2018 年，天文学领域发生了哪些大事件？
我的学姐张博以前每年都在她的主页上点评一年的天文大事。不过好像她已经好久不写blog了，不知道今年还能不能等到。今年我斗胆来写几条吧，顺序不反应排名，只反映个人品位与兴趣方向。这个总结主要是基于今年年内发表或者公布预印本的论文的，但是为了不影响阅读，用链接代替了引用。另外，行星领域和系外行星领域实在不了解，希望有更专业的人去写，我就不涉及了。 在我看来这是毫无争议的全年最大亮点：16亿颗恒星的精确天体测量数据，用1%的银河系恒星帮助我们构建了一个无比精彩的宇宙家园的蓝图。非常赞同 @WcWcW 回答里提到的，这次数据发布的重要性如此基础，以至于不夸张的说，改变的是整个天体物理学的面貌，和后面一代代人对于宇宙的理解。Leiden大学教授，Gaia数据负责人之一的Anthony Brown近日来访UCSC做报告时感慨到，现在出生的孩子 ，到了接触天文的年纪，会认为我们对几十亿颗恒星的距离了如指掌就像知道地球围着太阳转一样理所当然。。。一想到Gaia后面还会有至少两次常规数据发布，以及项目获得了两年的延期就感到非常的兴奋。 在科学影响指标上，Gaia DR2的综述文章今年4月上线，已经被引用了736次；天体测量求解的论文，被引用247次；视差数据使用指南，被引用119次；Bailer-Jones给出的恒星距离表格，引用128次。这是一场不分领域，不分国界的天文盛宴。比如，国家天文台的银河系团队也已经利用Gaia数据以及和Lamost巡天数据的结合，获得了一批有趣的科学成果。 仅以科学结果而论，银河系内部银晕巨大的Gaia-Enceladus结构的发现，印证了我们的家园在百亿年前经历的动荡; 银盘垂直方向相空间 (z - V_z) 『旋涡结构』的发现，揭示了银河系目前仍在不停地和周遭小星系进行『互动』。这都是可以轻松排进年度前十的新发现。还有一大批如有史以来最大的白矮星样本和最精确的白矮星冷却观测限制；球状星团星流结构细节可能示踪了银河系暗物质子结构，等等引人注目的新结果。总之，今年给所有天文项目发年终奖，Gaia自己领走一半毫不为过。 2. 宇宙学视野内两朵迫近的乌云 今年5月底，一群宇宙学家忧心忡忡地聚集在英国剑桥大学的Kavli宇宙学研究所开了个会：Consistency of Cosmological Datasets: Evidence for new Physics? 虽然名字含蓄，但是意义重大：来自宇宙学各个研究方向的人，认认真真，心平气和地讨论Lambda-CDM宇宙学模型后院起火的可能性。这个会议的内容如此敏感，以至于报告的Slides都只是在内部Dropbox上分享。。。类似主题的会今年开了不止一次，明年还会越开越多。原因只有一个。。。好吧，两个：宇宙学模型出事了： - 【1】描述当前宇宙膨胀速率的哈勃常数H_0，通过正向距离阶梯测量 (利用银河系内造父变星几何测距加上近邻星系变星周光关系得到的) 得到的值和用反向距离阶梯 (Inverse distance ladder; 指用宇宙微波背景辐射测量作为基准，用声学视界作为标尺结合宇宙学模型反推H0) 推断出的结果对不上。Planck的测量结果和今年Adam Riess组结合Gaia新测量得到的H0差异的显著度已经到了4个sigma，按照天体物理标准已经是相当瞩目了。更『可怕』的是，几年前，两个测量阵营双方还都对测量系统误差抱有期待，现在大家已经坐下来讨论新物理了。。。用Hubble H0关键项目负责人，芝加哥大学天文系著名天文学家Wendy Freedman的话说：『说H0测量差异是真的，我觉得现在可以赌上你的房子了。。。但是暂时还不要把你的孩子赌上』。。。这才几年啊，明年要赌肾了吗？【Adam Riess关于H0测量的报告倒是在网上，非常详细，值得一看】 - 【2】此外，描述宇宙中物质比例的参数(Omega_m)和描述原初密度扰动程度的参数 (sigma_8; 原初密度扰动在 8 Mpc/h尺度上扰动的方均根)的CMB测量和弱引力透镜测量。。。也对不上了。当然，目前弱引力透镜测量还刚刚起步，若干系统问题还有待改进，因此这个系统差异的显著度还在1-2个Sigma之间。不过，随着KiDS，DES，HSC若干独立的大尺度宇宙学巡天发布宇宙剪切场 (cosmic shear) 参数限制后，大家惊讶的发现虽然各家的结果有各家的问题，但大家和Planck的结果都不在一个方向上。。。 宇宙学的问题，没有哪个是在几年内能够解决的。近几年和未来一段时间内，观测宇宙学的版图会格外动荡。今年一年内，Planck盖棺定论，DES咄咄逼人，HSC闷声发财，但一年内这么集中地在多个大项目看到宇宙学参数限制，还是很少见的。