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  最近,天文学家利用多台望远镜,惊喜地发现了一大批光学上不可见、存在于宇宙早期的大质量星系(质量跟今天的银河系相当)。这是科学家第一次证实在宇宙诞生后的前20亿年时间里,有如此数目庞大的大质量星系存在。它们的存在对于解释今天宇宙中最大的星系如何形成有重要意义。此外,早期宇宙中存在如此数目庞大的大质量星系,与当前的星系演化理论模型以及计算机模拟相悖,对早期宇宙中的星系形成理论也提出了新的挑战。  为了更多地了解这些神秘的星系,科学家们进行了一系列的研究,并取得了一些初步的认识。  首先,这些大质量星系有什么特点?科学家认为,其最主要的特点是从紫外、光学到近红外波段特别暗(opticallyinvisible),导致它们在之前即使最深的哈勃空间望远镜的观测中也没有被发现。另外,相较于之前发现的宇宙早期的极个别、性质极端的大质量星系,这类新发现的星系数目更多,物理性质更具有代表性。  其次,是什么让这些大质量星系“隐藏”得如此完美,难以被人们发现?主要是它们距离远、受尘埃消光严重,导致这类星系在紫外到近红外波段都极为暗弱,依靠传统观测星系的手段极难发现。  那么,发现它们的ALMA(阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜)有什么特别之处呢?ALMA是位于智利北部阿塔卡马沙漠的由66座天线组成的干涉阵。它的主要特点是提供了前所未有的、在亚毫米波段和毫米波段观测(探测星系中的尘埃辐射的主要手段)的灵敏度和空间分辨率,使得我们能够利用相对较短的时间精确捕捉到100多亿年前形成的星系中的尘埃辐射。  这些存在于早期宇宙中的数目庞大的大质量星系的发现,也对早期宇宙中的星系形成理论提出了挑战,对于我们重新理解宇宙早期星系的形成有着重要意义。  在目前的宇宙早期星系演化模型(以及计算机数值模拟)中,早期宇宙的星系形成以小质量、尘埃含量少的星系为主,而大质量星系的形成较为困难,数目较少。这次发现的大量数目(空间密度高)的大质量、富尘埃星系超过了当前主流星系演化模型的预期。这一发现显示,我们的宇宙在其诞生早期形成大质量星系的效率要比我们预期的高得多。  据天文学家测算,这些大质量星系存在已有118亿年。发现它们可以帮助我们解决哪些问题呢?  就像引力波的发现为我们认识宇宙提供了新的手段一样,这类星系的发现为我们在光学波段之外发现和认识新的星系提供了最好的例子。  从科学上来说,这类星系的发现帮助我们补全了宇宙中最大的星系形成历史中缺失的一部分。之前发现的宇宙早期的大质量星系数量很少,其数目不足以匹配今天的(以及宇宙中等年龄时)最大质量星系的数目,而这次发现的大批星系补上了这一漏洞。  由于当前的星系演化理论模型,并没有预测出在宇宙早期就形成如此数目众多的大质量星系,因此这一发现又为我们理解早期宇宙的星系形成提供了新的思路和视角,促使我们重新思考早期宇宙的诞生。  (作者单位:中科院国家天文台)  (原载于《中国科学报》2019-10-15第8版探索发现)

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  银河系是人类赖以生存的星系,也是宇宙中众多星系中的普通一员。研究表明,银河系包含盘、核球和晕,银晕中有少量的恒星和大量的暗物质。这些恒星分布不是均匀的,而是会存在一些团块,被称为子结构。这些子结构大多是来自银河系外的“移民”。日前,中国科学院国家天文台(以下简称国家天文台)科研团队利用LAMOST数据在银晕中发现了40余组子结构,该项研究成果已经发表在国际天文期刊《天体物理学报》上。  “此次发现包括大量的人马座星流、麒麟座星环、室女座致密区和孤儿星流等银晕中已知子结构和其他未知子结构的成员星。团队首次发布了银晕中大样本子结构的六维参数信息。这些信息能够更加精确地追踪银河系形成过程中发生过的吸积事件(星系在演化过程中通过引力作用‘吃掉’周围小质量系统的过程)。”