天文学作为研究宇宙起源、演化与结构的科学，不断借助技术突破和多学科交叉取得令人瞩目的进展。从太阳系边界到遥远的暗能量现象，从高能物理观测到智能算法的应用，天文学家通过观测、实验和理论推导，深入挖掘宇宙的复杂性与规律性。2024年，木卫二快船发射启程，标志着太阳系行星探测迈向了新的阶段。新一代空间望远镜的发射和运行，开启了人类对深空的全新视野，为星系形成、暗能量分布及行星系统特性等各领域提供了关键数据。FAST的技术升级和算法优化，带来了关于脉冲星、中子星的精确测量和理论突破。临近地球，在太阳和月球研究领域，新的观测手段让人类对这些邻近天体的动力学机制和资源潜力有了更深入的了解。而在遥远宇宙中，更多独特的黑洞被人类发现，暗能量光谱巡天项目也逐步描绘着更精确的宇宙历史。此外，人工智能的快速发展，正逐步融入天文学的各个领域，提高了数据处理与新发现的效率。这些成就不仅延续了人类数千年来对星空的追问，也反映了现代科学对宇宙认识的深度与广度。
1 木卫二快船启程
许多独立的证据显示，木星的卫星木卫二（Europa，欧罗巴）的冰冷外壳下存在液态水海洋，水量是地球上所有海洋总和2倍多。除此之外，木卫二的表面下还可能具备形成生命所需的条件[1]。木卫二快船（Europa Clipper）是有史以来，第一个致力于研究地外海洋世界的任务（图 1），也是美国国家航天局（NASA）为行星任务开发的有史以来最大探测器[1]。2024年10月14日，搭载木卫二快船的SpaceX猎鹰重型火箭从肯尼迪航天中心发射升空，开启了前往木星的长途旅行。预计在2025年2月飞越火星，期间多次利用引力弹弓，预计在2030年4月抵达木星。到达后，它将会飞越木卫二近50次进行更加详尽的探索[2]。木卫二快船携带了9台科学仪器，包括摄像机、光谱仪、热成像仪、冰穿透雷达、磁力计等，将会记录木卫二的化学性质以及磁场、地质情况，并且绘制木卫二表面地图[3]。但木卫二快船在执行任务时将面临诸多挑战，如木星周围强磁场引发的仪器退化、信号发回控制中心的延迟以及探测器供电的保持等[4]。
木卫二快船可以帮助我们更好地了解太阳系以外的数十亿颗卫星和行星是否具有存在生命的潜力，在寻找地外宜居世界的道路上前进一大步。
2 两大新卫星升空
2024年，2颗性能优越的新卫星发射升空，分别是“天关”卫星与中法天文卫星。
2.1 “天关”卫星
“天关”卫星，别名爱因斯坦探针（Einstein Probe，简称EP），由中方主导研制，欧洲航天局（ESA）、德国马普地外物理研究所（MPE）和法国航天局（CNES）以国际合作形式参与，旨在发现宇宙中X射线暂现源，并发布预警引导其他天文设备进行后随观测。EP具有软X射线高灵敏度和实时动态巡天检测的能力，填补了国际上在该波段的大视场全天检测设备的空白[5]。
“天关”源于中国北宋至和元年（公元1054年）记录的“天关客星”超新星，其遗骸为蟹状星云。将EP命名为“天关”，体现了中国在超新星爆发观测记录方面的深厚渊源和对世界天文学的卓越贡献。
2.2 中法天文卫星
天基多波段空间边缘监视器，也称为中法天文卫星（Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor，SVOM），是中法合作的空间观测项目，主要目标是伽玛射线暴的多波段研究，同时包括瞬时和余辉观测，以获取完整的高质量的GRB爆发过程数据[11]。SVOM的有效载荷由2台高能仪器GRM（Gamma Ray Burst Monitor）和ECLAIR以及2台低能仪器MXT（Microchannel X-ray Telescope）和VT（Visible Telescope）组成，可以进行GRB定位以及从keV到MeV的光谱观测，仪器结构如图 3[11]所示。宽带光谱范围可以尽可能准确地确定GRB的峰值，这是利用GRB作为标准烛光测量大红移下宇宙学参数的关键[12]。因此，SVOM是目前用于研究最远GRB多波段综合观测能力最强的卫星。
