哈勃太空望远镜

“超松软”（Super-Puffs）听起来像一种新推出的早餐麦片，但实际上这是一种独特而罕见的年轻系外行星（exoplanets）的绰号。它们的密度跟棉花糖一样，我们的太阳系中并没有这种行星。 这张图描绘了类太阳恒星开普勒51和NASA开普勒太空望远镜在2012至2014年间发现的三颗巨行星。这些行星大约都与木星大小相当，但质量要比木星小的多。根据哈勃太空望远镜的最新观测，它们的密度极低，更像是泡沫聚苯乙烯，而不是岩石或水。这些行星很可能在远离恒星的地方形成，之后再向内迁移到现在的位置。如今它们膨胀的氢/氦大气正慢慢渗入太空，最终可能会留下体积更小的行星。如果我们沿着银河系的猎户座螺旋臂从开普勒51（约2600光年的距离）望向太阳，就会看到这张图所展示的星空。但我们的太阳太微弱，在模拟裸眼视图中无法看到。 Credits: NASA, ESA, and L. Hustak, J. Olmsted, D. Player and F. Summers (STScI) NASA哈勃太空望远镜的新数据为这两个超松软行星的化学性质提供了第一个线索。开普勒51这个系外行星系统是NASA开普勒太空望远镜在2012年发现的，有三个超松软行星围绕着一颗类似太阳的年轻恒星运行。直到2014年，科学家才确定这些行星的密度很低。 一个研究小组通过最近的观测结果对这些星球的质量和大小进行了估算，从而证实了它们“松软”的本性。尽管这些星球的质量也就只有地球的几倍，但其中的氢氦却膨胀到几乎是木星的大小。换句话说，这些行星看起来可能像木星一样大而笨重，但质量却轻了一百倍。 行星大气向外膨胀的原因尚不清楚，这使它们成为大气研究的主要目标。研究小组使用哈勃寻找了开普勒51b和51d行星大气中水的证据。当行星经过恒星前，哈勃观测透过行星大气的红外线，天文学家则通过推测光的吸收量来找出大气中化学成分（例如水）的明显迹象。 令该团队惊讶的是，两个行星的光谱都没有任何明显的化学特征。他们将此结果归因于大气中的粒子云。科罗拉多大学博尔德分校的Jessica Libby-Roberts表示，“这完全出乎意料。我们以为会看到很多水分子的特征，然而并没有。”与地球上水做的云不同的是，这些行星上的云可能由盐晶体或光化学烟雾（photochemical haze）组成，就像土星最大的卫星泰坦上发现的一样。 上图将开普勒51周围的三个巨行星与我们太阳系行星画在一起来比较大小。开普勒太空望远镜通过行星经过主恒星前面时形成的阴影来探测它们，没有直接成像。因此，图中开普勒51行星的颜色是虚构的，并不是它们真实的颜色。 Credits: NASA, ESA, and L. Hustak and J. Olmsted (STScI) 这些云层让该团队了解，开普勒51b和51d与我们太阳系外的其他低质量、富含气体的行星有什么不一样。将两种行星的光谱进行比较后，科学家提出假设：云的形成与行星的温度有关，行星越凉，则云约多。 研究团队还探索了这些行星实际上根本不是“超松软”的可能性。行星之间的引力使它们的轨道周期略有变化，从这些时间效应中可以计算得出行星质量。通过结合行星从恒星前经过的时间变化（称为凌日）与开普勒太空望远镜观测到的凌日现象，研究团队更准确地限制了行星质量和系统动力。他们的结果与先前对51b的测量结果一致，但同时，他们发现51d的质量比以前预测的要轻一些。 最终，研究团队得出结论，这些行星的低密度部分归因于该行星系统的年轻（仅5亿年），相比之下我们的太阳有46亿年。模型表明这些行星是在恒星“雪线”（snow line，即冰可以存在轨道区域）之外形成，之后再向内迁移。 现在，随着行星更靠近恒星，它们的低密度大气将在未来数十亿年内蒸发到太空。利用行星演化模型，研究团队得以证明，最接近恒星的开普勒51b，有一天（数十亿年后）会像是更小更热的海王星，一种在银河系中很常见的行星。而距恒星更远的开普勒51d在收缩并损失少量大气后仍将是一颗低密度的星球。科罗拉多大学博尔德分校的Zach Berta-Thompson说：“这个行星系统为测试早期行星演化的理论提供了一个独特的实验室。” 好消息是，确定这两个行星大气成分的任务已经提上日程。即将推出的詹姆斯韦伯太空望远镜对远红外光有更强的敏感性，也许能够穿越云层捕捉信号。未来的观测可以提供有关这些棉花糖行星实际组成的信息。在那之前，这些行星仍然是一个甜蜜的谜。 原文： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/cotton-candy-planet-mysteries-unravel-in-new-hubble-observations

