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2021年，天體實體領域有哪些進展？|圖源：pixabay.com
導 讀
天文學無疑是最古老的學科之一，天體實體學又是目前實體學中最活躍的一部分。
受《知識分子》邀請，複旦大學實體學系教授施郁評介2021年實體學各領域的進展，今天刊發天體實體與航天事業的部分。本文在介紹各分支領域最新進展的同時，也解釋了相關的背景，比如對拉格朗日點及相關的航天任務，對火星探測，進行了詳細梳理。
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2021年實體學的那些進展：粒子實體部分
撰文 | 施郁（複旦大學實體學系）
責編 | 陳曉雪
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本文的進展回顧粗略分為8部分：
太陽系、望遠鏡與空間站、拍電子伏特宇宙線加速器、太陽系外行星、中子星、黑洞、星系與宇宙學、第一代恒星内的原子核反應。
01
太陽系
火星探測
中國首次火星探測任務于2013年啟動論證，2016年1月立項。
2020年7月23日，天問一号探測器成功發射。天問一号探測器由環繞器、着陸器和巡視器（火星車）組成。
天問一号在2021年2月進入火星軌道，5月登陸火星并放下火星車祝融号。祝融号在4個月中巡視了一千多公裡，蟄伏兩月後（火星到太陽另一邊時，通訊中斷），又巡視了200米，獲得很多科學資料。中國研究團隊正在分析關于火星北半球大氣的氣候、地質和曆史等資料 [1]。
祝融号距離美國的火星車毅力号一千多公裡，其探測的區域叫做烏托邦平原（Utopia Planitia），是幾十億年前一個小天體撞擊火星造成的盆地。1976年美國的旅行者2号曾經在該盆地北部登陸。
圖1祝融号火星車與着陸平台的合影。本圖由祝融号火星車拍攝，經過校正和鑲嵌拼接而成|圖源：國家航天局、新華社
祝融号是第6個成功登陸火星的火星車。在蘇聯的兩次不成功嘗試後，1997年美國将火星車旅居者号（Sojourner）送上火星。此後美國又送上了4個火星車：勇氣号（Spirit）、機遇号（Opportunity），好奇号（Curiosity）、毅力号（Perseverance），其中前兩個已停止工作。
2012年以來，好奇号一直在工作。毅力号2021年2月登陸火星，首要任務是确定火星上是否曾經有過生命。它上面還配備了無人機機智号（Ingenuity）。機智号在火星極為稀薄的大氣中實作第一次有動力的受控飛行，成為第一台在另一個星球使用動力飛行的機器。
火星上還有其他火星探測器正在工作，包括美國的洞察号（Insight）。它于2018年11月登陸，2019年2月開始工作。
目前，除了天問一号，還有幾個環繞器正在環繞火星飛行，包括2001年進入軌道的美國的奧德賽号，2003年發射的歐洲的火星快車号，2005年進入軌道的美國火星勘測軌道飛行器（MRO），2014年進入軌道的美國的 “火星大氣與揮發物演化任務”（MAVEN）和印度的火星軌道探測器（MOM），2016年進入軌道的歐洲空間局和俄羅斯的火星跟蹤氣體軌道器（TGO），2021年進入軌道的阿聯酋的希望号。
2021年12月1日，祝融号與歐洲的火星快車号軌道器進行了中繼通信試驗。2022年春節前夕，天問一号探測器傳回一組自拍視訊。
火星的星震和磁場
最近，基于美國火星探測器洞察号的測量，三個小組給出了關于火星内部結構的結果 [2-4]。結果表明，火星星震活躍，但是震級較低，大多低于4，大多數源于星殼。星殼較薄，缺少地幔礦物層，是以在火星早期，星核冷卻較快，很快産生地磁場。不同區域很快有溫度差，驅動流體發生對流，進而在初始的磁場中産生電流，電流産生磁場，磁場進一步産生電流，進而又進一步産生磁場。火星的磁場産生過程已經停止 [5]。在地球上，地核的冷卻是通過較慢的放熱，驅動流體對流，導緻地磁場。洞察号的觀測顯示，火星早期産生的磁場與目前的地磁場類似。
火星上的水
火星很冷很幹，水份主要集中于極地冰。但是它的地貌顯示出是依靠水的沖擊形成的。火星上還存在水合礦物。是以人們推測，億萬年前火星上有河流海洋，有适合生命的條件。
