积硅步，致千里︱2023年天文界的人和事

2023年的天文界没有像去年银心黑洞照片或者韦布望远镜发布首批科学数据这种级别的出圈大新闻，但在一群专注于仰望星空的人的努力下，我们依旧在拓宽人类知识边界的道路上积累了不少硅步。

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自去年7月发布首批科学数据一年多以来，韦布望远镜可以说完全对得起他超过百亿美元的造价，单就韦布望远镜官网的「Science Releases」[1]一栏来说，过去一年的更新频率平均一星期多点，在科学界应该算得上「高产似xx」了，这个上新速度估计比某些知名up主还要高。

韦布望远镜官网的「Science Releases」

得益于韦布在红外波段一骑绝尘的观测能力，与韦布相关的许多发现中都有「最」，「首次」等字眼。比如2023年6月发表在《自然》的一篇论文中，研究团队注意到一个位处早期宇宙的星系中存在复杂的有机分子多环芳烃（PAHs），该星系由韦布望远镜观测到，它发出的光经过了120亿年才来到地球，也就是说这个星系在大爆炸后不到15亿年时就已经存在，在这个星系中发现的多环芳烃也是迄今为止宇宙中已知最早（120亿年前）的复杂有机分子。

复杂有机分子所在的SPT0418-47（橙红色环），因引力透镜效应呈环状，蓝色部分为前景星系︱J. Spilker / S. Doyle / NASA / ESA / CSA

另外韦布望远镜还首次在类地行星形成区域内发现了水蒸气。在距离地球370光年，半人马座方向的金牛T星PDS 70的原行星盘中，韦布望远镜的中红外仪器（MIRI）检测到了其中的水蒸气。这一发现关系到地球上水的起源，过去一般认为地球形成后受到含水小行星不断撞击使得地球获得大量的水，而如今的观测证据显示水可能在岩质行星形成之初就已存在。相关研究[2]于2023年7月发表在《自然》上。

韦布望远镜观测到的PDS 70原行星盘中的水蒸气发射光谱︱NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

黑洞一直是天文学研究的前沿课题之一，但由于黑洞的特殊性质，长期以来相关研究多少有些「纸上谈兵」的味道，对普通人而言也很难对黑洞「眼见为实」。直到近些年随着观测设备与技术的发展，我们陆续获得了椭圆星系M87的中心黑洞以及银心黑洞的照片，2020年诺贝尔物理学奖的一半奖金也颁发给了致力于银心黑洞观测研究的两位学者。

2020年诺贝尔物理学奖得主丨nobelprize.org

2023年有关M87中心黑洞的研究又有了新进展：天文学家先后获得了该超大质量黑洞喷流的首张高分辨率图像[3]，以及该喷流存在周期性摆动的观测证据[4]。值得一提的是两项研究的团队均由中国天文学家领衔（路如森，崔玉竹），观测设备中也有许多国内天文望远镜的身影。

3.5mm波段下M87中心黑洞及其喷流︱参考文献[3]

黑洞喷流观测数据与进动模型的最佳拟合结果（红线）︱Yuzhu Cui et al. 2023

对宇宙中第一代恒星的研究同样饱受「观测困难症」的困扰，今年发表的两项研究另辟蹊径，间接证实了第一代恒星的存在。第一项研究[5]找到了一颗贫金属星，光谱显示其金属丰度特征十分特殊，其前身星[6]是一颗生对不稳定性超新星，而这类超新星正是第一代恒星的演化终点之一，这颗贫金属星是第一代恒星曾经存在的证据。

贫金属星LAMOST J101051.9+235850.2在光学波段的图像︱SDSS/NAOJ

第二项研究[7]则找到了三个特殊的遥远气体云，并在背景类星体的帮助下分析了这些气体云的光谱，发现他们的铁含量极少，但有丰富的碳、氧、镁等元素，而这种金属丰度特征符合理论研究中某些第一代恒星死亡时的特点：位于外层的元素（碳、氧、镁等）随爆炸四散，而更重的元素（如铁）则留在核心。这些气体云正是第一代恒星消亡后的「余烬」。