左边是1979年3月2日由旅行者1号飞船从290万公里(180万英里)外拍摄的木卫二。下一幅是1979年7月9日旅行者2号飞船近距离接触木卫二时拍摄的彩色图像。右边是木卫二的图像，是由伽利略号飞船在20世纪90年代末拍摄的。 来源：NASA/JPL 40年前，旅行者号宇宙飞船拍摄了木卫二的第一张特写照片，木卫二是木星的79颗卫星之一。这些发现的带褐色的裂缝切割了木卫二表面的冰层，这让木卫二看起来像一个布满血管的眼球。自那以后的几十年里，前往外太阳系的任务已经积累了足够多的关于木卫二的额外信息，使它成为美国国家航空航天局(NASA)搜寻生命的高优先目标。 这颗卫星之所以如此诱人，是因为它可能拥有生命所需的所有要素。科学家有证据表明，其中一种成分——液态水——存在于冰冷的地表之下，有时可能会以巨大的间歇泉形式喷发到太空中。但是没有人能够通过直接测量水分子本身来确认这些羽状物中是否存在水。现在，一个由美国国家航空航天局(NASA)位于马里兰州绿带的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)领导的国际研究小组首次在木卫二表面探测到了水蒸气。研究小组通过位于夏威夷的世界上最大的望远镜之一在木卫二观测水蒸气。 确认木卫二上空存在水蒸气有助于科学家更好地了解卫星的内部运作。例如，它有助于支持科学家们确信的一个观点，即在卫星几英里厚的冰层下，有一个可能是地球两倍大的液态水海洋。一些科学家怀疑，这些羽状流的另一个水源可能是木卫二表面下不远的浅层融化的水冰。也有可能是木星的强辐射场正在从木卫二的冰壳中剥离水粒子，尽管最近的研究反对这种机制作为观测到的水的来源。 基本的化学元素(碳、氢、氧、氮、磷、硫)和能源是生命的三种必需元素中的两种，它们遍布太阳系。但是第三个——液态水——在地球之外有点难找到，”领导水探测调查的NASA行星科学家卢卡斯·帕格尼尼说。“虽然科学家们还没有直接探测到液态水，但我们已经发现了下一个最好的东西:水蒸气形式的水。” 帕格尼尼和他的团队11月18日在《自然天文学》杂志上发表报告说，他们发现木卫二释放出的水(每秒5202磅，或2,360公斤)在几分钟内就能填满一个奥运会标准大小的游泳池。此外，科学家们还发现，这种水出现的频率并不高，至少其数量足以从地球上探测到。帕格尼尼说:“对我来说,这个工作有趣的不仅仅是上面的第一个直接检测水欧罗巴,也缺乏的限制范围内我们的检测方法。” 帕格尼尼尼:“对我来说，这项工作的有趣之处在于，它不仅是首次直接探测到木卫二上方的水，而且在我们的探测方法范围内也没有直接探测到。” 事实上，帕格尼尼的团队在2016年至2017年的17个夜晚的观测中，仅探测到一次微弱但清晰的水汽信号。在夏威夷休眠的莫纳克亚火山上，W. M. Keck天文台上，科学家们观测到了木卫二的水分子。(与地球的卫星一样，木卫二也受重力作用而与它的主行星锁定在一起，所以前半球总是朝着轨道的方向，而后半球总是朝着相反的方向。) 他们在凯克天文台使用了一个光谱仪，通过它们发射或吸收的红外光来测量行星大气的化学成分。诸如水之类的分子在与太阳辐射相互作用时会发出特定频率的红外光。 水分子与太阳辐射相互作用时发出特定频率的红外光。 来源:Michael Lentz/NASA Goddard 越来越多水的证据 关于最近的水汽探测，在木卫二上有许多诱人的发现。第一个来自NASA的伽利略号宇宙飞船，它在1995年到2003年期间测量了木星在木卫二附近的磁场扰动。