□ 供稿/赵冬瑶

1. 首次明确测量中子星喷流速度

中子星的喷流可以达到多大的速度？虽然天文学家对此的共识是接近光速，但之前并没有明确的测量。近日，一个国际天文学家团队首次对中子星的喷流速度进行了明确测量，发现其速度达到了每秒11.4万千米，约光速的三分之一。喷流速度的测量也为揭示喷流的产生机制带来了重要线索。研究的相关文章于2024年3月27日发表于《自然》杂志。

喷流这种高能物质束在宇宙中非常常见。当物质落入致密的中心天体时，例如中子星或黑洞，喷流就可能会产生，并对周围环境产生重要影响。然而，天文学家至今还不完全清楚喷流的产生机制，尤其是相对较弱的中子星喷流。与黑洞相比，中子星对于喷流的研究更有优势，因为它具有固体表面，其自旋、质量、磁场强度等性质都可以被明确地测量或估算，可以让天文学家将这些性质与喷流的产生联系起来，进行深入探究。

中子星发出喷流通常是通过“窃取”伴星物质达成的。在双星系统中，由于中子星密度很大，因此巨大的引力会导致伴星的物质被吸积。这些物质不断被积累在中子星的表面，到达足够程度时，热核爆发会被引发，并迅速扩散至整个中子星表面；这会持续几秒到几分钟的时间，产生短暂的X射线爆发。而其中一些被“窃取”的物质会被引导到中子星的两极，以强大的喷流的形式喷发。喷流到底是如何产生的？它是否可以与表面的热核爆发联系起来？喷流的速度是揭示这些的关键，比如，它可以揭示喷流的动力是由吸积物质引发的磁场还是由中子星本身的磁场所提供。但要足够准确地测量喷流速度是非常困难的。

喷流是稳定的物质束，这意味着天文学家的计时器没有单一的起点。但得益于有些双星系统中的中子星存在X射线爆发，天文学家可以将其用作为“发令枪”。此次，研究团队将观测对准了X射线双星4U 1728-34和4U 1636-536。之前的研究表明，这两个系统都会周期性地发生X射线爆发。在检测到X射线信号后，研究人员利用澳大利亚的射电望远镜阵列来监测喷流，测量喷流的速度以及其他的性质。在三天的观测中，研究人员捕捉到了十余次热核爆发以及喷流的数据。

经过计算，喷流的速度为每秒11.4万千米，相当于光速的35%～40%。此外，研究人员还惊讶地发现，每次X射线爆发后探测到的喷流都会变得更亮。天文学家此前认为热核爆发会破坏喷流的产生，但此次的观测表明事实恰恰相反，热核爆发非但没有阻止喷流的产生，反而为它们提供了动力。研究人员认为热核爆发可能导致了中子星周围旋转的气体更快地向下坠落，从而提供了更多的能量和物质产生喷流。研究团队希望将此次测量喷流速度的方法应用于更多存在X射线爆发的中子星上，从而更多地揭示喷流的物理机制。

2. 首次发现系外行星光环

WASP-76b是一颗距离地球637光年的系外行星，有着非常极端的气候条件；自2013年被发现后，就一直吸引着天文学家的目光。近日，一个国际天文学家团队宣布在WASP-76b上观测到了光环（glory）这种光学效应。这种效应经常出现在我们自己的星球上，在金星的大气层中也被观测到过一次，而这是首次在系外行星上观测到它的发生。这将揭示有关WASP-76b大气的关键信息，帮助天文学家更多地了解这颗太阳系外的特殊星球。

WASP-76b的宿主星为一颗类太阳恒星，质量约为太阳的1.5倍，大小约为太阳的1.75倍。WASP-76b本身是一颗极热的类木行星，质量约为木星的92%，大小约为木星的1.8倍。WASP-76b距离其主星仅约4800万千米，这是太阳和水星之间距离的十二分之一，轨道周期仅为1.8个地球日。此外，WASP-76b被潮汐锁定，一面一直面向宿主星，另一面永远面向星际空间。WASP-76b的向日面温度可达2400摄氏度，足以使铁蒸发。WASP-76b上强劲而快速的风会将这些铁蒸气带到其背向主星寒冷的一面，在那里凝结成滴以铁雨的形式落下。有很多形容词可以用来描述WASP-76b：地狱般的、灼热的、动荡的、混乱的，甚至可以说是暴力的。然而，此次的新结果可能会刷新天文学家对它的认识。