天文学家利用背景类星体的光分析气体云的化学成分︱ESO/L. Calçada

2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到引力波，证实爱因斯坦百年前的预言后，天文学家在研究宇宙时，除了通过电磁波、宇宙线、中微子等手段获取天体信息，还能借助引力波这个「第四信使」破解宇宙奥秘。和电磁波类似，引力波可以根据频率分类，一般分为高频引力波（1~10^4Hz），中频引力波（10^-4~1Hz）和低频引力波（10^-10~10^-6Hz）。像LIGO能探测的引力波主要为高频引力波，如双中子星或双恒星级黑洞并合事件。对于质量尺度更大的事件，例如星系中心超大质量黑洞的相互作用，则会产生低频引力波，主要集中在纳赫兹波段（~10^-9Hz），纳赫兹引力波的振荡周期可达数年乃至数十年，波长则达到数光年。

不同天体事件产生的引力波频率分布及相关探测手段︱Christopher Moore, Robert Cole and Christopher Berry

纳赫兹引力波的特性决定了人类无法仅依靠地球上的设备开展探测。不过在今年6月，包括来自中国、澳大利亚、北美、欧洲的世界多地的研究团队发表了一系列论文，宣布在低频引力波研究上取得了突破[8]。天文学家创造性地利用毫秒脉冲星自转周期极为精确的特性，将多颗脉冲星组成脉冲星计时阵，通过测量出计时阵在长时间尺度下的微小变化，证实了宇宙空间中确实存在纳赫兹引力波。

中国研究团队论文截图

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2023年，有一批新望远镜与探测器投入使用，人类还收到一份来自小行星的「礼物」。

4月14日，欧洲空间局的冰质木卫探测器（Jupiter Icy Moons Explorer，JUICE）成功发射升空，该探测器的探测目标是木星的三颗大卫星——木卫二、木卫三和木卫四，它们三者的共同点是同属于冰质卫星，地表下可能存在大量液态水。冰质木卫探测器在正式对三颗卫星展开探测之前还将经历多次变轨，预计在2031年7月抵达木星，2034年进入木卫三环绕轨道。

JUICE任务徽章︱ESA

7月1日，欧洲空间局主导建设的欧几里得（Euclid）空间望远镜发射升空，这是一台工作在可见光与红外波段的1.2米口径巡天望远镜，巡天范围约覆盖天球的三分之一（1.5万平方度），并有40平方度的深度巡天区域，观测目标是红移值2以内的星系与星系团，对应约100亿年前至今的宇宙。根据现有宇宙演化理论，约100亿年前暗物质与暗能量开始主导宇宙的演化。通过为期六年巡天观测，欧几里得望远镜有望构建出这段时期的宇宙大尺度结构演化图景，从而使我们对暗物质以及暗能量有更深刻更本质的认识。

欧几里得空间望远镜︱ESA–S. Corvaja

9月17日，由中国科学技术大学与南京紫金山天文台主导建设的墨子巡天望远镜正式投入观测，这是自2008年郭守敬望远镜落成后，15年来中国建成并启用的第一台两米级光学望远镜，也是目前北半球时域巡天能力最强的望远镜。望远镜一次拍摄可囊括相当于36个满月大小的天空范围，同时相比现役的大视场巡天项目有更深的巡天深度，大大增强了寻找引力波源电磁对应体（如千新星）、高红移超新星等天体的能力。墨子巡天望远镜所在的青海冷湖天文观测基地在未来十年还会陆续建成多台口径4米以上的光学望远镜。

左侧圆顶为墨子巡天望远镜︱wfst.ustc.edu.cn

9月24日，美国航天局的小行星探测器奥西里斯王号（OSIRIS-REx）成功将采集到的贝努小行星样本送回地球。探测器于2016年9月28日发射，目标为贝努小行星（101955 Bennu）。2020年10月20日，探测器成功在小行星表面采样，次年5月10日探测器返航。本次采样共获得样本250克，是历来样本总量最大的一次小行星采样任务。对样本的初步分析显示贝努小行星有大量富碳物质与含水粘土矿物。

奥西里斯王号样本采集器外部视图，可见散落的贝努小行星碎片︱NASA/Erika Blumenfeld & Joseph Aebersold

10月13日，美国航天局的又一艘小行星探测器灵神号（Psyche）成功发射，该探测器得名于其任务目标——富含金属的M型小行星灵神星（16 Psyche）。灵神星是目前已知最大的M型小行星，灵神号也是人类首次造访M型小行星。灵神号将要在宇宙空间中航行6年，预计2029年抵达灵神星开展探测任务。

