作者：王善钦
2019年就要结束了。在过去的一年中，有哪些非常重要甚至刷屏的天文大事？细数一下，其实不少。
这一年，诺贝尔物理学奖又一次花落天文领域：宇宙学大佬皮伯斯因为告诉我们宇宙如何演化而获得了诺贝尔物理学家奖的一半；系外行星探测的先驱麦耶与奎洛兹因为告诉我们还有一个行星绕着和太阳类似的星星转而获得了诺贝尔物理学家奖的另一半。
这一年，射电天文学又下一城，震撼全世界：全球200多个天文学家参与、8台射电望远镜联合成一个地球那么大的望远镜拍摄出的黑洞照片被公布，从此人类看到了神秘的黑洞。
这一年，“嫦娥”继续飞月，“隼鸟”进龙宫探宝：中国的嫦娥4号成为人类第一个在月球背面软着陆的探测器并放出了玉兔2号月球车，成为月球上最长命的月球车；日本的隼鸟2号则跑到小行星“龙宫”上采集岩石与泥土，创下多个记录，然后朝着返回地球的路上奔跑。
这一年，NASA的两个探测器朝着几乎相反的两个方向自由飞：新视野太空船飞掠冥王星之外的冰冷小行星“海角天涯”，帕克太阳探测器则朝着炽热的太阳继续进发。
这一年，位于中国西藏的羊八井高能粒子探测器与位于中国河北兴隆的郭守敬望远镜（LAMOST）分别探测到破纪录的“怪物”：中日高能物理学家用羊八井探测器探测到破记录的高能量光子；中外天文学家用郭守敬望远镜与Keck望远镜、GTC望远镜搜寻并确认破纪录的恒星级黑洞。
这一年，与引力波有关的研究依然炙手可热，人们在探索重元素产生之谜与致密星并合的现象方面又有新进展：丹麦天文学家在两颗中子星并合之后的“灰烬”里找到了锶元素存在的证据；中国团队发现双中子星并合后可能形成大质量磁星的证据；引力波探测器LIGO可能发现了黑洞与中子星并合发出的引力波。
纷纷扰扰的2019年，天文学家们、航天专家们与物理学家们给我们献出了一个又一个惊喜。本文梳理以上12个天文有关的进展，以飨读者。
1、皮伯斯获得2019年度诺贝尔物理学奖
2019年10月8日，瑞典皇家科学院宣布2019年度的诺贝尔物理学奖的一半由84岁高龄的詹姆斯·皮伯斯（James Peebles，1935-）获得。
皮伯斯获奖是因为在宇宙学领域的长期、原创性、影响深远的工作，因此这个奖其实更像是终身成就奖，而不是针对某个特别的成果的奖励。因为在宇宙学方面的持续推动作用，皮伯斯被誉为现代宇宙学之父。因为众多突出贡献，他此前已经拿了10个大大小小的奖，手都拿软了。诺贝尔奖这次又在他手上塞了块奖牌。
图：皮伯斯的照片（Juan Diego Soler）
皮伯斯的工作概括起来就是研究以下方面：宇宙如何演化？宇宙的结构如何形成？宇宙由什么组成？极早期宇宙中的元素如何合成？暗物质的本质是什么？暗能量的本质是什么？对于上述问题，皮伯斯都做出了突出贡献。
例如，现在宇宙学界公认宇宙大部分由暗能量构成。暗能量是起排斥作用的，会使宇宙加速膨胀。历史上，爱因斯坦提出的宇宙学常数就具有排斥作用。皮伯斯是最早提出宇宙中大部分成分是宇宙学常数的人，这个理论预测后来在1998年被两个超新星观测小组分别验证，这两个小组的学术带头人后来获得了2011年的诺贝尔物理学奖。
图：宇宙演化图。（NASA/WMAP Science Team - Original version: NASA; modified by Cherkash）
这并不是宇宙学仅有的两次诺贝尔奖。在此之前，彭齐亚斯与威尔逊因为在地面上探测到宇宙微波背景辐射而获得了1978年的诺贝尔物理学奖，斯穆特与马瑟因为领导小组用卫星探测了完整的宇宙微波背景辐射而获得了2006年的诺贝尔奖。微波背景辐射是宇宙大爆炸之后的“余烬”。 皮伯斯早年通过计算，认为宇宙中存在微波背景辐射。但赫尔曼与阿尔夫更早预测过，所以这方面皮伯斯不算第一人。
图：哈勃太空望远镜拍到的绝美宇宙（NASA/ESA）
2、麦耶和奎洛兹获得2019年度诺贝尔物理学奖
2019年物理诺奖的另外一半由米歇尔·麦耶（Michel Mayor，1942-）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz，1966-）分享，他们的因为系外行星方面的突破性成果而得奖。系外行星的全称是“太阳系外的行星”。
图：奎洛兹（左）与麦耶（右）（L. Weinstein/Ciel et Espace Phot）
长期以来，人们猜测宇宙中的恒星中有相当一部分具有行星，它们就是系外行星。但由于恒星光芒远超过周围的行星反射的光，以及探测技术的限制，人们长期以来无法探测到任何系外行星。
