韦伯太空望远镜揭示了新的水循环过程:每月消耗一个地球海洋!

The original English version is: https://www.universite-paris-saclay.fr/en/news/jwst-witnesses-destruction-equivalent-ocean-every-month-space

一个由法国巴黎萨克雷大学的年轻科学家玛丽恩·詹尼斯(Marion Zannese)牵头的一个国际合作团队刚刚发现有大量水分子在位于猎户座星云中心的一个行星形成盘中被大量地破坏然后又重新形成的漂亮证据。这一发现得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜(简称韦伯望远镜)的高质量观测和量子物理计算的支持。此研究工作是韦伯望远镜早期科学项目PDRs4All的一部分,近日在Nature Astronomy发表。中国科学院云南天文台驻中国科学院南美天文中心访问学者何金华研究员参与了该研究。

水是孕育生命的关键成分。在地球上,我们海洋中的水大都是远在太阳系诞生之前就在星际空间里温度低于零下250摄氏度的冷区域中就已经形成了的。但是,很可能在我们的太阳系还是一个绕着婴儿期太阳旋转的气体尘埃盘的时候,有一部分水会经历一个在温度达到100-500摄氏度的高温环境中浴火重生的过程。

为了理解这个高温水循环之谜,这些天文学家将韦伯望远镜指向了被视作行星摇篮的猎户座大星云中一个编号为d203-506的原行星盘。他们发现,它近旁的大质量恒星发出的强烈紫外线确实正在这个原行星盘中快速地摧毁并重新产生水分子,把这个天体打造成了一个有趣的星际化学实验室。

但是,在距离我们1000光年的如此遥远的地方发生的水分子的形成和破坏过程,如何才能够被我们观测到呢?他们与量子物理专家的合作,就是赢得这一挑战的关键。 当水分子(H2O)被紫外线破坏时,一个处于高速旋转状态的羟基分子(OH)将被释放出来。 然后羟基分子将在这些很高的能级上发生转动能级跃迁,其所产生的一系列中红外谱线辐射(波长10微米左右)被韦伯望远镜捕捉到了。 在d203-506这个年轻的天体中,每个月就有相当于一个地球海洋的巨量水分子以这种方式被紫外线破坏。

但是,故事到这里还未结束。韦伯望远镜同时在近红外波段(波长3微米左右)还观测到了羟基分子(OH)以类似机制发射的另一组谱线,表明有大量羟基分子正在通过高温气体中氧原子与氢分子的化学反应(O+H2)来形成。羟基分子将与氢分子进一步反应(OH+H2)产生水分子,因此羟基分子扮演了合成水的化学中介。这就构成了一个完整的水分子化学循环。很可能我们地球海洋中的一些水分子就经历过了这样一个高温水循环过程的加工处理。

汉语翻译:何金华

网页编辑:于立鑫

左图和中图展示了韦伯太空望远镜观测的猎户座大星云中的d203-506这个年轻的盘天体的图像 ©PDRs4All。右图的动画示意水分子的破坏和再形成过程是如何被韦伯太空望远镜观测到的。 © 玛丽恩·詹尼斯(M. Zannese)

参考文献:

OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks

Marion Zannese, Benoît Tabone, Emilie Habart, Javier R. Goicoechea, Alexandre Zanchet, Ewine F. van Dishoeck, Marc C. van Hemert, John H. Black, Alexander G. G. M. Tielens, A. Veselinova, P. G. Jambrina, M. Menendez, E. Verdasco, F. J. Aoiz, L. Gonzalez-Sanchez, Boris Trahin, Emmanuel Dartois, Olivier Berné, Els Peeters, Jinhua He(何金华), Ameek Sidhu, Ryan Chown, Ilane Schroetter, Dries Van De Putte, Amélie Canin, Felipe Alarcón, Alain Abergel, Edwin A. Bergin, Jeronimo Bernard-Salas, Christiaan Boersma, Emeric Bron, Jan Cami, Daniel Dicken, Meriem Elyajouri, Asunción Fuente, Karl D. Gordon, Lina Issa, Christine Joblin, Olga Kannavou, Baria Khan, Ozan Lacinbala, David Languignon, Romane Le Gal, Alexandros Maragkoudakis, Raphael Meshaka, Yoko Okada, Takashi Onaka, Sofia Pasquini, Marc W. Pound, Massimo Robberto, Markus Röllig, Bethany Schefter, Thiébaut Schirmer, Sílvia Vicente, Mark G. Wolfire