艺术家笔下的灵神号小行星探测器概念图︱NASA/JPL-Caltech/ASU

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如果说2023年有哪些令人印象深刻的天象，首先不得不提的是两次日食。虽然从原理上每年都有不少于两次日食，但有些年份的日食要么可见区域极为刁钻（例如2021年），要么观赏性略逊一筹（如2022年的两次日偏食）。今年4月30日发生的日全环食是时隔857天后再次出现观测条件较好的中心日食，而全环食本身也有着足够的噱头——本次日食期间地球上既会上演日全食，也会出现日环食。

2023年日全环食丨Wikipedia

半年之后10月14日的日环食，环食带经过美国西部数个州，是美国本土时隔7年后再次出现中心日食。

2023年日环食丨Wikipedia

12月初，一则「北京可见极光」的新闻登上了各大网络平台的热搜。一般来说极光是在两极地区才有机会目睹的自然现象，这和极光的成因有关：来自太阳的高能带电粒子在地球磁场的作用下容易与南北两极的高层大气发生碰撞，大气原子或分子受激后辐射出波长不同的光线，从而产生颜色各异的极光。

北京极光的相关新闻丨新华社微博

此次在北京这种中纬度地区出现极光，其中一个原因与近年太阳活动增强有关。太阳活动存在一个约11年的周期，当下正值第25太阳活动周的中期，也是一个活动周之中太阳最为活跃的时期，此时太阳黑子数量最多，太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳活动也最为频繁，由此产生的大量高能带电粒子为北京地区出现极光创造了合适的条件。

太阳活动正在增强丨swpc.noaa.gov

今年表现最好的流星雨还是要数12月中旬极大的双子座流星雨。提到「流星雨之王」，大家首先想到的大概是狮子座流星雨，历史上的狮子座流星雨确实有着非常亮眼的表现。但就近些年的流量来看，极大时ZHR稳定在150以上的双子座流星雨才是当下真正的流星雨之王。今年双子座流星雨的月相条件极佳，月亮在天黑以后很快落入到地平线下，我们得以在整夜无月光干扰的情况下欣赏法厄同小行星（3200 Phaeton）的星尘与地球大气联袂奉上的精彩天象。

2023年双子座流星雨丨One 2

2023年双子座流星雨丨地理科代

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在与国际天文学联合会有深度合作的三大国际天文学奖项中，两年一颁发的科维理天体物理学奖今年正好轮空；英国天文学家理查德·埃利斯（Richard Ellis）获得格鲁伯宇宙学奖；澳大利亚天文学家马修·拜莱斯（Matthew Bailes）、美国天文学家邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）与毛拉·麦克劳克林（Maura McLaughlin）分享了邵逸夫天文学奖。美国天文学家马西娅·里克（Marcia Rieke）则获颁太平洋天文学会布鲁斯奖章，该奖项被看作是天文界的「终身成就奖」。

在格鲁伯宇宙学奖的颁奖词中，评委会认为埃利斯的贡献「在过去的半个世纪从根本上重塑了宇宙学研究的面貌」。埃利斯是20世纪80年代以来最具影响力的英国天文学家之一，他致力于研究引力透镜、远距离超新星、大尺度结构、星系形成与演化等四个方面的课题。20世纪90年代中期，埃利斯利用哈勃望远镜以及地基望远镜研究解决了「暗弱蓝色星系」问题，在早期宇宙相关的课题上也取得了重要进展。

理查德·埃利斯（Richard Ellis）︱Gruber Foundation/R. Ellis

获得邵逸夫天文学奖的三位天文学家在2007年联名发表论文，首次描述了一种神秘的天文现象——快速射电暴（FRB），这也是他们的获奖理由。快速射电暴是一种强烈的射电爆发现象，可以在数毫秒内释放相当于太阳数天的辐射总能量。三位学者从有限的观测数据中尽可能破解了关于快速射电暴的许多关键特征，包括来源大小（小于地球），距离（10亿光年开外）等，并合理估计了这一现象在宇宙中的出现频率，以及潜在的科学价值。如今快速射电暴是天文学热门研究课题之一，我国学者在该研究领域处于领先地位。

马修·拜莱斯（Matthew Bailes）、邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）与毛拉·麦克劳克林（Maura McLaughlin）︱Shaw Prize

今年的布鲁斯奖章得主马西娅被视为红外天文学的奠基人之一，长期专注于对银河系中心以及宇宙高红移星系的红外观测。她曾为哈勃空间望远镜以及斯皮策空间望远镜设计仪器，并领导设计了詹姆斯·韦布望远镜的近红外相机（NIRCam）。