1992年，有人首次发现了一颗系外行星。这颗系外行星围绕一颗中子星公转，因此不大受重视，说起来也是挺冤的。1995年，麦耶与奎洛兹发现了一颗围绕着飞马座51旋转的系外行星，而飞马座51的性质类似于太阳，中国古人称之为“室宿增一”，可见这颗星是可以用肉眼直接看到的。1995年，奎洛兹29岁，还在跟随麦耶读博士。总结起来，可以用一句有些拗口的句子描述：麦耶和奎洛兹。因为这个成果，他们被授予2019年的物理诺奖。
图：图中红圈内部的黑点就是飞马座51，旁边所有光点也都是恒星（Wikipedia）
麦耶和奎洛兹与奎洛兹探测系外行星的方法是“视向速度法”。行星环绕恒星运动时，恒星也会被行星拽动，二者共同环绕一个共同的中心运动。恒星的周期性运动会导致其发出的光时而变得更红、时而变得更蓝，交替变化。如果看到一颗恒星发出的光的颜色有这样的交替变化，就可以判定它带着行星。根据恒星颜色变化的程度，还可以计算出行星的质量下限。
除了这个方法之外，还有根据恒星亮度周期性微微变暗来确定系外行星的“凌星法”，遮挡恒星之后拍照的“直接成像法”、利用引力透镜效应进行探测的“微引力透镜法”，等等。有时候，天文学家使用多个方法交叉检验，排除假信号。
过去20多年，系外行星科学获得了巨大的进步，成为天文学领域的新贵，“开普勒”望远镜共发现了几千颗系外行星，另外还发现几千颗等待确认的候选体。麦耶与奎洛兹获得物理诺奖，对于这个炙手可热的领域而言，可谓锦上添花。
3、全球多个亚毫米射电望远镜临时构成的EHT获得首张黑洞照片
理论研究认为，当一个天体的引力大到连自己发出的光都无法逃脱时，这个天体就不可以被任何接收电磁波的仪器看到，它就成为黑洞。尽管米歇尔与拉普拉斯早已根据牛顿力学的计算提出这个概念，但只有爱因斯坦的相对论可以正确描述黑洞的性质。
对黑洞的探测，一直是间接探测。过去几年来，世界上的8个射电望远镜同时对准银河系中心与M87中心，接收它们发出的电磁波，这个临时构成的射电望远镜阵列被命名为事件视界望远镜，缩写为EHT。这8个望远镜都是接受那些波长比1毫米还短一些的波，即亚毫米波。这么多望远镜同时观测同一个目标，等价于一个地球那么大的望远镜，分辨率大大提高，因此足以分辨出目标黑洞周围的细节。共有200多位来自世界各地的天文学家参与了这个项目，其中12位来自中国大陆。
2019年4月10日，EHT公布了它们拍摄到的黑洞照片，轰动了世界。黑洞不是不发光吗？怎么可以拍出照片？事实上，黑洞自身确实无法发出任何电磁波，这些望远镜接收的是它们周围的炽热物质发出的电磁波。因此，拍摄的是一个发光区域所围绕的一个黑暗区域——黑洞。
图：事件视界望远镜（EHT）获得的黑洞与黑洞周围发热物质的照片。图中颜色并非真实颜色，因为射电辐射是无色的，为了可视化，用颜色来代表射电辐射（ETH）
这就如在雪地里拍摄闭着眼睛的黑猫，黑猫不发光，也不反射光。但雪会反射光。拍出的照片，就是一团黑色被白雪围绕，我们依然可以说我么拍摄到了黑猫。被周围发光物质包围的黑洞，就像雪地里的黑猫。
霍金曾经说，寻找黑洞就像在煤矿里寻找黑猫。现在，EHT小组在雪地里找到了黑猫。眼见为实。我们终于看到了宇宙中的黑洞。
4、中国国家航天局嫦娥4号在月球背面软着陆
2019年1月3日，中国国家航天局的嫦娥4号在月球背面的冯·卡门撞击坑软着陆。大约12小时后，嫦娥4号放出“玉兔2号”月球车。
图：嫦娥4号（中国航天局）
由于月球的遮挡，月球背面的陆地上无法接收信号，为了建立通信，中国航天局先于2018年5月发射了“鹊桥号”卫星，作为中继卫星。鹊桥号位于月球背面上空，距离月球6.5万公里，与月球、地球成一直线，围绕着地月系统的“外拉格朗日点”运动。
由于月球比地球小得多，位于月球背面上方足够远的地方的附近区域可以接收到地球发射的信号。在鹊桥中继星的协助下，嫦娥4号最终在月球背面成功软着陆。
担任月球表面巡查任务的是玉兔二号。它长1.5米，宽约1米，高约1.1米（好大的兔子！），下方六个轮子，旁边两个可折叠太阳能电池板，顶部为通讯天线，身上4台相机。它作息很有规律，太阳照到时工作，太阳没照到时睡眠。
图：刚从嫦娥4号登陆器上释放到月球表面的玉兔2号月球车
至今为止，嫦娥4号与玉兔2号在月球上已经快度过一周年，功能依然正常。这个成就获得国际上的普遍赞誉。2019年11月25日，英国皇家航空学会将2019年度团队金奖颁发给嫦娥4号团队，这是该协会成立153年来首次将此奖颁发给中国团队。