Nature Astronomy 23 February 2024 https://www.nature.com/articles/s41550-024-02203-0 


 1. PDRs4All项目(https://pdrs4all.org/)是美国宇航局(NASA)遴选的用于展示韦伯太空望远镜观测能力的13个早期研究项目(Early Release Science programmes,简称ERS)之一,由多个国际合作团队联合构成。

2. 这里包含了来自如下众多合作机构科学家的贡献:西班牙基础物理研究所(Instituto de Fısica Fundamental ,CSIC)、西班牙马德里康普斯顿大学(Universidad Complutense de Madrid ;UCM)化学系、西班牙萨拉曼卡大学(University of Salamanca)物理化学系、荷兰莱顿大学莱顿天文台、荷兰莱顿大学戈尔莱乌斯实验室(Gorlaeus Laboratories)莱顿化学研究所。

宇宙尘埃的起源之谜:热核爆炸Ia型超新星在星周环境里产生了新尘埃

宇宙尘埃的起源一直是个谜。最近,中国科学院南美天文中心/国家天文台中智天文联合研究中心的王灵芝副研究员与多家国内外科研机构合作,利用空间和数个地基望远镜的数据,对一颗热核爆炸Ia型超新星SN 2018evt开展了长达三年的光学和红外时域监测,探测到了大量尘埃的快速生成过程。

当一颗白矮星吸积伴星气体物质,达到钱德拉塞卡质量极限后,产生热核爆炸Ia型超新星。而那些没有被吸积到白矮星表面的气体形成星周环境。当超新星爆炸后,其抛射物高速向外膨胀,会与星周环境里的气体相互碰撞,形成致密的薄层,或者冷壳层。此壳层将继续减速向外膨胀,壳层里的气体逐渐冷却,凝结成尘埃。

Ia型超新星爆炸产生尘埃的过程一直缺乏直接的观测证据,即同时观测到尘埃的吸收,散射和热辐射特征。此超新星系统完美的呈现了尘埃的这三项特征。由于尘埃的热辐射,它的中红外流量突然变亮;由于尘埃的吸收,它的光学流量变得更暗;由于尘埃的散射,它的颜色变蓝。此外,研究人员还发现,由于尘埃的吸收,相互作用区辐射出的Hα谱线出现红蓝强度比不对称,同时谱线中心向蓝端移动。

图1: 超新星SN 2018evt的爆炸抛射物和星周物质相互作用不同阶段的演化示意图,310天之前的演化为子图a, b和310天之后的演化为子图c。右上:SN 2018evt在冷壳层里产生新尘埃的艺术图。

这项研究首次在Ia型超新星与星周气体相互作用区的冷壳层里,直接探测到大量温尘埃的快速生成过程。在爆炸后约1,000天,相互作用区域内的冷壳层里产生了至少0.01个太阳质量的尘埃。研究还表明,Ia型超新星可能是椭圆星系中尘埃的重要来源。这一发现挑战了之前只有核塌缩超新星能产生大量宇宙尘埃的传统观点。随着时间推移,这个系统将会产生更多甚至十倍的宇宙尘埃。尘埃的形成其实是气体冷却到足以凝结的过程。有一天,这些尘埃将凝结成原行星,最终形成行星。这是在恒星死亡之后新的开始。这项研究开启了宇宙中生命与死亡循环另一个环节的研究。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的运行,它将会探测更多此类事件。

图2:SN 2018evt新生成尘埃的温度(子图)和质量演化图。数据点表示SN 2018evt和核塌缩超新星爆炸产生的尘埃演化。实线表示对超新星SN 2018evt新尘埃组分假定为0.3微米石墨的时间幂律谱演化。