这些测量结果向科学家们表明，在木卫二的冰层下，可能是一片含盐的海洋，导电液体造成了磁干扰。当研究人员在2018年更仔细地分析这些磁场扰动时，他们发现了可能存在羽流的证据。 同时，科学家在2013年宣布，他们已经使用美国宇航局的哈勃太空望远镜检测了木卫二大气中呈羽状结构的氢（H）和氧（O）的化学元素-水的成分（H2O）。 几年后，其他科学家利用哈勃望远镜捕捉到了可能羽状流爆发的更多证据，当时他们捕捉了当木卫二经过木星前时轮廓上出现的手指状投影的照片。 洛伦兹·罗斯说：“这是首次在木卫二上直接鉴定出水蒸气，这是对我们最初发现的原子种类的重要证明，它突显了这个冰冷世界上大型羽状物的稀疏性。” 他是来自斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的天文学家和物理学家，他领导了2013年的哈勃研究，也是最近这项研究的合著者。 罗斯的研究，以及之前木卫二的其他发现，只测量了地表上的水成分。问题是在其他星球探测水蒸气是一项挑战。现有的宇宙飞船探测它的能力有限，科学家们使用地面望远镜在深空寻找水，必须考虑到地球大气中水的扭曲作用。为了最小化这种影响，帕格尼尼的团队使用复杂的数学和计算机模型来模拟地球的大气条件，这样他们就可以根据凯克光谱仪传回的数据来区分地球大气中的水和木卫二的水。 “我们进行了认真的安全检查，以除去地面观测中的可能污染物。” 帕格尼尼团队的戈达德行星科学家阿维·曼德尔（Avi Mandell）说，“但是，最终，我们必须更接近木卫二才能了解实际情况。” 科学家们很快就能接近木卫二，以解决他们关于这个可能适合居住的星球的内部和外部运行机制的悬而未决的问题。即将到来的木卫二快速帆船(Europa Clipper)任务预计将于本世纪20年代中期发射，它将为半个世纪以来的科学发现画上圆满的句号。 当它到达木卫二时，Clipper轨道飞行器将对木卫二的表面、内部深处、稀薄的大气、地下海洋以及可能更小的活动喷口进行详细的调查。Clipper将尝试拍摄任何羽状物的图像，并用它的质谱仪对在大气中发现的分子进行采样。它还将寻找富有成果的地点，未来的木卫二登陆器可以从中收集样本。这些努力将进一步揭开木卫二的秘密及其生命潜力。 帕格尼尼团队中的其他戈达德研究人员包括杰罗尼莫·维拉纽瓦、迈克尔·穆马和特里·赫福德。西南研究所的库尔特·雷瑟福也参与了这项研究。 来源：NASA Goddard 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-scientists-confirm-water-vapor-on-europa

在这张由哈勃太空望远镜拍摄的图像中，充斥在星系之间的是一些神秘的蓝光弧。这些实际上是星团后面遥远星系的扭曲图像。所有正常物质和暗物质聚集在星系团内部，它们共同的引力扭曲了时空，影响了穿过星系团向地球传播的光。 版权：美国国家航空航天局（NASA），欧洲航天局（ESA），J. Lotz和HFF团队（STScI） 暗物质的真正性质是宇宙中最大的谜团之一。科学家们正试图确定暗物质到底是由什么组成的，以便能够对其进行直接探测，但我们目前的认识有很多差距，很难知道我们究竟在寻找什么。宽视场红外巡天望远镜（Wide-Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）探测宇宙大范围区域的能力将通过探索普通物质和暗物质在空间和时间上的结构及分布来帮助我们弄清楚暗物质是由什么组成的。 为什么暗物质是一个如此令人困惑的话题？科学家们首次怀疑暗物质的存在是在80多年前，当时瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）观察到后发星系团（Coma Cluster）中的星系移动得如此之快，它们本应被抛向太空，却被看不见的物质通过引力作用与使其与星系团束缚在一起。然后在20世纪70年代，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）在单个螺旋星系中发现了同样类型的问题。