论文第一作者、国家天文台博士研究生杨成群告诉《中国科学报》。  银河系以及暗物质晕  银河系是唯一可以让人们从三维到六维空间上研究的星系。论文作者之一、国家天文台研究员薛香香解释道:“六维参数指的是三维位置和相应的三维速度。”  杨成群和导师薛香香,联合西华师范大学李静博士,以及国家天文台张岚博士、刘超研究员、赵刚研究员等,利用LAMOSTDR5(郭守敬望远镜发布的第五批数据)中K巨星的三维位置和三维速度,在银河晕中找到40余组子结构,包含近2000颗恒星。  巨星是恒星的一个演化阶段,因其很亮,以至于在遥远的银晕中也可以被观测到,所以是研究银晕的优秀示踪体。为何用光谱型为K的巨星呢?杨成群告诉记者,因为K型巨星的数量多,有利于进行研究。  薛香香指出,“提到银晕,就不得不提恒星晕和暗物质晕。这两个晕只是按照不同的构成命名,暗物质晕和恒星晕在空间上是有重合的,但是暗物质晕更延展。”  薛香香进一步指出,银河系中有大量的暗物质,这些暗物质几乎都存在于暗物质晕中,大多数星系都镶嵌在这种暗物质晕当中,但是暗物质的性质,如质量和范围,到现在仍未能准确确定,而恒星晕的运动状态恰恰能够反映暗物质的质量分布和范围。测量银河系暗物质晕的质量需要分析恒星晕的速度弥散,而子结构会影响速度弥散的测量,因此在开展银河系暗物质晕质量测量之前,需要先将子结构从样本中挑出来。  证认出可靠的子结构  不难发现,银晕中的恒星只占银河系中所有恒星的一小部分,但是它们对研究银河系形成历史、测量银河系暗物质晕质量至关重要。薛香香表示:“因为距离银河系中心越远的恒星,其动力学周期越长,所以动力学形成的印记可以被保留下来,如吸积留下的遗迹——子结构。”  标准宇宙学冷暗物质模型认为,在银河系形成过程中发生过上百起吸积事件。因此如果能够找到发生星系并合或吸积的证据,就可以很好地支持这一理论。通常星系在发生吸积并合时,会在其周围的空间(晕)中留下原星系的残骸,例如星流、致密区、壳层等子结构。  薛香香说:“相较于前人的工作,LAMOST提供了目前世界上最大的位于银晕中的K巨星样本,结合Gaia(欧空局盖亚空间天体测量卫星项目)的自行,我们首次得到这些恒星的三维位置和三维速度,参数空间更完整(前人的数据都缺少自行),因此证认出的子结构更可靠。”  为了寻找这些子结构,科研团队利用LAMOSTDR5中K巨星的空间位置和视向速度,再结合匹配自GaiaDR2的切向速度信息,得到13000余颗具有完整六维相空间信息的晕星星表,同时这也是目前能够得到的拥有完整六维参数的最大的银河系晕星星表。  “我们在对样本中具有相似速度和位置的恒星进行归类和分组后,在13000颗晕星样本中找到了40余组,近2000颗晕星是属于子结构的。这些恒星具有明显区别于本地晕星的成团性(位置和速度空间)。此外,我们还找到了18组、300余颗很可能是首次被发现的新的子结构。”杨成群说。  不久前,来自中国科学院天文大科学研究中心和美国伦斯勒理工学院的联合科研团队,利用此方法追踪到人马座星流,并第一次描绘出人马座星流精确的三维空间轨道分布。薛香香也参与了此项工作。她说:“在这项工作中,我们不仅证认出很漂亮的人马座星流,还首次证认出位于南天(银纬小于0度)的麒麟环,并发现了不少新的星流。”  分析并追溯其前身星系  薛香香指出,在银晕中寻找子结构,最终的目的是追溯这些子结构的起源,重现银河系的吸积历史,了解银河系在其成长过程中吸积过什么样的矮星系。  在研究过程中,科研团队遇到的最大的困难是测量K巨星的距离。杨成群说:“尽管我们有测量K巨星距离的经验,但是应用在LAMOST海量数据上的时候,还是要与其他高精度测光数据库做交叉、做定标,多种方法互相检验,计算海量数据耗时耗力。”  “通过与前人的工作对比,我们此次发现20余组是前人已经发现的,还有10余组很可能是新发现的子结构。除了位置和速度,LAMOST还将为这些恒星提供化学丰度,我们将对这些子结构进行化学—运动学的详细分析,进而研究它们的起源。”杨成群告诉记者。  “银河系剔除子结构以后,理论上剩下的就是分布均匀的恒星晕了。”薛香香指出,“值得注意的是,没有任何一种方法可以保证子结构成员星的证认率为100%,我们只能说我们证认出了绝大部分的子结构。剔除子结构的样本可以用来测量银河系暗物质晕的质量,计算银河系恒星晕的各向异性参数等。”  薛香香透露,下一步,科研团队将对找到的子结构进行细致的分析,还可能会申请大望远镜对某些子结构进行高分辨率后续观测,用于分析其化学丰度,希望能从化学上追溯其前身星系。  (原载于《中国科学报》2019-08-27第8版探索发现)

