2024年天文学10大进展【上】

2024年即将落幕，这一年里，全球天文学家同心协力，令人类对于宇宙的探索再度取得令人瞩目的进展，不断拓展我们对宇宙的认知边界。

在这一年中，中国的天文成就尤为亮眼。2024年，中国成功发射了天关卫星（爱因斯坦探针，EP）和中法联合研制的SVOM卫星。天关依托其“龙虾眼”宽视场X射线聚焦成像技术，迅速捕捉高能事件，发现了众多X射线爆发和恒星耀发；SVOM则为伽马射线暴（GRB）的观测和分析提供了有力支持。

与此同时，中国天眼FAST在这一年中实现了脉冲星发现总数突破千颗的里程碑。郭守敬望远镜（LAMOST）则通过解析银河系“古银盘”的形成历史，加深了我们对银盘结构与演化的理解。此外，LAMOST的光谱数据处理与发布平台荣获 世界互联网大会的领先科技奖，大幅提升了国际数据发布平台的影响力，为全球天文学界提供了宝贵的共享资源。高海拔宇宙线观测站（LHAASO）在高能天文领域也收获颇丰——从确认首个超级宇宙线加速源、发布高能伽马射线星表，到发现PeV级别微类星体，这些成果为破解宇宙线“膝”区之谜提供了新线索。

2024年，中国探月工程也迎来两项里程碑式成就：鹊桥二号中继星成功发射和嫦娥六号任务圆满完成。鹊桥二号中继星通过其高稳定度通信链路和高精度信号定位能力，为嫦娥六号和未来月球背面探测任务提供了重要支持。嫦娥六号从月球背面的南极-艾特肯盆地成功采样并将1935.3克月壤样品带回地球。这是人类首次从月球背面采样返回，为研究月球早期历史、撞击事件和月壤化学组成提供了独特的样本。

在黑洞研究方面，科学家取得了两项具有里程碑意义的突破：其一，发现了一颗约3.6倍太阳质量的小质量黑洞，填补了黑洞“质量间隙”的观测空白；其二，在宇宙尺度上记录到长达2300万光年的超长黑洞喷流，为研究黑洞对大尺度宇宙结构的影响提供了关键证据。

放眼国际，2024年同样硕果累累。韦布空间望远镜（JWST）在探测最古老星系、黑洞以及超新星爆发领域卓有成效，为我们理解宇宙早期的形成与演化开拓了更为清晰的视野。欧洲空间局（ESA）的“欧几里得”望远镜首次绘制出“宇宙地图”，清晰展现了暗物质在引力作用下形成的宇宙网状结构，为未来的暗能量研究奠定了基础。同时，NASA的“欧罗巴快帆船”探测器成功启航，旨在探索木卫二冰下海洋的宜居性，为寻找地外生命迈出了坚实一步。此外，DESI项目完成了覆盖7500平方度天区的三维宇宙地图，揭示了暗能量的动态特性，为探索宇宙膨胀历史和物质分布提供了前所未有的数据支持。

纵观2024年的天文学成就，宛如一幅壮丽恢弘的画卷：从多个探测器的发射，到“古银盘”的历史研究，从月球背面样品的采集和深空探测器的远航，再到“宇宙地图”的发布。这些突破不仅推动了学科的进步，更重新定义了人类对宇宙的想象。展望2025，我们有充足的理由继续期待。新的技术、更先进的设备，以及深化的国际合作，将持续引领我们走向更多的宇宙领域。

让我们从10数到1，一起回顾2024年那些激动人心的天文进展——

10/寻找生命印迹：

木卫二的海洋探秘

欧罗巴快帆船在木卫二周围的想象图。版权／NASA/JPL-Caltech

2024年10月14日，美国NASA的“欧罗巴快帆船”（Europa Clipper）探测器正式启程，踏上前往木星卫星木卫二的漫长旅途。这一里程碑式任务旨在揭示木卫二神秘的地下海洋，为解答地外生命是否存在这一科学核心问题提供关键数据。欧罗巴的发射不仅标志着人类在深空探索领域迈出的重要一步，也为理解木星系统中潜在的宜居性打开了新的篇章。