之前的观测表明，当WASP-76b凌星时，这颗行星的边缘会呈现出一种奇怪的光不对称性，其东边缘比西边缘明显更加明亮。为了探究其背后的物理机制，在三年的时间中，当WASP-76b凌星或掩星时，研究团队利用系外行星特性探测卫星对其进行了23次观测。分析数据后，研究团队得出结论，认为东边缘的明显增亮是由光环效应引起的。

光环一般由一组或多组同心环组成。一组环的外侧为红色，向内逐渐为蓝色。由于其七彩的外观，光环很多时候会被误认为是圆形彩虹，但这两种现象是由截然不同的物理过程引起的。彩虹是由光的折射产生的，而光环则是由于光通过水滴之间衍射后再发生干涉所产生的。

在WASP-76b大气层中发现光环意味着什么呢？值得注意的是，光环的出现需要非常特殊的条件。行星附近的恒星需要直接照射它的大气，并且观测者需要处于正确的方向，系外行星特性探测卫星正好幸运的满足了这点。更重要的是，行星大气中的粒子需要接近完美的球形，并且需要分布均匀且足够稳定，从而光环才可以被观测到。这就说明，WASP-76b东边缘地大气中存在由完美球形水滴组成的云，这些云要么保持了至少三年，要么可以不断地被补充。如果云团持续存在，这可能意味着长期以来被认为是无尽动荡的WASP-76b大气，实际却是稳定的，这是令人惊讶的发现。该研究发表于2024年4月5日的《天文学和天体物理学》杂志上。

3. 恒星吞噬行星：更高的可能性

至今为止，天文学家已经发现了约4200个系外行星系统，但它们有多稳定？行星是否可以一直稳定地围绕其宿主星运行？之前的研究发现，一些恒星的某种元素含量处于异常水平，例如铁。由于这些元素被认为是构成地球等岩石行星的元素，天文学家认为恒星有时可能会吞噬行星，但并不十分确定这种情况发生的概率。一项新的研究对此给出了答案，由来自澳大利亚ASTRO-3D的研究人员发现，大约每12颗恒星中就有一颗可能吞噬了行星。《自然》杂志于2024年3月20日发表了该研究结果。

此次研究基于寻找化学成分异常的恒星。为了排除其他可能的物理过程，研究团队专注于在双星系统中寻找化学成分异常的恒星。天文学家认为，双星系统是从相同的气体和尘埃云中诞生的，它们应该具有几乎相同的化学成分。因此，这些“同生”恒星之间的任何明显的化学成分差异都可能是一个吞噬行星的迹象。

研究人员首先利用盖亚天文卫星认证了91个双星系统。每个系统中的恒星的彼此距离都相对较近，仅有不到100万个天文单位，这在很大程度上保证了它们是同生的。之后，利用位于智利的麦哲伦望远镜和甚大望远镜以及美国夏威夷的凯克望远镜，研究人员得到了来自恒星辐射的高精度光谱数据。分析后发现，有7个系统中的双星呈现出明显的化学成分差异，其中一颗恒星比另一颗相比，铁、镍和钛等元素的含量更高，暗示了其可能吞噬了曾经绕其运行的行星物质。

此外，该项研究的引人注目之处还在于，研究样本的恒星正处于生命的黄金时期，即主序星，而不是处于恒星最后演化阶段的红巨星。红巨星吞噬行星并不稀奇，因为恒星半径在红巨星阶段，会膨胀为原先的100倍以上，并随之吞没周围行星的轨道。比如太阳，在红巨星阶段，预计其半径将会达到火星轨道。此次研究表明，行星被吞噬显然也发生在恒星的正常寿命期间，暗示了许多行星系统可能是不稳定的。研究人员猜想，行星可能在其轨道上被扰动后最终落入恒星，或者某颗行星被抛离其宿主星并与另一颗恒星相撞。计算机模拟表明，不稳定性在行星系统的早期（前一亿年左右）很常见。然而，对于此次研究中年龄已经数十亿年的系统，天文学家之前所认为的不稳定性事件，是不太可能发生的。此次的新结果刷新了天文学家的认知，为行星演化理论打开了一个新的窗口。

4. 漂浮晶体帮助白矮星抗衰老

当类太阳恒星耗尽其核心核聚变所需的燃料时，这些恒星就走到了生命的尽头，最终会形成白矮星。银河系中97%以上的恒星最终都会变成白矮星。由于白矮星不再发生核聚变，天文学家认为这些小而致密的恒星残骸只会不断冷却下来，随着宇宙年龄的变大而变得越来越暗，就像篝火的余烬，随着时间的推移慢慢变冷变暗。

