有趣天文奇观

发布单位：中国科学院紫金山天文台

　　2021年9月7日，国家空间科学数据中心与中国科学院紫金山天文台联合公开发布“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据。空间伽马射线观测作为人类认识宇宙的重要手段之一，在宇宙起源、暗物质探测等科学前沿问题的研究中发挥着积极作用。

“悟空”号伽马射线曝光图

专项背景

　　空间科学先导专项（一期）是国务院2010年批准的“创新2020”A类先导专项之一，2011年1月11日正式启动，旨在聚焦最具优势和最具重大科学发现潜力的科学热点领域，通过自主和国际合作科学卫星计划，实现科学上的重大创新突破，带动相关高技术的跨越式发展，发挥空间科学在国家发展中的重要战略作用。

卫星探析

　　暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，英文简称“DAMPE”，又名“悟空”号）作为空间科学先导专项（一期）首发星，于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射。其主要科学目标通过在空间观测高能电子（包括正电子）和伽马射线能谱，来寻找暗物质粒子的存在证据，并开展宇宙射线起源及伽马射线天文方面的相关研究。经过五年半的平稳运行，目前“悟空”号卫星平台、有效载荷均工作正常，已经完成全天区扫描超过11次，获取了约107亿高能宇宙射线事例，已先后获得了宇宙线电子、质子、氦核等TeV以上能区最精确的测量结果，在暗物质间接探测和宇宙线起源方面做出了重要贡献。

　　暗物质粒子探测卫星有效载荷由4个子探测器（塑闪阵列探测器PSD、硅阵列探测器STK、BGO量能器、中子探测器NUD）构成。其中塑闪阵列探测器主要用于测量入射粒子的电荷，并用于伽马射线的反符合探测；硅阵列探测器主要用于测量入射粒子的方向，内部装有钨板将伽马射线转换为正负电子从而实现对其方向的精确测量，同时也可以对入射粒子的电荷进行测量；BGO量能器主要用于测量宇宙线粒子尤其是高能电子和伽马射线的能量，同时进行粒子鉴别，剔除高能核素（包括质子和重核）本底；中子探测器用于测量宇宙线中的强子与中子探测器上层的物质发生作用产生的次级中子，进一步剔除高能核素本底。

“悟空”号载荷结构图

发布意义

　　暗物质粒子间接探测、宇宙线物理和伽马射线天文是“悟空”号卫星的三大科学目标，而对伽马射线的观测是实现其科学目标的重要手段之一。

　　由于伽马光子不带电荷，在传播的过程中不会被磁场偏转，可以更好地携带暗物质空间分布的信息，故而在暗物质间接探测研究中伽马射线数据具有特殊的价值。暗物质粒子探测卫星的伽马射线观测具有极高的能量分辨率，有望更好地研究暗物质的性质。

　　国际上已有伽马射线空间望远镜的观测显示在伽马射线波段具有多种天体以及丰富的天体物理过程值得研究。暗物质粒子探测卫星在2 GeV以上的伽马射线数据中已认证出超过200个恒稳伽马射线源（包括活动星系核，脉冲星，脉冲星风云和超新星遗迹等），可用以深入研究活动星系核的黑洞喷流成分，脉冲星产生脉冲辐射的机制以及超新星遗迹对宇宙线加速的贡献等。暗物质粒子探测卫星的伽马射线数据还将对费米卫星新发现的位于银河系中心的巨大伽马射线泡的形成机制提供新的观测信息。挖掘这些伽马射线数据还将有望对伽马射线时变源提供独立的观测。

数据解密

　　伽马光子科学数据主要包括光子数据文件和卫星状态文件两类。光子数据文件是从卫星探测到的事例数据中经过光子挑选得到的，文件主要记录了光子数据的物理信息和GTI（好时间段）信息：物理信息包括光子到达时间、重建能量、重建方向、触发类型等；GTI信息记录卫星观测模式的时间信息。卫星状态文件主要记录卫星的时间、位置、速度、指向和有效时间等信息。为了便于全球的科学家用户进行数据分析，同时提供伽马射线高级数据分析软件DmpST，用以辅助进行科学数据分析。