恒星向星系边缘移动的速度太快，以至于不能被星系中的可见发光物质所控制 – 这些星系中一定有比我们所能看到的更多的物质来将恒星保持在轨道上。自从这些发现以来，科学家们一直在试图利用稀少的线索来拼凑这个谜题。 目前有各种各样的暗物质候选。我们甚至不知道暗物质粒子的质量是多少，这使得我们很难找到寻找它们的最佳方法。由于暗物质的引力效应，WFIRST的宽视场调查将为通过迄今为止最详细的暗物质研究提供全面的星系和星系团在宇宙中的分布情况。这些调查将对暗物质的基本性质提供新的见解，这将使科学家能够改进他们的搜索技术。 大多数关于暗物质粒子性质的理论认为，它们几乎从不与正常物质相互作用。即使有人把一大块暗物质扔到你头上，你也可能什么都看不见。你没有任何方法来探测其存在 – 当涉及到暗物质时，你所有的感官都毫无意义。你甚至无法阻止它径直穿过你的身体，冲向地心。 这不会发生在诸如猫或人等常规物质上，因为地面原子和人体原子之间的作用力阻止我们从地球表面坠落，但是暗物质的行为却很奇怪。暗物质是如此不显眼，以至于用望远镜都看不见它。望远镜以人类肉眼看不到的光的形式（从无线电波到高能伽马射线）对宇宙进行观测。 暗物质“透镜” 如果暗物质是看不见的，我们怎么知道它存在呢？虽然暗物质在大多数情况下不会与普通物质发生相互作用，但它确实会对普通物质产生引力影响（这也是几十年前暗物质是如何被首次发现），因此我们可以通过观察星系团（宇宙中最庞大的结构）来绘制暗物质的存在地图。 这张哈勃太空望远镜的马赛克图显示了巨大的后发座星系团（Coma galaxy cluster）的一部分，它包含了1000多个星系，位于3亿光年之外。其星系的快速运动是暗物质存在的第一个线索。 版权：NASA，ESA，J. Mack （STScI）和J. Madrid（澳大利亚望远镜国家设施） 光总是沿直线传播，但时空（宇宙的组成部分）却因其内部质量的聚集而弯曲。所以当光经过一个质量体时，它的路径也会弯曲：在弯曲空间中是一条直线。正常情况下，在星系团附近通过的光线会向星系团弯曲汇聚，从而产生增强的背景光源图像，有时还会产生多幅背景光源图像。这个过程被称为“强引力透镜”（strong gravitational lensing），它将星系团转变成巨大的天然望远镜，让我们得以瞥见遥远的宇宙物体，而这些物体通常因为太过微弱而无法看见。 由于更多的质量会导致更强的透镜效应，引力透镜观测提供了确定物质在星系团中的位置和数量的方法。科学家们发现，我们在星系团中看到的所有可见物质都不足以产生所观察到的扭曲效应。是暗物质提供了剩余的引力。 科学家们借助NASA的威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）等实验，通过测量最早期宇宙中有多少普通物质以及有多少暗物质，证实了之前的观察结果。尽管普通物质构成了我们所能看到的一切，但宇宙中所包含的暗物质必须是普通物质的五倍以上，才能符合我们的观测结果。 WFIRST将在先前暗物质研究的基础上，利用所谓的弱引力透镜（weak gravitational lensing）来追踪较小的暗物质团如何扭曲更遥远星系的明显形状。在这种更精细的尺度上观察透镜效应，将使科学家能够填补我们对暗物质理解的更多空白。 该任务将测量数亿星系中普通物质和暗物质的位置及数量。在整个宇宙历史中，暗物质一直推动着恒星和星系的形成及演化。如果暗物质是由重而移动速度缓慢的粒子组成，那么它将很容易聚集在一起，WFIRST应该在宇宙历史早期观测到星系的形成。如果暗物质是由更轻、移动速度更快的粒子组成，那么将需要更长的时间来形成团块，并形成大规模的结构。 WFIRST的引力透镜研究将使我们能够及时回溯，以追踪星系和星系团在暗物质影响下是如何形成的。如果天文学家能够缩小暗物质粒子的候选范围，我们就离在地球上直接探测它们又近了一步。 来源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/wfirst-will-add-pieces-to-the-dark-matter-puzzle