3 “宇宙地图”的第一块拼图
2024年10月15日，欧空局的欧几里得太空任务在第75届国际宇航大会上公布了迄今为止最精确的“宇宙地图”的第一块拼图。这是一张具有2080亿像素的巨大图片，包含了从2024年3月25日至4月8日的260次观测结果，共132平方度的南方天空，覆盖面积超过满月的500倍[15]。
欧几里得空间望远镜灵敏的相机捕捉到了许多惊人的细节，放大600倍仍能看到螺旋星系的复杂结构。这张照片中，包含了约1亿个光源，既有银河系的恒星，也有遥远的星系。其中约1400万个星系足够明亮，可以测量它们被引力透镜扭曲的形状，了解宇宙中暗物质的分布；同时，它们在宇宙时间上的分布也能反映暗能量的信息。图像中还能看到许多淡蓝色的云层，这些是气体与尘埃的混合物，由于看起来像卷云，因此也被称为“银河卷云”[15]。
欧几里得空间望远镜于2023年7月1日乘坐SpaceX猎鹰9号火箭从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地发射到日地拉格朗日点L2，主镜口径为1.2 m，视场达0.5平方度[16]。目前欧几里得空间望远镜已完成12%的巡天任务，图 4为欧几里得空间望远镜拍摄的“宇宙地图”的一块拼图，这张照片只是“宇宙地图”的1%[15]。接下来的6年里，欧几里得空间望远镜将自动扫描大约1/3的夜空。研究人员预计，最终地图将显示约80亿个星系，每个星系都有数十亿颗恒星，跨越100亿年的宇宙历史[17]。欧几里得太空任务计划于2025年3月发布53平方度的巡天数据，包括欧几里得深场区域的预览。第1年的宇宙学数据将于2026年全面公开。
4 韦布空间望远镜新结果
韦布空间望远镜（JWST）再一次带来新的惊喜。
4.1 爱因斯坦之字形
J1721+8842是已知最北的引力透镜，因此能够从地面进行连续监测。此外，它的源星系具有一个变化的活动星系核（AGN），这使得所有6个图像之间的时间延迟测量成为可能。因此，它的透镜模型能够非常好地约束观察者、透镜和2个光源之间的距离比，由此可以精确测量宇宙的膨胀历史。通过在这个系统上结合时间延迟宇宙学和双源平面透镜建模，天文学家期望借此得到对哈勃常数和暗能量方程的更严格的约束[19]。
4.2 早期超大质量星系
这些发现提出了关于星系形成的新问题：早期宇宙中星系“太多、太大”。目前的模型可能需要考虑不同的过程，以便能够描述某些早期的大质量星系高效产生恒星、快速成形的现象。研究小组总结说，JWST和阿塔卡马大型毫米波阵列未来的观测将更深入了解这些超大质量的“红色怪物”，并搜寻此类星系的更大样本。“红色怪物”只是人类探索早期宇宙的一个新时代的开始[21]。
5 月球资源新篇章
2024年，人类对月球的研究热度依然不减，取得一系列亮眼突破。
5.1 月壤研究
5.2 月球洞穴的发现
这一发现还唤起人们对“月球城”的遐想。但要建立适合人类居住的基地，仍需克服重重困难：不仅需要拥有可供人类呼吸的大气，抵御宇宙射线的辐射，还应具备足够的隔热性能，维持稳定舒适的温度，并且基础设施、水和食物供应等问题也需逐一解决。正因为这些技术困难，NASA建立首个月球城的计划一再推迟[31]。
6 太阳物理新发现
6.1 太阳风探测
太阳风在离开太阳后会持续加速，并最终以超音速穿越太空，这一加速过程的具体机制一直是科学研究中的难题。近年来，随着先进探测器提供的关键线索，科学家终于对这一现象有了更加深入的认识。帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）轨道靠近太阳，能够捕捉太阳风刚从日冕喷射出时的状态，而太阳轨道探测器则在更远的金星轨道附近记录太阳风的性质。基于2颗探测器的轨道分布和太阳风等离子体的传播路径，科学家发现它们先后穿越了同一团太阳风等离子体。利用2者的数据，科学家对太阳风在大约2 d内的变化进行了详细分析。
