作者：赵雪杉，邓舒夏，苟利军
来源：科技导报
得益于科技水平的提升、大科学装置的建设和密切的国际合作交流，天文学家已拥有捕捉和解读中微子、光子、引力波等多信使探索宇宙的能力，能够全方位地认知宇宙中的天文事件，拼凑出更完整的宇宙图像。
2021年，天文学家在宇宙线、深空探测、引力波、快速射电暴、黑洞等各个方面都取得了重大突破，预期在未来的几年内，天文学领域会继续蓬勃发展，必将更加精彩纷呈。
火星探索
火星是地球在太阳系中的近邻行星，与地球存在许多相似的特性，了解火星的起源和演化对于人类认知太阳系以及系内行星的形成和演化具有重要的科学价值。
许多研究表明，火星曾经存在水，并一度出现宜居环境，火星是否曾经孕育生命也是天文学界的重要议题。
2021年2月10日，“天问一号”探测器成功实施近火捕获制动，进入环火轨道，成为中国第一颗人造火星卫星，完成“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。
当日凌晨，阿联酋“希望号”成功进入环火轨道，它将持续环绕火星飞行，对火星的大气进行1个完整火星年的分析。
美国的“毅力号”火星车于2021年2月19日安全着陆火星，并在2021年9月成功采集到第一个样本。
目前美国航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）正在计划一系列任务，以期未来将“毅力号”收集的样本送回地球。
2021年5月15日7:18，“天问一号”着陆巡视器与环绕器分离，成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。
“祝融号”火星车于5月22日10:40安全驶离着陆平台，开启火星表面巡视探测工作。同时，环绕器继续在中继轨道运行，为火星车的科学探测提供中继通信，兼顾开展环绕探测。
“祝融号”已经圆满完成既定的巡视任务，获取了大量原始数据，在继续向着陆平台南部的古海陆交界地带行驶，实施拓展任务。
由“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景
俄罗斯宇航局和欧洲航天局联合开展的ExoMars任务计划预计在2022年9月发射（注：目前因为战争，彼此之间的航天合作已经暂停），致力于探索火星上是否曾经存在生命的问题。
另一方面，美国 “洞察号”无人探测器揭示了火星内部的结构图，并提供了热学和动力学演化的重要线索。火星地壳可能有2~3层，整个火星地壳的平均厚度大概在24~72 km。火星具有一个半径约为1830 km的液态金属核，除了铁和镍外，还熔解了大量较轻的元素。
宇宙线研究进展
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的统称，其中绝大部分是质子，还包含少数α粒子等成分，能量跨越了吉电子伏特到拍电子伏特。
对于宇宙线及其天体物理起源的研究，由于涉及了粒子的传播、加速机制、辐射机制和动力学演化等一系列复杂的物理过程，通常需要联合多信使协同观测，尤为困难。
开启超高能伽马天文学时代
宇宙线的光谱可以延伸至超过1 PeV，比欧洲核子研究中心的大型强子对撞机加速器所能达到的能量还要高约100倍。
中日合作团队利用中国西藏羊八井ASγ实验阵列，发现了一个PeVatron候选体——来自超新星遗迹SNR G106.3+2.7方向、能量超过100 TeV的伽马射线。
这一观测现象的可能解释是，被加速到PeV的宇宙线和附近的分子云碰撞产生中性π介子，π介子衰变产生观测到的高能伽马射线。
此外，发表在Nature Astronomy的一篇论文中，研究人员使用美国的高海拔水体切伦科夫天文台（HAWC）在1~100 TeV能区观测到了来自天鹅座茧的伽马射线。
