13項破紀錄太空發現，最熱的夏天、最古老的超大質量黑洞等上榜

圖｜詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）在 IC 348 星團中發現了三顆褐矮星。

2023 年已接近尾聲，這一年註定非同尋常。

日前，美國太空新聞網站 Space 選出了今年 13 項破紀錄的太空發現，其中包括來自太陽的最強光、宇宙最大爆炸、有記錄以來最熱的夏天以及最古老的超大質量黑洞等。

有史以來最強的太陽光線

在這些破紀錄的太空發現中，有一項來自太陽的最高能量伽馬射線，它比以前看到的要高一個數量級。

“太陽比我們所知道的更令人驚訝，”密歇根州立大學的天文學家 Mehr Un Nisa 在一份聲明中說。

此前，美國宇航局（NASA）的費米伽馬射線太空望遠鏡已經探測到來自太陽的伽馬射線，其能量高達 200 千兆電子伏特。這些伽馬射線是在宇宙射線與太陽大氣層碰撞時產生的。然而，墨西哥高海拔切倫科夫天文臺（HAWC）的觀測到了有史以來最強的太陽光線。

HAWC 能夠間接探測伽馬射線。當伽馬射線光子進入地球大氣層時，它必然會與大氣分子碰撞，將分子粉碎，形成亞原子粒子雨，落在 HAWC 上。

HAWC 由 300 個水箱組成，每個水箱裝滿 200 噸水。伽馬射線和分子碰撞產生的亞原子粒子移動非常快，當它們進入水中時，比光在水中移動得更快。亞原子粒子產生閃光，視覺上等同於音爆，稱爲切倫科夫輻射。

HAWC 數據顯示，亞原子粒子來自太陽伽馬射線，能量約爲 1 萬億電子伏特，還有一些能量高達近 10 萬億電子伏特。

Nisa 說：“在查看了 6 年的數據後，我們發現了這種過量的伽馬射線。當我們第一次看到它時，我們想，‘我們肯定搞砸了，太陽不可能在這些能量下這麼亮。’”

雖然確切的機制尚不清楚，但可能是由於宇宙射線的原因，它們穿透太陽可見表面以下 1000 公里，在那裡與隱藏的磁場相互作用。因此，這些被探測到的伽馬射線也許可以告訴我們一些關於太陽表面下發生的事情。

然而，儘管這些伽馬射線是有史以來從太陽觀測到的最強大的伽馬射線，但它們並不是整個宇宙中探測到的最強大的伽馬射線。2021 年，中國大型高空空氣淋浴天文臺探測到了能量高達 1.4 千萬億電子伏特的伽馬射線。

VELA 脈衝星打破伽馬射線能量記錄

這項破紀錄的伽馬射線來自 VELA 超新星殘骸內脈衝星的 20 萬億電子伏特光子。

脈衝星是一顆旋轉的中子星，由一顆曾經在超新星中繁榮的大質量恆星殘骸組成。脈衝星通常可以在無線電波長下被探測到，但其中一些也會發射伽馬射線，人們認爲它是由圍繞現象的強磁場線旋轉的電子產生的。

脈衝星的伽馬射線發射可以通過光譜中的強度與能量來描繪。通常情況下，這些伽馬射線的能量高達幾百千兆電子伏特，超過這一數值就存在一個截止點。人們偶爾會觀測到一顆脈衝星突破這個截止點，比如，蟹狀星雲中的脈衝星發出的伽馬射線峰值可達 1 萬億電子伏特。

然而，來自 VELA 超新星殘骸中的脈衝星釋放的伽馬射線已經超越了先前的峰值。這一驚人的發現是由納米比亞的高能立體系統（HESS）所觀測到的。這些伽馬射線的能量遠遠超過通常的千兆電子伏特截止值，這表明我們對電子在強磁場中加速過程的理解還存在一些不完整之處。