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  中科院云南天文台抚仙湖太阳观测与研究基地研究者王金成、闫晓理等,利用1米新真空太阳望远镜(NVST)的高时空分辨率观测数据,揭示了太阳物质来源以及传输过程的重要物理机制。相关成果近期发表在《英国皇家天文学会月报》上。  太阳暗条的形成过程,主要分为磁场结构的形成过程以及暗条物质的来源两个方面。在磁场结构形成方面,国内外学者已经做了许多方面的研究,但对暗条物质来源这方面的研究比较少,特别利用高时空分辨望远镜的观测研究少之又少,主要是由于暗条形成过程比较缓慢,完整的暗条物质注入很难被观测到。  作者研究了位于活动区NOAA11903中某一暗条从无到有的完整形成过程。他们发现低温物质通过暗条南部足点的喷流注入到暗条当中,并且发生喷流处有磁场浮现,同时发现低温喷流同样可以把低温物质抬升到暗条高度并为暗条提供物质,从而推断太阳上低层的小尺度爆发可为暗条的形成提供足够的物质。他们还估算对比了磁浮现所带的能量以及低温物质被抬升所需能量,得到磁浮现所带的能量足以为物质抬升提供能量支持的结论。  (原载于《中国科学报》2019-08-13第8版探索发现)

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在这张由国际空间站宇航员拍摄的照片中,闪电掠过科威特和沙特阿拉伯上空。图片来源:NASA/JSC  在过去的一年里,国际空间站上的一组照相机在雷暴中心观测到数百次伽马射线闪光。通过将这些神秘的闪光与穿越同一风暴的闪电进行比较,空间物理学家开始破解几十年来困扰他们的这一高能量爆发成因之谜。  研究人员发现,这种被称为地面伽马射线闪光(TGF)的爆发,是在强电场穿过大气层时形成的——仅仅就在闪电沿着同一路径传播之前。在此期间,带电粒子与大气相互作用,产生超高速闪烁的伽马射线,而这是肉眼无法看到的,但安装在国际空间站上的专业照相机却可以拍摄到这一画面。  这些仪器为研究普通闪电和TGF之间的关系提供了迄今为止最好的视角。科学家从1994年就知道了TGF,但一直无法给出很好的解释。  “这是一项改变游戏规则的工作。”挪威卑尔根大学空间物理学家NikolaiOstgaard说。他于7月9日和12日在加拿大蒙特利尔举行的国际大地测量学和地球物理学联盟会议的两次发言中描述了这一发现。  这种对TGF如何形成的洞察来自于大气—空间相互作用监测器(ASIM),后者是一组由哥本哈根附近的丹麦技术大学领导、几所欧洲大学和公司合作制造的盒子状的照相机和传感器。ASIM于2018年4月发射至国际空间站。与其他研究大气电学的任务不同,它是设计用来以前所未有的精确度同时研究普通闪电和TGF的。  在最初10个月的数据收集过程中,ASIM发现了94次TGF和闪电彼此之间非常接近的情况。超过一半的情况遵循同样的顺序——一次微弱的光脉冲出现,可能是在带电粒子开始沿着雷暴中的一条导电通道移动之后。随后TGF爆发,到处都是伽马射线。在几百微秒内,一个巨大的电流脉冲沿着同样的带电路径流动,最终形成了闪电。  Ostgaard指出,这些数据支持了这样一种理论,即在导电通道的尖端需要一个小而强的电场才能产生一次TGF。一些相互竞争的理论认为,当一场雷暴在云层中形成一个同样很强但规模要大得多的电场时,TGF就形成了。“我们的研究结果确实更多支持前一种观点。”Ostgaard说,“我们已经解决了这个问题。”  美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校空间物理学家DavidSmith说,这些新数据非常“鼓舞人心”。