恒星的年龄之谜
撰文｜约翰·马特森（John Matson）
翻译｜高瑞雪
老迈的恒星也许会因为偶然被错认为仍然青春年少而窃喜，但岁月总会在它们身上留下痕迹。通过深入研究恒星年龄与其自转速率之间的关系，恒星的年龄将不再是秘密。
天上的星星在年龄问题上忸怩作态不肯明示，一颗古老的恒星经常会被错认为还很年轻。在寻找围绕着遥远恒星运行的宜居行星时，年龄问题给天文学家造成了不小的困扰，因为恒星的年龄关系到它所能支持的生命形式。
“通过研究我们自己的星球可知，如果恒星和行星是10亿岁，那么只有最原始的微生物可能存在，”在2011年5月召开的美国天文学会会议上，美国哈佛－史密森天体物理学中心的瑟伦·迈博姆（S?ren Meibom）说，“也许恒星和行星是46亿岁？那好了，我们突然知晓，这颗行星上可能充满了复杂的智慧生命。”
但是，正如迈博姆所提出的，“恒星们没有出生证”，它们的诸多视觉特征在生命周期的大部分时间里都保持不变。不过，有一个特征确实会变：随着时间的推移，恒星的旋转速度不断变慢。“因此，我们可以把旋转速度，即恒星的自转速率，当成计量恒星年龄的时钟。”迈博姆说。
不过，首先得有人在时钟上标出数字才行。研究人员已经算出了极年轻恒星的旋转速度与年龄之间的关系。迈博姆和同事则要测量年龄稍大一些的恒星的自转速率。如果他们可以计算出不同年龄层次中恒星年龄和旋转速率间的关系，那么估算恒星的年龄将会变得容易很多，“出生证”也就用不到了。
最大爆炸理论
撰文｜迈克尔·莫耶（Michael Moyer）
翻译｜谢懿
恒星的总质量决定了恒星的演化和它的最后命运：比太阳大得多的恒星不会像太阳一样化为安静的白矮星，而是以剧烈的超新星爆发的方式壮丽收场。而新发现的一种爆发更为猛烈的超新星引起了天文学家的注意，这使得他们开始重新思考最大质量恒星的一生。
大约50亿年后，当太阳演化到生命终点时，它会蜕变为一颗安静的白矮星。质量更大的恒星则会发生爆炸，也就是超新星爆发，宇宙中作用最剧烈的事件之一，这样的爆发需要恒星质量达到太阳质量的10倍以上。几十年来，天文学家一直猜想存在一类更猛烈的恒星爆发——“对不稳定性”超新星爆发，爆发释放的能量超过普通超新星100倍。几年前，两个天文学家小组终于找到了它们，重新界定了宇宙中的天体究竟能达到多大质量。
所有的恒星都依靠压强来对抗引力。当氢这样的轻元素在恒星核心发生聚变反应时，会产生向外推的光子，抵御向内拉的引力。在更大的恒星中，核的压强高到足以聚变氧和碳这样较重的元素，产生更多的光子。但是在质量超过100倍太阳质量的恒星中，情况会发生变化。当氧离子之间开始聚变时，释放出的光子能量极高，它们瞬间就会转变成正负电子对。没有了光子，就没有了向外的压强——恒星便开始坍缩。
接着会有两种可能性。坍缩会产生更大的压强，重新点燃足够数量的氧导致能量爆发。这一爆发足以炸飞恒星外部的包层，但无法形成完全的超新星爆发。同样的过程每隔一段时间就会重复一次——天文学家将这样的恒星称为“脉动”对不稳定性超新星——直到这颗恒星损失了足够多的质量，以普通超新星的形式结束它的一生。美国加州理工学院的罗伯特·昆比（Robert M. Quimby）领导的一个小组宣布，他们已经发现了一颗这样的超新星（SN 2006gy），并提交了一篇论文。
美国国家航空航天局的三台空间望远镜拍摄到了超新星遗迹。
如果这颗恒星质量真的很大——超过130倍太阳质量，坍缩就会极快地进行并产生巨大的惯性，这样一来连氧聚变也无法阻止它。在如此小的空间中产生出如此大量的能量，最终结果就是把整颗恒星炸碎，什么都不留下。用任职于以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所的天文学家阿维沙伊·盖尔－亚姆（Avishay Gal-Yam）的话来说，这才是“真家伙、大手笔”。他的团队曾经在《自然》杂志的一篇论文中宣布发现了第一颗完全爆炸的对不稳定性超新星（SN 2007bi）。
在这些发现之前，绝大多数天文学家认为，邻近星系中的巨大恒星在死亡前会抛射掉大量自身物质，因此无法形成对不稳定性超新星。这些说法正在被重新思考，因为这些最大的爆炸已经以壮观的方式宣告了它们的存在。
超新星的“死亡伴侣”
撰文｜凯利·奥克斯（Kelly Oakes）
翻译｜王栋