根據以前的觀測和模拟，人們認為，火星表面的水丢失主要是通過氧原子和氫原子（水分子由這兩種原子組成）逃逸到了外層空間，又以氫原子的逃逸為主。水蒸發成水汽，到了中層大氣後，通過光化學過程形成氫分子，向上輸運，然後分解為原子，逃逸到外層空間。與地球相比，火星較小，而且沒有一個整體的磁場屏蔽太陽風，是以大氣逃逸率比地球高。
美國的火星探測器MAVEN以及歐空局和俄羅斯的火星探測器TGO測量了目前火星的氫逃逸率，以及剩餘水分中的氫與它的同位素（同位素是指質子數相同、中子數不同的原子核）氘的含量之比（氘不逃逸），進而推測過去氫逃逸的總量。發現火星在近日點時，氫逃逸最多，水可以直接輸運到熱層，離解成原子。
以前知道，低層大氣的塵暴常常發生于近日期間，引起低層對流，促進水輸運到中層大氣。但是這些結果不足以解釋火星上水的丢失。是以有人提出，火星次表面存在還未發現的冰。
2021年，有人指出，在氫逃逸中，主要起源于低層大氣的重力波（是大氣的波動，其中重力起到回複力的作用）導緻溫度和密度的漲落，加強了大氣循環，耦合不同層的大氣，塵暴使得重力波可以直接抵達熱層，促進水向上輸運，在氫逃逸過程中至關重要 [6]。
但也是在2021年，加州理工學院的Scheller等人提出，在火星的前十到二十億年，表面上多達30%到99%的水通過化學風化，進入了地殼中的水合物中，現在存在于水合礦物中，他們認為這可能才是大多數水的去向 [7-9]。
金星無水
金星大氣中有二氧化碳，而它的表面溫度可以将鉛融化。最近瑞士日内瓦大學的Turbet等人通過模型計算提出，金星上的大氣從來沒有凝聚成水，而是輸運到暗的一邊成為雲，吸收并再發射金星發出的紅外線 [10-11]。
太陽探測
2018年，美國發射了派克号太陽探測器 [12-13]。2021年4月，派克号穿過了所謂的阿爾文面（磁場能與動能相等的面），進入磁場主宰的日冕，開始記錄太陽磁場和等離子體的資料。這是以前從未直接探測過的區域。
進入以前未探測的區域意味着新的認知。當年，蘇聯的宇宙飛船離開地球磁層，人們才發現太陽風，是超聲速等離子體（帶電粒子）流。
派克号還在繼續靠近太陽，2025年将抵達9倍太陽半徑處，所探測的太陽亮度将比地球軌道處的高475倍。探測器表面反射很大一部分入射光，但是表面溫度仍然達到1500度。探測器有個保護罩，材料是碳，有一個白瓷表面。保護罩裡面的溫度可以降到30度。用于探測太陽風帶電粒子的材料有铌、鎢、钼和藍寶石。
圖2派克号太陽探測器還在繼續靠近太陽|圖源：美國約翰霍普金斯大學應用實體實驗室
2021年10月14日，中國發射了南京大學的太陽Hα光譜探測與雙超平台科學技術試驗衛星（CHASE），即羲和号 [14]。它負載太陽望遠鏡，運作于高度為517公裡的太陽同步軌道，通過Hα譜線的探測和分析，研究太陽爆發。
天外岩石
2020年11月23日，中國的嫦娥5号月球探測器發射升空，12月1日登月，12月16日傳回地球。嫦娥5号帶回了1.7公斤月壤，這是人類自1976年以來再次獲得的月壤，來自以前美蘇未探索過的區域。2021年，中國研究人員發表了一系列分析結果 [15-18]，揭示了10億多年前月球的火山爆發和内部熱曆史方面的資訊 [19]。
2021年還有其他有關 “天外岩石” 的消息 [20]。
美國将發表最近對50年前阿波羅帶回的月壤的研究（阿波羅計劃帶回了382千克岩石、碎石、泥土，但是最近才開始研究），并計劃3年後在Artemis任務中采集月壤。
美國的毅力号得到了火星的岩石。日本的深空探測器隼鳥2号從小行星“龍宮”帶回了5克岩石。美國的OSIRIS-Rex任務采集了小行星Bennu上的樣品。美國在火星上有過5個火星車，但是毅力号第一次采集岩石帶回地球，它在不同地點搜集了很多樣品。
02
望遠鏡與空間站
天宮空間站
2021年，中國開始在軌建設空間站天宮。目前，已經發射了天和核心艙，并将3名宇航員送上核心艙，又發射了天舟三号貨運飛船。建成後，核心艙将與一艘神舟飛船、兩個空間實驗艙（夢天、問天）以及貨運飛船天舟對接。天宮空間站上将進行一千多項實驗，其中包括暗物質、宇宙線和伽馬射線暴的探測 [21]。
韋布空間望遠鏡
2021年12月25日，經過多年準備，帶着全球天文學家的希望，韋布（James Webb）空間望遠鏡成功發射。這個項目1999年獲得準許，在此之前就已準備10年 [22]。
