欧洲南方天文台十大天文学成果
酆都御史
仰观宇宙之大，俯察品类之盛2019-05-28 09:09
2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）发布了人类第一张射电成像黑洞照片，之后因为视觉中国版权事件，让很多中国人第一次了解到欧洲南方天文台这个专业研究机构。
欧洲南方天文台，英文缩写ESO，它是欧洲最重要的政府间合作科研机构，是一个由15个国家参与或支持的天文学及天体物理学研究组织。
这个机构的大型观测设施基本都建立在南半球的智利，重点观测南方天空，因此被称为“南方天文台”。ESO在智利建立了三个主要观测基地，分别是拉西拉天文台、帕瑞纳天文台、拉诺德查南托天文台。
设立ESO的目的是为欧洲各国研究机构及天文学家提供最先进的观测设施，使他们能够在最佳条件下开展前沿科学研究，以提高欧洲科研机构及学者在相关领域中的地位。它是目前世界上效率最高、成果最丰富的天文台之一。
欧洲各国天文学家利用ESO的望远镜群观测获得了许多非常重要的天文学发现及研究成果，以下为迄今为止欧洲南方天文台的十大天文学发现。
一、测量银河系中心超大质量黑洞周围的恒星轨道
银河系的中心非常拥挤，并且隐藏在浓厚的尘埃与气体中，需要极高的分辨率才能观测到，而ESO的甚大望远镜装备的自适应光学系统就能满足天文学家的要求。
在二十年前，银河系中心是否存在一个超大质量黑洞还是一个有争议的话题，经过VLT持续16年对人马座A*周围的连续观测，今日已经没有人再对这个黑洞的存在质疑了。
ESO通过观测结果绘制出了人马座A*周边近30颗恒星的轨道，揭开了银河系中心隐藏的秘密。其中一颗被称为S2的特殊恒星甚至已经高速完成了围绕黑洞一圈的完整周期，S2在接近人马座A*的短时间内距离中央黑洞只有太阳到冥王星距离的三倍，轨道速度不低于每秒5000公里。在S2高速经过近黑洞轨道的过程中，还证实了广义相对论预言的引力红移现象。
二、宇宙膨胀正在加速
自从埃德温·哈勃发现宇宙膨胀以来，天文学家试图通过测量星系红移来了解大爆炸后这种膨胀是如何随时间变化的。对此有两种主流观点，一种认为宇宙扩张速度正在放缓，并且最终会停止，甚至将会收缩。另一种观点则认为宇宙或将持续扩张下去。
所有Ia型超新星都具有相同的“当量”，因此它们在星系天文学研究中被当做标准烛光，可以确定遥远星系与我们之间较为准确的距离。
1997年，两个独立研究小组基于ESO及其他机构的望远镜对一次Ia型超新星的观测，发现宇宙似乎正在加速膨胀。
上图为ESO位于智利拉西拉天文台的3.6米新技术望远镜（NTT）连续五天观察到的超新星。爆发恒星所在的星系清晰可见，这个超新星在1997年3月13日前后达到最大亮度，之后逐渐消失。
经过对比分析这次超新星爆发的光变数据，发现即使考虑到宇宙在膨胀，与相对距离较近的同类型超新星爆发相比，这个遥远的超新星看起来还是太暗，对此唯一合理的解释就是它的距离比按照匀速膨胀宇宙模型所计算出来的距离更远，这意味着宇宙在加速膨胀。
这项研究结果在1998年被《科学》杂志评为“年度科学突破奖”，其中以美国人为主的团队还因此获得了2011年的诺贝尔物理学奖。
三、在比邻星宜居带发现一个类地行星
比邻星是半人马座α（南门二）三合星中的C星，它是距离太阳最近的恒星，只有4.22光年。这颗恒星的类型为红矮星，它是人类研究最多的低质量恒星之一。比邻星的表面温度约为3050K，亮度为太阳的0.15％，测量半径为太阳半径的14％，或者木星的1.5倍，质量约为太阳质量的12％，或者木星的150倍。
比邻星（最右）与其邻星及太阳（左）的比较
2013年的一些观测数据暗示比邻星有可能存在行星，但因为没有凌日现象，并不能完全确定。
因为比邻星是一颗红矮星，它的行星也会因此呈现微红色调，ESO的一些天文学家为此发起了被称为“淡红圆点”的观测项目。为什么给观测项目起这么一个名称，是因为在1990年，旅行者1号在飞向星际空间的过程中，发回了一张回望太阳系的照片，地球在这张照片中仅占据了不到一个像素，只是一个隐约可见的淡蓝色圆点，著名宇宙学家及科普作家卡尔萨根为此发表了《淡蓝圆点：人类未来的空间视野》，受此启发，这个项目便被称为“淡红圆点”。
2016年，“淡红色圆点”项目利用拉西拉天文台的3.6米望远镜定期对比邻星进行观测，结合其他望远镜的观察结果分析，终于发现比邻星有一个为期11.2天的摆动周期，对由此产生的细微多普勒频移仔细分析后，最终确定在距离比邻星约0.05天文单位的位置上，存在一个类地行星，它的质量至少为地球的1.3倍，公转轨道周期约为11.2天，并且它位于比邻星的“宜居带”内，表面的平均温度应该在水的液态温度范围内，这颗距离地球最近的系外行星被命名为“比邻星b”。