如果白矮星在浩瀚的星海中拥有一颗供其吸取物质的伴星，它便不会孤寂地在沉默中灭亡，而是以一种更为壮丽的方式——超新星爆发来退出星际。在双星系统中，白矮星伴侣的身份一度十分神秘。科学家对一颗超新星伴星身份的分析表明，它很有可能是主序星。
白矮星是一种密度极高、质量曾和太阳接近的老年恒星。当恒星演化成白矮星时，它生命中最壮丽的阶段已经结束了。在辐射了数十亿年的光和热后，它缓慢地释放着残余能量，慢慢冷却，直到最后一抹光辉消失。然而，一些白矮星并不甘心自己的生命这样结束。
如果一颗白矮星属于一个双星系统，拥有一颗伴星的话，它就能避免默默消逝的宿命，而以一种更壮丽的方式谢幕——一种特殊的恒星爆炸，被称为Ia型超新星爆发。Ia型超新星爆发由白矮星从它的伴星中吸取物质开始，在整个过程中白矮星不断膨胀直到无法再变大。到那时，它就会发生向心内爆，紧接着以超新星的形式向外反弹爆发，产生的光足以照亮整个星系。
而在这一令人惊叹的过程中，那颗被白矮星掠取物质的伴星也扮演着重要角色。然而，这颗伴星的身份在很长时间里都是一个谜。理论模型认为，伴星可以是红巨星，也可以是太阳这样的主序星，也可以是白矮星。
对于2011年发现的一颗Ia型超新星，天文学家已经缩小了它的候选伴星的范围。2011年8月24日晚上8时59分，“帕洛马瞬变工厂”的一台位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳观测台的望远镜发现了一个明亮的斑点。这颗新发现的、被命名为SN 2011fe的超新星，打破了“帕洛马瞬变工厂”的天文学家发现Ia型超新星的最快纪录：爆发后仅有11个小时就被发现。
2011年12月，研究人员在《自然》杂志上发表了两篇论文，分析了对SN 2011fe超新星的观测结果。其中一篇以任职于美国伯克利劳伦斯国家实验室和“帕洛马瞬变工厂”的彼得·纽金特（Peter Nugent）为第一作者的论文提出，这颗超新星的伴星很可能是一颗主序星。在另一篇文章里，美国加利福尼亚大学伯克利分校的李卫东（Weidong Li）等人排除了伴星是红巨星的可能。
利用位于夏威夷的凯克望远镜Ⅱ的观测数据，李卫东确定了这颗超新星的位置。然后，他分析了哈勃空间望远镜在超新星爆发之前拍摄的照片，来寻找孕育这颗超新星的双星系统的线索。
超新星SN 2011fe是许多年来发现的距离地球最近的Ia型超新星，由于现在的观测仪器已经有了长足的进步，它也将是历史上被研究得最充分的超新星。上述两篇文章仅仅是一个开始。
搜寻超新星遗迹
撰文｜约翰·马特森（John Matson）
翻译｜庞玮
超新星爆发是宇宙中的突发事件，景象蔚为壮观。而Ia型超新星的爆发更为惨烈，因为这意味着一颗伴星将被吞食。Ia型超新星产生于白矮星核爆，在明亮耀眼的爆发背后却笼罩着谜题：爆发的动力来自何方？被吞食的伴星到底是何身份？
一颗Ia型超新星也许是施暴者与受害者的终极对立组合——一颗恒星从伴星那里窃取物质，达到临界质量，进而变得不稳定，最终释放出强大的核爆冲击波，足以将那可怜的受害者化为齑粉。
上述这些场景中施暴者的身份很明确：Ia型超新星爆发中，发生突然爆炸的是名为白矮星的小而致密的恒星。但是那个受害者的身份却一直是个谜。一直以来，科学家相信这些受害者都是像太阳那样的主序星，或是蓬松的红巨星。然而一些新的研究却指出，由于某些我们目前知之甚少的机制，在这些惨剧中的主角可能大多是一对白矮星，其中一个将其同伴吞食，然后自己爆发成超新星。
2012年9月27日发表在《自然》杂志上的一项研究支持后一种看法，并断言从主序星或红巨星演变而来的Ia型超新星只占少数。加那利群岛天体物理学研究所的霍奈·冈萨雷斯·埃尔南德斯（Jonay I. González Hernández）和同事对Ia型超新星SN 1006爆发中的受害者展开了搜寻，结果什么也没找到。这种伴星遗迹的缺失似乎将大型恒星排除在受害者名单之外，因为如果伴星是大型恒星，其核心应该能躲过劫难，从而遗留下来成为可观测的证据，而白矮星伴星则不会留下任何痕迹。结合其他一些对超新星伴星遗迹基本上徒劳无功的搜寻工作，研究人员推测，只有不到20％的Ia型超新星符合经典假设中的场景。
美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校拉斯坎布雷斯天文台全球望远镜网络的天文学家安德鲁·豪厄尔（D. Andrew Howell）认为，20％的估计“过于夸张”。他说，一颗比太阳稍小的普通恒星也不会留下任何可观测的痕迹，这么看来它也适合充当超新星SN 1006的伴星。