　　此次公开发布2016年1月1日-2018年12月31日的伽马光子科学数据（共计99864个事例），以及与其相关的卫星状态文件（共计1096条记录），可通过国家空间科学数据中心（https://dampe.nssdc.ac.cn）或中国科学院紫金山天文台（http://dgdb.pmo.ac.cn/dampe/）获取。

“悟空”号伽马光子科学数据全天计数图

　　后续，国家空间科学数据中心与中国科学院紫金山天文台将持续发布伽马光子科学数据，开展数据分析与应用技术及工具的研发，为公众提供更多样、更精细、更透明的数据共享与应用服务。

发布单位：台北市立天文科学教育馆

　　在最近一次SpaceX公司天龙号太空船对国际太空站的补给任务中，有一项特别的科学酬载，是由比利时哈瑟尔特大学的一组学生所开发的实验装置“Oscar-Qube”，全名为Optical Sensors Based on Carbon materials: Quantum Belgium，是利用人工钻石打造的光学传感器，将在离地400公里的高度绘制地球磁场。

　　天龙号太空船CR23已经成功抵达国际太空站，欧洲太空总署的太空人Thomas Pesquet协助设置了Oscar-Qube。在国际太空站上有个针对教育与商业用途打造的服务平台“ICE Cubes”，让大家能在国际太空站上以微重力运行他们的实验，应用的领域包括药物开发、微生物学、材料科学、3D列印及艺术。Oscar-Qube便是透过ICE Cubes的服务进行他们的实验。

　　Oscar-Qube将会利用一种新型的磁力计，该磁力计基于人工钻石结构当中“Quantum sensing”的能力，这意味着它具有高灵敏度以及奈米级的精度，反应时间少于100奈秒。

　　这个由学生团队打造的实验如果成功，将以无与伦比的精度绘制地球磁场。Oscar-Qube会在国际太空站停留10个月的时间，在这期间团队将在地面持续管理与监控Oscar-Qube。（编译/台北天文馆虞景翔）

Oscar-Qube利用国际太空站上的ICE Cubes服务进行太空实验。

资料来源：Phys.org

发布单位：台北市立天文科学教育馆

　　棕矮星是一种质量介于行星和恒星之间的天体，一般认为质量在木星13到80倍之间，但真正的质量界线仍然存在争议，特别是因为它们的构造与低质量恒星的构造非常相似。由瑞士科学家领导的国际团队，研究5个质量接近恒星和棕矮星边界天体的特征，帮助科学家了解这些神秘天体的性质，成果发表在Astronomy & Astrophysics学刊。

　　天文学家认为恒星质量够大，能以氢融合为氦方式，释放出大量的能量。但棕矮星的质量却不足达到此反应，而是以氘融合为氦方式产生能量，由于效率较低所以棕矮星发出的光比恒星弱得多，所以被称为“失败的恒星”。论文第一作者Nolan Grieves指出：我们仍然不知道棕矮星的质量极限在哪里，以及棕矮星的化学成分、形成方式与初始半径，因此需要较多研究资料。但它们相当罕见，到目前为止，我们只研究约30颗棕矮星，相比已详细研究数百颗行星，极为稀少。

　　团队研究对象为凌日系外行星巡天卫星（TESS）所发现的5颗伴星——TOI-148b、TOI-587b、TOI-681b、TOI-746b 和 TOI-1213b，它们被称为“伴星”，是因为各自围绕其母恒星运行。天体的周期为5到27天，半径是木星的0.81到1.66倍，质量是木星的77到98倍，这使它们处于棕矮星和恒星的边界。研究人员表示：这5个天体的信息揭示棕矮星的性质，让我们能了解它们是如何形成与如此稀有。