太阳风的加速和加热一直被认为与阿尔芬波密切相关[32]，2024年8月发表在《Science》上的一篇研究给出了支持这一假设的证据[33]。阿尔芬波是一种磁场振荡，它能携带大量能量在等离子体中传播。帕克太阳探测器曾在太阳风中识别到大量的磁力线回旋结构，科学家将其解释为大幅度的阿尔芬波动[34]。在这次观测中发现，当太阳风从日冕边缘向外扩展时，这些大幅度的阿尔芬波逐渐衰减并释放能量。进一步计算显示，这些能量的减少正好与太阳风所获得的动能和热能相匹配[33]。图 9展示了此次观测的航天器轨迹和模拟的太阳风传播路径[33]。这项研究为太阳风的加速机制提供了直接的证据，揭示了复杂的太阳风系统中一个重要的能量传递过程。
6.2 日冕加热新解
太阳的最外层大气——日冕，温度高达数百万开尔文，且远远超过下方光球层，表现出“距离核聚变热源越远的太阳大气反而越热”的奇异现象。因此，必须存在某种或多种额外的加热机制，持续地为日冕补充能量。这一基本的加热问题引发了数十年的争论，科学界尚未达成一致意见。
日冕中的等离子体分布并不均匀，尤其在太阳活动区，其核心部分往往包含温度更高的“超高温”成分，甚至高达千万开尔文。多波段的观测结果表明，即使在持续数小时的时间尺度上，这些超高温等离子体依然维持在高温状态。然而，由于热导损失与温差的3次方成正比，日冕中的等离子体通过热传导和辐射快速散失能量，这些“超高温”成分难以长时间存在。解析这些等离子体得以维持高温的机制成为日冕加热研究中的一大挑战。
7 系外行星新视野
7.1 首次一瞥系外行星的内部
JWST的精确数据使科学家能够推测出WASP-107b的核心质量，结果显示其核心质量约为地球的12倍，远高于此前的预期。研究表明，这颗行星的膨胀现象无需依赖极端的行星形成假说，而是可以通过增加核心质量和内部温度来解释[36]。
7.2 人工智能发现5颗超短周期行星
利用人工智能技术，研究人员从开普勒太空望远镜2017年的恒星测光数据中发现了5颗超短周期行星，直径均小于地球，轨道周期短于1 d，这一突破性成果发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》[39]。
研究团队创新性地开发了一种结合图像处理单元（GPU）相位折叠方法与卷积神经网络（CNN）的算法（GPFC），显著提高了凌星信号的识别速度和精度。与传统的盒拟合最小二乘（Box-fitting Least Squares）算法相比，GPFC算法的搜索速度提高了约15倍，准确度和完备度分别提高了约7%[39]。
这一研究不仅为超短周期行星的发现提供了新的技术路径，还为行星形成理论和行星系统的早期演化研究提供了宝贵的实验数据。超短周期行星的独特存在提供了全新的视角，促使科学家重新审视和完善现有的行星形成模型。
8 FAST发现脉冲星数量破千
截至2024年11月，FAST发现脉冲星数量已突破1000颗，超过同期国际其他望远镜发现脉冲星数量总和。其中包括大量的毫秒脉冲星和脉冲星双星，对于理解脉冲星的形成和演化具有重要意义[41]。
在毫秒脉冲星的精密测时研究方面，北京大学/中国科学院国家天文台李柯伽团队与中国脉冲星测时阵列合作，取得了脉冲星噪声分析、引力波探测等领域的重要进展，并对毫秒脉冲星的偏振特性进行了普查，推翻了部分原有的假设[46]。
利用FAST，中国科学院新疆天文台王娜团队在脉冲星辐射物理、形成与演化等领域取得了重大突破，成果包括首次测量年轻脉冲星的三维速度，并发现脉冲星自转与其速度之间存在共线性[47]。
2017年启动的由中国科学院国家天文台潘之辰负责的球状星团脉冲星巡天项目，显著提高了FAST在球状星团脉冲星探测方面的能力。该项目已发现近60颗脉冲星，其中包含轨道周期最短的脉冲星双星系统、球状星团脉冲星中自转最慢以及轨道周期最长等奇特脉冲星[48]。
通过观测脉冲星，可检验广义相对论、探测低频引力波等，为脉冲星物理、测时等理论研究提供重要的数据支持，未来FAST将探索通过在望远镜周围增加辅助天线的方式来提升望远镜的灵敏度及空间分辨能力，实现射电暂现源定位和综合孔径成像的跨越式能力提升，并显著增加FAST的覆盖天区，全面革新对中子星演化的认识，揭示不同类型和状态脉冲星的物理特性，开启强引力场中检验广义相对论的新纪元。