超新星SN 1006遗迹
不合群的奇特中子星
撰文｜马克·阿尔珀特（Mark Alpert）
翻译｜谢懿
科学家发现中子星卡尔韦拉与以往发现的中子星光谱相似，但在其他方面却特立独行：据观测，卡尔韦拉的银纬坐标相较于其他中子星要高，飞离银河系的速度也快于其他中子星。
我们的银河系中散落着大量死亡恒星的遗骸。在生命的最后时刻，绝大多数恒星会抛掉它们的外部包层，收缩成密度很高、个头却只有地球大小的白矮星。但是大质量恒星会以超新星爆发的方式，给自己的一生画上句号，留下一颗更为致密的中子星。中子星的直径只有20～40千米，质量却可以超过太阳。（质量更大的恒星最终会演化成黑洞。）从20世纪60年代开始，天文学家们就观测到了大量的中子星，包括高速旋转的射电脉冲星和吸积伴星物质的X射线双星。2007年8月，科学家宣布发现了一颗中子星，这可能是发现的中子星中最年老的一颗。它在小熊座中孤零零地辐射出X射线，似乎与以前观测到的中子星都不太一样。
中子星
大质量恒星在演化晚期，发生超新星爆发后，核燃料耗尽，核心在引力作用下坍缩，形成主要由中子组成的稳定星体——中子星。中子星是一种依靠简并中子产生的压力来对抗引力，使压力与引力相平衡的致密星，密度极大但体积很小。
长期以来，科学家都对中子星兴趣十足，因为它们可以帮助科学家研究极端条件下的物理规律。它们的强大引力可以把电子压入质子，从而形成中子；在中子星核心，引力甚至能够把中子压碎成夸克。为了更好地了解中子星的形成与演化，一些研究人员专注于研究孤立中子星。这种中子星，已经从造就它们的超新星爆发所产生的遗迹中脱离了。过去10多年来，天文学家利用德国的空间望远镜伦琴X射线天文台（ROSAT），通过检测X射线辐射，已经发现了7颗这样的中子星，但没有一颗能够像脉冲星一样发出射电辐射。这7颗中子星以20世纪60年代的经典电影《七侠荡寇志》（The Magnificent Seven）中7位主角的名字来分别命名，它们距离太阳都比较近（大多不超过2,000光年），年龄也不算大（不超过100万年）。
夸克
构成质子、中子这一类强子的更基本粒子被称为夸克。
加拿大麦吉尔大学的罗伯特·拉特利奇（Robert Rutledge）、美国宾夕法尼亚州立大学的德里克·福克斯（Derek Fox）及安德鲁·舍夫丘克（Andrew Shevchuk）在使用ROSAT数据寻找其他孤立中子星的过程中，在一片没有普通恒星的天区中发现了一个X射线源。他们利用空间和地面望远镜进一步观测发现，这个天体的光谱与“七侠”十分相似。但是，新发现的天体又和其他孤立中子星有着较大的差异，因此研究人员最终用电影中的反派角色卡尔韦拉为它命名。卡尔韦拉的银纬坐标高得出奇：从地球上看过去，这颗中子星位于银盘上方30度左右。（银经和银纬是以银河系为参考系的空间坐标，银河系内大多数恒星位于一个盘面之中，中子星也大多位于这一银盘面上，银纬一般为0度左右。）如果卡尔韦拉的物理特性与其他孤立中子星一样，它到地球的距离就是25,000光年，到银盘的距离为15,000光年。
艺术家描绘的孤立中子星，磁力线环绕着这个极端致密的恒星残骸。
这样的距离使得卡尔韦拉恰好位于银晕之中。银晕是包裹银河系的一个弥散球状区域。中子星不可能在银晕中形成，因此研究小组怀疑，卡尔韦拉可能是在诞生时，受到强烈的冲力而被抛出银盘的。但是，如果真像模型预言的那样，卡尔韦拉形成时间不到100万年，那么它飞离银河系的速度就会超过每秒5,000千米，比其他所有中子星的速度都要快。
脉冲星
脉冲星是一种快速自转的中子星，可有规则地发射毫秒至百秒级的短周期脉冲辐射，通常有107～109特斯拉的强磁场。若短周期脉冲辐射在射电波段发射则为射电脉冲星，其辐射波段通常为毫秒至秒级。毫秒脉冲星则指脉冲周期仅为毫秒级的脉冲星。
这些问题使得科学家重新考虑了卡尔韦拉的归类。他们推测，卡尔韦拉也许是一颗毫秒脉冲星。这种中子星通过吸积伴星物质使自转加速，自转周期可以达到毫秒级。对于卡尔韦拉而言，它的伴星也许在很久以前就被它彻底吞噬了。如果这个假设正确，卡尔韦拉到地球的距离就会近得多，介于250～1,000光年之间，一跃成为距离最近的中子星。但是，当研究人员把射电望远镜对准它的时候，他们并没有探测到卡尔韦拉发出的任何超高速脉冲辐射。福克斯说：“这无疑使卡尔韦拉变得更加神秘。”这些研究人员正计划通过更多的观测来查明它的性质。同时，他们也要研究其他10个孤立的X射线源，或许它们也会让科学家困惑不解。