随着上面提到的两个问题的清晰，观测宇宙学领域只会更加精彩。今年一年内，我们看到了CMB非各向同性功率谱，CMD透镜测量，星系相关函数，宇宙学剪切场，星系-星系弱引力透镜，和星系团作为宇宙学工具轮番上阵，明年，DESI开光，DES和HSC继续开疆拓土，一批微波背景辐射小尺度测量项目上马，只会更加精彩。此外，观测者眼中的问题往往是理论学者的春梦。试图去从理论角度解读上面两个不一致的文章和新思路已经一大把了。不过这次的题目出的比较难，解决了一个的理论工具，往往会让另一个问题更难看。用哈佛大学著名宇宙学家Daniel Eisenstein的话说『需要两个神仙一起显灵才行』了 (原话大概是"We need two fairies..")  3. WIMP: 旧王已死，新王当立？ 能眺望Santa Barbara海景的Kavli理论物理研究所每年都会举行若干历时2-3个月的Workshop，邀请一大批科学家来探讨理论物理领域的有趣问题。今年4月进行的项目主题是关于小尺度宇宙学的，叫做 The Small-Scale Structure of Cold(?) Dark Matter ，期间还有一次比较正式的会议，题目叫做 Dark matter detection and detectability: paradigm confirmation or shift? 这两个耐人寻味又恰到好处的问号刻画出了多少理论物理学家和宇宙学家的纠结：作为冷暗物质模型最受期待的候选，弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 是否终究是虚幻倒影？冷暗物质模型的葬礼是不是可以开始筹备了？ 在我自己做学生的时候，一年关注的重点，往往是那些被新闻报道扭曲得不像样的『大新闻』。到了博后晚期，才知道科学会议才是暗藏玄机。选取这个题目作为今年『大事件』并不是因为有了什么新发现，而是在今年这个节点上，可以感受到一种风向要变的压迫感。暗物质直接探测和天体物理探测的坚定拥趸，与社交网络上修正引力论最忠实的守护者Stacy McGaugh和搞出了Emergent Gravity的Erik Verlinde被邀请到一个会议上进行报告和辩论也算是一种写照。 WIMP到底在哪？越来越精确的直接探测限制把参数空间压缩得逼仄异常，WIMP却完全不为所动。众多暗物质直接探测中，今年备受期待的XENON1T实验空手而归；一直坚持看到迹象的意大利DAMA实验也一直被质疑。就在上周，使用了和DAMA相同探测原理，但理应更精确的COSINE-100实验在Nature杂志发文，再次表示『对不起，我们什么也没看到』。。。当然，现在就唱响WIMP或者CDM的挽歌还是有些为时尚早的。在KITP的会议上，我们看到了争论，也看到了希望。暗物质的理论模型和观测限制，依然将是未来一段时间内，理论物理和天体物理学家们不懈的追求。而CDM之外新的暗物质模型也不是没有有趣的候选，今年一年里，关于自相互作用暗物质模型的讨论就格外多。【KITP会议和Workshop的所有报告的Slides和录像资料都是公开的，如果你对CDM或者WIMP感兴趣，没有什么比这个更好的材料了吧】 4. EDGES：空穴能来风？那21cm谱线呢？ 如果说上面三个话题都是多年厚积薄发，今年来自西澳大利亚沙漠里一架只有桌子大小的仪器带来的震动则是颇为让人意外的。虽然这个叫做EDGES的项目也是经历多年的准备和磨练，但不在宇宙21cm谱线探测这个圈子里的人可能还真不大了解他们。这组科学家今年在Nature上发表了一篇题为『全天平均频谱测量中78兆赫兹处的吸收轮廓』的文章。然而，这篇题目不知所云的论文里，作者含蓄展示的，是可能来自宇宙黎明再电离阶段前全宇宙中性氢气体的吸收信号。 作为宇宙中重子物质的绝对主导者，氢元素的21cm谱线又可能是全宇宙里最重要的一根谱线了。尤其是早期宇宙的21cm信号探测，不仅可以帮助我们限制宇宙再电离过程，还可以帮助天体物理学家了解重子物质和微波背景辐射辐射的相互作用，重子物质和暗物质相互作用，甚至是宇宙学中关于早期宇宙若干物理过程的重要渠道。然而由于信号之弱，测量之难，很多像我这样的外行干脆就是认定要等到一批未来大项目上马 (如 ASKAP, HERA, SKA等) 才有可能。而这组澳大利亚科学用一个并不起眼的设备的探测着实令人赞叹。当然，很快这个结果也引来了很多质疑，尤其是关于对于银河系星际介质同步加速辐射在相同频段上不同位置的贡献是如何扣除的。不管怎样，这个工作带来的思考和争论，都可以看做是未来21cm宇宙学春天之前的一股暖流。