9 黑洞新知
9.1 位于黑洞质量间隙的小质量黑洞
基于传统的X射线方法测量到的恒星级黑洞的质量分布为缺少3~5倍太阳质量的黑洞，该区间被称为黑洞质量间隙。这与小质量黑洞数量多于大质量黑洞的形成理论大相径庭。此外，小质量黑洞是否可以存在于双星系统也存在争议。
9.2 银河系内最大质量恒星级黑洞
通过Gaia的精确观测，天文学家发现银河系中迄今为止质量最大的恒星黑洞——Gaia BH3。这颗黑洞的质量约为太阳的33倍，超出了目前银河系已知的任何恒星起源黑洞的质量范围，相关论文发表于《天文学与天体物理学》。Gaia BH3位于天鹰座，距离地球约1926光年，处于休眠状态，未产生可观测的辐射，因此传统的黑洞探测方法无法直接发现它。科学家通过观察其伴星的运动轨迹，成功推测出黑洞的存在[51]。
Gaia BH3的伴星是一颗贫金属巨星，其成分几乎完全由氢和氦组成。这表明，这颗伴星可能来自银河系晕，而形成Gaia BH3的黑洞很可能是由1颗第一代恒星坍缩而成。这一发现支持了近年来引力波望远镜探测到的低金属大质量恒星是高质量黑洞的祖先的假设。与银河系中典型的恒星级质量黑洞相比，Gaia BH3的巨大质量难以用现有的恒星演化理论解释。这一发现不仅挑战了传统的黑洞形成理论，也为研究超大质量黑洞提供了新的线索。Gaia高精度数据为黑洞质量的测定提供了前所未有的精度，揭示了银河系中可能存在更多类似的休眠黑洞。随着Gaia数据的进一步发布，预计将有更多此类黑洞及其伴星被发现[52]。
9.3 有史以来最长的黑洞喷流
这些喷流不仅具有巨大的空间尺度，而且对星系际介质产生了重要影响。黑洞喷流向周围环境注入电子、原子核和磁场，影响物质和磁场的分布，在早期宇宙时期对星系的形成与演化起到了关键作用。以往的研究表明，喷流的长度通常受限于磁流体不稳定性，这些不稳定性会抑制喷流扩展。然而，Porphyrion的存在表明，即使在早期宇宙的密集环境中，喷流依然能够稳定地延伸出非常遥远的距离[54]。
Porphyrion的喷流结构包括多个部分。科学家通过射电望远镜（如LOFAR）对这些部分的精确测量，发现其长度可能比最初估计的还要更长，达到7.3百万秒差距。在宇宙早期物质密度比如今高出数倍的情况下，为何它能够在如此遥远的距离保持稳定，现在仍是一个未解之谜。这一发现为理解黑洞与星系之间的共演化提供了新的视角，也为研究喷流如何在宇宙中传播和影响物质的分布提供了重要线索[54]。
10 暗能量光谱巡天
目前，主流的宇宙模型被称为ΛCDM，它包括弱相互作用类型的物质（冷暗物质，CDM）和暗能量（Λ）。物质和暗能量都决定了宇宙膨胀的方式，它们的数量影响着宇宙的演化。这个模型很好地描述了以前的实验结果。然而，若将DESI第1年的数据跟宇宙微波背景或超新星的数据结合，得到的暗能量演化方程与ΛCDM的结果存在微妙的差异。随着DESI在为期5年的调查中收集到更多的信息，这些结果将变得更加精确。更多的数据也将改善DESI的其他早期结果，包括哈勃常数和中微子的质量。
11 结论
2024年，天文学领域产生了许多重要进展。这些科学进展不仅推动了基础物理学的发展，还促使我们重新思考宇宙的本质。从脉冲星的多样性到黑洞的质量差异，再到暗能量的神秘影响，天文学家的努力让我们看到了更广阔的宇宙景象。每一个发现都在挑战着传统认知，揭示了更多尚未解开的谜题。随着望远镜技术的不断进步，未来的天文观测将更加精确，提供更多的宇宙信息。无论是通过对系外行星的大气组成研究，还是通过对暗能量和暗物质的深度探索，都在不断地接近宇宙最深层的奥秘。未来几年，随着数据的不断积累，天文学的研究必将带来更多意想不到的发现，将深刻影响我们对宇宙和自身的认知。天文学的探索是无尽的，每一个新发现都是人类智慧与探索精神的结晶，标志着对宇宙的理解进入了新的时代。
