04 寻找宁静态中子星
该中子星双星系统的艺术图，蓝色为中子星，红色的是其伴星红矮星 Credit:喻京川(北京天文馆)
《自然·天文学》杂志于2022年9月22日发表了中国天文学家的一项研究成果：中国科学院国家天文台的研究人员利用郭守敬望远镜（LAMOST）探测到一颗宁静态中子星，其没有吸积、没有脉冲束。这一发现促进了对宁静态致密天体（中子星或黑洞）的探测，扩大了致密天体的样本，促进恒星形成和演化以及中子星和黑洞的物理性质和形成理论的进一步发展。
中子星是大质量恒星演化到生命尽头、发生超新星爆炸后形成的致密天体。天文学家通常通过脉冲星的脉冲信号来确定中子星，或者通过来自双星系统中致密天体吸积伴星的气体物质形成的吸积盘发出的X射线来找到中子星。而近几年随着引力波探测的发展，双中子星并合发出的引力波也被用以寻找中子星。
但并不是所有的致密天体都具有上述强烈、明显的信号。如果致密天体没有脉冲束，也并不处于强烈吸积伴星或并合的阶段，它在观测者看来就是“宁静”的，是非常不容易被探测到的。探测不到就意味着天文学家不知道有多少宁静态致密天体存在、它们的性质如何，对整个致密天体族群的认知可能就缺失了很大一部分。因此，找到探测这些宁静态天体的方法，是天文学家研究致密天体及其物理性质的关键。
目前，国家天文台的天文学家在利用LAMOST开展黑洞猎手计划，希望基于LAMOST的时域巡天数据寻找中子星或黑洞等致密天体。在挖掘数据的过程中，研究人员通过视向速度监测方法发现了一个光谱不同于单星的双星系统LAMOST J112306.9+400736。该双星系统由一颗0.6倍太阳质量的红矮星和一颗未被望远镜探测到的不可见天体组成，距离地球大约1037光年。之后，研究团队利用来自美国帕洛玛天文台的光谱观测数据和美国凌日系外行星巡天卫星（TESS）的高精度测光数据，对不可见天体进行了分析。在排除了主序星和白矮星之后，认为它是一颗约为1.2倍太阳质量的中子星。研究团队还利用中国500米口径球面射电望远镜（FAST）对这颗中子星进行了射电观测，没有观测到脉冲信号或持续的射电信号，说明该中子星的脉冲信号不存在或者非常微弱，也可能其脉冲束并未指向地球。此外，现有的X射线巡天和伽马射线巡天也没有探测到LAMOST J112306.9+400736，表明系统中的中子星并没有处于吸积其伴星物质的阶段。多种观测数据显示此中子星当前处于宁静态。
该研究团队在2019年就利用视向速度监测方法证认过一颗宁静态恒星级黑洞。该方法打破了观测脉冲信号、X射线等的局限，为发现宁静态致密天体开创了新的途径。
05 追寻宇宙第一代恒星
第一代恒星的艺术图。Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J.da Silva/Spaceengine
天文学家可能已经发现了第一代恒星的化学痕迹。利用位于美国夏威夷的双子北座望远镜，由日本东京大学领导的研究团队发现了一种不同寻常的元素比例，推断出这只能来自于300倍太阳质量的第一代恒星的爆炸死亡，为第一代恒星的存在提供了最直接的证据。《天体物理学杂志》在2022年9月28日发表了他们的研究结果。
宇宙现在约有138亿年的历史，天文学家推断第一代恒星很可能在宇宙只有1亿年的时候形成。第一代恒星被称为星族III恒星，是质量巨大、温度极高的恒星，并且它们的金属丰度非常低（天文学中称比氦更重的化学元素为金属）。然而，天文学家认为星族III恒星已经开始产生金属，这些金属被纳入下一代恒星的形成，也是形成行星、生命所必需的元素。了解第一代恒星对了解宇宙的演化至关重要，而这要求天文学家对早期宇宙进行观测和研究，但在此以前，天文学家历经数十年也没有找到星族III恒星的直接证据。