达勒姆市新罕布什尔大学空间物理学家JosephDwyer则希望,这些观测结果“将为我们指明正确的方向”,从而帮助弄清TGF是如何产生的。  ASIM的研究人员还需要检查该仪器的观测结果与针对相同风暴的其他测量结果有何不同,并判断其发现的TGF和闪电之间的关系在观测到越来越多的TGF后是否仍然成立。  预计ASIM将至少再工作两年。研究人员希望在此期间看到更多TGF。“这就像出去钓鱼,你只需要等待那条大鱼。”Ostgaard说。  Ostgaard及其同事甚至试图更近距离地观察这些雷暴。ASIM从距离地表约400公里的高空向下观测,而TGF发生在距离地表约11至13公里的高空。Ostgaard和其他人希望使用安装在一架飞行高度略高于雷暴的飞机上的伽马射线探测器近距离观测TGF信号。  研究人员表示,这些研究飞行最早可能在2021年进行,将提供探索神秘闪光的另一条途径。  伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,持续时间在0.1至1000秒,辐射主要集中在0.1至100MeV的能段。

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包括迅猛龙在内的非鸟类兽脚亚目恐龙很可能会保卫巢穴不受捕食者的侵害。图片来源:MasatoHattori  在戈壁沙漠发现的一个保存完好的恐龙巢穴表明,这些史前动物中有一些是群居的,就像鸟类一样,能够保护自己的蛋。  加拿大皇家泰瑞尔古生物博物馆古生物学家FrancoisTherrien说:“恐龙经常被描绘成一种独居动物,它们自己筑巢、下蛋,然后就离开了。”近日,Therrien与人合作在《地质学》上发表了一篇研究报告称,“但在这里,我们发现一些恐龙更喜欢群居。它们走到一起,建立了一个窝。”  研究人员发现了15个巢穴和50多个约有8000万年历史的蛋化石。它提供了迄今为止最清晰的证据,表明复杂的繁殖行为——如群体筑巢,在现代鸟类6600万年前与恐龙分离之前就已经进化出来了。  某些现代鸟类和鳄鱼在繁殖期会在公共区域筑巢产卵。许多古生物学家认为,这种“殖民式筑巢”最早出现在恐龙身上,是为了对抗掠食者。但美国马里兰州巴尔的摩市约翰斯·霍普金斯大学古生物学家AmyBalanoff表示,这方面的证据并不确凿。  自20世纪80年代以来,古生物学家就已经发现了聚集在一起的化石蛋或巢穴。但研究合作者、加拿大卡尔加里大学古生物学家DarlaZelenitsky表示,研究人员很难判断这些蛋是在同一时间下的,或只是在同一个地方相隔多年下的。  然而最近描述的巢穴地点有所不同。这座286平方米的遗址位于蒙古东南部——一条细细的鲜红色岩石,连接着15个相对未受干扰的恐龙蛋。一些直径约10~15厘米的球形卵已经孵化出来,部分被红色岩石填满。  研究人员表示,这些条纹连接了所有的恐龙蛋,表明恐龙在一个繁殖季节产下了这些蛋。这些蛋的外部和内部结构,以及蛋壳的厚度,都指向了一种非鸟类的兽脚亚目恐龙,这是一个包括迅猛龙和暴龙等恐龙在内的大型群体。研究人员还估计,根据蛋碎片的数量,略多于一半的巢穴至少有一个蛋成功孵化。  加州州立大学洛杉矶分校古生物学家DanielBarta也认为,如此高的比率表明一些恐龙倾向于筑巢。但他警告说,那些已经孵化的蛋和被捕食者打破的蛋通常看起来很相似。

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  今年是人类登上月球五十周年。1969年7月20日,美国宇航员阿姆斯特朗踏上了月球,宣告人类首次成功登月,并留下标志性的名言,“个人的一小步,人类的一大步”。  自从人类首次踏上月球,至今半个世纪的时光流逝,五十年不断的反思与质疑,老生常谈的得失与纠结。阿波罗登月计划给美国和世界到底带来了什么?其意义何在?中国的嫦娥探月工程可以从中获取哪些经验和裨益?  