這一年，宇宙“面目”愈發清晰

深邃的星空，埋藏着無數奧秘，叩問2020年的宇宙蒼穹，陣陣迴響喚起驚奇與敬畏無數：人類首次在銀河系外發現氧氣、繪製迄今最大宇宙三維地圖、發現“不可能存在”的中等質量黑洞……宇宙的秘密，正在一點點被揭開。或是身邊的天文奇觀，或是地外的生命跡象，我們總在追問的路上，渴望收穫更多。

宇宙還我們以新知，並以更多未知引領我們遙望未來。銀河系邊界探清後，“身邊”的星系究竟有多少？藉助引力波首次探測到中等質量黑洞後，人類是否能破解超大質量黑洞形成的謎團？

回望2020，我們以一趟時光穿越之旅，再次與宇宙對話。

本報記者 金 鳳

氧氣現身河外星系

氧在宇宙中的丰度僅次於氫和氦。此前，天文學家曾認為氧分子在恆星間的空間內應普遍存在，但一直未有證據表明銀河系外也有氧氣。

這一“懸疑”今年2月1日《天體物理學》雜誌刊發的一篇文章被解開。在距地球5.6億光年的“馬卡良231”（Markarian 231）星系內，中外科學家聯手發現了氧氣。據悉，這是人類首次在銀河系外發現氧氣，也是迄今為止在太陽系外探測到氧氣最多的一次。

“馬卡良231”位於大熊星座。此前，天文學家在銀河系內的獵户座星雲和蛇夫座星雲都探測到過氧氣。據推算，“馬卡良231”的氧氣比重是獵户座星雲內氧氣比重的100倍。科學家推測，“馬卡良231”內經歷了比獵户座星雲更強烈的氧氣形成過程。

天文學家表示，在地外物質的光譜中發現氧氣、水等存在的條件，不能就此斷言其所處的環境中一定存在着生命；看不到這些“標誌物”，也未必沒有存在生命的可能性。

上述研究論文第一作者、中國科學院上海天文台研究員王均智表示，這次在銀河系外發現氧氣，有助於進一步加深對宇宙物質組成的認識，對於星際介質中氧氣的形成和消耗等相關理論提出了挑戰。

“此次研究是科學家首次在銀河系外發現氧氣，但氧氣在星際空間的含量為何普遍遠低於預期，仍是未解之謎。”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首席科學家李菂表示。

首次揭示月背地下結構

月球背面的馮·卡門撞擊坑所在地——南極—艾特肯盆地，是太陽系中最古老的撞擊坑之一，形成於40億年以前，保留了原始月球的岩石，這裏也是月球上已知最深的盆地。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器在馮·卡門撞擊坑底部成功着陸。之後，“玉兔二號”月球車利用全景相機、紅外線光譜儀、測月雷達等先進儀器，對月球背面展開科學探索研究。

2020年2月27日凌晨，國際科學期刊《科學·進展》在線刊載了中國“玉兔二號”月球車為馮·卡門撞擊坑做的“CT”結果。

由中國科學院國家天文台研究員李春來、蘇彥領導的科研團隊，利用“玉兔二號”月球車上的測月雷達，首次揭示出月球背面着陸區域地下40米的分層結構，發現地下物質由低損耗的月壤物質和大小不同的大量石塊組成。這是人類首次揭開月球背面地下結構的神秘面紗。

具體來説，研究團隊沿“玉兔二號”行走的106米路徑，在深度40米的範圍內，識別出3個地層單元。

其中，第一單元為月表到地下12米的細粒月壤，內嵌有少量石塊，這一層形成於多個撞擊坑互疊的濺射物之上；第二單元為地下12米到24米的濺射物沉積層，其內部存在大量石塊，甚至形成了碎石層和碎石堆；第三單元為地下24米到40米，是更古老的濺射物在不同時期沉積和風化的產物。

