摘自《天文爱好者》
01 早期星系使宇宙变得透明
Credit：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang (STScI)
宇宙在大爆炸后的37万到10亿年期间，曾经历了一段被称为“黑暗时期”的阶段，此时宇宙中充满中性气体，高能光子也无法穿透它们。由于地球上的观测者接收不到该时期的光子，因此这个阶段对于我们是完全不透明的。而在大爆炸10亿年后，宇宙进入再电离时期，星际空间中充满电离气体，该时期的光子可以穿过星际介质到达我们，宇宙重新变得透明。但是，这个变化是怎么发生的呢？
天文学家一直认为，是第一代恒星和星系开始了再电离时期，但是一直没有明确的证据来证明不透明度的转变。最近的一项新研究终于找到了观测证据，证实早期星系的辐射，足以加热并电离它们周围的气体。研究团队不但观测到，透明区域存在于早期星系周围，并且还测量了透明区域的大小。该项研究的结果总结在三篇论文中，发表于2023年6月12日的《天体物理学杂志》。
研究团队将观测锁定在再电离时期结束之前，当时宇宙还不是很透明，但也不是完全不透明；此时的中性气体和电离气体，可能成块的分布于不同的区域。研究人员观测了处于此时期的类星体，它的辐射就像一个巨大的手电筒，可以让天文学家研究类星体周围的气体状态：当类星体的光通过不同状态的气体团块向我们传播时，它要么被不透明的中性气体吸收，要么在透明的电离气体中自由传播。
结合韦布望远镜和多个地面望远镜的数据，研究人员确认，早期星系的确在电离它们周围的气体，并且星系被半径约200万光年的透明区域所包围，这与银河系和仙女座星系之间的距离大致相同。想象一下，每个处于再电离末期的早期星系，都被自己电离的气体所包围着；并且与星系本身相比，这些透明的电离气体区域是巨大的，就像一个气球里面悬浮着一颗豌豆。在接下来的一亿年里，随着星系的增长，这些透明的“泡泡”会不断变大，最终融合，创造一个透明的宇宙。
接下来，研究团队将更深入地研究处于再电离时期的其他五个区域，而这些区域的中心都有一个类星体。这将为解释早期宇宙的状态改变，提供更多的线索。
02 地球的形成：超乎想象的速度
Credit: James Cawley / Getty Images
每天，我们都在忙于自己的日常生活，可能不会经常去思考地球本身。但是这个星球是一切生命的源头，孕育了生命的出现。要追溯生命和人类的起源，科学家不可避免地需要了解地球是如何形成的。长期以来的观点认为，地球的形成需要1亿多年的时间；而被称为生命之源的水，应该是来自富含水的小天体与地球的幸运碰撞。然而在最近，丹麦哥本哈根大学的研究团队完成了一项新研究，并提出了完全不同的观点。
行星形成是一个复杂的过程。通常，当一颗原恒星开始形成时，其周围剩余的物质会呈现为一个扁平的旋转圆盘，称为原行星盘。原行星盘由气体、灰尘和较大的固体颗粒组成，这也是行星开始形成的最初环境。一种被广泛接受的理论认为，通过原行星盘中天体的不断碰撞和挤压，会导致行星的逐渐形成；据此估计，地球可能是在1亿多年的时间里，通过碰撞逐渐增大至现在的大小，而地球上的水可能起源于一种冰彗星，它们在地球形成的最后阶段撞击了撞击我们的星球。如果这是实际的形成过程，那么地球拥有水就是个偶然事件，是一个幸运的意外。
与这种观点相反，此次研究的团队提出了一个关于地球形成的新理论。研究人员使用硅同位素作为破译行星形成机制和形成时间尺度的工具。通过分析60多种不同陨石和地球岩石的同位素组成，研究人员能够在地球这样的岩质行星与太空天体之间，建立相应的基因关系。这种方法使研究人员能够了解形成地球的物质团块的类型，以及它们通过何种过程聚集在一起。研究结果表明，地球是由毫米大小的小卵石快速积累形成的。