2017年3月，ESO的阿塔卡马射电望远镜阵列观测到比邻星亮度在10秒内增强了上千倍，随后迅速回落，这是一次比最强烈的太阳耀斑还强10倍的恒星耀斑。行星“比邻星b”在这次事件中受到的辐射，比通常太阳耀斑爆发时地球受到的辐射高出约4000倍。考虑到比邻星b近50亿年的历史中，可能曾多次遭受强烈耀斑袭击，即使表面曾有过液态水和大气，也早就被摧毁殆尽，这样的环境并不适合生命存在。
在科幻作品中，比邻星所在的南门二是一个热门话题。刘慈欣科幻小说《三体》中的三体人就居住在这个三合星系统中。在科幻电影《流浪地球》中，流浪地球的目的地也是比邻星。
现实中这个三合星系统是非常稳定的恒星系统，并且因为耀斑的因素，半人马座α星C也不是适合流浪地球的母星，倒是南门二中排第二的半人马座α星B好像更适合停靠地球。
M87*
四、获取第一张黑洞照片
2019年4月10日，多国协作的事件视界望远镜发布了位于椭圆星系M87中心的超大质量黑洞照片，这虽然是由八个地面射电望远镜合作观测的成果，但事件视界望远镜的主力是欧南台位于智利的阿塔卡玛大型毫米波阵列（ALMA）和阿塔卡马探路者实验（APEX）望远镜。
五、阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列获取的图像展示了行星的起源
阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列在亚毫米波长拍摄到了金牛座HL最清晰的图像，显示了围绕这颗距离我们约450光年的年轻恒星的原行星盘。照片比哈勃太空望远镜在可见光下拍摄的图像更清晰，揭示了原行星盘前所未有的细节，这种高分辨率只能通过ALMA的长基线能力实现。
金牛座HL诞生在星云中，在引力作用下坍塌的区域，首先形成致密的热核，最终点燃氢核聚变成为年轻的恒星。剩余的气体和尘埃包围这新生的恒星，并形成一个类似吸积盘的被称为原行星盘的物质环。随着时间推移，原行星盘中的物质通过凝聚与碰撞，尘埃微粒合并在一起，形成沙粒或卵石大小的团块。最终，小行星、彗星以及行星都在这个物质盘中产生。这些年轻的行星会清理它的公转轨道，在物质盘中产生环状间隙。
观察金牛座HL周围的行星如何形成，能使我们了解更多太阳系在40多亿年前时的状态。
六、拍摄到第一个系外行星的图像
ESO利用8.2米VLT Yepun望远镜观测位于半人马座的一颗褐矮星2M1207，拍摄到它有一颗伴星绕其公转，编号为2M1207b，它很可能是人类首次直接拍摄到的太阳系外行星图像，也是人类发现的首颗围绕褐矮星公转的行星。
这个发现之所以非常重要，是因为它开辟了天体物理学研究的全新领域：行星系统的成像与光谱研究。随着技术发展，未来将能够描绘出更多系外行星的物理结构和化学成分。
2M1207b与太阳系天体的同比例直径比较
褐矮星2M1207距离地球约173光年，只有几百万年的历史，是一个年轻的失败恒星。拍摄到的行星2M1207b的质量约为木星的20倍，距离母星约55个天文单位，随着降温，它的体积会收缩，最终可能会形成一个约5倍木星质量的行星。
星系NGC4993中发生的千新星爆发
七、观测到来自引力波源的光
2017年8月17日，美国国家科学基金会（NSF）所属的激光干涉引力波天文台（LIGO）与意大利的Virgo干涉仪同时探测到一起震荡时空的引力波，这个事件被命名为GW170817。大约两秒钟后，两个卫星轨道探测器，NASA的费米伽马射线太空望远镜和ESA的国际伽玛射线天体物理实验室（INTEGRAL），从同一天空区域探测到一次短暂的伽马射线爆发。
LIGO-Virgo引力波探测网将源头定位在南天的一个较大区域内，当智利的夜幕降临时，很多望远镜都开始注视这片天空，寻找引力波来源。其中包括欧南台的可见光与红外巡天望远镜（VISTA）和帕拉纳尔天文台的VLT巡天望远镜（VST），拉西拉天文台的快速反应自动望远镜（REM），拉斯坎布雷斯天文台的LCO 0.4米望远镜和赛拉托洛洛美洲天文台的暗能量巡天相机（DECam）。
欧南台的Swope 1米望远镜首先发现发光点，它位于长蛇座的一个透镜状星系NGC 4993，VISTA也几乎同时在红外波段精确定位了这个光源。随着晨昏线向西移动，夏威夷的全景巡天望远镜和快速反应系统Pan-STARRS以及斯巴鲁望远镜也加入了这次观测。
这简直是现代观测天文学的一次狂欢！