宇宙中最大的爆炸

有史以來最強烈、最持久的爆炸在一個星系中被發現，其光線已傳播了 80 億年，其亮度超過任何已知超新星的十倍，甚至至今仍在持續噴發。

這一爆炸事件被標記爲 AT2021lwx，是由加利福尼亞州的 Zwicky 瞬態設施和夏威夷的小行星撞擊地面最後警報系統（ATLAS）共同探測到的。該系統專門搜索太空中的瞬態事件，範圍涵蓋從移動的小行星到宇宙中燃燒的爆炸等各種可能。

南安普敦大學的 Sebastian Hönig 在一份聲明中表示：“一旦你確定了與物體的距離以及它在我們視野中的亮度，你就能夠計算出物體的亮度來源。在進行這些計算之後，我們意識到這個物體實際上非常明亮。”

在最亮的時刻，AT2021lwx 的亮度比太陽高出兩萬億倍。天文學家懷疑 AT2021lwx 並非一顆即將消失的爆炸性恆星，因爲這類爆炸通常在幾周或幾個月內消散。相反，他們認爲這是一個超大質量黑洞，正在吞噬一顆龐大氣體雲，或許比太陽體積大一千倍。這一現象被天文學家稱爲“潮汐破壞事件”，這是一種前所未見的規模。氣體雲受到黑洞極端引力的潮汐力撕裂，產生衝擊波，這一過程在被摧殘的雲層中迴響，釋放出巨大的能量。

南安普敦大學的 Philip Wiseman 表示：“隨着新設施的啓用，我們期待發現更多類似的事件，並加深對它們的瞭解。儘管這些事件非常罕見，但由於其巨大的能量，它們對於理解星系中心隨時間變化的關鍵過程至關重要。”

最遙遠的快速射電暴

2023 年，科學家發現了有史以來最遙遠的快速射電暴（FRB），其已經在太空中旅行了 80 億年。

快速射電暴是極短暫的無線電波，持續時間僅爲幾毫秒，然而在極短的時間內，它們能夠釋放與太陽 30 年相當的能量。目前尚無法確定它們的產生機制，通常這些信號呈現宇宙中的隨機消失，有時甚至會呈現重複的特徵。磁星，即磁性極強的中子星，是研究人員猜測的主要源頭。

這次創紀錄的爆發是由澳大利亞平方千米陣列探路者（ASKAP）探測到的，該探測器由 36 個無線電天線組成。ASKAP 通過高精度定位確定了爆發的位置，命名爲 FRB 20220610A。隨後，智利的大型望遠鏡跟蹤並確認了源頭，將其確定爲我們觀測到的兩個或三個碰撞星系系統，與我們所見的情景一致。

由於 FRB 20220610A 必須穿越大量空間才能到達地球，因此它在星際空間中遭遇了許多流浪電子。這些電子竊取了一些無線電波的能量（取決於波長），導致無線電信號略微分散。快速射電暴的信號分散越多，它穿越的電子就越多。因此，通過對色散的測量，我們可以瞭解隱藏的原子物質儲存，否則這些儲存是無法被檢測到的。

“雖然我們仍然不知道是什麼導致了這些大規模的能量爆發，但這篇論文證實，快速射電暴是宇宙中常見的事件。我們將能夠利用它們來檢測星系之間的物質，並更好地瞭解宇宙的結構，”澳大利亞斯威本大學的 Ryan Shannon 在一份聲明中表示。

21釐米線的“最遠探測”

2023 年，科學家成功實現了對與中性氫氣相關的無線電發射的最遠探測，發現了來自宇宙中存在於 88 億年前星系的無線電波。

21 釐米的波長，或稱爲 21 釐米線，是整個射電天文學中最基本的波長之一。它被廣泛應用於研究氫氣在星系和整個宇宙中的分佈。射電望遠鏡經常使用 21 釐米線觀測銀河系以及現代宇宙中其他星系。然而，遠離的宇宙中的星系通常太暗，難以在這個波長下被檢測到。

