搜狐科技《思想大爆炸——對(duì)話科學(xué)家》欄目第140期，對(duì)話南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授張?jiān)A。

嘉賓簡(jiǎn)介：

張?jiān)A，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授。2008-2019年先后在英國(guó)哈特福德郡大學(xué)攻讀天體物理學(xué)博士學(xué)位，在西班牙加那利天體物理研究所（IAC fellow）和法國(guó)巴黎天文臺(tái)（PSL fellow）做博士后。張?jiān)A的主要研究領(lǐng)域是甚小質(zhì)量恒星與褐矮星的發(fā)現(xiàn)和研究刻畫，并在MNRAS, A&A, ApJ, Science 等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表四十多篇論文。

• Wolf 1130C是一個(gè)圍繞Wolf 1130 AB密近雙星系統(tǒng)互相繞轉(zhuǎn)的褐矮星，溫度只有330攝氏度，既不是恒星也不是行星，質(zhì)量介于恒星和行星之間。

• Wolf 1130C的年齡超百億年，化學(xué)豐度比較低，與普通褐矮星相比，這種貧金屬的褐矮星的占比不足1%，十分稀有。

• 這次的研究在太陽(yáng)系外的天體上第一次清晰地觀測(cè)到了磷化氫，加深了我們對(duì)它的理解，也對(duì)天體生物學(xué)有很好的啟發(fā)。

• 現(xiàn)在是研究天文學(xué)的“黃金時(shí)代”，有很多大型設(shè)備剛剛或即將陸續(xù)投入使用。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

近日，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校天文學(xué)與天體物理學(xué)教授Adam Burgasser所領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，在一顆名為Wolf 1130C的古老冷褐矮星大氣中探測(cè)到了磷化氫。該研究成果已在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表。

Wolf 1130C是一顆什么樣的天體？為什么鎖定Wolf 1130C作為觀測(cè)目標(biāo)的？這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有什么意義？磷化氫又有什么特殊之處？

帶著這些問題，搜狐科技對(duì)話了南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授張?jiān)A，他也是這一觀測(cè)項(xiàng)目的共同首席研究員和論文共同作者。

第一次在太陽(yáng)系外天體上觀測(cè)到磷化氫

張?jiān)A首先科普了Wolf 1130C的具體情況。

Wolf 1130是一顆貧金屬的紅矮星，“貧金屬”是指元素周期表上除了氫和氦之外的所有重元素占比較少，Wolf 1130C是這個(gè)系統(tǒng)里面的第三顆星。

此外，Wolf 1130還是雙星系統(tǒng)，它旁邊還有一個(gè)白矮星（Wolf 1130B），但因?yàn)榫嚯x紅矮星(即Wolf 1130A)特別近，非常小，溫度也不高，光度只有Wolf 1130A的1/250，所以直接觀測(cè)不到。Wolf 1130A和B之間的繞轉(zhuǎn)周期只有12個(gè)小時(shí)。

Wolf 1130C則是一個(gè)圍繞Wolf 1130 AB系統(tǒng)互相繞轉(zhuǎn)的褐矮星，旋轉(zhuǎn)周期約為20萬年，它的溫度比較低，只有330攝氏度，既不是恒星也不是行星，但它的形成過程與恒星很相似，觀測(cè)特性又與木星這樣的氣態(tài)行星相似，直徑與木星的近似，但質(zhì)量大約是木星的44倍，介于恒星和行星之間。

“在銀河系演化過程中，天體的年齡與其化學(xué)豐度反相關(guān)，越早形成的天體化學(xué)豐度越低，重元素比例越低。Wolf 1130C的年齡超百億年，所以它的化學(xué)豐度大約只有太陽(yáng)的十分之一，與普通褐矮星相比，這種貧金屬的褐矮星占比不足1%，十分稀有?！睆?jiān)A解釋道。

當(dāng)然，在天文學(xué)的觀測(cè)研究上，越稀有的天體越能引起大家興趣，因?yàn)椴幌∮械囊呀?jīng)被研究過了，稀有天體通常更能揭示新的宇宙奧秘，這也是張?jiān)A選擇這顆星體研究的初衷。