然而，欧洲空间局盖亚天文卫星于2019年获得的数据表明，一部分白矮星在很长的一段时间中停止了冷却。天文学家通过研究数据中白矮星数量随温度的分布情况，注意到中等温度白矮星的数量存在过剩。这表明一些白矮星在这些中等温度下度过了很长的时间——比天文学家之前认为的多了80亿年，即这些白矮星在至少80亿年的时间里保持着近乎恒定的表面温度。考虑到宇宙138亿年的年龄，这是一个令人难以置信的时间长度。这部分白矮星肯定拥有额外的能量从内部来阻止它们的冷却，这与经典的白矮星演化理论不一致，天文学家此前不清楚这是如何发生的。2024年3月6日发表在《自然》杂志上的一项最新研究为这个难题提出了解决方案。

众所周知，白矮星的密度非常高，对于来自其核心的物质，仅仅一勺的质量就可以达到数吨。尽管白矮星的内部温度高达数百万度，但如此极端的密度可以使白矮星内部的元素呈现为固态，比如碳、氧等元素的晶体。这些晶体的形成通常从白矮星的中心开始，因为那里的密度最高。经典理论认为，随着白矮星的冷却，更多的晶体自中心向外连续形成，直到几乎整个白矮星都变为固态。

然而，此次的研究发现这种由内向外的结晶过程并不适用于所有白矮星。研究人员认为，部分白矮星在结晶时，重元素会被从晶体中排出，就像海水结冰时盐从冰晶中被排出一样。此时，晶体密度小于周围环境，变成了漂浮的晶体，就像冰块漂浮在水中。漂浮的晶体不会留在原处，它们会向表层运动，而密度更大的物质下沉，被输送到中心区域。由于引力势能的释放，这部分能量会使白矮星在数十亿年的时间里保持近乎恒定的温度。漂浮的晶体可以暂停老化过程，为原本已经死亡的恒星提供最终的能源。

到目前为止，这种冷却暂停仅在一小部分的白矮星中被确定，这些白矮星具有很大的质量和不同于一般白矮星的化学组成，表明它们可能有着相当暴力的历史——最有可能是并合后的产物。此次研究的发现对恒星考古学具有重要意义。目前，白矮星通常被用作年龄指标：白矮星的温度越低，它的年龄就越大。正如考古学家使用碳14年代测定法来确定文物的年龄并重建历史一样，天文学家依靠白矮星冷却来测量恒星的年龄并了解银河系的历史。然而，由于这些漂浮晶体的形成，具有一定温度的白矮星可能比最初设想的要老数十亿年，这使得年龄测定和利用白矮星重建银河系演化变得更加复杂。

5. 最亮伽马射线暴来源于大质量恒星坍缩

2022年10月9日，天文学家探测到了有史以来最亮的伽马射线暴：GRB 221009A。它比之前探测到的伽马射线暴亮至少10倍，被别称为BOAT（Brightest Of All Time）。之后，天文学家积极地对这个极端明亮事件的起源进行了研究。最近，由美国西北大学领导的团队公布了相关结果：BOAT来源于一颗大质量恒星的坍缩和爆炸。2024年4月12号的《自然天文学》杂志刊登了该研究文章。

BOAT这次强大的爆发发生在距离地球约24亿光年的射手座方向，持续了7分钟，被认为是每一万年才会发生一次的事件。天文学家随即纷纷在多波段进行了后续观测，希望更加深入了解它的本质。此次研究的团队并没有非常急于开展后续观测，而是在爆发6个月后，才将韦布空间望远镜对准了BOAT。这是因为BOAT非常明亮，以至于在爆发后的最初几周和几个月内它的余辉会掩盖任何潜在源天体的信号。研究团队必须等待它显著消退，才能有机会探究其源天体。韦布对BOAT观测后，光谱数据显示出了钙和氧等元素的存在，这些元素都是超新星的特征。此外，韦布的红外光度轮廓也与超新星的余辉吻合。因此，BOAT很可能来源于一个大质量恒星的坍缩和爆炸。令人惊讶的是，这个超新星相当普通，光度与能量较低的伽马射线暴相关的其他超新星相当。产生极端明亮的伽马射线暴的坍缩恒星也可能会产生一个非常明亮的超新星，这似乎是一个合理的想法，但事实证明情况并非如此：伽马射线暴和超新星过程可能并不耦合在一起。

尽管尚不清楚BOAT和“正常”超新星是如何由同一颗坍缩大质量恒星产生的，但对于BOAT的极端辐射，研究团队认为这可能与喷流有关。当快速旋转的大质量恒星坍缩成黑洞时，它们会产生接近光速的喷流。如果这些喷流很窄，能量就会更集中从而更明亮。事实上，BOAT是迄今为止伽马射线暴中观测到的最窄的喷流之一。此外，在所有已知伽马射线暴宿主星系中，BOAT所在的宿主星系的金属丰度是最低的，这也可能有助于解释BOAT的独特性质。