韋布望遠鏡發射後，航行了一個月，于2022年1月24日到達太陽-地球第二拉格朗日點的暈輪軌道，繞這個拉格朗日點運作。這個拉格朗日點位于太陽和地球連線（1.5億公裡）延長 150萬公裡處。
圖32022年1月24日，韋布望遠鏡到達太陽-地球第二拉格朗日點的暈輪軌道|圖源：Adriana Manrique Gutierrez/NASA
韋布望遠鏡發射時是折疊着的，發射後進行了幾百個工程操作，包括儀器和鏡面的展開，完成了望遠鏡結構。
韋布望遠鏡是人類迄今最複雜的空間觀測裝置，有望在2022年7月開始觀測。鏡面直徑6.5米，光搜集能力是哈勃望遠鏡的5倍多，可以看到比哈勃能看到的最弱信号弱百倍的物體，主要在紅外波段工作，是以着重觀測大紅移（紅移值達到20）的遠方天體和系外行星的大氣，更多地了解宇宙中最古老的恒星以及最早的星系的形成，以及星系中心的超大品質黑洞。
回顧拉格朗日點
對于兩個在牛頓萬有引力作用下，互相環繞運動的天體，存在5個平衡點，叫拉格朗日點，在這些點上可以放上品質遠小于這兩個天體的物體，它受到兩個天體的引力與自身軌道運動導緻的離心力正好平衡。是以人造衛星特别适合放置于拉格朗日點，隻需很少的軌道校正。
五個拉格朗日點中，第四（L4）和第五拉格朗日點（L5）分别與這兩個天體構成等邊三角形，平衡是穩定的。第一（L1）、第二（L2）和第三（L3）拉格朗日點處于兩個天體連線上，平衡是不穩定的。第一拉格朗日點在兩個天體之間，靠近較小天體。第二拉格朗日點在兩個天體連線延長線上，靠近較小天體。第三拉格朗日點在兩個天體連線延長線上，靠近較大天體。
圍繞每個拉格朗日點，存在準周期（每個周期略有變化）的利薩如軌道。圍繞L1、L2或L3，還存在周期性的暈輪軌道。在這些軌道上，品質遠小于這兩個天體的物體的運作不需要動力。圍繞L1、L2或L3的這兩種軌道是不穩定的，但是很容易實作軌道位置固定。
對于太陽-地球（日地）系統來說，L1和L2靠近地球。對于地球-月球（地月）系統來說，L3更靠近地球，L1和L2更靠近月球，當然地月距離本身就短，是以這三個拉格朗日點都可以使用。經常将人造衛星放在這些點的暈輪軌道或利薩如軌道上，往往簡單地說某人造衛星處于某拉格朗日點。
位于日地L1利薩如軌道的人造衛星有：
11997年發射的美國的觀測太陽的先進成分探測器（ACT）；2
2001年發射的美國的起源号探測器（Genesis）；
3
2015年發射的美國的深空氣象觀測台（DSCOVR）。
位于日地L2利薩如軌道的人造衛星有：
12001年發射的美國的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）；22009年發射的歐洲的赫歇爾空間天文台與普朗克巡天者；32013年發射的歐洲的蓋亞任務。
位于日地L1暈輪軌道的人造衛星有：
11978年發射的歐洲和美國合作的國際彗星探測器（ISEE-3），在那裡逗留了數年時間；21995年12月發射的歐洲和美國合作的太陽及日光層探測儀（SOHO）。
位于日地L2暈輪軌道的人造衛星有：
12011年6月，中國的嫦娥二号完成探月任務後，從月球軌道出發進入日地L2的暈輪軌道。次年4月離開，進行了其他探測，目前作為太陽的第一個“人造行星”，繞太陽運作；22022年1月24日發射的美國的韋布望遠鏡。
位于地月L1和L2利薩如軌道的人造衛星有：
12011年，美國将研究地球磁層的“事件時間曆史與亞暴宏觀尺度作用”（THEMIS）衛星中的兩個分别經由地月L1和L2利薩如軌道轉移到月球軌道；22014年10月24日，中國的嫦娥五号T1（探月工程三期再入傳回飛行試驗器）發射，繞月後，11月1日服務艙與傳回器脫離，傳回器當天重返地面。服務艙11月27日轉至地月L2利薩如軌道，繞行3圈，2015年1月4日離開，進行後續任務；32018年，中國發射通信中繼衛星鵲橋号至地月L2的暈輪軌道。在此衛星上可以同時看到地球和月球背面，是以1960年代，“暈輪軌道”命名者Farquhar曾經建議阿波羅登月計劃設立這樣的中級衛星，未被實施。2019年，嫦娥四号使用鵲橋号進行了軟着陸，傳回了月球背面的圖像。