高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是中国的国家重大科技基础设施，能量范围和灵敏度比羊八井ASγ实验阵列高1个数量级以上，将给我们展现出一个全新的超高能宇宙。
目前，LHAASO已从12个超高V能伽马射线源中探测到了超过530个能量高于100 TeV的光子，其中来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区的光子，能量可达1.4 PeV，是迄今观测到的最高值。
LHAASO观测基地全景航拍
“悟空号”对宇宙线能谱的精确探测
“悟空号”暗物质粒子探测卫星（DAMPE）于2015年12月17日发射，具有先进的科学探测指标——观测能段宽，空间和能量分辨率高，粒子鉴别能力强，具备精确探测电子、伽马射线及核素等宇宙高能射线的能力，肩负着探究宇宙线物理的使命。
2019年，“悟空号”发布了质子宇宙线40 GeV~100 TeV能段的精确能谱，并以高置信度在14 TeV附近观测到能谱的拐折。
2021年，“悟空号”得到了宇宙线氦核70 GeV至80 TeV能段的精确能谱，并在34 TeV附近发现一拐折结构。
质子能谱和新得到的氦核能谱中均出现了拐折结构，拐折的位置表现出了电荷依赖的特征，这预示着二者可能来自于邻近地球的某个宇宙线加速源，而拐折结构对应于该源的加速上限。
目前“悟空号”进入了二次延寿运行阶段，卫星的各个载荷运行状态良好，各项指标均正常，有望为破解高能宇宙线起源和加速之谜作出重要贡献。
高能中微子助力追溯宇宙线源
中微子是构成物质世界最基本的粒子之一。
目前学界广泛承认的被准确定位的中微子天体物理源共有2个，分别是太阳和位于大麦哲伦云中的超新星SN 1987A，两者的中微子均来自于天体内部的热核反应过程，能量在兆电子伏特量级。
哈勃太空望远镜拍摄的超新星遗迹SN 1987A（遗迹位于图片的中心，2017年1月）
高能宇宙线在源或传播路径中，会与光子或周围物质粒子发生相互作用，产生高能中微子。
对于追溯宇宙线起源天体、揭秘宇宙线加速机制而言，高能中微子具有其他信使所不具备的优越特质：不带电，不会在磁场作用下发生偏转；几乎不与其他物质发生相互作用。
目前在运行的最高灵敏度和高分辨率的中微子探测器，是位于南极阿蒙森-斯科特站冰盖以下的冰立方中微子天文台（IceCube），它利用的是中微子和冰相互作用产生的带电粒子在穿过传感器时发出的切伦科夫辐射光。
IceCube虽然已经捕获了许多例高能中微子事件，但很难准确定位它们的来源。
一项发表于Nature Astronomy研究提出了新一类的宇宙射线源——潮汐瓦解事件。中微子IC191001A 是由IceCube 于2019 年探测到的，其能量约0.2 PeV，可能来源于潮汐瓦解事件AT2019dsg。
观测技术和设备的更新换代推进了探测极限，中微子和超高能伽马光子天文学的发展开拓了探测的空间，引领我们一步步探索和发现银河系内外宇宙线的加速机制和基本物理。
发现宇宙反中微子存在的痕迹
在中微子探测方面，IceCube探测到了宇宙反中微子存在的痕迹。
冰立方中微子天文台的艺术渲染图，该观测站位于冰下1.5~2.5 km的深处，冰面上唯一可见的设备是冰立方实验室
中微子分为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。
60多年前，谢尔顿·格拉肖利用粒子物理学标准模型预测，在电子和电子反中微子碰撞时，如果电子反中微子的能量恰当，就会通过共振过程形成一种当时尚未发现的粒子——W-玻色子，现在这个过程被称为格拉肖共振。
2016年，IceCube探测到一个能量为6.05 PeV的中微子，这例事件的详细分析在2021年被发表。这是第一次明确探测到格拉肖共振，不仅将进一步证实粒子物理学的标准模型，还为探测天体物理源中的中微子形成开辟了一条新途径。
暗能量与暗物质研究新进展
发现暗能量存在的迹象