然而，有一個星系，被命名爲 SDSSJ0826+5630（這個名字表明它是在新墨西哥州阿帕奇角天文臺的斯隆數字巡天中發現的，其他數字是它的座標），具有獨特的優勢。它的光，包括其無線電發射，受到一個介入的引力透鏡的放大——這是由一個巨大的物體引起的空間扭曲，在這種情況下是一個位於前景的大星系。

“這導致信號放大了 30 倍，使望遠鏡能夠接收到它，”印度科學研究所的 Nirupam Roy 在一份聲明中表示。

印度的巨型 Metrewave 射電望遠鏡探測到了透鏡 21 釐米無線電信號。包括 Roy 在內的天文學家能夠根據 21 釐米信號的強度推斷出 SDSSJ0826+5630 中的氣體量。他們得出的結論是，SDSSJ0826+5630 所含中性氫氣的質量是恆星質量的兩倍。

“機智號”火星直升機不斷打破紀錄

作爲火星上唯一的直升機，NASA 的“機智號”（Ingenuity）火星直升機仍在不斷地打破記錄，這證明了這一真正的實驗性任務在過去和現在都具有長久的生命力。

截至 12 月 17 日，Ingenuity 已經進行了 67 次飛行。在這其中，9 月 16 日的第 59 次飛行是其任務中最長的一次，持續時間達到 142.59 秒，創下新紀錄。之後，在 10 月 19 日的第 63 次飛行中，它再次實現了這一飛行時間，並在此期間飛越陸地 579 米，成爲其單次飛行中的第三大飛行距離（最遠飛行的記錄是在 2022 年 4 月 19 日，爲 704 米）。

自從 2021 年 2 月與毅力號火星車一同抵達火星以來，Ingenuity 在火星空中總共停留了 121.1分鐘，覆蓋了 15.3 公里，最高飛行高度達到了 24 米。這些持續創紀錄的飛行展示了 Ingenuity 在火星上執行任務的卓越表現。

NASA確認有記錄以來最熱的夏天

NASA 位於紐約的戈達德太空研究所（GISS）證實，2023 年北半球夏季經歷了自 1880 年有溫度記錄以來最炎熱的夏季，這一現象受人爲引起的全球變暖和厄爾尼諾現象共同影響。

GISS 科學家通過將全球氣溫與 1950 年至 1980 年的夏季平均氣溫聯繫起來，比較了全球氣溫。研究發現，6 月、7 月和 8 月的平均溫度較 1950-1980 年的平均溫度高出 0.23 °C。僅 8 月份的升溫幅度達到了 1.2°C。儘管這一升溫看似微小，但減緩氣候變化的努力取決於將全球變暖控制在工業化前平均水平的 1.5°C 以內。

NASA 局長 Bill Nelson 在一份聲明中表示：“2023 年夏季創下的溫度紀錄不僅僅是一組數字，它們還將帶來其他負面影響，包括加拿大、希臘、夏威夷等地的大規模野火，以及歐洲、日本、南美和美國發生的致命熱浪。”

GISS 主任氣候科學家 Gavin Schmidt 說：“不幸的是，氣候變化正在發生。我們所預言的正在發生，如果我們繼續排放二氧化碳和其他溫室氣體，情況將變得更加糟糕。”

南極海冰創歷史新低

2023 年帶來了更爲令人沮喪的氣候消息，NASA 與科羅拉多大學博爾德分校國家冰雪數據中心（NSIDC）的聯合研究發現，南極水域的海冰數量創下歷史新低。與此同時，在北極地區，情況也並不樂觀，科學家發現，北極地區的海冰表現出有記錄以來的第六低水平。

科學家利用衛星數據追蹤了兩個半球的極地地區的海冰情況，結果顯示，截至 9 月 10 日，南極海冰僅覆蓋了該大陸的 1696 萬平方公里，創下歷史新低。上一個低點出現在 1986 年，當時的海冰覆蓋面積比這一最新數據多了 1.03 平方公里。