星系NGC4993里的中子星合并产生了引力波
欧南台更是针对这个“机会目标”发起了有史以来规模最大的观测活动，调动了几乎全部所属望远镜参与了这次观测。包括甚大望远镜（VLT）、新技术望远镜（NTT）、VST、MPG/ESO 2.2米望远镜以及阿塔卡马大毫米/亚毫米波阵列，几乎在全部波段观测了该事件及其后续现象。
全世界大约有70个天文台也观测到了这一事件，包括哈勃太空望远镜。
引力波数据和其他观测结果都将这次引力波事件的源头指向星系NGC4993，这个发生在距离地球约1.3亿光年的引力波事件是迄今为止最接近我们的伽马射线爆发源之一。
能够产生引力波事件并导致短暂伽马射线爆发的天文现象只有双中子星或中子星与黑洞合并可以解释，这种并合过程会产生各向同性的物质抛射，并且通过快中子捕获过程（R-过程）制造出重元素，不稳定的重元素会快速衰变为稳定的重元素。
与大质量恒星的死亡爆发不同，这种爆发被称为千新星事件（kilonova）。
千新星理论在30多年前就被提出，但这是第一次被确切观察到，ESO设施的观测结果与理论预测的特征非常接近。两颗中子星合并后，一股快速膨胀的放射性重元素被抛离千新星，速度达到光速的五分之一。在接下来的几天，千新星的颜色从非常蓝变为非常红，比任何观察到的其它超新星爆发都要快。
这次观测体现出欧南台各种强大的观测设备能够在短时间内应对快速、复杂的天文现象，开展有效的数据采集，这标志着观测天文学进入了多元讯息来源的新时代。
八、直接测量系外行星及其大气的光谱
2009年，欧南台使用位于智利拉西拉天文台的3.6米望远镜上安装的高精度径向速度行星搜索仪（HARPS）确认，在蛇夫座恒星GJ1214发现一个系外行星，随后命名为GJ1214b，它距离地球约40光年，半径约为地球的2.6倍，质量大约是地球的6.5倍。天文学家认为这颗行星是已发现的特征最接近地球的行星，因此这个发现非常重要。
GJ 1214 b（中）与地球和海王星的大小
虽然恒星GJ1214是一颗昏暗的红矮星，亮度只有太阳的三千分之一，但由于GJ1214b距离它太近，仅有约200万公里，公转1周只需38小时，比地球公转周期短得多。
光谱分析表明，这颗行星表面可能没有岩石裸露，100％被水覆盖，表面温度高达200℃，大气层可能主要由水蒸气组成。
九、准确测量早期宇宙的温度
天文学家利用欧南台的甚大望远镜首次探测到距离我们近110亿光年远的星系中的一氧化碳分子，这个测量结果可以准确推导出早期宇宙的温度。
测量方法是利用VLT及阶梯光栅光谱仪（UVES），观察比遥远星系更遥远的背景类星体发出的光线。
类星体是一种在极其遥远距离外仍能观测到的高光度天体，比星系小的多但释放的能量却是星系的千倍以上。
前景星系中的星际气体云，因为位于类星体和我们之间，吸收了一部分类星体发出的光，使得来自类星体的光线在光谱图像中产生吸收线。通过这种方法，天文学家在这个偏远星系的星际气体云中发现了正常的氢分子和氘代氢分子以及一氧化碳的存在，这是第一次在类星体前检测到这三种分子。
这些一氧化碳分子辐射的波长，受到星际气体的温度影响，而这些稀薄星际气体的温度就是当时的宇宙温度。通过测量宇宙微波背景辐射可知目前的宇宙余温为2.725K，由此可以推算出在110亿年前宇宙的温度应该约为9.3K。观测结果推导出的数值为9.15±0.7K，与理论预测非常吻合。
十、发现围绕一颗冷红矮星的七颗行星组成的行星系统
通过欧南台的甚大望远镜以及其它地面和太空望远镜，天文学家在距离我们仅40光年的宝瓶座冷红矮星TRAPPIST-1的周围发现了由七个类地行星组成的系外行星系统。
这七个行星都与太阳系中的地球与金星的尺寸相当，密度测量结果表明，轨道靠里面的六个行星可能都是岩石行星。并且其中的三个位于该恒星的宜居带内，它们的表面可能存在海洋，这一发现极大增加了地外生命存在的可能性。
TRAPPIST-1所有行星与太阳系4颗内行星的比较（想象图）
冷红矮星TRAPPIST-1的质量仅有太阳的8％，略大于木星，这样的矮星输出的能量比我们的太阳弱得多，它的表面温度只有约2550K。要使它的行星表面有地表水，这些行星公转轨道需要非常靠近红矮星，而这正是在这个行星系统中所看到的。
这个发现使TRAPPIST-1系统成为未来的重要研究目标，随着新一代望远镜，比如欧洲极大望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜投入使用，很快就会开始在这些系外行星上搜寻水的存在以及生命的证据。
图片来自ESO™
-----------------