另外，2020年12月17日，完成探月任務的嫦娥五号的軌道器與傳回器分離，傳回器當日傳回地面，軌道器前往日地L1執行拓展任務。2021年3月15日抵達，9月初離開（大概運作了1圈），沒有運作軌道的報道。
拍電子伏特宇宙線加速器
宇宙線指來自來自太陽或太陽系外的高能帶電粒子，除了極少的反粒子，99%是原子核，1%是電子。這些原子核中，90%是質子（氫原子核），9%是氦原子核，1%是其他原子核。它們穿過上層大氣時，與原子碰撞可以産生π介子等。能量最低的宇宙線來自太陽，即太陽風。高能量的宇宙線來自太陽系外。空間望遠鏡和地面觀測台發現，宇宙線的能量可以超過PeV（拍電子伏特），即1015eV，也就是1千萬億電子伏特。這是目前最大的加速器LHC産生的能量的100倍。那麼這些 “拍電子伏特加速器” 位于哪裡呢？
帶電粒子的運動方向被星際和星系際磁場所改變，是以弄清它們的起源比較複雜。以前人們認為，銀河系内的宇宙線主要來自超新星遺迹（超新星爆發抛出的物質向外膨脹，與星際媒體互相作用而形成，發出的粒子從沖擊波獲得能量）。但是不清楚能量能否達到幾十太（1太=1012）電子伏特。
宇宙線與分子雲等物質的碰撞所産生的高能伽馬射線（即光子）可以提供資訊，這些伽馬射線的能量是原來的宇宙線的1/10，但是不受磁場影響，因為光子不帶電。這幫助找到了幾個 “拍電子伏特加速器” 候選者。
2016年，高能立體望遠鏡系統（HESS）合作組用位于非洲那密比亞的望遠鏡，探測到來自銀河系中心的幾十太（1012）電子伏特的光子，認為它們是由拍電子伏特的宇宙線産生，後者與銀河系中心的超大品質黑洞Sgr A*有關。
2019年，位于海拔4300米的西藏羊八井的中日合作ASγ實驗組曾探測到來自蟹狀星雲的100太（1012）電子伏特的光子。這後來被高海拔切倫科夫（HAWC）天文台和和主要大氣伽馬成像切倫科夫（MAGIC）望遠鏡證明。2020年HAWC天文台又探測到找到幾個銀河系内的 “拍電子伏特加速器”，其中一個确實與超新星遺迹有關。
宇宙線是如何被加速到拍電子伏特，然後産生這些伽馬射線呢？HAWC分析了兩例指出，宇宙線質子在星團中加速後，碰撞周圍的氣體，産生了高能伽馬射線。這挑戰了基于超新星遺迹的理論。
2021年，ASγ實驗又探測到一個0.1到1拍電子伏特的伽馬射線，基本上來自銀河系的銀道面 [23,24]。對資料拟合較好的解釋是，宇宙線質子碰撞星際物質，産生π介子，π介子衰變産生伽馬瑪射線。
2021年，中國的探測到銀河系中多達12個最強大的天體 “粒子加速器”，能量達到1.4PeV [25,26]，比以前探測到的都高。其中有一個來自天鵝座方向，與ASγ和HAWC的結果一緻。
這些光子，是人類探測到的最高能量光子。
圖4位于四川省稻城縣海子山的高海拔宇宙線觀測站。圖檔為2021年8月航拍圖|圖源：ihep.cas.cn/
04
太陽系外行星
圍繞兩個恒星的系外行星
最早發現的太陽系外的行星（簡稱系外行星）是1992年發現的圍繞中子星運動的行星。後來發現了幾千顆系外行星，而且發現銀河系内行星比恒星多。行星影響它的恒星的運動，進而改變恒星發出的光的波長，提供了間接探測系外行星的途徑。類似太陽的恒星的行星，就是用此方法首次發現的，發現者獲得2019年諾貝爾實體學獎。但是1%的系外行星是通過直接成像方法發現的。
2021年12月，瑞典斯德哥爾摩大學的Janson等人報告，他們通過直接成像方法，發現一個巨大的系外行星，品質是木星品質的幾十倍，圍繞兩個恒星（總品質是太陽品質的近十倍）運動，離恒星的距離達到日地距離的500倍，類似于太陽系邊緣的矮行星塞德娜（Sedna），但是品質是塞德娜的百萬倍 [27,28]。
這一發現對行星形成的理論帶來了挑戰，因為這個行星不大像是由通常的過程形成，而可能在其他地方形成後移動到目前的位置，或者是通過引力不穩定性形成（原行星盤的品質太大而導緻部分塌縮，而不是像通常那樣聚集塵埃）。
通常，行星形成于核吸積。環繞新的恒星，密集氣體形成原行星盤，再經過塵埃顆粒的聚集，最終成為幾十公裡大小的物體，這些物體之間又因引力而互相碰撞，并吸引附近的碎片，最終形成小的行星。如果品質足夠大，還可以吸引氣體，形成大氣。
正在形成的衛星