研究人員表示，該研究可幫助人們瞭解月球撞擊和火山活動歷史，有望為月球背面的地質演化研究帶來新的啓示。

探明銀河系邊界

天文學家早就知道，銀河系中最亮的部分是呈薄煎餅狀的恆星盤，太陽便身處其中，其寬約12萬光年（1光年約為94600億千米），恆星盤之外是氣體盤。一塊巨大的暗物質光暈包裹着這兩個圓盤，並延伸到遠遠超出它們的範圍之外。但由於這個暗暈不發光，因此科學家很難測量銀河系的直徑。

3月23日，美國《科學新聞》網站報道了一項來自英國科學家的研究，英國達勒姆大學天體物理學家艾麗絲·迪森及其同事利用銀河系附近星系計算得出結論：銀河系的精確直徑為190萬光年，誤差不超過40萬光年。

為找到銀河系的邊界，迪森團隊利用計算機模擬了銀河系和其附近大星系——仙女座星系並排出現的情況。結果表明，位於巨大星系暗暈邊緣之外的附近小星系的速度會顯著下降。

利用現有的望遠鏡觀測結果，迪森團隊發現，銀河系附近的小星系也出現了同樣的速度下降情況。這種情況發生在距銀河系中心約95萬光年的地方，此處應該就是銀河系的邊界。由此他們得出結論，銀河系寬約190萬光年。

美國約翰斯·霍普金斯大學天文學家羅斯瑪麗·懷斯指出，最新測量結果可以幫助天文學家釐清銀河系其他性質。例如，銀河系越大，其“體重”也越重，與它“共舞”的星系應該也會越多。科學家迄今已為銀河系找到約60顆“舞伴”，未來應該可以找到更多。

夏至巧遇“金邊日食”

6月21日，當太陽幾乎直射北迴歸線時，北半球迎來白晝最長的一天，這一天正是夏至日。同一天，天幕劇場也上演了本年度最精彩的天象演出之一——“金邊日食”。

據中國科學院紫金山天文台工程師胡方浩介紹，這也是本世紀唯一一次在中國可見且恰逢夏至日的日食。

日食食分大小取決於日、地、月三者的位置關係。中國天文學會會員、天津市天文學會理事史志成解釋説，被遮擋的太陽離地球愈遠則其視直徑愈小，而遮擋太陽的月球離地球愈近則其本影愈大，所以當太陽處於遠地點而月球處於近地點時，食分最大。

兩千多年前，日食就啓發人類認識宇宙，發現地球公轉的規律。當太陽被月亮遮擋時，人們更容易觀測到太陽日冕活動情況，從而有助於對其未來活動趨勢進行預測。日食作為一種天文現象，對星地通信中起到關鍵作用的電離層有一定影響。

與以往日環食不同的是，此次日環食非常接近全食。太陽整個圓面超過99%的面積被遮住，剩下的一圈金邊兒非常細。

有專家表示，在21世紀剩餘的80年裏，發生在我國範圍內的日環食僅剩10次，其中5次將發生在極北或極南地區，環食帶範圍小、月球地影過境時間短，不便觀測。

迄今最大宇宙三維地圖出爐

宇宙誕生於約138億年前的大爆炸。對於宇宙的早期和近期，科學家都有所瞭解，但其間110億年宇宙究竟經歷了怎樣的變化，一直是未解之謎。

7月20日，據外媒報道，在對400多萬個星系和藴含巨大能量的超亮類星體進行分析後，國際斯隆數字巡天調查項目（SDSS）發佈了迄今最大的宇宙三維地圖，講述了宇宙在110億年間的膨脹“故事”，填補了人類在宇宙史探索中的空白。

繪出這份地圖的是多國科研人員組成的“擴展重子振盪光譜巡天”項目（eBOSS），它是SDSS的一部分。這一成果的獲得，建立在世界各地數十家機構的數百名科研人員超過20年合作的基礎上。

研究顯示，構成宇宙結構的細絲和空隙始於宇宙誕生僅30萬年時。此外，宇宙在大約60億年前開始加速膨脹，且此後一直持續膨脹。這種加速膨脹似乎是由暗能量所驅動，這一點與愛因斯坦廣義相對論所預言的一致。