新理论表明，当行星开始形成并达到一定大小时，足够大的引力会让它像真空吸尘器一样，迅速吸走周围所有尘埃。这种机制使行星能够在500万年内达到地球的大小，也就是认为地球的形成时间仅需要500万年；同时，由于原行星盘中还包含许多冰颗粒，当行星通过真空吸尘器效应吸入尘埃时，它也捕获了一部分冰。这个过程使地球在形成期间获得水的几率大大提高，确保了水被输送到我们的星球，而不是依赖偶然的碰撞事件。此次研究表明，不仅地球的形成速度比之前认为的要快得多，而且水的存在是形成过程中的必然结果。
此次的研究结论对于天文学家更多地了解系外行星至关重要。前面提到，如果地球是通过碰撞形成的，那么地球上有水就非常幸运了，说明系外的岩质行星上存在水的可能性就非常低。但是，如果地球是通过吸收尘埃形成的，那么存在水的系外行星会比之前想象的要多得多。该研究发表在2023年6月14日的《自然》杂志上。
03 新的不稳定性：黑洞喷流的X射线辐射
喷流的艺术图Credit: ESO/M. Kornmesser
天文学家已经证实黑洞喷流会辐射X射线，但喷流是怎样将粒子加速到这种高能状态的，这仍然是个未解之谜。相关的主要模型预测，喷流的X射线辐射会在长时间尺度、即数百万年内保持稳定。但是近期的一项新发现，在很大程度上排除了这个主流理论，有望借此重建喷流中的粒子加速机制。
由马里兰大学的天文学家领导的研究团队，对钱德拉X射线天文台的档案数据进行了分析，该数据也是目前所获得的分辨率中最高的。在其多次的观测结果中，研究人员挑出了几乎所有与黑洞喷流相关的数据，涉及总共53个喷流的155个不同区域。研究结果表明，在统计上，数量相当多的喷流所发出的X射线辐射并不稳定，而且在短短几年内就发生了变化。
在如此短的时间尺度上发现辐射相对频繁的变化，这很出乎意料。目前，对于阐述喷流中X射线辐射的产生方式，有两种主要模型；但产生的都是稳定的X射线辐射。其中一个模型涉及能量非常低的电子，另一个模型则涉及能量非常高的电子。对比此次研究发现的X射线辐射，这些模型与其可变性并不匹配，这意味着实际应该存在另外的物理机制。这让研究团队感到十分兴奋，因为这对于理解喷流是一次巨大的进步。
在之前的理论中，除了假设喷流的X射线辐射随时间稳定外；关于喷流如何产X射线的最简单理论，原本还假设了粒子加速的行为，发生在产生喷流的星系中心黑洞。但是此次研究发现，X射线辐射在整个喷流长度上都发生了快速变化。这表明，即使在距离黑洞、也就是喷流起源很远的地方，粒子加速的行为也仍在沿着喷流发生。
此外，该研究还有一些有趣的结果。例如，离地球较近的喷流比离地球较远的喷流具有更大的变化。我们知道，距离更远的喷流处于宇宙的更早期。研究人员认为，更早期的喷流有着较小的变化，这是符合预期的；因为早期宇宙尺度较小、且环境辐射较高，这可能导致喷流的X射线辐射拥有更高的稳定性。
尽管钱德拉X射线天文台的数据具有出色的分辨率，但数据分析还是具有相当难度。比如，在一些喷流的区域只接收到了少量的X射线光子，研究人员需要小心的提取真正的辐射变化，而不是将随机变化当成结果。研究团队发现他们的研究样本中有30%-100%的喷流在短时间内都表现出变化，这为黑洞喷流产生X射线辐射的理论带来了重大挑战。研究人员希望未来能有新理论被提出，并用以解释这次的发现。在2023年5月29日的《自然天文学》杂志上，刊登了此次的研究结果。
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