欧罗巴快帆船与标准篮球场的大小对比想象图。版权／NASA/JPL-Caltech

欧罗巴探测器将利用火星和地球的引力弹弓来节约成本，2025年2月飞越火星，2026年12月飞越地球，最终于2030年4月抵达目的地——木卫二。木卫二是木星95颗已知卫星之一，表面被厚厚的冰层覆盖，而冰层下可能隐藏着一个全球性的液态海洋。此前，伽利略号探测器的观测揭示了木卫二表面冰裂缝、盐类沉积物和疑似喷流活动的迹象，这些发现使得木卫二成为地外生命探索的最佳候选天体之一。

欧罗巴是NASA有史以来规模最大的深空探测项目之一，其任务核心是通过至少40次近距离飞越木卫二（最近距离可达25千米），采集一系列高精度数据，绘制地形图，分析冰层结构，并探测潜在的地下海洋成分，来了解生命所需的三大条件：液态水、化学和能源。

欧罗巴任务不仅是一次对木卫二的深入研究，更是人类探索地外生命的关键一步，标志着地外生命探索迈入新阶段。通过详细分析木卫二地下海洋的环境和成分，科学家可以评估其是否具有类似地球早期海洋的条件。这些研究结果将为回答“我们是否孤独于宇宙”这一深刻问题提供科学依据。

9/编织星际画卷：

欧几里得的宇宙地图

欧几里得望远镜于2024年10月15日发布的巨幅马赛克图，占欧几里得六年内将拍摄的广度调查的1%。马赛克图在南天上的位置和实际大小以黄色显示。来源／ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA; ESA/Gaia/DPAC; ESA/Planck Collaboration

2024年10月15日，欧空局（ESA）正式公布了欧几里得望远镜（Euclid Space Telescope）拍摄的首张“宇宙地图”，这张覆盖广袤星空的地图以前所未有的精度展示了宇宙大尺度结构的分布。这一成果标志着人类在解锁宇宙暗物质和暗能量奥秘的征程中迈出了关键一步，也为科学家理解宇宙的演化历史及其未来命运提供了重要数据。

欧几里得望远镜在空间的想象图。版权／wiki

2023年7月1日，欧几里得望远镜从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，任务预计持续6年以上，其最终目标是绘制包含超过20亿个星系、覆盖超过三分之一天空的宇宙地图，追踪宇宙中星系和暗物质的分布，以研究暗能量对宇宙膨胀的影响。这一任务聚焦于揭示占宇宙质量-能量总量95%以上的暗能量和暗物质的性质，它们是当今宇宙学研究中最具挑战性和未知性的领域。

望远镜搭载了两种主要观测仪器：可见光和近红外成像仪（VIS）以及近红外光谱和光度仪（NISP）。这两套设备协同工作，可以精确测量星系的形状、位置和红移（距离信息）。通过这些数据，科学家得以追踪星系沿暗物质网状结构聚集的分布情况，并揭示宇宙在不同时间尺度上的膨胀历史。依托于高分辨率和广视场观测能力，欧几里得望远镜能够精确测量暗能量对宇宙膨胀的影响，并为更精细的宇宙学模型提供支持。

此图展示了ESA欧几里得任务发布的马赛克和放大图像。版权／ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA

欧几里得望远镜首次拍摄的宇宙地图展示了数百万个星系的精确位置，并揭示了它们如何沿着暗物质的“纤维”分布。科学家利用引力透镜效应，即暗物质弯曲光线的现象，推测了星系周围暗物质的分布轮廓。地图中显示的宇宙网状结构清晰地勾勒出星系如何聚集成簇，形成巨大的宇宙丝，这些丝状结构相互连接，围绕着暗物质的空洞区域。此次地图还包含了星系分布随时间变化的信息，这为科学家提供了研究宇宙膨胀加速过程的直接证据。

通过这张宇宙地图，我们不仅了解了宇宙的过去，也在努力解读它的未来。欧几里得望远镜的名字缘于古希腊数学家欧几里得，他为我们奠定了几何学的基础；而如今，这台望远镜通过测量宇宙几何，为解锁宇宙最深层的奥秘提供了新工具。