这一研究成果已于2月9日发表于《自然·天文学》杂志 (Nature Astronomy),题为“热核爆炸Ia型超新星在星周环境里产生了新尘埃(Newly formed dust within the circumstellar environment of SNIa-CSM 2018evt)”。

王灵芝副研究员是该论文的第一作者和通讯作者。中科院紫金山天文台博士后胡茂凯和德州农工大学的王力帆教授为共同第一作者。此项研究还包括来自拉斯坎布雷斯天文台全球超新星项目、欧洲南方天文台公共瞬变天体光谱巡天观测,智利千禧天体物理研究所,卡内基超新星项目,清华大学、云南天文台等多家机构的天文学家。论文地址:https://www.nature.com/articles/s41550-024-02197-9

研究人员利用4米级地面望远镜刻画系外行星大气并取得重要进展

近期,国家天文台研究人员利用位于智利的4米级口径地面望远镜,获取了两颗热木星WASP-69b和WASP-121b的光学波段透射谱,通过模型分析,对它们的大气性质给出了重要的限制。研究结果分别发表在《英国皇家天文学会月报》和《天文和天体物理学研究》上。

热木星是一种比较极端的系外行星,因距离主星很近且轨道周期一般小于10天,行星会被潮汐锁定。长期而强烈的恒星辐射使得行星的日面温度通常可以达到1000K以上。这样的行星大气比较蓬松,光谱信号较强,是行星大气研究最重要的目标源之一。透射光谱是用于研究系外行星大气最重要的数据之一。透射光谱是行星凌星过程中的光谱与凌星外光谱的差异,行星大气的温度结构和化学组成等信息都反映在透射光谱中。因此可以通过透射光谱来刻画行星大气性质。

WASP-69b的半径为1.057±0.047RJup,质量为0.260±0.017MJup,周期约为3.868天。论文作者欧阳青林、王炜等人在透射光谱中发现瑞利散射带来的斜率,推断此行星大气主要由氢气组成。此外,WASP-69b透射光谱在700-900 nm处存在较为明显的摆动信号,结合行星大气模型,作者认为可能是氧化钛吸收导致。一般认为,氧化钛是引起热木星大气温度反转产生逆温层的主要成分,但需要大气有足够高的温度(> 1500K)以维持氧化钛的气态,因此,过去只在超热木星(Teq > 2000K)的大气中探测到氧化钛的存在。这是首次在经典热木星中发现氧化钛存在的证据。

图1:WASP-69b的透射光谱以及对应的反演的最佳拟合模型。蓝线和红线分别为光学透射谱和光学+近红外透射谱的反演最佳拟合模型。下方分别为两个反演模型对应的参数后验分布。两个反演模型均显示出较高的金属丰度。

WASP-121b的半径为1.865±0.065RJup,质量为1.183±0.064MJup,周期约为1.275天。作者发现,他们获得的透射光谱与前人获得的光谱存在差异,前人所获光谱之间也存在较大差异。通过文献调研和对前人数据的再分析,他们认为这种差异可能真实存在,不大可能来源于数据处理过程以及恒星活动性的影响,也即:该行星的大气成分可能随时间而变化。反演分析表明,WASP-121b的大气中存在氧化钛、氧化钒的吸收信号,但这两种成分的丰度与前人的结果也不一致,这一结果进一步支持了该行星大气存在时变现象的可能性。

图2:与图1类似,WASP-121b的透射光谱以及对应的反演的最佳拟合模型。下方的反演参数后验分布图清晰地展示了氧化钛和氧化钒的丰度后验分布,对应了大气中氧化钛、氧化钒的吸收。

这两项工作是首次利用SOAR望远镜开展系外行星大气的观测研究。SOAR全称是Southern Astrophysical Research Telescope,由巴西、智利、美国多家天文机构共同运行。相关观测数据是论文通讯作者王炜在中科院南美天文中心工作期间申请获得的。论文作者指出,与目前主流的大口径地面望远镜和空间望远镜相比,4米级望远镜精度略差,但仍可对行星大气性质做出重要的约束。因此,像SOAR这样的4米级地面望远镜可以成为系外行星大气观测研究的一个成本较低但质量有保证的选择,有利于未来开展更大样本的行星大气观测研究。