此外，研究人員指出，天體物理學家早在多年前就知道宇宙在膨脹，但一直無法精確測量宇宙膨脹的速度——哈勃常數。eBOSS和SDSS的調查結果表明，宇宙目前的膨脹速度和早期由其他研究得出的膨脹速度不匹配，仍需科學家進一步的研究調查。

找到“不可能存在”的中等質量黑洞

9月2日，據美國激光干涉引力波天文台官網報道，該天文台與位於意大利的室女座引力波天文台攜手，探測到了一個142倍太陽質量的黑洞，這是科學家首次探測到此類中等質量黑洞。

研究人員指出，此前所觀測到的黑洞大致分兩類：恆星質量黑洞和超大質量黑洞，前者質量為太陽質量的數倍到數十倍不等，被認為是大質量恆星死亡後形成的；後者質量約為太陽的數十萬倍到數十億倍。中等質量黑洞介於兩者之間，質量為太陽質量的100到1000倍。在收到這次信號前，科學家沒有發現任何證據證明它們的存在。

這個黑洞由兩個分別約85倍太陽質量和65倍太陽質量的黑洞併合而成，併合釋放出的8倍太陽質量的能量以引力波形式瀰漫於宇宙中，被兩大探測器攜手“逮個正着”。

研究人員在2019年5月21日探測到引力波信號GW190521，該信號持續時間不到0.1秒。科學家推測，GW190521最有可能是擁有特殊性質的雙黑洞併合產生的信號。

迄今為止，幾乎所有被“驗明正身”的引力波信號均來自於雙星併合，包括雙黑洞併合以及雙中子星併合等。

水分子現身月球光照區

月球究竟有沒有水？科學家從未停下探索的腳步。此前科學家推測，月球背面常年陰暗的隕石坑裏可能藏有冰。如今，最新研究證實，月球光照面也可能存在水。

10月26日，《自然·天文學》發表文章稱，美國國家航空航天局依靠平流層紅外天文台“索菲亞”，在月球光照區——月球南半球的克拉維斯環形山表面，首次探測到了水分子。

這一發現表明，水可能分佈在整個月球表面，而不僅限於陰暗的月背。換句話説，即使在太陽輻射下，水也能在月球表面存在。

在陽光照射的月表，水分子想保留下來非常不易。此次的探測數據顯示，水被“困在”月球表面的土壤中，濃度為百萬分之100—400，相當於每千克月壤中含有100—400毫升水，這比撒哈拉沙漠還要乾燥100倍，不過精確的水含量需要進一步驗證。

另據論文介紹，探測到的水可能儲存在月球表面的玻璃般物質中或是晶粒之間，這些玻璃般物質或晶粒能在惡劣環境中對水起到保護作用。

沒有大氣層保護，月表太陽照射面的水源是否可以利用？“這還需要弄清楚水在月表的分佈範圍、埋藏深度、是否能長期保存等。”南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇認為，這需要搞清楚水含量是否足夠高，在哪些地區富集，是否能達到開採的級別，水在月表儲存的機制是什麼，需要用什麼樣的技術才能把水有效地收集起來。

“這些發現確實令人興奮，很有研究和應用的前景，但成本目前還無法預料。”周禮勇説。

“中國天眼”看見快速射電暴源頭

快速射電暴，宇宙中一種神秘的射電波暴發現象。它的持續時間短到只有幾毫秒，但在這“靈光乍現”的幾毫秒中，卻藴藏着巨大的能量，它可以把地球上幾百億年的發電量，完全以射電波的形式釋放掉。

過去十幾年，天文學家一直在探尋它的來源，又包含了哪些信息？

科學家在《自然》雜誌上分別發表了3篇關於快速射電暴的研究成果，利用500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），他們捕捉到快速射電暴起源的一些蛛絲馬跡。