当天文学家确认BOAT是由一颗大质量恒星坍缩所产生的，这让他们有机会检验宇宙中重元素形成的假设。恒星的核聚变会逐渐产生比氢更重的元素，直到铁。但在这之后，即使是最大质量的恒星也很难产生更重的元素，例如金和铂。天文学家一直认为双中子星并合可以产生更重的元素，但它们并合的时间尺度很难解释在宇宙早期就已经探测到的重金属元素。天文学家提出了另外一种可能：一颗快速旋转的大质量恒星的坍缩和爆炸。这正是产生BOAT的恒星类型。研究人员期望在BOAT周围发现金和铂等重元素的痕迹，然而数据中没有发现任何重元素的光谱特征。这表明BOAT这次能量极高的伽马射线暴没有产生这些重元素。但是，这并不意味着所有伽马射线暴都不会产生它们。重元素的起源仍然有待探索。

6. 发现新型超大质量黑洞系统

天文学家认为对超大质量黑洞已经有了足够多的了解，但最新的一项研究使他们认识到了一种全新的星系中心黑洞行为，挑战了超大质量黑洞吸积盘的传统观点。研究结果发表于2024年3月27日的《科学进展》杂志。

此次的新发现源于超新星自动化全天巡视（ASASSN）的自动探测。ASAS-SN是由分布在北半球和南半球不同地点的20台程控望远镜组成。这些望远镜每天自动对整个天空扫描一次，寻找超新星和其他暂现现象的迹象。2020年12月，ASAS-SN在距地球约8亿光年的一个星系中探测到了一次亮度爆发。天空的这个特定部分之前一直相对黑暗，即星系中心本来存在着一个安静的超大质量黑洞。但在2020年底，它突然爆发了，使整个星系突然变亮了1000倍。

研究人员随即利用中子星内部组成探测器（NICER）对这次爆发进行了后续跟踪观测，每天都以高频次测量该星系的X射线辐射。NICER是国际空间站上的X射线望远镜，旨在持续监测天空中的X射线爆发。观测表明这个星系的亮度爆发持续了大约四个月。不仅如此，研究人员还发现了X射线光度每8.5天出现小幅下降的奇怪模式。

对于持续四个月的亮度爆发，研究团队认为这是由一次潮汐瓦解事件造成的。当某颗恒星距离星系中心黑洞太近时，会被其巨大的引力撕裂成碎片。当恒星碎片被黑洞吸积突然涌入吸积盘时，会瞬间点亮吸积盘。此次被潮汐瓦解的恒星显然为超大质量黑洞提供了四个月的能量。

然而，每8.5天光度出现的小幅下降让研究人员非常困惑。这种信号类似于系外行星穿过其主星表面时所引起的光度下降。天文学家此前认为，星系中心黑洞周围稳定存在的仅是由气体和尘埃组成的吸积盘，但单纯的吸积盘并不能解释此次的新观测。不过最新的一篇理论文章表明，星系中心的超大质量黑洞附近可能存在第二个小得多的黑洞。这个次级黑洞的轨道可能与主黑洞的吸积盘存在一定角度，运行时次级黑洞会周期性地击穿主黑洞的吸积盘。当次级黑洞穿过吸积盘的气体和尘埃时，它会带出羽状物，就像蜜蜂飞过一团花粉。当这些羽状物正好位于观测者的视线方向上时，来自吸积盘的光线就会被部分遮挡，观测者接收到的辐射就会小幅下降，就像系外行星凌星一样。

研究人员与理论学家合作，针对NICER的数据重新创建了模型。模拟发现观测到的每8.5天的下降信号是一个中等质量黑洞冲破超大质量黑洞吸积盘的结果。研究团队估计这个超大质量黑洞的质量相当于5000万个太阳质量，在安静时拥有一个暗弱弥散的吸积盘；而次级黑洞可能是100至10000个太阳质量的中等黑洞，在附近的轨道上运行。2020年12月，由于潮汐瓦解事件的发生，导致次级黑洞每次穿过吸积盘可以带出更多的羽状物，从而使光度下降更明显，继而被探测到。此次研究是首次发现这种类型的黑洞系统，它不符合天文学家此前对超大质量黑洞的任何了解，也挑战了星系中心黑洞周围简单吸积盘的传统图景。研究团队认为，这类黑洞系统的数量可能不在少数。

（责任编辑　卢瑜） Jiw+6ba00fjZnftke4fTfqGhZWt2yMB4U+3CFD5yYO09haGhRYvp1JpXpNftsadL