人們曾發現恒星PDS70有兩個氣态巨行星（類似木星）。2021年，法國Grenoble Alps大學的Benisty等人用智利的ALMA（阿塔卡瑪大型毫米與亞毫米波天線陣）發現，其中一個行星有一個氣體和塵埃組成的環，可能是正在形成的衛星 [29,30]。
05
中子星
磁星、巨耀斑與快速射電暴
極短而高能的電磁波瞬時事件，比如伽馬射線暴、快速射電暴、磁星巨耀斑，是當代天文學與天體實體的前沿課題。
伽馬射線、X射線和無線電波（又稱射電波）都是電磁波，差別隻是波長不同。伽馬射線暴是指從遙遠星系傳來的伽瑪射線突然增強又減弱，持續10微秒到幾小時，其後有其他波段的電磁波餘晖，通常認為，來自超新星爆發或中子星并合。快速射電暴是幾分之一微秒到幾個微秒的射電脈沖，2007首次發現，成因還不清楚。磁星巨耀斑是來自磁星的大約0.1秒的伽瑪射線或X射線閃耀爆發。
2020年4月15日，來自近鄰的玉夫座星系的很短但是很強烈的閃耀伽馬射線暴掠過太陽系。美國的奧德賽号火星探測器上搭載的一個俄羅斯的探測器首先探測到這個信号。6分鐘後，位于太陽與地球之間的一個太陽風探測器也記錄到這個信号。5秒鐘之後，信号到達地球附近的探測器，包括行星際網絡（IPN，由幾個空間伽馬射線探測器組成）、費米（Fermi）伽馬射線太空望遠鏡上搭載的伽馬射線暴監視系統（GBM）和大面積望遠鏡（LAT）。這個閃耀伽馬射線暴隻有幾微秒。而在一般的伽馬射線暴中，三分之二持續幾十到幾百秒，來自超新星爆發中的大品質恒星爆炸，三分之一短于2秒，來自中子星碰撞。研究人員将這個巨耀斑解釋為來自磁星的星震 [33-37]。
磁星與脈沖星都是中子星。超新星爆發時，引力将一個恒星壓縮到20公裡，成為中子星，同時也将磁場壓縮到小範圍，磁場強度增強到上百億倍，達到1億特斯拉。磁星的磁場非常強，是普通中子星的上千倍，達到一千億特斯拉。做個比喻，如果一個磁星位于月球和地球之前，我們的磁卡都要被吸過去。作為比較，地磁場是0.00005特斯拉，太陽黑子處的磁場是0.4特斯拉，磁共振成像需要的磁場是10特斯拉。
1979年，銀河系内有過一個比通常伽馬暴亮百倍的短脈沖。1992年，美國的Thompson和Duncan，以及波蘭的Paczynski獨立将此解釋為磁星。他們提出，有些中子星誕生10秒内，内部的流體攪動起來，類似地球和火星内部磁場的産生，導緻磁場增強，成為磁星。他們預言，磁星的強磁場使得自己的自轉變慢。1998年Kouveliotow觀測到這個現象。磁星的強磁場還導緻巨耀斑。這用于解釋1998和2004年的兩次短而亮的伽馬暴。
中子星形成時，經過開始的湍動階段後，最外幾米的星殼降溫，其中的重原子核冷卻，形成晶體結構，其中有電子，是以是良性導體，能将磁場帶動，電流和磁場最終導緻星殼顫動、産生裂縫乃至被大規模破壞，這又扭曲磁星外部磁場，使得電流增強十億倍，甚至能将磁力線噴出，導緻産生正負電子和光子的密集氣體，向周圍磁化的大氣抛出等離子體。等離子體發出脈動的X射線暴。在星殼下面，不同深度的不同層的旋轉速度不一樣，在界面互相擠壓，在磁場作用下，産生巨大的力量，引起星震，抛出接近光速的等離子氣體，包含正負電子和光子，在磁場的作用下，産生短而強的光，即巨耀斑。
圖5磁星是一種中子星，擁有極強的磁場|圖源：Robert S. Mallozzi, UAH/NASA MSFC
即使在平靜的階段，磁星的亮度也是太陽的百倍，而爆發時要增強萬億倍，在幾分之一秒内發出的能量可以是平時10年發出的能量還要多，也就是說，在幾個毫秒内發出的能量相當于太陽10萬年發出的能量。磁星巨耀斑在銀河系探測到過幾次，但因太明亮而未能觀測。最近銀河系外傳來這種耀斑，天文學家得以一窺細節。
IPN合作組（Svinkin 等人）和GBM合作組（Roberts等人）将2020年4月15日的閃耀伽馬射線脈沖解釋為磁星靠近磁極的星震引起的巨耀斑 [33,34]。IPN合作組（Svinkin 等人）還将此事件定位到相鄰星系NGC 253（玉夫座星系）[34]。在此基礎上，兩個小組都确定了伽馬射線譜和時間的細節，發現與已知的一個耀斑非常相像，有一個幾千分之一秒的快速過程，和一個10倍慢的衰減過程。Fermi-LAT合作組發現，在前兩個組發現的伽馬射線19秒後，又有幾分鐘更高能伽馬射線，認為是由快速運動的離子導緻 [35]。