基于现有的宇宙学模型和宇宙学观测结果，科学家假想出一种能量——暗能量，它们驱动了宇宙的加速膨胀，约占宇宙总质量的68%。这种神秘能量的本质仍然是天文学中悬而未决的难题之一。
宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙大爆炸的余晖，被用于计算宇宙的基本性质。目前最先进的CMB地图是由ESA的普朗克任务提供的。
普朗克任务绘制的宇宙微波背景辐射
基于普朗克任务的数据以及ΛCDM模型，拟合得到的哈勃常数约为67.4 km/s/Mpc。
近几十年中，基于对超新星爆发的观测和其他探测技术，可以直接对近邻宇宙的膨胀速度进行精确测量。亚当·里斯领导的研究小组利用造父变星和Ia型超新星，将哈勃常数限定在73.2 km/s/Mpc。
不同方法测量得到的哈勃常数之间存在一定的差异，从近邻宇宙测量得到的速度比从早期宇宙推算的速度要快5%~10%。
部分理论物理学家认为，可以向标准模型中额外添加一项“早期暗能量”来解释哈勃常数争议，这种新的暗能量可能存在于宇宙大爆炸后的前30万年，会让宇宙大爆炸时产生的等离子体以更快的速度冷却，从而解释速度差异。
这2项独立研究均使用了智利的阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）收集的数据，结果表明，带有“早期暗能量”的宇宙学模型更能吻合ACT在CMB中观测到的偏振信息。
虽然目前的数据不能以高的置信度支持早期暗能量的存在，但ACT和另一个观测站南极望远镜（SPT）的进一步观测可能很快就会提供更严格的测试。
另一项关于暗能量的研究成果中，天文学家构筑了一个包含变色龙筛选的物理模型，将液氙暗物质探测器XENON1T在1~7 keV的能量范围内发现的过剩信号解释为太阳强磁场区域产生的暗能量的信号，或许实现了对暗能量的直接探测。
暗能量巡天团队发布暗物质地图
暗能量巡天（DES）团队使用智利托洛洛山美洲天文台的布兰科望远镜进行了巡天观测，覆盖了南天球1/4 的天空，拍摄了近3亿个星系。
DES团队的成果包括了从DES Y3的弱引力透镜数据集中重建的暗物质地图。为便于展示，地图下方叠加了盖亚空间望远镜观测得到的光学天空图。
实际观测结果和科学家的预想有所出入：透镜效应比主流宇宙学模型所预期的要小，暗物质的分布也比预期的更加平滑。
DES重建的暗物质地图
“嫦娥五号”和月壤样本
2020年11月24日，“嫦娥五号”月球探测器圆满发射成功，开启中国首次地外天体采样返回之旅，这也是中国探月工程“绕、落、回”三部曲的最终章。
“嫦娥五号”探测器在中国文昌航天发射场成功发射
2020年12月1日，“嫦娥五号”在此前人类从未“ 踏足”过的月球中纬度地区着陆，随后的几天内，它成功进行了月球样本的采样和封装，并于12月3日实现了地外天体起飞，于2020年12月17日安全着陆在中国内蒙古自治区四子王旗的预定区域，并带回了共计1731 g月球样本。
这是半个世纪以来从月球带回的第一个样本，也是中国首次从月球上带回样本。
之后，Science、Nature等期刊先后刊发了数篇文章，详细记述了包括中国科学家在内的国际合作团队对月球样本的研究成果。
“嫦娥五号”采集的这批月球样本证实，在19.7亿年前，月球表面的熔岩仍在流动，将月球岩浆活动停止的时间推迟了约10亿年。
这些样本也成为迄今为止最年轻的月球火山岩，填补了月球地质方面的一个重要空白。
新发现刷新了我们对月球的认知，同时也带来了更多的困惑，需要对月球的形成和演化历程进行更深层次的探索。
“嫦娥五号”引领了一波探月热潮，各国太空机构及私人公司的登月计划接踵而至。
中国的探月工程发展势头良好，未来必将再传捷报。NASA即将进行阿尔忒弥斯 “重返月球”计划的首次综合测试，计划最早于2024年实现载人登月，随后建设月球轨道空间站，并将其作为登陆火星的跳板。此外，俄罗斯、印度、日本、以色列和韩国均在相关的登月项目。
冷湖发现世界级光学观测台址