阿波罗号载人登月的回顾  1969年7月16日,美国宇航局的超重型运载火箭“土星5号”将“阿波罗11号”飞船推向太空,执行首次载人登月的任务,三位宇航员尼尔·阿姆斯特朗、迈克尔·科林斯与巴兹·奥尔德林,第一次踏上光荣与梦想的征程。  7月20日,阿姆斯特朗第一个踏上了月球。宇航员在月球表面进行了两个半小时的各种科学实验,包括钻探月表、月面行走、拍摄照片,并采集了22千克月球岩石标本。  阿波罗计划始于1961年,由于受到苏联宇航员加加林在1961年4月12日首次飞翔太空的激励,美国总统约翰·肯尼迪担心在太空竞赛中败给苏联,他立即建议美国宇航局实施月球探测计划,代号阿波罗工程。这个计划从1961年到1972年共历时11年,堪称世界历史上具有划时代意义的一项成就,继阿波罗11号登月后,美国又有5次成功地将12名宇航员送上了月球并顺利返航。  阿波罗登月花费255亿美元,这在上世纪60年代可谓巨大支出。1969年的黄金价格是每盎司35美元,而2019年达到1400美元,提高近40倍,所以阿波罗登月的现在可比价格是一万亿美元,这绝对是天文数字!如此天价的阿波罗登月是否值得,那就打个算盘来估算一下。1969年美国GDP总值是1万亿美元,而2019年超过20万亿美元,提高近20倍。  经济学家认为,阿波罗工程通过长期的杠杆效应,拉动美国经济增长,使之投入产出比例高达1:20。历史学家认为,阿波罗登月好比诺曼底登陆,最后美国在冷战中发动“星球大战计划”并击败苏联。所以,阿波罗计划被看成是美国高科技战争的全民总动员,这一点也不为过。  阿波罗计划推动高科技发展  阿波罗计划曾经动员近30万科技人员参加,约200多个大学、80多个研究院所和2万多个工业部门介入,创造并带动了上世纪70年代后美国的近3000项高科技产业,为加快美国工业的现代化进程和更新换代、确立美国在世界的领导地位,奠定了雄厚的基础。  一个阿波罗的超级工程涉及4万多个基础工业部件,这些产品的优化、升级、可靠性增强夯实了美国的生产力。通过阿波罗计划的运作过程,美国完善了国家高科技管理、运行以及顶层设计能力,强化了其操作实施的执行力。  阿波罗计划还激发了美国青少年一代学习科学的热情,大量科普作品应运而生,见于影视、文学、科技馆、博物馆和图书馆,这直接提升了美国的民众科技素质,营造了一个高科技立国的文化氛围。  进而技术革新派生出新的高科技核心产品,诸如全球定位导航系统GPS、超级计算机和国际网络、卫星发射、高性能的火箭发动机和航天航空器件,这推动了相关产业链终端的进步,诸如材料工业、电子工程、微电子技术、信息通信、大数据云计算、化学工业等等。无线电雷达是“阿波罗”飞船的联络通信和信号传输设备,当时世界上最先进的天文学射电望远镜参加了阿波罗登月任务,诸如美国阿雷西博305米口径射电望远镜、澳大利亚64米口径帕克斯望远镜等等。  基于阿波罗计划而形成的这些发明和创新增加了新的就业岗位,强化了美国文化信心,在美国梦的吸引下,全球大批人才投奔美国,这又进一步提升了美国的人口素质。可以说,直到今天,美国还在继续享用着阿波罗登月工程的“红利”。  中国“嫦娥”将创造新的里程碑  1972年,时任美国总统尼克松访问中国时,送给毛泽东主席的见面国礼就是阿波罗登月带回的一克月球岩石碎片,其中0.5克交由我国嫦娥探月工程首席科学家欧阳自远院士进行研究,这也激励他构想中国的首个月球探测计划“嫦娥工程”。  2004年嫦娥探月工程开始启动,以“绕”“落”“回”三步走的战略方案实施。首先发射环绕月球的卫星,接着发射月球探测器进行实地探测,最后送机器人上月球实地采样并返回地球,整个计划大概需要二十年的时间完成。  正如欧阳自远总结,在嫦娥工程取得的成就基础上,人类将开启重返月球的新征程,并孕育出月球科学的新突破,最终形成人类开发利用月球的能力。嫦娥探月工程的全部三个阶段成功在望。  可以预期,若干年后中国航天员将踏上月球,留下中国人的脚印。  (作者:张承民,系中国科学院国家天文台研究员)  (原载于《中国科学报》2019-07-16第8版探索发现)

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