图3:位于智利的SOAR望远镜,口径位4.1米

论文1链接:https://academic.oup.com/mnras/article/521/4/5860/7091929 

论文2链接:  https://doi.org/10.1088/1674-4527/accbb2

中科院南美天文中心(圣地亚哥)春节联欢活动

瑞兔呈祥,四海同春。1月27日(智利),中国科学院南美天文研究中心(以下简称中心)在智利圣地亚哥举办了春节联欢活动。中国驻智利大使馆代表王越、朱超,智利圣托马斯大学孔子学院外方院长Lilian Espinoza Guerra,智利天主教大学孔子学院中方院长顾红娟应邀出席。智利大学天文系全体,智利天主教大学孔子学院师生代表,南美天文研究中心驻智人员及家属100余人欢聚一堂,共贺佳节。

本次活动以欢度春节,弘扬中华文化为主题。活动现场张灯结彩,中国特色的装饰,烘托出浓厚的节日氛围。美食品鉴区,麻花、瓜子、花生等春节传统糕点和零食罗列纷呈。饺子、宫保鸡丁、麻婆豆腐等经典中国菜品深受外国友人喜爱,展示了中国博大精深的传统饮食文化;书法体验区,喜庆的春联,各式字体福字广受欢迎,外国友人跃跃欲试,学习汉字书写自己名字;茶艺文化表演,吸引众多国外友人观赏品鉴;孔子学院外籍学生Matías Tapia带来的琵琶演奏《琵琶语》、《象王行》及中心学生刘一笑的小提琴演奏《丰收渔歌》,精彩纷呈,掌声连连,不仅展示出国风之优雅,也使驻智游子感受到乡音之亲切。

现场活动照片

整个活动现场气氛热烈,其乐融融。本次联欢,传递出浓浓中国年味,有助于加强了中智双方文化交流,弘扬中国传统文化。南美天文中心将充分发挥其在智利合作平台作用,为中智合作做出应有的贡献。

本次活动受中国科学院国家天文台工会资助及智利大学天文系协助。

南美天文中心驻智利成员和孔子学院代表合影

牛清报大使来访

7月26日,中国驻智利大使牛清报参访智利大学天文系,看望中科院南美天文中心的中外学者,并与全体工作人员进行了座谈交流。

(牛大使与智利大学天文系负责人,以及南美天文中心王仲主任,朱磊副主任展开会谈)

智利大学天文系系主任理查德·穆尼兹教授介绍天文系发展历程、研究成果及中智天文合作情况,牛大使高度评价智利大学为两国拓展天文领域交流合作提供良好平台,对该系取得的学术成就及其国际合作成效表示祝贺。

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(牛大使与智利大学天文系互赠纪念品)

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(牛大使一行与天文系领导,及南美天文中心全体员工合影留念)

随后,牛大使参访了中科院南美天文中心,听取王仲主任做中心建设发展情况报告,并与全体工作人员开展座谈,了解大家在智利的工作和生活情况,进行亲切交流和深入探讨。

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(牛大使一行参观南美天文中心办公室,并向中心赠送纪念品)

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(南美天文中心王仲主任介绍中心建设发展情况)

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(牛大使一行与中心驻圣地亚哥全体成员开展亲切会谈)

最后,牛大使一行在中心领导及总工程师爱德华多·多诺索的陪伴下参观了在建的“中科院综合科技园区(智利)”项目现场,对中心发展提出建议和祝福,整个访问圆满结束。

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(使馆就本次牛清报大使访问报导链接:

http://cl.china-embassy.gov.cn/sgxw/202207/t20220729_10729667.htm)