在北極地區，儘管不是歷史最低水平，但截至 9 月 19 日，凍結的海水面積僅爲 423 萬平方公里。這比 1981 年至 2010 年期間的平均水平減少了 199 萬平方公里。

NSIDC 的 Walt Meier 在一份聲明中表示：“這是南極創紀錄的海冰低谷。整個大陸幾乎所有地區的海冰增長似乎都很低。”

海冰的消失是由人爲引起的全球變暖導致氣溫上升的結果，這是一個可能迅速陷入惡性循環的過程。冰可以高效地反射太陽能回太空，因此冰越少，反射的太陽能就越少，從而加劇地球變暖。此外，冰越少，暴露在較暗海洋中的部分就越多，從而更有效地吸收太陽能。這最終將提高海洋溫度，導致海冰減少，形成一個自我加劇的循環。

NASA 宇航員在太空中停留時間的記錄被打破

2023 年，NASA 航員 Frank Rubio 無意中創造了歷史，成爲第一位在國際空間站（ISS）上度過整整一年的美國人。Rubio 與 Sergey Prokopyev 和 Dmitri Petelin 一同加入了第 67 次遠征。儘管原計劃 6 個月後返回地球，但由於聯盟號太空艙中的冷卻劑泄漏，他們被迫在國際空間站停留了一年多。經過 371 天的太空生活，Rubio 與其同伴於 2023 年 9 月 27 日成功返回地球。

Rubio 打破了 NASA 宇航員 Mark Vande Hei 在 2021-2022 年（355 天）和 Scott Kelly 在 2015-2016 年（340 天）創下的紀錄。然而，Rubio 仍然落後於全球紀錄保持者——已故宇航員 Valery Polyakov，後者在 1994 年至 1995 年間在“和平號“空間站度過了 437 天。

有史以來最快的失控恆星

今年 7 月，天文學家通過仔細研究歐洲航天局蓋亞衛星收集的恆星運動數據，揭示了有史以來最快的失控恆星在銀河系中的飛馳。

他們發現了六顆新的超高速恆星，其中兩顆被命名爲 J0927-6335 和 J1235-3752，是有史以來速度最快的恆星。它們以每秒 2285 公里和每秒 1694 公里的速度在太空中穿梭。J0927-6335 的速度相當於在一小時內繞地球運行 694 次。

這些恆星屬於白矮星，它們是類太陽恆星的核心，停止了固有的聚變反應，外層膨脹並走向末路。天文學家猜測這些白矮星曾經是雙星系統的一部分，它們的伴星在一場災難性的超新星爆炸中毀滅，爲白矮星帶來了強大的動能。

哈佛-史密斯尼天體物理中心的 Kareem El-Badry 表示：“這些恆星之所以非凡，是因爲它們的速度超過了銀河系中普通恆星的行進速度，由於它們的速度超過了銀河系的逃逸速度，所以它們將很快被拋射到星系際空間。”

有史以來最古老的超大質量黑洞

作爲有史以來最昂貴的望遠鏡，JWST 經常刷新新的天文記錄，其中最引人注目的是它發現了宇宙中已知存在的最遙遠的超大質量黑洞。

JWST 在一個名爲 CEERS 1019 的星系中探測到了這個黑洞，它存在於大約 133 億年前。這個黑洞的質量約爲太陽質量的 900 萬倍，大致是銀河系中心超大質量黑洞質量的兩倍。

CEERS 是 Cosmic Evolution Early Release Science 的縮寫，這是一個研究項目，旨在利用 JWST 的能力識別宇宙中最遙遠的星系。CEERS 團隊還在研究更遙遠星系中的其他幾個潛在的黑洞，但尚未得到驗證。這些超大質量黑洞如何如此迅速地形成和增長，仍是一個謎。這些黑洞之所以能夠被觀測到，是因爲它們通過瘋狂地吸取周圍明亮的熱氣體盤而變得可見。