後來，路易斯安那州立大學的Burns将3個以前觀測的銀河系附近的短伽馬暴認定為磁星巨耀斑，使得銀河系附近的總數達到7。 按此比例，百分之幾的短伽馬暴實際上應該是磁星巨耀斑。
有趣的是，在2020年4月15日的巨耀斑事件13天後，加拿大的射電望遠鏡 “加拿大氫強度映像實驗”（CHIME，該望遠鏡2018年到2019年曾發現五百多個快速射電暴）和美國的 “瞬時天文設點發射巡天2” 望遠鏡觀測到一個快速射電暴，證明也是來這個磁星。
以前觀測到的快速射電暴都很遠，這次發生在附近。這有助于澄清快速射電暴的起源。哥倫比亞大學的Metzger等人認為，磁星星震抛出的等離子體造成沖擊波，使得電子繞磁場做回旋運動，産生快速射電暴 [70]。
脈沖雙星精确檢驗廣義相對論
脈沖雙星是指脈沖星和另一個天體（可以也是脈沖星）構成的雙星。脈沖星在圍繞雙星的質心運動時，發出引力波，進而縮小雙星間的距離，改變脈沖星的軌道運動，進而改變所發出的射電脈沖到達地球的時間。這提供了引力波存在的間接證據。Hulse和Taylor因這一發現獲得1993年諾貝爾實體學獎。
2021年12月，德國馬普射電天文所的Kramer等人報告了對脈沖雙星PSR J0737-3039A/B的2003到2016年資料（來自分散在全球的6個射電望遠鏡）的分析結果。這對脈沖雙星于2003年發現，是唯一已知的由兩顆脈沖星構成的脈沖雙星，它們離地球較近（2000光年），而且軌道平面的方向很合适探測時空彎曲 [31,32]。Kramer的這一工作将廣義相對論的檢驗改進到新的水準，精度達到萬分之一，成為迄今對廣義相對論最精确的驗證。
圖6脈沖雙星|圖源：M. Kramer/ Max Planck Institute for Radio Astronomy
蟹狀星雲脈沖星發射的能量
少數脈沖星偶爾發出持續幾微秒的巨射電脈沖，比通常的脈沖亮幾百到幾千倍。蟹狀星雲裡的脈沖星當初就是通過巨射電脈沖發現的。最近國際空間站上的X射線探測器 “中子星内部組成探測器”（NICER）觀測了蟹狀星雲脈沖星，搜集了X射線和無線電波資料，發現，在巨射電脈沖時，X射線發射也增強了3.8%，是以發射的總能量是原先認知的幾十到幾百倍 [38]。
最重的中子星
NICER測量了中子星PSR J0740的品質，是2.1倍的太陽品質 [39,40]。這是目前已知最重的中子星。NICER直接探測的資訊是X射線，然後推測出品質。這是根據什麼原理呢？
中子星在觀測上表現為脈沖星，它表面上有 “熱點”。脈沖星旋轉時，“熱點”發射出X射線束，像探照燈一樣也在旋轉。但是中子星的品質所産生的引力場扭曲了光束的路徑。是以從X射線束随時間變化的情況可以推測引力情況，進而決定品質。
中子星的多信使研究
中子星上引力很強，可以檢驗廣義相對論。但是組成中子星的物質的狀态方程是未知的。繞開這個障礙的一個方法是使用與狀态方程無關的普适關系。
德國馬普引力所的Silva和合作者利用這樣的普适關系，借助NICER的X射線觀測資料所給出的品質和半徑（如上所述），得到中子星的轉動慣量、四極矩以及表面偏心率等性質。然後又結合中子星并合的引力波事件（GW170817）的資料，驗證了強引力場的性質 [41,42]。
是以，關于中子星的引力波和X射線觀測的結合帶來中子星結構的新資訊，并對廣義相對論做出新的檢驗。
06
黑 洞
超大品質黑洞的品質
以前用間接的方法确定超大品質黑洞的品質，比如利用與所在星系的大尺度性質的關系。超大品質黑洞的吸積盤較小但能量卻高，是以很不穩定，導緻輻射的随機性。美國伊利諾伊大學的Burke等人通過吸積盤的輻射通量的變化決定衰減的時間尺度這一原理，發現衰減時間與超大品質黑洞的品質的關系，進而确定超大品質黑洞的品質 [43,44]。
超大品質黑洞制造中微子
每年隻有十幾個來自宇宙深處的中微子被探測到。位于南極的中微子探測器IceCube，用1立方公裡的南極冰，裝配光子探測器，根據到達時間與亮度，計算出中微子的方向，判斷來自附近還是宇宙深處。2017年，IceCube将一個中微子追溯到一個耀變體，那是超級明亮的星系，其中的超大品質黑洞吸進物體，噴出粒子束，包括中微子 [45]。這個中微子是以前唯一被确定來源的來自宇宙深處的中微子（而非太陽中微子）。