2024龙年春节庆祝活动:传统文化与现代天文的完美融合

随着2024年龙年春节的临近,中国科学院南美天文研究中心与智利大学天文系携手合作,共同庆祝中国新年,宣传中国文化。

1月26日,这场特别的联欢活动在智利首都圣地亚哥举办。中国驻智利大使馆科技处朱超,智利天主教大学孔子学院中方院长顾红娟,智利圣托马斯大学孔子学院代表,智利大学数理学院院长Francisco Martínez Concha教授,副院长Marcela Munizaga教授,智利天文学会主席Bruno Días博士,智利天体物理及技术中心(CATA)主任Guido Garay教授,圣地亚哥La Cisterna区政府代表,及当地中资企业代表等应邀出席活动。智利大学天文系全体师生,以及中科院南美天文研究中心驻智人员和家属,共计170余人欢聚一堂,共贺佳节。 

琳琅满目的灯笼和中国结等装饰营造出了浓郁的春节气氛。文化体验区设置的中国书法和茶艺展示,获得了来宾们的广泛赞誉。外国朋友们热情地排队体验书写春联和中文名字,同时品尝着中国茶。地道的中式午餐更是受到热烈欢迎,现场排起了长龙等待品尝。此外,古筝与二胡的悠扬演奏、优雅的扇舞、神秘的变脸、以及矫健的剑舞等精彩绝伦的表演,赢得了观众连连掌声,将活动的热烈气氛推向高潮,完美展现了浓厚的中国年味。在此背景下,作为活动的一大亮点,中国古代天文和现代天文成就展展示了中国天文学的辉煌历史和现代成就,吸引了众多来宾的目光,而智利大学天文系特别设置的一台太阳观测望远镜也成为了众多来宾关注的焦点。

此次春节联欢活动不仅现场气氛热烈愉悦,充分展现了中国传统文化的独特魅力,更成功结合了传统文化庆祝和现代天文科学探索。中国科学院南美天文研究中心,作为中智合作的重要桥梁,将继续发挥其平台作用,助力中智两国在多领域的合作与交流,共同书写友谊新篇章。 

本次活动受中国科学院国家天文台工会资助及智利大学天文系协助。

第六届中智天文科学双边会议在智利召开

11月6-10日第六届中智天文科学双边会议在智利巴拉斯港召开。来自中国科学院、国内各高校、智利各天文单位的30多个天文研究机构80余名专家、青年学者和学生参加会议。就中智双方科研成果、中智合作取得的最新进展、未来合作机会等方面进行深入交流。本次会议由中国科学院国家天文台/中国科学院南美天文研究中心和智利天文学会联合主办。会议主席由国家天文台黄家声研究员和智利大学教授Diego Mardones共同担任。

中国科学院国家天文台副台长、南美天文研究中心主任赵公博、智利天文学会主席Bruno Días作开场致辞并对会议来宾表示欢迎。本次研讨会涉及太阳系天体,原行星盘,恒星形成、星际介质和天体化学,系外行星,恒星和星团,星系、活动星系核和宇宙学,理论天体物理、数值模拟和大数据天文学,天文仪器设备,天文台站建设等方向,涵盖各领域的最新研究成果。会议特别邀请到中国科学院国家天文台邓李才、商朝晖和施建荣研究员,中国科学院上海天文台郑振亚研究员,天主教大学Ezequiel Treister教授,塔尔卡大学Daniela Estefanía Olave Rojas博士,贝尔纳多·奥希金斯大学Richard Lane博士,拉塞雷纳大学Denise Riquelme博士和迭戈·波塔莱斯大学杨彬(Bin Yang)教授等天文学者介绍基于中智合作下天文科学研究成果以及中智两国天文台站和天文设备建设等情况;智利大学Guido Garay教授开场回顾了十年来中智天文合作结出的科研硕果和培养的优秀人才,厦门大学王俊峰教授做会议总结,展望未来中智天文合作愿景。此次双边会议,有助于促进中智天文学交流,加深中智双方的了解和信任,扩大国内天文在智利影响力,为今后更有效的开展中智合作奠定基础。会议期间,中智两国天文学家积极探讨,深入交流,寻找新的合作契合点,为下一步更加合理有效利用双方科研资源,开展广泛科学合作,聚焦重点研究方向,早日产出重要成果做好各项准备。