隨后，張?jiān)A還對(duì)搜狐科技解釋了“磷化氫”的特殊之處。

“磷化氫是天體生物學(xué)中一個(gè)很重要的分子，有人認(rèn)為它可以作為一種‘生物印記’，上一次清晰地在天體上觀測(cè)到磷化氫是在1976年的木星上，而第一次觀測(cè)到則是在1975年的土星上，之后陸續(xù)在星際介質(zhì)和恒星演化星周盤里觀測(cè)到了這樣的信號(hào)，但是后來一直沒有在其它天體上觀測(cè)到?！?/p>

而這次的研究是在太陽(yáng)系外的天體上第一次清晰地看到了它。

“這次的發(fā)現(xiàn)深化了我們對(duì)磷化氫的了解。而且天體生物學(xué)一直在起步中，真想發(fā)現(xiàn)天體生物有可能還要再等50年甚至100年。”張?jiān)A表示，這次發(fā)現(xiàn)對(duì)天體生物學(xué)有了很好的啟發(fā)。

不過，有一點(diǎn)要注意。磷化氫氣體有兩種產(chǎn)生方式，在木星里的磷化氫跟“生物印記”是不相關(guān)的，因?yàn)樗怯纱筚|(zhì)量的恒星演化產(chǎn)生的，在木星等氣態(tài)行星以及褐矮星的超冷大氣中，其中自然產(chǎn)生的磷元素會(huì)和氫氣相結(jié)合，組成磷化氫分子，跟生物過程是沒有關(guān)系的。

“但如果把磷化氫放在地球或其的類地行星上，那它的產(chǎn)生就很可能跟生物活動(dòng)相關(guān)。因?yàn)榈厍蛏狭谆瘹渲饕獊碜愿癄€的有機(jī)沼澤這種物質(zhì)的副產(chǎn)品，比如池塘底部腐爛的生物會(huì)產(chǎn)生磷化氫氣體，尸體也會(huì)慢慢釋放，如果在其他類地行星上也有可能和厭氧生物相關(guān)?！睆?jiān)A舉例道。

發(fā)現(xiàn)磷化氫是“意外之喜”

Wolf 1130 C是2013年被發(fā)現(xiàn)的，作為該項(xiàng)目的“共同首席研究員”，張?jiān)A在國(guó)際團(tuán)隊(duì)中主要負(fù)責(zé)前期目標(biāo)源的選取，他稱這次發(fā)現(xiàn)磷化氫是“意外之喜”。

“我們團(tuán)隊(duì)會(huì)每?jī)蓚€(gè)星期開一次線上會(huì)議，在這個(gè)觀測(cè)列表中，有不少目標(biāo)天體是我之前發(fā)現(xiàn)的。而且這次能觀測(cè)到磷化氫是一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，之前其他團(tuán)隊(duì)在其它褐矮星上都沒有觀測(cè)到。”

張?jiān)A稱這次申請(qǐng)的觀測(cè)計(jì)劃大概有60個(gè)小時(shí)的時(shí)間，選取了29顆金屬豐度偏低的褐矮星作為觀測(cè)目標(biāo)，主要是想研究不同金屬豐度的褐矮星大氣變化、化學(xué)成分差別等。

所以，發(fā)現(xiàn)磷化氫，有運(yùn)氣成分的“加持”。

“對(duì)于普通的、類太陽(yáng)金屬豐度的褐矮星來說，它的二氧化碳吸收線是很強(qiáng)的，完全蓋過了磷化氫，再好的光譜也難看到里面的磷化氫，而這次我們的目標(biāo)天體是貧金屬的，里面的二氧化碳非常少，磷化氫反而加強(qiáng)了，所以很清晰的就看到了。”張?jiān)A解釋道。

雖然磷化氫信號(hào)不是張?jiān)A發(fā)現(xiàn)的，但他回看其他光譜時(shí)，還發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)金屬豐度更低的目標(biāo)天體也可能有磷化氫，只不過還需要進(jìn)一步分析。在新的申請(qǐng)計(jì)劃里，張?jiān)A也提到這個(gè)發(fā)現(xiàn)，未來會(huì)觀測(cè)更大的樣本去研究磷化氫到底是怎么來的。

不過，探測(cè)磷化氫信號(hào)也面臨著很多挑戰(zhàn)。

這次探測(cè)到的信號(hào)是在4.3微米處的紅外吸收線，這也是磷化氫在光譜上的吸收線。褐矮星內(nèi)部發(fā)出的光穿過它自己的大氣層時(shí)，會(huì)被大氣中的磷化氫分子給吸收掉一部分特定波長(zhǎng)的光，所以在光譜上就留下了“缺了一塊”的吸收帶，而這個(gè)吸收帶的形狀與磷化氫的實(shí)驗(yàn)吸收光譜完全吻合，就像“輪廓對(duì)上”一樣，所以確認(rèn)了是磷化氫。