老电影——《七侠荡寇志》
《七侠荡寇志》，又译为《豪勇七蛟龙》，改编自《七武士》，是好莱坞集合众多动作片演员拍摄的一部西部电影，于1960年上映。
影片讲述了墨西哥的一个小镇屡屡遭到强盗抢劫，万般无奈之下镇民寻找枪手来保卫家园。最后共有七名充满正义感而且身怀绝技的勇士来到村庄，力战一百多名强盗，最终将他们歼灭。而七名勇士中的四名也为了村子的和平献出了宝贵的生命。
话题七 宇宙空间的隐形“居民”
在浩瀚无垠的宇宙中，居住着数不清的天体。要想了解它们可没有那么容易——除了距离遥远，它们中的大部分还不可见。在一些星系的中心，就隐藏着一种神秘的天体：黑洞。它吞噬一切物质，包括光。还有一些物质人们怎么都观测不到，不过它们的质量不容忽视。人们将这些不可见的物质称为暗物质。不过即使难以观测，科学家们还是想出了各种办法来了解它们。
从黑洞中挽救数据
撰文｜明克尔（JR Minkel）
翻译｜刘旸
黑洞吞噬的数据可能会以霍金辐射的形式泄漏出来，而且如果黑洞的寿命过半，那用不了太久数据就可通过分析得到恢复。
并非所有被黑洞吞噬的东西都会消失；数万亿年后，被吞噬的数据可能会以霍金辐射的形式泄漏出来。一项分析指出，数据的恢复过程可以比原先认为的过程更快。设想爱丽丝把一些量子比特抛入一个相对年轻的黑洞；鲍勃要等到黑洞寿命过半，才能获得足够的霍金辐射来重构这些比特。不过，如果爱丽丝等到黑洞寿命过半才抛出这些比特，而且鲍勃在此前已经让自己的一些比特与爱丽丝的发生纠缠，让它们可以跨越任何距离仍然联系在一起，情况就大不一样了。
爱丽丝扔出去的比特会把纠缠传递给黑洞向外发射的霍金辐射。鲍勃只要在爱丽丝扔出比特之后，抓住几个比特的霍金辐射，再让它们与自己的比特混合，就可以从理论上重构出爱丽丝的比特。鲍勃抓住的辐射粒子，数量只需要比爱丽丝扔出去的比特多10％；考虑到黑洞每秒可以发射多达1,000个比特的霍金辐射，鲍勃用不了太久就能恢复被爱丽丝丢进黑洞的数据。
比特
比特是信息量的度量单位，指二进制中的一位所包含的信息量。
霍金也许是对的
撰文｜约翰·马特森（John Matson）
翻译｜庞玮
相比于笼罩在各种光环下大名鼎鼎的霍金本人，他的重要预言霍金辐射却被公众淡忘了。但科学家们从未停止探索的脚步，一群意大利科学家就通过在实验室里再现“事件视界”，观测到了与霍金的预言相符的结果，但他们观测到的是否就是霍金辐射目前还无法确定。
1974年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）预言，黑洞的外边缘会释放出微弱的粒子流，形成所谓的霍金辐射。该理论不仅确立了霍金顶尖科学家的地位，而且为他成为公众瞩目的明星铺平了道路。看看他那些频频引发话题的畅销书，还有在著名动画片《辛普森一家》（The Simpsons）里的客串演出，其受关注程度可见一斑。在各种光环的笼罩之下，大家只知道霍金辐射是与黑洞相关的神秘现象，而最初的那个理论却被人们，至少是被公众淡忘了。微弱的霍金辐射从未在天文观测中被证实，研究者也未能通过实验手段产生这种效应。
一群意大利科学家则另辟蹊径，来检验霍金的预言。他们用一块玻璃再现了黑洞的“事件视界”。一旦进入事件视界，任何事物都无法逃脱，即便以光速运动也是枉然。霍金却认为，正是在这个边界上会有辐射产生。他的推理是，既然普通物质和光都能被吸入事件视界，那么不断产生又消失的虚粒子应该也难逃厄运；这些虚粒子是借由量子规律从真空中成对产生的短命鬼，在宇宙中的绝大多数地方，虚粒子对都转瞬即逝，产生出来很快又湮灭于真空之中；但在黑洞事件视界边缘，虚粒子对中的一个粒子可能坠入事件视界，留下另一个粒子以辐射的方式逃离黑洞。