马西娅·里克（Marcia Rieke）︱ASP

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这一年我们不得不与几位同样心怀宇宙的前辈告别。他们留下的智慧与贡献将会继续指引我们探索宇宙，发现未知。

1月20日，美国行星科学家彼得·吉拉什（Peter Gierasch）逝世，享年81岁。吉拉什是行星大气研究先驱，曾深入研究了火星，金星，木星，以及土星最大的卫星土卫六，他的许多关于行星大气的预言都被随后发射的探测器证实。他曾是海盗号，先驱者号，伽利略号以及卡西尼号的团队科学家之一。吉拉什曾获得2014 年美国天文学会柯伊伯行星科学奖（Gerard P. Kuiper Prize），这是行星科学领域的最高奖之一。

卡西尼号丨NASA/JPL

4月22日，美籍华裔天文学家，布鲁斯奖章与邵逸夫天文学奖得主徐遐生逝世，享年79岁。徐遐生最为知名的天文学工作是与林家翘合作的关于盘状星系螺旋结构的密度波理论，这是他在撰写本科学位论文时就开展的研究。徐遐生的其他研究课题还包括行星环的动力学、相互作用双星的质量转移理论、恒星与行星的形成理论、陨石的起源等。徐遐生还是天文学教材《物理宇宙：天文学导论》（The Physical Universe: An Introduction to Astronomy）的作者，多年来一直是天文系本科生与研究生的必读教材。

《物理宇宙：天文学导论》（The Physical Universe: An Introduction to Astronomy）

5月28日，美国天文学家、天文学史家欧文·金格里奇（Owen Jay Gingerich）逝世，享年93岁。金格里奇是哈佛大学天文学教授与科学史教授，他自20世纪70年代起走访世界各地，花费30年深入调查了著名天文学家哥白尼的著作《天球运行论》的第一版与第二版的流传、注释、保存等情况，于2002年出版专著《哥白尼〈天球运行论〉1543年纽伦堡版与1566年巴塞尔版的普查与注释》，随后又以自己搜寻各版本《天球运行论》过程经历的故事集结成另一部作品《无人读过的书：哥白尼〈天体运行论〉追寻记》。

金格里奇曾担任国际天文学联合会行星定义委员会的主席，该委员会起草了新的行星定义，在该定义下冥王星仍然属于行星，但国际天文学联合会最终没有采纳委员会的提议，最终冥王星降级为矮行星。

《无人读过的书：哥白尼〈天体运行论〉追寻记》中译本

8月19日，法国天文学家弗朗索瓦·罗迪耶（François Roddier）逝世，享年86岁。罗迪耶是自适应光学领域的先驱之一，他与妻子克劳德在夏威夷大学天文研究所领导了一个小组为莫纳克亚山的天文望远镜研发自适应光学系统，以提高望远镜的成像质量。自适应光学系统一般由一面变形镜和曲率传感器组成，来自宇宙的星光经主镜反射先后经过变形镜和曲率传感器，曲率传感器可以实时检测大气抖动，将信号传至计算机，再由计算机控制变形镜抵消因大气抖动引起的光波前畸变。该小组设计的自适应光学系统应用在8米（口径，下同）的北双子望远镜，4.6米加拿大-法国-夏威夷望远镜等大型光学望远镜上。

北双子望远镜丨International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Michaud

8月27日，我国著名天文学史家张培瑜逝世，享年88岁。张培瑜毕业于南京大学天文系，毕业后一直在中国科学院紫金山天文台从事科研工作，主要研究领域包括天体力学、天体测量学、中国古代天文学。张培瑜依托现代天文学知识系统整理了中国古代历法，对缺少文献记载的先秦历法进行复原研究，并梳理了从商代至今三千余年的天象，以及春秋时期至今的历日。20世纪90年代末，张培瑜参与夏商周断代工程，对相关时期的天象开展了系统研究。著有《三千五百年历日天象》、《中国古代历法》等书。

《三千五百年历日天象》

参考&拓展

[1]https://webbtelescope.org/news/news-releases?itemsPerPage=50

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9

[3]https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2304/2304.13252.pdf

[4]https://arxiv.org/pdf/2310.09015.pdf

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1

[6]可以通俗理解为这颗恒星的前世

[7]https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2306/eso2306a.pdf

[8]https://www.science.org/content/article/long-sought-hum-of-gravitational-waves-from-giant-black-holes-heard-for-first-time

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