天文学新发现：从行星定义到系外宜居星球
天文学新发现：从行星定义到系外宜居星球
天文学家们最近在行星定义、星系演化、系外行星探索以及天体物理研究等领域取得了一系列重要进展。这些发现不仅帮助我们更好地理解宇宙的奥秘，还可能为未来寻找地外生命提供线索。
行星定义的新提案
有些行星科学家正在提出一种新的行星定义，以取代以太阳为中心的、过时的定义——目前学界使用的定义是国际天文学联合会（IAU）2006年提出的：行星是一种太阳系内围绕太阳运行的天体，它的质量足够大，以至于引力使它变成球形，并清除了其轨道附近的其他天体。
但实际上，太阳系外还有成千上万颗行星存在。因此，最近有篇文章主张对行星进行新的定义。文章作者认为，IAU的定义还存在有些要求过于具体、有些标准过于模糊的问题。例如，IAU说一颗行星“清除轨道”，但没有说明这是什么意思。新提出的定义则包含可量化的标准，可用于定义太阳系内外的行星。
在新定义中，行星是指符合以下条件的天体：围绕一颗或多颗恒星、褐矮星或恒星残骸运行，并且质量大于1023千克且小于13个木星质量（2.5x1028千克）。
这个定义没有规定行星的形状必须得是球形——作者认为，对形状提的要求很难实现，因为遥远的行星很少能被观察到足够细节以确定形状。即便行星通常都是球体，但在没看到遥远行星形状的情况下，特地定义“行星必须是球体”似乎没什么用。好消息是，在太阳系中，大于1021千克的天体似乎都是圆形的。因此，定义中所有满足质量下限的天体预计都是球形的。
虽然IAU正式修改行星定义可能还需要几年的时间，但研究人员希望相关文章能引发一场对话，最终产生一个更好的定义。相关研究已发表在arXiv期刊上。
星系“心肺”功能好，活到九十九
为什么星系不像天文学家们想象的那么大？冥冥之中，似乎有什么东西限制了星系吸收气体转化为恒星的数量，从而扼杀了星系的巨大潜力——换言之，星系内部有什么东西在阻止自身无休止地增长。
发表在《皇家天文学会月报》上的一项新研究得出结论：星系之所以能够避免过早死亡，是因为它们有“心脏和肺”，可以有效地调节自身的“呼吸”，防止生长失控。否则，宇宙老化的速度会比现在快得多，我们今天看到的将是巨大的“僵尸”星系，其中充斥着死亡和垂死的恒星。
星系中心特大质量黑洞气体喷流的艺术想象图。
研究人员将星系中心的特大质量黑洞比作星系心脏，而它们发出的气体和辐射喷流则被比作肺部气管。来自黑洞或者说“心脏”的脉冲可以导致喷流沿着轴线来回振荡，就像人体的横隔膜在胸腔内上下运动，给肺部充气和放气一般。恰如我们呼出暖空气那样，这会导致喷流能量被广泛地传播到周围的介质中，从而减缓星系气体的吸积和增长。
研究人员得出结论：一个星系的寿命可以在其“心肺”的帮助下延长——星系核心的特大质量黑洞引擎通过限制早期坍缩成恒星的气体数量，进而帮助抑制星系的生长。如果没有这样的机制，星系就会早早耗尽燃料，变成“僵尸”。
臭名昭著的“臭鸡蛋”行星
最近一项新研究显示，一颗因致命天气而臭名昭著的系外行星有着另一个奇怪特征——它散发着臭鸡蛋的气味。
HD 189733 b是一颗木星大小的气态巨行星，它的大气中含有微量的硫化氢。这种分子不仅会散发出恶臭，而且还为科学家了解系外气体世界提供了新的线索。
HD 189733 b的艺术想象图。
HD 189733 b距离地球只有64光年，是天文学家所能观测到的距离地球最近的“热木星”。它与宿主星的距离大约是水星与太阳距离的13倍。之所以说HD 189733 b臭名昭著，是因为它的高温达到了1700华氏度，而且狂风大作（时速5000英里的大风）。