意大利英苏布里亚大学的物理学家达尼埃莱·法乔（Daniele Faccio）和同事一起，在一块2厘米长的熔融石英玻璃器件中制造出了事件视界。选用这种玻璃是因为，在强激光脉冲的照射下，脉冲点周围的光速会被减慢，甚至可以降低到零，于是在脉冲点周围就形成了一个事件视界，随着脉冲一起运动。任何光子都无法穿透这一事件视界。如果在接近这个事件视界的地方有一对虚光子产生，其中一个光子就有可能被运动中的事件视界扫除，另一个光子则得以逃逸，二者无法相遇湮灭而重归真空。法乔等人在实验中记录到了从玻璃中向外射出的光子，平均每100个脉冲就有1个此类光子出现，而且所有特征都与霍金预言的辐射相吻合。他们已经将实验结果发表在了2011年出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
对于如何解释这些观测结果，物理学家仍有分歧。苏格兰圣安德鲁斯大学的乌尔夫·伦哈特（Ulf Leonhardt）认为，该实验的确是人类第一次观察到霍金辐射。其他人则不那么确定。美国马里兰大学的西奥多·雅各布森（Theodore A. Jacobson）说，他更倾向于相信另一个研究组公布的结果——他们在流水中观察到了霍金辐射的非量子对应物。他指出，法乔的小组尚不能确定光子是在事件视界边缘成对产生的。法乔自己也提到：“我们所用的玻璃块是个庞然大物，我们没办法确定另一个光子最后去了哪里。”不过，作为人工事件视界实验方案的提出者，伦哈特眼下也在研究同样的现象。他采用了尺度较小的光纤，能够将两个光子全都检测出来，这样就能确定它们是否源于一处。法乔说：“只要实验一出结果，所有的争论都将尘埃落定。”
霍金的新黑洞理论
撰文｜迈克尔·莫耶（Michael Moyer）
翻译｜王栋
一个有着数十年历史的悖论再次浮现。这个悖论正是由霍金提出的。面对再次出现的难题，霍金给出了新的解释。
2014年年初，当霍金提出“黑洞不存在”而让人们议论纷纷时，他并不是真的在谈论黑洞，至少不是你我想象中的黑洞（一种能吞噬包括光在内的一切物质的天体）——它们还是一如既往那么“黑”，这一点所有物理学家都没有异议。
相反，霍金的“妙语”是在对黑洞做一种新的理论分析。同许多理论物理学家一样，霍金也一直在试图理解一个足以撼动物理学核心的悖论，即“黑洞防火墙悖论”。这个理论如果成立，就意味着物理学家或许不得不抛弃（或者大改）量子力学和广义相对论这两大理论中的一个，甚至要同时抛弃或修改这两大理论。
所谓的“防火墙问题”，与霍金上世纪70年代首次提出的一个悖论有关。该悖论考虑的是这样的问题：掉进黑洞里的信息会怎样？根据量子力学法则，信息永远不可能消失。甚至烧掉一本书也不能毁掉其中包含的信息——书中的信息只是被混杂在了一起。但是，黑洞似乎确实能毁坏信息，将信息吸入“视界线”——一个不可逃脱的边界。
黑洞信息悖论困扰了物理学家20年。上世纪90年代末，这个悖论似乎得到了解决。当时，研究人员发现，信息能通过“霍金辐射”的形式从黑洞中逃逸出来。但在2012年，美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家却对这种解释提出了质疑。他们认为，视界线的作用不是像科学家以前认为的那样，而是像一堵“防火墙”，能阻止外面的霍金辐射同内部的物质在量子层面保持纠缠。
霍金的最新工作，是在试图给出新的解释。他提出，黑洞除了视界线外，还具有一个“视平线”。这两者几乎是一回事。信息可以从黑洞内部抵达视平线。在那里，量子效应能模糊视平线和视界线之间的界限，有时候会让信息能够逃脱出去。因此，如果你能持续观察它们数百万亿年，你会发现黑洞并非完全“漆黑”的。不过，霍金在论文的最后也承认，关于黑洞的一些基本问题，我们仍无法理解。
观测黑洞自转
撰文｜凯莱布·沙夫（Caleb Scharf）
翻译｜赵昌昊
想要了解遥远的黑洞非常困难，不过天文学家想出了好办法。他们通过研究一对黑洞双星来测定其中一个黑洞的自转速度。
黑洞可能质量极大，但极其致密，因此想要认识距离我们十分遥远的黑洞并不容易。为了测定黑洞的物理性质，天文学家必须找到十分巧妙的观测手段。
一个国际天文学研究团队提出了一种方法——利用大质量黑洞双星系统中两个黑洞的相互作用，测量单个黑洞的自转速度，这一研究结果发表在了《天体物理学杂志通讯》上。
OJ 287是距离地球约35亿光年的超大质量黑洞双星系统，其中质量较大的黑洞大约有180亿倍太阳质量，较小的则只有1.5亿倍太阳质量。由于两个黑洞质量相差悬殊，小黑洞的轨道穿过了大黑洞的吸积盘。吸积盘是一团围绕黑洞旋转的超高温物质，会发出大量可见光，而小黑洞每隔12年便会穿过大黑洞的吸积盘，导致观测到的光强发生变化。