超新星爆发是星族III恒星最后的结局，恒星中的所有物质都会被抛射到周围环境中。如果要找到第一代恒星的证据，目前比较可能的方法是分析早期宇宙中星际物质的化学成分和丰度。由于化学元素会吸收和发射特定波长的光，当光穿过星际物质时，组成物质的元素会在光上留下独特的“指纹”。当这些光被观测到后，天文学家可以从中识别出化学元素并计算出丰度。
为了研究早期宇宙中的星际物质，该项研究聚焦了已知最遥远类星体的其中一个，它形成于131亿年以前，当时宇宙只有7亿年的历史。研究人员使用口径8.1米的双子北座望远镜的近红外光谱仪观测了此类星体周围的星际物质，确定了其中的化学元素。同时，他们通过从观测光谱强度中去除类星体本身光谱强度的方法，计算出了元素丰度，发现铁与镁的比例异常高，是太阳中铁镁比的10倍以上。
与理论模型对比后，研究人员认为对这种异常的元素丰度最有可能的解释是300倍太阳质量的第一代恒星死亡时的不稳定对超新星（pair-instability supernova）爆发的结果。这种超新星由于恒星中心的高能伽马光子和原子核碰撞产生电子和正电子，导致恒星辐射压下降，从而不能抵抗向内的重力，引发坍缩，超新星爆发。与留下中子星或黑洞的普通超新星爆发不同，不稳定对超新星事件威力更大，不会留下残余物，恒星的全部物质都会被抛射到周围环境中。
该研究团队认为这是迄今为止最清楚的关于星族III恒星和不稳定对超新星的观测证据。研究人员希望观测更多的早期类星体的周围环境，研究它们是否也具有这些特征，加深我们对宇宙演化的理解。
06 矮星系拥有保护罩
麦哲伦云冕的示意图。Credit: STScI, L. Hustak
数十亿年来，银河系最大的卫星星系——大、小麦哲伦云，正经历着危险的旅程：大、小麦哲伦云（矮星系）在相互绕转的同时也被拉向我们的银河系，在这个过程中它们已经开始解体，气体开始被拉出。然而，令天文学家感到困惑的是，这些矮星系比预期的要更为完整，并且仍然充满活力，新生恒星仍在麦哲伦云中继续形成，很多天文学家都在努力解释其中的原因。
利用哈勃空间望远镜和远紫外分光探测器（FUSE）的数据，由美国科罗拉多学院的天文学家领导的研究团队找到了答案：麦哲伦云被一个冕所包围，它是由热气体组成，相当于一个保护罩。冕将两个矮星系包裹起来，防止它们的气体被银河系快速吸走，从而使它们能够继续形成新的恒星。这一发现发表在2022年9月28日的《自然》杂志上。
天文学家在几年前就预测了冕的存在，原始气体云在数十亿年前坍缩形成星系，气体云的残留物就形成了矮星系的冕。在计算机模拟过程中，如果在麦哲伦云落入银河系时加入一个冕，就可以首次解释观测到的麦哲伦云气体的质量。虽然模拟对麦哲伦云的冕应该是什么样子做了许多预测，也预测了它们在数十亿年间的演化，但这些都很难在实际的观测中证实，因为尽管冕从麦哲伦云延伸超过10万光年，并覆盖了南天的很大一部分，但它实际上太暗了，是看不见的。
研究团队认为，虽然麦哲伦云的冕太暗而无法直接观测到，但它应该可以像雾一样遮住并吸收背景类星体的辐射，对背景类星体的光谱观测可以间接证实冕的存在。但是得到有用的观测数据也是困难的。冕非常弥散，还会与其他气体混合，包括源自银河系的气体。因此，探测冕需要极其详细的紫外光谱。而哈勃和FUSE的分辨率可以达到要求。研究团队梳理了哈勃和FUSE的近30年的存档，找出了位于麦哲伦云后方的数十亿光年之外的类星体的观测数据。通过分析28个类星体的紫外光谱，研究人员探测到了麦哲伦云周围物质的存在。正如预测的那样，类星体光谱展现出了碳、氧和硅的独特特征。类星体本身的光谱并没有这些特征，它们来自于麦哲伦云周围的热等离子体，确认了冕的存在。