【这个科学真的不是我本行，不乱说了，Astrobites有一篇介绍是很不错的; 此外，今年也有一系列讨论这个结果的理论工作，比如对暗物质的限制】 【题外话：同样是意义重大，但是可能有显著争议，并且错误可能性不低的有趣结果，EDGES团队低调处理，及时公布数据的做法，大概也是吸取了当年BICEP-2的教训吧。。。】 5. Gravity: 重剑亦可有锋 如果你觉得一架8m望远镜已经很震撼了，那么把四架8m望远镜『链接』起来同时用是什么效果呢？这个答案可以在欧洲南方天文台甚大望远镜干涉仪的GRAVITY系统中找到。GRAVITY不是一架仪器，而是一整套系统，在其核心，是一套能将四架望远镜收集来的光纤汇集在一起进行干涉测量的子系统。在2.0-2.4微米的K波段，GRAVITY给我们带来的是超越你想象能力的天体测量精度和近红外分辨率。在2017年正式面世后，GRAVITY的科学产出绝对谈不上高，可能也未必获得了足够的公众关注。但是得益于其无可匹敌的观测能力，每一项工作又都是独一无二的。这其中包括了银河系中心超大黑洞周围恒星非常接近最后稳定圆轨道的超精确观测测量，猎户座大星云内大质量恒星形成区中大质量年轻恒星双星比例的精确测量，恒星微引力透镜成像的首次分辨观测 (北京大学Kavli天文和天体物理研究所东苏勃教授领导的；这是一个难度极大，但是格外精彩的观测工作，完成了微引力透镜分辨观测首杀的同时还顺道打了Einstein的脸，详见摘要最后一句)，银河系中最著名大超大质量亮蓝变星 (LBV) Eta Carina系统核心的超高分辨率观测，银河系中著名的『微类星体』SS433的超高分辨观测。 从90年代造镜浪潮开始，世界上几个最大的望远镜项目不约而同的考虑了利用光学红外干涉取得卓越分辨率的可能。其中Keck的干涉仪以基本失败告终，LBT历经磨难才投入科学使用，但其独特的双桶设计并没有真的体现出干涉仪的美感，而VLTI终于在GRAVITY上证明了巨镜+干涉仪的究极观测能力。要知道，考虑到未来很长时间里都不会有类似的大望远镜干涉阵出现了，这也许就是我有生之年可以见到的近红外分辨率的极限了。 6：MeerKat + LOFAR: 精彩的高低声部二重唱 GRAVITY的干涉能力已经接近了地面近红外观测的极限，但是和射电天文学家的干涉阵比起来还是小巫见大巫了。在低频到高频一系列不同的频段上，正在进行和建设中的一批大型射电干涉项目不仅会彻底改变我们『聆听』宇宙的能力，还将代表天文界迎接大数据的挑战。 今年AAS上，刚刚开工观测的MeerKat阵列仅仅用一张图片就征服了我。位于南非戈壁深处，作为平方公里阵列先导项目的MeerKat由64面13.5米直径的天线组成，在900兆赫兹和1670兆赫兹这两个频段上工作，每秒中就疯狂得获得275Gb的数据。 而首次亮相，MeerKat对准的就是银河系中心这个在射电波段意义非凡的目标。而她带来的下面这张尺度为1000x500光年的射电合成图像可以说是让人热泪盈眶的美丽了。也许你不能马上理解，不过对我这种看着VLA那张著名的银心射电图长大的人来说，这感觉和与青梅竹马重逢差不多吧。如此熟悉，但突然变得格外动人。无论是若干超新星遗迹，还是诸多银心磁场作用下产生的纤细射电结构，一下都变得那么清晰。银河系的中心的洞穴内孤卧着一只叫做超大质量黑洞的巨兽，而通过这幅惊人画面，我们仿佛可以看到它当年张牙舞爪的嚣张。 有MeerKat搜索银心巨兽的尖叫，也有仪器更加专注地聆听着来自宇宙深处的低沉轰鸣。今年年底发布一大批结果的LOFAR低频干涉阵列就是工作在150MHz的仪器。和MeerKat白色天线构成的丛林比，LOFAR看上去则要低调得多，低调到也许你走到她位于荷兰的低频天线前，还会以为这是谁家的太阳能电池版忘在这了。。。然而其实LOFAR是由48个观测站，20000多天线单元组成的超大干涉阵列，看了这幅地图，你会产生半个欧洲都是她的支架的错觉。这么大的架势只是为了在她工作的低频米波波段得到更高的分辨能力。 长波射电河外观测在LOFAR之前一直不算主流，尽管这个波段上是观测宇宙深处星系团碰撞或者超大质量黑洞活动的最佳波段。今年11月，LOFAR一下发布了20多篇文章，包括了大量新的观测结果。这些结果在公众的眼中也许不够漂亮，但是对于研究河外射电活动的天文学家来说，则是难以置信的美丽。【最后这个链接里有一系列LOFAR结果的可视化展示，非常精彩】 随着LOFAR，MeerKat，ASKAP，包括最终SKA的出现，射电天文观测将又一次走到聚光灯下，吸引全世界天文学家的目光。在这个意义上，今年MeerKat的闪亮登场和LOFAR的锋芒毕露，都是应该值得关注的『大事件』吧。