天文学家根据大黑洞周围可见光变化的规律，并考虑到小黑洞的椭圆轨道的进动，成功预测到OJ 287双星系统在2015年11月和12月各有一次光强变化。在这期间，他们精确地测量出可见光的强度改变量，从而间接获知大黑洞的自转速度。结果表明，大黑洞的自转速度是广义相对论所允许的最大自转速度的31％。
将本次观测数据与先前的观测进行比对，结果明确地显示出该系统的绕转周期在不断缩短，这是由于系统正在向外辐射引力波。引力波是黑洞运动所引起的时空结构的振荡，它会从双星系统中带走能量，导致两个黑洞逐渐靠近。
换句话说，天文学家正通过OJ 287双星系统目睹两个超大质量黑洞的合并过程。而在黑洞临近合并的阶段，它们将越转越快，光强变化也会更加频繁。
黑洞生于红超巨星？
撰文｜李·比林斯（Lee Billings）
翻译｜沈添怿
研究人员认为，当某些红超巨星的核心发生坍缩时，它们直接形成了黑洞，而并没有成为超新星。
在侦探故事《银斑驹》（Silver Blaze，又译为《白额闪电》或《银色马》）中，大侦探福尔摩斯（Holmes）留意到了一些本该发生却没有发生的事情——看门狗在半夜时分并没有吠叫，从而破解了一桩谋杀案。同样，天文学家也正试图通过寻找没有发生爆炸的恒星，来破解宇宙学谜题——黑洞的诞生。
比太阳的质量大许多倍的恒星，通常以超新星的形式结束它的一生——质量巨大的内核发生坍缩，触发剧烈的爆炸。超新星非常明亮，足以让宇宙另一端的我们在地球上对其进行观察和研究。现代天文学家虽然还没有在我们的银河系观察到超新星，但在临近星系观测到了前身星，由此证实曾经发生过几十次超新星爆炸。然而奇怪的是，虽然质量更大的恒星也应以超新星的形式终结，但迄今为止观测到的超新星却没有质量超过太阳17倍的。
理论物理学家猜测，黑洞或许可以解释这一现象。当某些红超巨星的核心发生坍缩时，它们直接形成了黑洞，吞噬分崩离析的星体，而并没有成为超新星。从远处看，消失的恒星可能正宣告着一个黑洞的诞生。
“我们称之为‘失败超新星’，”美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天体物理学家斯坦·伍斯利（Stan Woosley）在电脑上模拟过这一过程，他说，“第一眼看到的是红超巨星，再一眼却不见了，简直出神入化。”
2008年，克里斯托弗·科哈内克（Christopher Kochanek）和美国俄亥俄州立大学的同事提出了一个寻找这些消失恒星的方法。大多数针对超新星的研究都把重点放在寻找明亮的闪光上，与此相反，科哈内克提出，监控大约30个相邻的星系，在恒星突然消失的位置，寻找可疑的暗区。
2015年，根据位于美国亚利桑那州的“大型双筒望远镜”的观测，科哈内克与两位同事吉尔·盖克（Jill Gerke）、克日什托夫·施塔内克（Krzysztof Stanek）确信，他们已经找到一颗“失败超新星”——NGC 6946星系中的一颗红超巨星发生了短暂的爆发，随后便在眨眼间不见了。
到2016年，天文学家或许已经两次见证了黑洞的诞生。2015年7月，英国剑桥大学的托马斯·雷诺兹（Thomas Reynolds）、摩根·弗雷泽（Morgan Fraser）和杰勒德·吉尔摩（Gerard Gilmore）宣称，在哈勃空间望远镜观测NGC 3021星系的存档中，发现另一颗红超巨星在星团中蜕变为了黑色。这两个团队的研究成果均刊登于《皇家天文学会月刊》。
当然，这两个案例可能还有其他平淡无奇的解释：恒星的亮度可能存在变化，会产生巨大的波动，恒星也有可能迁移到了尘埃背后。接下来，这两个研究团队计划利用空间望远镜进行更深入的观测，以为恒星蜕变为黑洞这种说法找到更多证据。
对他们来说，最好的景致就是视野之内空空如也。“恒星的星光可能会发生变化，”科哈内克说，“但死亡对于恒星来说是永恒的。”弗雷泽表示：“如果恒星重新出现了，那么很明显，它们并没有发生爆炸，对于‘失败超新星’的寻找也将重新上路或就此停止。”
暗物质催生特大黑洞
撰文｜蔡宙（Charles Q. Choi）
翻译｜庞玮
特大黑洞是如何在短时间内形成的？这个疑问一直以来都没得到解答。根据科学家们的猜测，问题的关键有可能是暗物质。他们提出，暗物质可以为暗星提供能量，而这些暗星的直径可达太阳的20万倍，特大质量暗星最终会坍缩成巨型黑洞。