“因?yàn)樾枰咝旁氡鹊墓庾V，但4.3微米紅外光幾乎被地球大氣完全吸收（水蒸氣、二氧化碳等干擾），地面望遠(yuǎn)鏡是無法觀測(cè)到的，所以需要在太空去觀測(cè)，還需要滿足紅外光波段和口徑大的望遠(yuǎn)鏡才行。”張?jiān)A如是說。

最終他們測(cè)得褐矮星大氣中磷化氫的豐度約為千萬分之一，團(tuán)隊(duì)使用了一種很新的大氣反演的建模技術(shù)，他們從觀測(cè)高信噪比的光譜出發(fā)構(gòu)建相應(yīng)的大氣模型，這才精確地得出了磷化氫以及水、甲烷等氣體的豐度。

現(xiàn)在是研究天文學(xué)的黃金時(shí)代

在張?jiān)A看來，韋伯望遠(yuǎn)鏡是目前能夠觀測(cè)使用的最好的儀器，可能十年內(nèi)都不會(huì)有比它更好的儀器了。

目前，張?jiān)A正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)研究Wolf 1130 AB系統(tǒng)，他也正在撰寫相關(guān)文章，主要分析A、B系統(tǒng)的元素豐度，各自質(zhì)量等等。同時(shí)他還在申請(qǐng)韋伯望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間，他稱未來想觀測(cè)更多的貧金屬褐矮星中的磷化氫，也十分期待對(duì)磷化氫的性質(zhì)有更好的理解。

“AB系統(tǒng)要比C系統(tǒng)亮很多，在C系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)磷化氫其實(shí)對(duì)研究AB系統(tǒng)并沒有直接的幫助，但可以提高關(guān)注度，因?yàn)檠芯緼B系統(tǒng)本身的性質(zhì)也可以更好地幫我們理解C系統(tǒng)?！睆?jiān)A如是說。

張?jiān)A坦言，目前我國(guó)還沒有能跟韋伯望遠(yuǎn)鏡相媲美的設(shè)備，褐矮星的溫度很低，發(fā)的紅外光比較多，需要紅外觀測(cè)，光度低就意味著它更暗，所以還需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡。但這兩方面目前都是缺少的。

“不過，我們國(guó)家也正在建設(shè)一些大型設(shè)備，但建設(shè)周期會(huì)比較長(zhǎng)。在建的新設(shè)備主要是光學(xué)的、也有大口徑的望遠(yuǎn)鏡，也非常有幫助。國(guó)外的研究開始的比較早，我們還需要時(shí)間追趕他們?！睆?jiān)A如是說。

對(duì)話最后，張?jiān)A稱現(xiàn)在是研究天文學(xué)的“黃金時(shí)代”，有很多大型設(shè)備剛剛或即將陸續(xù)投入使用。

目前，最先進(jìn)的8-10米級(jí)地面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡主要是1993-2007之間建成的。之后的18年間沒有新的十米級(jí)我已經(jīng)建成。

不過，從現(xiàn)在往后陸續(xù)會(huì)有大型觀測(cè)設(shè)備的投入，比如預(yù)計(jì)2029年投入使用的歐洲39米的極大望遠(yuǎn)鏡，我們國(guó)家的14.5米的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)2030年建成，2米口徑的中國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)在2026年發(fā)射，這些天文重器將會(huì)積累海量高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，極大的推動(dòng)天文學(xué)研究。

而且像2023年發(fā)射的Euclid太空望遠(yuǎn)鏡以及今年剛建成的薇拉·魯賓天文臺(tái)（Vera C. Rubin Observatory，VRO）原名大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST），會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)供大家分析使用，等過了一年保護(hù)期，數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)所有人使用。

“天文學(xué)是一個(gè)非常開放的學(xué)科，天文學(xué)數(shù)據(jù)資源在今后會(huì)非常豐富，現(xiàn)在是研究天文學(xué)非常好的時(shí)期，可以說是‘黃金時(shí)代’?！睆?jiān)A如是說。

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