多亏了韦布空间望远镜，科学家们在HD 189733 b上探测到了硫化氢。接下来，研究团队计划追踪更多系外行星中的硫，并试图弄清高浓度的硫与行星形成之间的关系。相关研究成果已发表在《自然》期刊上。
可能存在液态水的超级地球
最近有项研究表面，有颗温带系外行星可能是一个有冰或水的超级地球。
这颗名为LHS 1140 b的宜居带系外行星是一颗气态巨行星，拥有厚厚的富氢大气层。它位于大约48光年外的鲸鱼座，是目前已知的最有希望的宜居带系外行星候选者之一——可能拥有大气层，甚至液态水海洋。
LHS 1140 b围绕着一颗约为太阳五分之一大的低质量红矮星运行，是距离太阳系最近、位于恒星宜居带内的系外行星之一，并因此吸引了科学家的目光。
系外行星LHS 1140b的示意图，它的大小是地球的1.7倍。
关于LHS 1140 b的一个关键问题是，它究竟是一颗迷你海王星类型的系外行星，还是一颗超级地球——一颗比地球更大的岩质或富含水的行星。
观测结果表明，LHS 1140 b更可能是一颗超级地球，甚至可能拥有与地球一样的富氮大气层。然而，研究小组警告说，要想确认这点，还需要使用韦布空间望远镜进行更多的观测。研究还显示，LHS 1140 b很可能类似于一颗雪球或冰行星，可能存在液态海洋。如果LHS 1140 b真的拥有类似地球的大气层，那么它将是有一片直径约4000公里的海洋（相当于大西洋表面积的一半），海洋中心的表面温度甚至可以达到舒适的20摄氏度。
LHS 1140 b的潜在大气层和液态水的有利条件使其成为未来宜居性研究的特殊候选者。换言之，如果要往太阳系外寻找新的家园，LHS 1140 b可能会是一个不错的选择。相关研究已发表在arXiv期刊上。
揭开天体高能电子产生之谜
近日，国家天文台天体丰度与星系演化研究团组联合北京大学、中国科学院物理研究所、上海交通大学等多家单位在上海神光二号（SG-II）装置上首次实现了大尺度动理学湍流等离子体中的电子随机加速过程，揭开了复杂天体环境中高能电子的产生谜团，研究成果于近期在国际科学期刊《自然-通讯》发表。
图为实验室产生电子随机加速过程的艺术图。图中红色小球代表被加速的高能电子，白色曲线代表随机加速电子的运动轨迹，背景紊乱的结构代表天体中大尺度湍流等离子体。
天体中高能粒子的起源问题长期困扰着天体物理学家（Science发布的125个科学问题之一）。磁重联加速、冲击波加速和随机加速等多种机制被提出用来解释不同天体环境中高能粒子的产生。近期实验室天体物理在粒子加速方面取得了一系列重要进展，在实验室实现了湍流磁重联加速和冲击波加速。然而到目前为止随机加速机制还未被证实，其主要难点在于如何在实验室产生和天体类似的大尺度动理学湍流等离子体。
论文第一作者袁大伟博士介绍，研究团队利用SG-II装置在实验室产生超音速对流等离子体，束流速度各向异性诱导电磁Weibel不稳定性的产生和发展，进而诱发形成大尺度的等离子体紊乱结构（~1×2×2 mm3），采用傅里叶频谱分析发现：该紊乱结构的功率谱与动理学湍流谱高度一致，实验还同时测量来自于不同角度的高能电子幂律谱。理论模拟发现，该高能电子主要来自于湍流等离子体中的热电子与磁岛发生多次“碰撞“获得能量增益，即湍流随机加速，该研究对于理解天体复杂环境中的粒子加速和高能辐射具有重要意义。