质量超过太阳10亿倍的黑洞藏身于很多星系的中心，驱动这些星系旋转和演化。在大爆炸之后大约137亿年的今天，这是宇宙中常见的景象。而在早期宇宙中，这样的特大质量黑洞非常罕见，或者说从理论上讲应该非常罕见。因为按照现有的恒星演化理论，黑洞需要非常长的时间才能长成这样的庞然大物。然而证据表明，这类特大质量黑洞在大爆炸后最多经过了10亿年就已经存在了，这着实难住了科学家。现在这个谜团似乎可以解开了，关键要靠一种神秘物质——暗物质。
早期宇宙特大质量黑洞之谜在2003年初见端倪，当时斯隆数字化巡天发现了五六个这样的黑洞。按照常规思路，大爆炸后大约2亿年诞生了第一批常规的恒星。但考虑到当时宇宙的状态，这些恒星最多形成100倍于太阳质量的黑洞，根本就没有足够长的时间让这些黑洞合并成年龄仅有10亿岁、质量却有太阳10亿倍的庞然大物。
美国密歇根大学安阿伯分校的理论物理学家凯瑟琳·弗里兹（Katherine Freese）及其同事认为，暗物质或许能解决这个让人头疼的问题。虽然看不到暗物质，但通过它们施加的引力影响，我们已经证明它们确实存在，并且它们至少占到宇宙中物质总量的80％。不过，对于暗物质到底由什么构成，科学家仍没有答案。在诸多猜测中，最有希望的候选者是被称为中性微子的弱相互作用大质量粒子（WIMP）。中性微子能在相互碰撞时湮灭，释放出热、伽马射线、中微子、正电子，以及反质子之类的反物质粒子。
弗里兹及其合作者对年龄仅有8,000万到1亿年的早期宇宙进行了计算，此时原恒星气体云正要冷却收缩，它们的引力应该会把中性微子吸引进来并相互湮灭，释放出的能量应该可以点亮第一批“恒星”。这些“恒星”不像普通恒星那样以核聚变为能量来源，而是由暗物质湮灭提供能量，因此被弗里兹等人称为“暗星”。
弗里兹小组的初步结果暗示，暗星的体积会让常规的恒星“自惭形秽”，因为暗星不必像常规恒星那样，为了挤压原子核使之聚变而维持高密度，所以它们可能极为蓬松，最大可达太阳直径的20万倍。科学家还预测暗星较低的表面温度能让它们达到1,000倍太阳质量，相比之下，现有常规恒星的质量上限仅有大约150倍太阳质量。
弗里兹及其同事估计，暗星成长到10万倍太阳质量以上，才会耗尽燃料开始坍缩。他们重新分析了中性微子流入暗星被原子捕获的频率，得出了新的结论：暗物质粒子提供燃料驱动暗星成长的时间比原先的预期要长得多。他们将分析结论投稿给了《天体物理学杂志》。
超大质量暗星耗尽暗物质之后会收缩并触发核聚变，以常规恒星的形态继续存在大约100万年。这些恒星不会发生超新星爆炸，用弗里兹的话来说，这是因为“它们太大了”。相反，它们会直接坍缩成同等质量的黑洞。几个这样的黑洞合并在一起，就可以在大爆炸后10亿年内形成巨型黑洞。
超大质量暗星应该会比太阳耀眼10亿倍，温度则维持在太阳的水平上，散发出黄色的星光。弗里兹希望，未来将发射升空的韦布空间望远镜能够看得足够远，从而检测到这些蓬松的庞然大物。今天的宇宙里不太可能再有暗星形成，因为如今暗物质的平均密度仅有当年暗星形成期的1/8,000，那时的宇宙要比现在致密得多。
并不是所有人都买暗星的账。美国密歇根州立大学的天体物理学家布赖恩·奥谢（Brian O’Shea）认为，这个理论建立在对暗物质的属性做了过多假设的基础之上。他举例说，暗物质也可能由轴子构成，这是理论上存在的另一种不可见粒子。轴子间不会相互湮灭，因而也就无法形成暗星。
不过，美国得克萨斯大学奥斯汀校区的天体物理学家保罗·夏皮罗（Paul R. Shapiro）认为，暗星“是从一个合理的暗物质模型推导出的合理结果”。如果科学家真的找到了暗星，它们不仅能帮助我们解释那些黑洞，还能提供关于暗物质构成的线索。奥谢则评论说：“如果暗星真的存在，那它们肯定冷得令人难以置信。”
雄心勃勃的斯隆数字化巡天
斯隆数字化巡天堪称天文学史上一项最具雄心和影响力的天文观测项目。通过使用新墨西哥州阿帕奇顶点天文台的一台专用2.5米口径望远镜，它深化了我们对宇宙一些基本问题的认识。自从2000年启动以来，该项目已经完成三个阶段的巡天任务：第一阶段从2000年持续到2005年；第二阶段从2005年到2008年；第三阶段从2008年到2014年。经过三个阶段的运行，它已经获取了超过全天四分之一的光学图像和超过100万个星系、类星体和恒星的光学光谱数据。2014年，项目的第四阶段已经开始，对宇宙中从未探索过的区域开展全新研究。通过对大量星系、类星体、恒星等天体的观测，斯隆数字化巡天将绘制出最精确的宇宙结构图，为科学家研究星系在宇宙中的分布、测定宇宙的基本特性、寻找宇宙中最遥远的天体提供数据支持。