5、日本航天局隼鸟2号在小行星“龙宫”上采集岩土
地球上挖掘机技术哪家强，这个问题我不用说大家也知道。但如果问小行星上挖掘机技术哪家强，估计大部分人答不上来。答案是：日本的隼鸟2号。在小行星上挖掘泥土的第一步是要先让挖掘机降落到小行星上面，而这恰恰是非常难的，因为小行星的直径远小于地球直径，对探测器的引力也就非常弱，要想精准投放挖掘机，是很难的。
早在2003年，日本日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）就发射了隼鸟2号的前辈隼鸟号。隼鸟号历经磨难，于2005年成功降落在小行星25143上。为了致敬日本火箭之父糸川英夫（Itokawa，糸，同“丝”），这颗小行星后来被命名为“糸川”。隼鸟号下方就是一根采样杆，采样杆戳到小行星表面，就算登陆成功了。因为采样杆内部的子弹无法发射出来，隼鸟号只是取到了“糸川”上几克飞溅的尘土，然后于2010年返回地球，取样成功。
2014年12月3日，JAXA发射隼鸟2号。经过近4年的飞行，隼鸟2号到达小行星“龙宫”（Ryugu）附近。“龙宫”的直径只有大约0.9千米，相比之下，地球直径是1万多千米，前者不到后者的万分之一。当然，当年隼鸟号登陆的“糸川”直径更小，只有大约535米。
图：隼鸟2号拍下的“龙宫”的外形（JAXA）
这项研究用到了NASA耗资30多亿美元的钱德拉X射线天文台。薛永泉教授长期使用钱德拉望远镜进行X射线天文学的研究，被钱德拉官网认定为钱德拉深场项目的重要参与者。
这次，薛永泉教授团队在其申请到的700万秒钱德拉南天深场（7Ms CDF-S）拍下的图像中发现了一个持续了大约7小时的特殊X射线爆发，它被命名为CDF-S XT2，简称XT2。根据计算，这个源距离地球大约66亿光年。
根据这个X射线源的演化特征、其在星系中的位置以及对此类时间爆发率的计算，研究小组认为这些辐射很可能原子大质量磁星的辐射，而这个大质量磁星来自两个中子星并合。
图：薛永泉教授团队探测到的X射线的亮度演化数据与理论上的解释（左）；探测到的X射线在其星系中的位置
磁星也是中子星，但其磁场远超过普通的中子星。这个结果表明：有一部分中子星在并合之后依然会是中子星，只是质量会比并合之前大。
此前，南京大学天文学院戴子高教授于2006年在理论上预测了这种可能性。XT2的发现证实了这个可能性。这个结果可以限制中子星的一些重要性质。
图：磁星SGR 1900+14 及周围7光年跨度的环状结构（NASA/JPL-Caltech）
上图为磁星SGR 1900+14 (图中心)以及周围7光年跨度的环状结构。前者由X射线望远镜成像，后者是红外望远镜成像。X射线与红外线都没有颜色，图中只是用颜色表示，属于“伪色”成像。
12、美国引力波探测器LIGO首次发现可能的中子星与黑洞并合事件
由加州理工学院与麻省理工学院主导、多个国家与地区科学家参与的“激光引力波天文台”（LIGO）在过去几年大放异彩。2015年9月14日，LIGO探测到两个黑洞并合所发出的引力波，这是人类首次直接探测到引力波。LIGO小组的三位还在世的领袖人物因此获得了2016年的诺贝尔物理学奖。2017年8月17日，LIGO探测到两颗中子星并合所发出的引力波。一个很自然的期望就是：探测到中子星与黑洞并合的引力波。
2019年8月14日，LIGO探测到疑似的中子星与黑洞并合的引力波。尽管很多媒体宣布LIGO已经探测到中子星与黑洞并合的引力波，但事实上并没有这么确定。根据这次探测，LIGO组推断出这是一个质量超过5个太阳与一个质量低于3个太阳的天体的并合。根据分析，这次引力波事件有99%以上的概率是中子星与黑洞并合事件。
图：黑洞与中子星构成的双星的艺术想象图（Carl Knox/OzGrav ARC Centre of Excellence）
为什么不能百分之百确定那是一颗中子星与黑洞并合的事件呢？这是因为：质量超过5个太阳的致密天体显然是一个黑洞，但质量低于3个太阳的天体却未必是中子星。中子星的极限质量至今还未被确定，可能在3个太阳质量左右。一个天体在3个太阳质量以下，也有可能是黑洞，所以这次并合事件依然有可能是双黑洞并合。因此，这次疑似的中子星与黑洞并合事件没有掀起大风浪。不过，既然有这么大的概率，还是值得一提的。