2019年10月1日，IceCube又探測到一個可能來自宇宙深處的中微子候選者，向觀測天文學家發出資訊。加州的Zwicky瞬态設施（Zwicky Transient Facility）确定，這個中微子來自一個已知的潮汐破壞事件（TDE）：75億光年外的超大品質黑洞撕碎一個恒星 [46,45]。
這兩個宇宙中微子的發現說明，超大品質黑洞的噴流是宇宙深處高能（達到拍電子伏特）中微子的一個主要來源。宇宙中高能中微子産生于很高能量的質子，是以TDE也是高能宇宙線的一個來源。
星系噴流與磁場
幾乎所有星系的中心都有超大品質黑洞，品質是太陽的百萬到幾十億倍。我們附近星系的中心不活躍，但是有的星系的中心非常活躍，吸進物質，發出帶有巨量能量的各種電磁波。有的星系是以發出兩個非常強烈的噴流，産生電磁波，被稱作射電星系。理論上認為，噴流的産生、彙聚與形狀由磁場決定。具體來說，超大品質黑洞附近的電子速度接近光速，在磁場中進行回旋運動，發出電磁波。被磁場彙聚的粒子形成噴流，可以長達百萬乃至千萬光年，達到銀河系尺寸的百倍。但是以前的證據有限。
2021年，Chibueze等人用位于南非的MeerKAT射電望遠鏡（最靈敏的射電望遠鏡之一），得到射電星系MRC0600-399的高分辨圖像，在射電噴流的近90度彎曲點附近發現射電發射的擴散區域，并用計算機模拟證明，超音速噴流在磁場彎曲層确實發生這樣的現象 [47,48]。這個結果說明，在混亂的星系團環境中，存在有序的強磁場。這有助于了解星系成團過程中的磁場和氣體動力學。
矮星系中的黑洞
LIGO和Virgo去年宣布了引力波信号GW190521，将其解釋為品質分别是65和85太陽品質的兩個黑洞并合為142太陽品質的黑洞 [49]。但是理論上，通過超新星爆發形成的黑洞的品質不能在65到135太陽品質之間。如果品質大于65太陽品質，那麼恒星内的光産生正負電子對，進而失去支援星體外層的光壓，外層塌縮，加速核反應，星體消失，是以不能形成黑洞。如果品質大于135太陽品質，恒星則直接塌縮為黑洞。85太陽品質恰好處于這個禁區。而并合成的黑洞品質既大于來自恒星的黑洞，也不像超大品質黑洞那麼大（幾十萬到幾十億太陽品質），是第一個被發現處于這個中間品質範圍的黑洞。
2021年，費米實驗室的Palmese等人提出，這兩個黑洞分别處于兩個矮星系（低品質的星系）的中心，這樣可以避免改寫黑洞形成的理論 [50,51]。這個圖像可用于研究超大品質黑洞早期形成過程和星系演化。
黑洞發射資訊的極限
1981年，Jacob Bekenstein 從因果律和熱力學第二定律推導出，實體系統的資訊發射速率有個上限。Shahar Hod 将其變形為對弛豫時間的限制，并說明可用于黑洞弛豫到平衡的過程。
2021年4月，比薩大學的Carullo等人驗證，引力波天文台觀測到的并合黑洞滿足這個限制。他們在所有的觀測到的黑洞并合引力波事件中，選擇了可以準确确定弛豫時間的8個，對于并合所生成的黑洞，計算了機關能量的資訊發射率，達到上限的75%，是已知實體系統中最快的 [52,53]。
07
星系和宇宙學
星系旋臂
70%的星系是漩渦星系，包括銀河系。根據林家翹和許靖華的密度波理論，漩渦結構隻能出現于穩定的旋轉盤，不能出現于年輕的星系。以前，人們在113億年前的星系中發現旋臂，也就是宇宙大爆炸後約25億年後。
2021年，日本國立天文台的Tsukui和Iguchi 根據智利LAMA射電望遠鏡的資料，提出在大爆炸14億年後，某個星系已經出現旋臂 [62,63]。
脈沖星計時陣列帶來的宇宙學資訊
來自毫秒脈沖星的射頻脈沖到達地球的時間有漲落。如果這個漲落是由引力波導緻的空間距離改變引起的，那麼不同脈沖星的時間漲落就有關聯。脈沖星計時陣列的目的就是監測這些漲落，進而探測很低頻率的引力波（1-100納赫茲）。理論上，這些引力波可能來自超大品質黑洞、宇宙弦、早期宇宙相變，乃至被宇宙暴漲放大的極早期引力場的量子漲落。
2020年12月，北美的NANOGrav合作組公布了45個脈沖星在12.5年内的觀測資料。當時，有人将信号解釋為引力波，推測是源于宇宙弦或原初黑洞。
最近，NANOGrav合作組自己将之歸因于宇宙早期低能量（10MeV）的相變引起的引力波。這個相變基于超越标準模型的粒子實體理論 [54,55]。澳洲的PPTA合作組也探測到一個類似的信号，但認為是噪聲 [56]。
