意的目标，他们的质量是木星质量的3-8倍，表面温度在830-1500摄氏度之间，其中最小的褐矮星的质量仅为木星的3-4倍。

由于这些褐矮星在巨行星的质量范围内，这就提出了一个问题：它们是否确实是褐矮星，或者它们实际上可能是从行星系统中被抛射出来的巨行星。不过研究人员认为后者的可能性非常小。由于IC 348中的大多数恒星是低质量恒星，巨行星在这些恒星的行星系统中很难形成，非常罕见。此外，由于该星团只有500万年的历史，没有足够的时间让巨行星形成并从其系统中被抛射出。

解释如此小质量褐矮星的形成在理论上具有很大挑战。对于当前的理论来说，形成如此质量的巨行星在行星盘中是相当容易的，但是如此小质量的云团要塌缩形成褐矮星却非常困难。所以，这颗目前最小质量的褐矮星将让天文学家重新审视小质量恒星的形成过程。

此外，小质量褐矮星还可以帮助天文学家更好地了解系外行星。由于质量与巨行星重叠，它们预计具有一些巨行星相似的特性。值得注意的是，孤立的褐矮星比系外巨行星更容易研究，因为后者通常隐藏在其主星的光芒中。此次研究发现，其中的两颗褐矮星显示出了一种碳氢化合物的光谱特征。这种光谱特征在土星及土卫六的大气层中曾经被探测到，这也是天文学家第一次在系外天体的大气中探测到这种化合物；而目前褐矮星的大气模型并不能预测该化合物的存在。

总之，这次的研究观测到了比以前更年轻、质量更小的褐矮星，天文学家也看到了一些全新的、意想不到的图景。相关的研究结果于2023年12月13日发表在《天文学报》杂志。

6.复杂的富铁尘埃环首次被发现

2024年1月8日发表于《天文学和天体物理学》杂志上的最新研究公布了一项发现，天文学家在一颗年轻恒星周围探测到了三个富铁尘埃环，以及可能隐藏在其间的两颗行星，这为了解早期太阳系的演化提供了线索。

当人类出现时，太阳系已经走过了大约45亿年的历程。虽然此时的环境对地球上的生命非常有利，但这意味着人类如果想要了解太阳系早期形成时的复杂过程，就必须把目光投向其他地方。利用甚大望远镜干涉仪，此次的研究将观测对准了距离地球500光年之外的年轻恒星HD 144432，研究人员对其行星形成盘进行了分析。

在研究行星盘最内部区域的尘埃分布时，天文学家们探测到了一个复杂的结构。这个结构包含三个同心尘埃环围绕在HD 144432周围，而环系统的存在意味着行星的形成：在环的间隙中，行星通过不断积累环上的尘埃和气体而形成。研究人员还发现，以太阳系的尺度进行类比，第一个环位于水星轨道内，第二个环靠近火星轨道，第三个环大致对应于木星轨道。这种复杂的结构天文学家之前曾经发现过，但都存在于相当于土星轨道之外的、距离主星很遥远的区域，而此次观测到的环系统的位置相当于太阳系中岩石行星形成的区域。这也是天文学家们首次在距离主星如此近的范围内，看到如此复杂的环系统。然而，值得指出的是，该环系统不太可能形成地球大小的行星。天文学家根据环的大小和间隙估计了可能形成的两颗行星的质量，发现它们应该与木星的质量相似。

研究人员还分析了尘埃环的化学成分，发现了各种硅酸盐（金属硅氧化合物）和其他在地球的地壳和地幔中可以找到的矿物质，并且还发现了在水星核和地球核中存在的铁元素。这可能是第一次在行星形成盘中发现铁。迄今为止，天文学家观测到的行星形成盘基本都是含有碳和硅酸盐的尘埃盘。然而，从化学角度来看，铁和硅酸盐的混合物对于热的内盘区域更合理。HD 144432环系统的内边缘温度可达到1800开尔文（约1500摄氏度），而更远一些的区域温度为300开尔文（约25摄氏度），铁和矿物质在这个区域会熔化和重新凝结，以晶体的形式存在。然而碳颗粒则无法在高温下单独存在，而是转向以一氧化碳或二氧化碳的气体形式。此外，研究人员模拟了HD 144432的环系统，发现在引入铁而不是碳时，得到了更好的拟合结果。

由于水星和地球是富铁行星，早期太阳系肯定为它们提供了铁。研究团队认为，HD 144432的环系统可能与早期太阳系的内部区域非常相似，它提供了另一个在含铁环境中形成行星的例子，这可以帮助我们更多地了解太阳系的形成和演化。

（责任编辑　卢瑜） BIrEcJYmsvEA6YicPF2W45YMZkb9fu5wid67mdikU7jaVwFA4HnQGD/go3R4IWTT