矮星系将自己包裹在冕中，而这些冕可以作为防御其他星系的屏障。任何试图进入矮星系的物质都必须首先通过冕，此时冕能吸收掉落物质的部分影响。此外，当大型星系吸引拉扯矮星系时，冕是首先被拉出的物质，也就是说，在放弃一些冕的同时，矮星系内部的气体可以受到保护，并且能够维持形成新的恒星。由于距离我们如此之近，麦哲伦云的冕为研究矮星系如何相互作用和演化提供了理想的机会。
07 探测到最强伽马射线暴
雨燕（Swift）X射线望远镜在GRB 221009A首次被发现约一小时后拍摄到的其余辉。Credit：NASA
2022年10月9日，包括中国在内的世界多地的地面和空间望远镜都探测到了有史以来最亮的伽马射线暴（GRB）事件——GRB 221009A。此事件辐射出的光子能量最高达到了18万亿电子伏，是之前观测到的最强伽马射线暴的18倍。此外，GRB 221009A距离地球仅24亿光年，比GRB到地球的平均距离近约20倍。辐射如此之强、距离如此之近的GRB百年一遇。GRB 221009A的观测结果于2022年10月9日首次发表于天文学家电报（The Astronomer's Telegram）。
GRB是二十世纪60年代美国军用卫星意外发现的，属于河外天体。GRB是已知存在于宇宙中的具有最高能量的电磁爆发，其通常释放的能量与太阳在整个100亿年生命周期内产生的总能量相当。目前观测到的GRB被分为两类。一种为短GRB，爆发持续时间不超过两秒，约占所有GRB事件的30%，被认为是由致密天体（中子星或黑洞）的并合引起的。另一种为长GRB，爆发可以持续长达几分钟，可能是由极超新星爆发产生的。极超新星爆发是特大质量恒星在耗尽其核心的氢燃料后死亡的结果，亮度是超新星爆发的100倍。GRB 221009A爆发持续了数百秒，似乎是一个长GRB，初步分析认为它可能是由一颗30倍太阳质量以上的大质量恒星死亡所引起的。这颗恒星可能以极超新星爆发，中心坍缩成黑洞，周围物质落入黑洞形成吸积盘，并以99.99%的光速喷射出能量流。目前对于GRB 221009A还没有定论，它的余辉目前被世界各地的科学家持续关注，后续的多波段观测会帮助深入研究它的物理机制。
中国天文学家和中国的地面、空间望远镜对这次GRB事件反应非常迅速。中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）、“高能爆发探索者”卫星（HEBS）和“慧眼”卫星（Insight-HXMT）三大科学装置，同时探测到了GRB 221009A，并独家实现了从最高的十几万亿电子伏光子（LHAASO）到百万电子伏伽马射线（HEBS）和千电子伏X-射线（Insight-HXMT）的多谱段精细测量，跨越9个量级。中国天文学家在爆发后不到两天内就通过GRB协同观测网（GCN）向国际同行发布了初步观测结果。
GRB 221009A是有史以来离地球最近的GRB，它对地球电离层中的无线电通信产生了一些影响，但总体来说其距离对地球来说还是很安全的。如果GRB的距离更近，就会对我们的星球造成灾难性的影响。在距地球数千光年的范围内，如此高能的爆发将剥离地球的臭氧层，失去保护后，地球上的生物可能会大规模灭绝。事实上，据美国宇航局称，科学家认为地球历史上最大的大规模的灭绝事件之一—发生在4.5亿年前的奥陶纪大灭绝，就可能是由这样的爆发导致的。
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