BICEP/Keck與暴漲模型
現代宇宙學認為，随着宇宙膨脹，充斥早期宇宙的電磁波成為今天的宇宙微波背景輻射，而宇宙大尺度結構則來自早期的密度漲落。這些密度漲落引起原初的引力波。
1980年代，為了解決标準宇宙學困難而提出的暴漲模型認為，在大爆炸之後的極短時間内，宇宙發生了急劇的指數級膨脹。宇宙暴漲使得原初引力波在宇宙微波背景輻射中産生B模。B模是電場偏振的一種行為，意思是，不同方向的電場之間的關系類似磁場（常用符号是B）的行為。然而宇宙中的塵埃也能引起這個後果。
位于南極的BICEP（宇宙銀河系外泛星系偏振背景成像）項目的目的就是測量宇宙微波背景輻射的偏振，尋找B模。2014年，BICEP曾發表B模結果，認為由原初引力波引起，但是後來澄清來自銀河系的塵埃。
現在BICEP的3個儀器加上附近的Keck陣列共同工作，形成BICEP/Keck。最近他們通過對塵埃因素的排除，給出對于引力波貢獻的限制。關鍵的量是所謂張量-标量比r，代表引力波與密度波的振幅比。最近他們宣布，r小于0.036，重新整理了以前普朗克衛星的0.11，BICEP的0.09和0.07 [57,58]。
暴漲模型有很多版本。BICEP/Keck的結果排除了某些版本。不過大多數版本的暴漲模型預言r大于萬分之一。BICEP/Keck以及其他幾個類似實驗有望達到測量更小r值的所需精度，而且日本2028年将發射一個衛星LiteBIRD，用于這個目的。在高精度下的B模結果，無論陰性還是陽性，都會引起宇宙學理論較大的改變。
早期暗能量
前幾年，超新星的資料表明，宇宙膨脹要比之前的認知快5-10%。是以有人提出 “早期暗能量”，存在于大爆炸後的前30萬年。
阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）合作組和另一個組分别分析了位于智利的ACT的2013-2016年資料，認為找到了 “早期暗能量” 的迹象。如果正确，宇宙年齡要由138億年改為124億年 [59-61]。
但這隻是初步結果，有待ACT和南極望遠鏡的進一步檢驗。這兩個望遠鏡用于測量宇宙微波背景輻射（CMB）的漲落。之前，CMB的最精确資料來自歐空局2009至2013年工作的普朗克衛星。
反星
如果宇宙中存在反物質構成的反星，那麼就會有物質-反物質湮滅成伽馬射線的事件。
法國圖盧茲大學的Dupourque等人對5787個伽馬射線源做了甄别，提出一個上限：每百萬個恒星中至多有2.5個反星 [68,69]。
08
第一代恒星内的原子核反應
古老的恒星，即所謂貧金屬星（氫和氦以外的元素含量很少）中，鈣元素特别多，理論上認為，這來自第一代恒星（即所謂第三星族恒星）死亡後發生的弱超新星爆發，而第一代恒星中的鈣又源于一系列叫做越獄反應的原子核過程，首先是氟核俘獲質子，産生光子和氖。通過這個反應，恒星從碳氮氧循環中 “越獄”，以緻産生鈣。碳氮氧循環指一連串原子核反應的循環，其中碳、氧、氮充當了催化劑的角色，淨結果是4個質子轉換為1個α粒子（即氦核）、2個正電子、2個電子型中微子和光子。
能否越獄，不但取決于氟的豐度，也取決于氟與質子的這個反應與另一種反應（産生α粒子和氧，包括3個通道：僅有這兩個粒子；伴随産生光子；伴随産生π介子）的反應率的比值。這個比值大于8，鈣元素産生和弱超新星理論才能成立。
氟是宇宙中奇特的元素，很容易與宇宙中豐富的質子和氦核（即α粒子）發生核反應，除了第一代恒星中的越獄反應，缺席恒星裡主要的原子核反應。
2021年，美國鹿特丹大學的deBoer等人分析了氟與質子的這兩個核反應的70年的資料，發現越獄反應（産生光子和氖）的反應速率存在很大不确定性，這給弱超新星模型和鈣的起源帶來了不确定性 [64,65]。
也在2021年，中國原子能科學研究院牽頭的錦屏深地核天體實體實驗（JUNA）精确測量了産生α粒子和氧（伴随産生光子）的反應速率 [66,67]。
期待他們再接再厲，測量出越獄反應（産生光子和氖）以及産生α粒子和氧的另兩個通道（僅有這兩個粒子；伴随産生π介子）的反應速率。
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