　　科学家认为这些天体是棕矮星，根据是它们的大小和年龄之间的关系，由于棕矮星应该会燃烧氘后逐渐冷却，所以体积会随年龄而缩小。其中最老的TOI 148b和746b，具有较小的半径，而两个较年轻的星体具有较大的半径。天文学家认为这些天体是如此接近棕矮星的质量边界，值得进一步观测以了解它们。（编译/台北天文馆研究员李瑾）

棕矮星

资料来源：Science Daily

发布单位：台北市立天文科学教育馆

天文学家相信他们终于知道银河系宇宙射线的来源。

　　大约一个世纪前，科学家开始意识到，在地球大气中探测到的一些辐射并非来自本地。这最终导致了宇宙射线、高能质子和失去电子并加速到相对论速度（接近光速）的原子核的发现。

　　然而，关于它们的起源依旧是个谜。

　　由于名古屋大学领导的一项新研究，首次量化了超新星残骸中产生的宇宙射线数量，解决了一个百年之谜，并精确定位了宇宙射线来源的重要一步。

　　利用他们开发的量化星际空间伽马射线源的新方法，来观察超新星残骸（Supernova remnant）RX J1713.7-3946。

　　他们结合来自纳米比亚的VHE伽玛射线天文台的高能立体视野系统（HESS）数据、欧洲太空总署X射线多镜面任务（XMM-Newton）的X射线数据以及智利Las Campanas Observatory天文台的NANTEN射电望远镜和澳洲望远镜致密阵列（Australia Telescope Compact Array）的星际介质中气体分布的数据，确定质子占宇宙射线的67±8%，电子占33±8%，两者比例大约是7:3。

　　这是具有开创性的研究成果，借由量化宇宙射线的可能起源，得到了超新星残骸是宇宙射线来源的最明确证据。（编译/台北天文馆吴典谚）

资料来源：Science Alert

发布单位：台北市立天文科学教育馆

　　一台强大的无线电波望远镜观测了银河系的其中一个卫星星系，发现了数以千计迄今为止未知的无线电波源，在大麦哲伦星系（Large Magellanic Cloud）的方向上，数千颗附近的恒星、超新星和遥远的星系首次在无线电波段中被观测到，这些观测资料可能会孕育相关的新式科学知识。

　　这是名为「宇宙进化地图」科学项目的一部分，该计划使用澳大利亚平方公里阵列探路者（Australian Square Kilometer Array Pathfinder，简称ASKAP）设施进行，该设施是目前运行中最灵敏的无线电波望远镜之一。英国基尔大学的研究团队说明，虽然是在大麦哲伦星系的方向上，但实际上这片视野里的星空都是远在数百万甚至数十亿光年外的背景星系，我们通常能看到它们，是因为它们的中心有超大质量黑洞，尤其在无线电波段更为清晰，其中有些星系中的恒星生成速度相当惊人，研究团队进一步将这些资料与先前的观测波段相结合，将使得这些星系的观测结果更为详实。

▲NGC 2070是位于剑鱼座，大麦哲伦星系中的一个弥漫星云，亦称蜘蛛星云或剑鱼座30。(©ASKAP, Keele University)

　　大麦哲伦星系是一个矮螺旋星系，在距离银河系约16万光年的地方绕银河系运行。在大约24亿年后，它将被银河系吸收，但就目前而言，它的邻近性使它成为了解星系结构和恒星生命周期的绝佳对象。

　　研究人员与之前对大麦哲伦星系的无线电波段的调查相比，这些观测结果有了显著的改进，可以探测到超过五万个电波源，综合过去的数据以及新的观测结果，天文学家将能够更清楚地观察这些来源，了解更多关于它们的资讯，其背景的无线电波数据也可以用来分析大尺度结构下所引起的法拉第旋转，并以此计算出星系的组成或结构。

　　这证明了ASKAP在图像解析度上的精确能力，为「宇宙进化地图」的全面调查预先提供了惊鸿一瞥，该计划预计将于2022年初开始执行，相关的研究发表在7月的《皇家天文学会月报》上。（编译/台北天文馆技佐许晋翊）

资料来源：Science Alert