在 CEERS 1019 下，該星系呈現出一種不規則的形狀，有三個明亮的團塊，可能是由於兩個或多個星系之間的聚集導致形變，從而大量物質被輸送到黑洞中。

“星系的合併可能是推動這個星系黑洞活動的部分原因，這也可能導致恆星形成的增加，”羅切斯特理工學院的 Jeyhan Kartaltepe 在一份聲明中說。

然而，如果黑洞真的是從小質量的恆星黑洞開始形成的，似乎還沒有足夠的時間讓它增長到 900 萬太陽質量。相反，科學家認爲黑洞一定是從一個巨大的“種子”開始形成，其質量可能是太陽質量的數萬倍。這個潛在的“種子”可能是由一個巨大的氣體雲的直接引力坍縮形成的。目前，這僅僅是一個帶有一些間接證據的理論，但 JWST 的觀察使我們更加接近一些答案。

JWST 發現了最小的褐矮星

並非每一項新的天文記錄都必須是關於最大或最遙遠的。JWST 發現了迄今爲止發現的最小的褐矮星，其質量僅爲木星的三到四倍，與一些行星的大小相當。

通過 JWST，天文學家在星團 IC 348 中發現了這顆褐矮星，以及其他質量不到木星八倍的褐矮星，IC 348 在一千光年外的英仙座分子云中被發現。

“在每本天文學教科書中，你都會發現的一個基本問題是，最小的恆星是什麼？這就是我們試圖回答的問題，”賓夕法尼亞州立大學的 Kevin Luhman 在一份聲明中說到。

褐矮星通常被稱爲失敗的恆星，因爲它們像恆星一樣通過直接從氣態星雲中聚結而形成，但由於它們的小尺寸，它們沒有足夠的質量來產生氫核聚變所需的核心溫度，這是恆星的標誌。（不過，一些褐矮星確實在短時間內控制了氘的聚變。）

這顆創紀錄的褐矮星不可能是一顆流氓行星，在被拋射之前在恆星周圍的圓盤中形成，因爲它（以及 IC 348 本身）只有大約 500 萬年的歷史，這還不足以讓一顆氣態巨行星以傳統方式在恆星周圍形成，然後被噴射到深空。

湯加火山引發了有史以來最強烈的閃電風暴

在 2023 年夏天，一項新研究發現，2022 年 1 月 15 日洪加湯加-洪加哈阿派火山的爆炸性噴發在一場超強雷暴中產生了創紀錄的雷擊次數，這場雷暴持續了 11 小時，橫跨了 240 公里寬的巨大區域。

這座火山於 2021 年 12 月首次活躍，但一個月後的爆炸性噴發成爲頭條新聞。它產生了有史以來最強大的大氣爆炸，而且火山噴發的源頭火山口位於水下 150 米處。

火山噴發每秒噴出 50 億公斤的物質，形成了 58 公里高的羽流。

“羽流可以達到多高，噴發速度有多快，理論上有限制，而洪加湯加火山噴發只是把它們都粉碎了，”美國地質調查局的 Alexa Van Eaton 在一個採訪中說道。

當羽流在海面上方高處變平時，形成了一個巨大的圓頂形雲。此外，當溢出的羽流物質落到雲層上時，導致了壓力波，這些壓力波以同心圓的形式盪漾開來。正是在這些漣漪中，充滿了來自噴發水下性質的帶電冰晶體和電離火山灰，才觀察到了閃電-高峰時每分鐘 2600 次閃光，在 11 小時內總共有 192000 次閃光。

Van Eaton 總結了這一新的閃電記錄是多麼離譜，他說：“我們以前從未見過如此純粹的閃電速度，而且還是在如此高的海拔。”

https://www.space.com/record-breaking-space-discoveries-2023

作者：Keith Cooper，自由科學記者