天文研究领域的发展和开拓离不开相应观测设备的支持，但建设地基大型光学望远镜需要极端的观测条件，考虑多重科学指标，还需要远离人造光源，避开光污染的影响，同时还要考虑到后期的建设和运行成本。
目前国际公认的优越台址全都分布在西半球，不利于24小时监测网络的建立。
且相比于欧洲正在建设的40 m口径的极大望远镜（Extreme Large Telescope），中国正在运行的通用型光学望远镜的最大口径仅到2.4 m级，中国光学波段的观测在国际上一直严重落后，急需大设备的支持。
近期，邓李才和团队宣布，在青海冷湖地区找到了世界级光学天文台址。
青海省冷湖镇附近的赛什腾山山顶的定点监测数据表明，各项指标足以媲美国际一流的台址。
目前冷湖也是东半球发现的最佳站点，可以为中国甚至是世界的光学观测困境带来极大的改善。
赛什腾基地C区建设实景
发现来自黑洞-中子星并合系统的引力波
探测到引力波以来，科学家相继探测到双黑洞并合、双中子星并合事件。
2021 年，发表在Astrophysical Journal Letters上的一篇文章提到，10天内接连探测到的2起黑洞-中子星并合事件，这是人们首次高置信度地观测到黑洞-中子星并合事件。
2起事件都是在LIGO和Virgo的第三次观测运行中被发现的，分别被命名为GW200105和GW200115。
黑洞-中子星并合系统的数值模拟
GW200105距离地球约9.1亿光年，发生并合的两致密天体质量分别为8.9 M⊙和1.9 M⊙。遗憾的是Virgo探测到的信噪比较低，LIGO汉福德在此期间关闭维护，因此这一事件的误报率略高。
GW200115发生在9.8亿光年之外，两天体的质量分别是5.7 M⊙和1.5M⊙，同时被LIGO和Virgo所有的3个探测器所观测到，网络信噪比为11.6，误报率小于1×10-5 次·a-1。
在两次事件中均没有探测到电磁信号。此外，研究人员将黑洞-中子星的并合率密度推断为（45~130）Gpc-3·a-1。
快速射电暴领域的成果
快速射电暴（FRB）是一类短时（毫秒级）射电脉冲信号，因为绝大多数发生在银河系外，释放出来的能量巨大，同时爆发频率非常高，每天都可以探测到数个爆发。
目前，天文学家尚不确定FRB 的物理起源，有些理论模型认为，一些年轻的、强磁场的、孤立的中子星——磁陀星，极有可能是它的候选体。
2020年4月27日，一颗银河系磁星SGR J1935+2154开始活跃，多个在轨的X射线和伽马射线卫星相继迅速响应观测。
随后，加拿大的CHIME望远镜在同样的方向捕捉到了一次类FRB的射电脉冲（FRB 200428，也是被发现的首个河内FRB）。
SGR J1935+2154的艺术想象
2021年2月，Nature Astronomy上发表的多篇研究中，科学家论证了SGR J1935+2154的高能辐射和FRB 200428几乎同时从同一方向发出，并具有相似的双峰结构。
此外，李承奎等发现，Insight-HXMT拍摄的非热硬X射线谱峰和FRB 200428谱峰之间8.62 s的时间间隔也对应射电信号的色散延迟。这些发现一同表明，确实有部分FRB起源于磁陀星。
部分源会重复发出能量不等的FRB信号，因此被称为重复FRB源。
500 m口径球面射电望远镜（FAST，又名中国“天眼”）在FRB领域持续发力，积累了大量观测资料。
李菂团队对来自30亿光年外一个矮星系中的FRB源FRB 121102进行了深入研究，在共计59.5 h的观测时间内捕捉到了来自这个源的1652次FRB，远超过往文献记录数目的总和。
观测结果表明，FRB 121102的爆发能量分布范围广，可以被划分为能量较高和能量较低2种，暗示了2种不同的爆发机制。
深入观测分析单个源有助于确定重复FRB的事件率、能量分布和时域行为，为推断它的物理特性和中心引擎提供线索，将来或许会成为FRB领域的研究重点。
黑洞进展