暗物质“现身”？
撰文｜克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz）
翻译｜王栋
为了揭开暗物质的神秘面纱，科学家时刻关注着来自宇宙的信号。银河系中心发出的神秘之光，或许是暗物质粒子首次向我们展露真容。
暗物质或许是宇宙中最令人迷惑、最神出鬼没的组成部分之一。虽然科学家认为宇宙总质量中的绝大部分来自于它，但没有人能确认这一点，因为从没有人真正看到过它。不过现在，暗物质似乎终于显露出一点真容了。美国国家航空航天局的费米伽马射线空间望远镜，记录到了源自银河系中心的高能伽马射线，这一现象与有关暗物质的预言正好吻合。在2014年4月举行的美国物理学会会议上，美国珀杜大学的物理学家拉斐尔·兰（Rafael Lang，未参与此项研究）评价：“我认为这是目前为止得到的最令人激动的信号。”如果科学家记录到的高能伽马射线的确由暗物质造成，这将是科学家首次直接探测到构成暗物质的粒子。
在各种有关暗物质的假说中，认为暗物质由弱相互作用大质量粒子（WIMP）构成的假说最有可能是正确的。WIMP是自身的反物质同伴，会在相互碰撞时湮灭，同时生成普通物质粒子，并随即产生伽马射线光子。因为银河系中心是暗物质最为密集的地方，所以那里是寻找伽马射线光子的最佳地点。
此前科学家就发现，费米伽马射线空间望远镜观测到的来自银河系中心的伽马射线强度超出预期。但对此进行的分析，一直没能得到一个确定的结论。而这次发现的则是一种更显著的高能伽马射线信号——它的源头从银河系中心发出，一直延伸到了5,000光年范围之外（见上页图）。“看起来，这同我们一直期待的暗物质图像一模一样。”美国国立费米加速器实验室的丹·胡珀（Dan Hooper）说。他是该项研究的参与者之一。
当然，“重大的科学新发现，要有强大的证据支撑”。在用其他仪器设备或在其他地方再次观测到该信号之前，大多数科学家仍会对这一发现持保留态度。但是，不论结果如何，我们离揭开暗物质的神秘面纱都更近了一步。
暗光子：暗物质新线索
撰文｜克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz）
翻译｜李想
为了找到暗物质，人们想出了各种方法。几十年苦苦搜寻，物理学家终于找到了有关暗物质的新线索。
宇宙中藏着某种神秘的东西。它看不见摸不着，我们仅能通过它施加给宇宙万物的引力，知道它的存在。几十年来，有关暗物质的假设一个一个被否定，随着候选范围的层层缩减，物理学家已开始隐隐不安。要是最后一个假设也被否定，该如何是好？难道我们注定永远无法探查这些占宇宙总质量大部分的物质吗？
2015年早春，对这个问题的解决忽然变得柳暗花明。研究人员找到了一条近年来最有价值的线索：一些新的作用力似乎能让暗物质“开口说话”。这一发现或许能帮助我们弄清，暗物质由何种粒子构成。
这条新线索是在观察宇宙角落里一个名为艾贝尔3827的星团时被发现的。天文学家利用“引力透镜效应”（指光经过大质量物体时会发生弯折的现象）锁定了暗物质在该星系团内4个相互碰撞的星系间的位置。哈勃空间望远镜和位于智利的甚大望远镜发现，至少有一个星系，其周围的暗物质，明显落在了普通物质的后面。这意味着一个从未被观测到的现象：暗物质中的粒子正发生相互作用，并因此拖慢了自己的脚步。
由英国杜伦大学理查德·马西（Richard Massey）领导的研究小组推测，因为这一相互作用并未影响到普通物质，所以这种作用肯定是由引力之外的某种只影响暗物质的力主导的，比如一种由交换“暗光子”而形成的力。这类似于普通质子依靠电磁力进行相互作用的情形：当两个质子相互靠近时，每个质子都将释放一个光子——电磁力的载体——并吸收对方的光子。动量由此交换，质子彼此分离。
这一消息吸引了正在苦苦搜寻暗物质的物理学家们，来自美国纽约大学的物理学家尼尔·韦纳（Neal Weiner，未参与上述研究）说：“如果真是这样，那可要天翻地覆了。”暗光子方案从一种最基本也最流行的暗物质理论发展而来，该理论认为暗物质由一种通常称为“弱相互作用大质量粒子（WIMP）”的粒子构成。不过暗光子及其独有的相互作用，可以解释一些WIMP单粒子方案无法回答的问题，例如为何星系中心的密度会低于原先计算的结果。