北京大學教授、中國科學院國家天文台研究員李柯伽研究團隊，在12小時的觀測時間裏，利用FAST探測到了快速射電暴爆發源FRB 180301的15次暴發，每次暴發的強度曲線各不相同。這是國際上首次發現該爆發源的輻射具有非常豐富的偏振特徵。FAST觀測到的偏振變化多樣性明確説明：宇宙中快速射電暴的爆發源可能來自緻密天體磁層中的物理過程。

“類似於地球，磁星也會形成磁層。我們這次的觀測結果是快速射電暴來源於磁層的一個最直接證據。”李柯伽説。

此外，包括北京師範大學林琳博士、北京大學張春風博士、中國科學院國家天文台王培博士在內的聯合研究團隊，利用FAST對銀河系磁星軟伽馬重複暴源SGR 1935+2145進行多波段聯合觀測。觀測結果表明，快速射電暴與軟伽馬射線重複暴發具有較弱的相關性，磁星暴發產生快速射電暴必須依賴於極其特殊的物理條件。

金星大氣首現磷化氫

9月14日，《自然·天文學》雜誌發表文章稱，包括英國卡迪夫大學科學家簡·格里弗斯在內的研究團隊，於2017年和2019年，分別利用麥克斯韋望遠鏡（JCMT）和阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA），在金星上探測到只屬於磷化氫的光譜特徵，並估算出了金星雲層中的磷化氫丰度。

這是科學家首次在金星大氣中探測到磷化氫。研究人員認為，探測到磷化氫尚無法作為微生物生命存在的有力證據，但可以表明金星上可能發生着未知的地質或化學過程。

環境惡劣的金星，因為磷化氫的蛛絲馬跡，讓人看到生命的希望，但好消息沒有持續多久，便遭遇質疑。

10月26日，一項發表在《自然·天文學》雜誌上的最新研究指出，此前被認為是磷化氫的光譜數據，實際上非常接近二氧化硫，後者在金星大氣中很常見。

另一項由荷蘭萊頓大學主導的研究顯示，ALMA獲得的光譜數據可以用磷氣體以外的化合物來解釋。據此，他們得出結論：在金星大氣層中“沒有檢測到具有統計學意義的磷化氫”。

不過金星上的生命“希望”並未就此終結。格里弗斯團隊重新檢驗最初數據後，再次發佈結論稱，ALMA的數據顯示了一種光譜特徵，這種特徵只能用磷化氫化合物來解釋，根據最新數據，磷化氫的含量只有最初發布結果的1/7。

金星大氣層中是否真的存在磷化氫？磷化氫究竟來自何處？它們是否帶有生命的印記？這些都值得我們期待。

GECAM引力波探測器升空

12月10日4時14分，西昌衞星發射中心，長征十號運載火箭搭載“引力波暴高能電磁對應體全天監測器”（GECAM）成功發射並將其送入預定軌道。

該衞星載荷總師李新喬介紹，GECAM將是幾年之內在軌運行的伽馬暴探測靈敏度最高的天文衞星，也是對磁星暴發、快速射電暴、地球伽馬閃等暴發事件綜合探測能力最強的衞星。它將對引力波伽馬暴、快速射電暴高能輻射、特殊伽馬暴和磁星暴發等高能天體暴發現象進行全天監測，研究中子星、黑洞等緻密天體及其併合過程。此外，GECAM還將探測太陽耀斑、地球伽馬閃和地球電子束等空間高能輻射現象，為進一步揭示其物理機制提供科學觀測數據。

引力波伽馬暴是GECAM最重要的科學探測目標。對於引力波的探測，地面設備的空間定位精度不高。因此，科學家需要一台能夠以較高精度及時給出引力波暴發方位的衞星——GECAM應運而生。

李新喬介紹：“GECAM可以對和引力波伽馬暴幾乎同時發生的同源伽馬暴的能譜和光變，進行連續高精度觀測，同時可以給出精度較高的引力波事件的方位信息，把地面引力波探測設備定位的幾十到上百平方度範圍縮小。這將有助於空間及地面其他波段的觀測設備更好地確定其對應天體源，並開展後續觀測。”