2021年2月，Science和Astrophysical Journal刊登了3篇文章，发布了对天鹅座X1（Cygnus X-1）的最新精确测量结果，对黑洞的距离、质量、自旋及其演化做了最为精确的测量和限制。
此系统包含了1个21 M⊙的黑洞，并且其自旋转速极接近光速，是目前得到精确测量的黑洞X射线双星系统中质量最大、转动最快的黑洞。
2021年3月24日，曾拍摄首张黑洞照片的事件视界望远镜（EHT）国际合作组织发布了M87中黑洞的偏振图像。
在2017年的观测中，EHT记录了超大质量黑洞附近2种偏振模式的毫米辐射，可以据此重建黑洞周围的线偏振情况。
这些偏振图像携带着与同步辐射有关的磁场结构的信息，对解释活动星系核喷流形成机制起到了关键性的作用。
M87中心黑洞的偏振图
对超大质量黑洞质量的测量，目前通常依赖于黑洞周围恒星或气体云的运动，或者是吸积盘回波的时间延迟，测量条件苛刻且适用范围较窄。
2021年8 月， Science发布的一项研究为超大质量黑洞提供了一种新的质量测量手段。
研究表明，活动星系核光学辐射闪烁趋于平稳的时标和中心超大质量黑洞的质量呈现出明显的相关性。研究人员推测，观测到的光学变化是由吸积盘内区发射的紫外辐射在快速传播的过程中产生的。
空间天文新进展
韦布空间望远镜终上天
在克服经费危机、意外事故、全球疫情、技术更新等各种困难之后，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）终于在北京时间2021年12月25日晚8点20分，从赤道附近的法属圭亚那搭乘阿丽亚娜5号火箭升空。
JWST的艺术想象图
JWST的目的地是日—地第二拉格朗日点，这一点位于日地连线的延长线上、地球外侧约150万km处，这一点上，JWST将更加稳定，而且可以尽可能地避免日地辐射的干扰。
一直以来，JWST都被认为是哈勃望远镜在红外波段的继任者，它的主镜口径约6.5 m，主要工作在红外波段。它将前所未有地搜寻早期宇宙的红外信号，探测更红更暗的星系，探索宇宙大爆炸理论的观测证据。
“羲和”逐日
2021年10月14日在太原卫星发射中心，中国用长征二号丁运载火箭成功地将太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星（又名“羲和号”）发射升空。这是中国首颗太阳空间探测专用卫星，标志着中国迈入太阳探测新阶段。
这颗卫星将运行于高度为517 km的太阳同步轨道，开展全日面Hα波段的高分辨率光谱成像，对于推演太阳大气特征、研究太阳光球层和色球层的动力学过程、探究太阳爆发的动力学特征和触发机制等课题都有着十分重要的意义。
卫星所采用的超高指向精度、超高稳定度的“双超”平台设计，能够确保卫星载荷观测时能够更加稳定、准确地指向目标，获得更高质量的观测图像。
天宫空间站
2021年，中国的天宫空间站正建设得如火如荼，计划于2022年底竣工，在未来的十年里，它将成为重要的太空实验室。
目前中国载人航天局（CMSA）已经初步批准了1000多项来自世界各地的实验，部分已经发射升空。
天宫空间站将为科学家进行太空观测提供助力，提供高洁净、微引力和强宇宙辐射的实验环境，帮助探索宇宙起源、暗物质、生命科学等一系列重大课题。
本文作者：赵雪杉，邓舒夏，苟利军
作者简介：
赵雪杉，中国科学院国家天文台、中国科学院大学天文和空间科学学院，博士研究生，研究方向为恒星级黑洞的基本性质；
邓舒夏（共同第一作者），中国科学院国家天文台，编辑，研究方向为科学传播与国际传播；
苟利军（通信作者），中国科学院国家天文台、中国科学院大学天文和空间科学学院，研究员，研究方向为高能天体物理、黑洞和引力波等。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年天文学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。