8/解密膨胀之谜：

暗能量的全新图景

DESI制作了迄今为止最大的宇宙3D地图。地球位于这张完 整地图薄片的中心。在放大的部分，很容易看到宇宙中正常物质组成的结构。版权／DESI collaboration

人类探索宇宙的征程从未停滞，为破解暗能量之谜而开展的暗能量光谱仪（DarkEnergy Spectroscopic Instrument, DESI）项目，正成为全球天文学研究中的里程碑。作为迄今最先进的宇宙学光谱巡天计划之一，DESI在2024年取得了突破性进展，其翔实的观测数据与分析成果为深入理解宇宙结构与演化提供了强有力的支撑。中国科学院国家天文台的科研团队深度参与，为项目的高效运行与科学发现做出了重要贡献。

DESI巡天望远镜的内部图。版权／KPNO

DESI由多家国际科研机构联合发起，核心仪器安装在美国亚利桑那州基特峰国家天文台的梅奥尔（Mayall）4米望远镜上。自2021年5月17日正式开始科学观测以来，项目计划在五年内完成对逾3500万个星系和类星体的光谱测量，绘制迄今最详尽的三维宇宙结构图谱。

该项目首要的科学目标是探究暗能量的本质。暗能量约占宇宙总能量的70%，被认为是推动宇宙加速膨胀的关键因素，但其性质迄今未明。DESI利用重子声学振荡（BAO）和红移空间畸变（RSD）两大核心方法为此提供了突破口。BAO是宇宙早期遗留下来的“化石”信号，可作为标准标尺精准量度宇宙膨胀速率；RSD通过分析星系速度场的变化，揭示宇宙物质分布与暗能量特性的复杂关联。

DESI巡天望远镜的外部图（最大圆顶）。版权／KPNO

2024年，作为DESI科学观测的第三年，项目在多个领域取得重要进展：

构建精细三维宇宙地图。DESI完成了覆盖约7500平方度天区的三维宇宙图谱，精确标定数百万星系和类星体的时空分布，清晰还原了过去约110亿年间的宇宙膨胀历史。这为验证ΛCDM标准模型、深入研究暗能量性质提供了坚实的数据基础。

揭示暗能量动态特性。观测结果显示，暗能量的影响并非恒定不变。在较高红移的早期宇宙，暗能量作用微弱，而在较低红移阶段则愈发显著。这一发现挑战了传统宇宙学模型的简单设定，暗示暗能量的本质或较此前设想更为复杂。

RSD精确测量宇宙学参数。借助RSD方法，DESI在更高精度上测量了宇宙物质密度参数与哈勃常数。结果与普朗克（Planck）卫星微波背景辐射数据高度吻合，同时显著提升了精度，为未来优化模型和精确标定宇宙学参数奠定了全新基准。

2024年的成果充分证明了DESI在全球宇宙学研究中的关键地位。DESI计划在2025年完成全部科学观测，但其数据与研究影响将持续多年甚至数十年。未来，DESI将与欧几里得（Euclid）空间望远镜、韦布望远镜等国际顶级天文项目协作，通过数据整合与多波段观测，不断提升宇宙学参数的精确度，构建更为完整的宇宙演化图景。

7/穿越宇宙深处：

韦布望远镜的新探索

韦布空间望远镜（James Webb SpaceTelescope, JWST），作为人类迄今最强大的太空天文观测设备，自2021年发射以来，持续为天文学研究开辟新领域。2024年，JWST再度展现其卓越的红外观测能力，取得了数项重大科学突破，为我们揭示宇宙的深邃奥秘提供了全新视角。以下是JWST在2024年的三大重要发现及其意义。

1. 揭示宇宙最古老的黑洞

天文学家利用韦布望远镜研究了异常明亮的星系GN-z11，这个星系是当138亿年前的宇宙只有大约4.3亿年的时候，它就已经存在了。版权／NASA/ESA/CSA

2024年1月，天文学家利用JWST探测到有史以来最古老的黑洞，追溯至宇宙大爆炸后仅约4亿年（距今134亿年前）。这一黑洞位于年轻星系GN-z11中，质量达到太阳的几百万倍，展现了早期宇宙中大质量黑洞快速形成的难解谜团。

剑桥大学的研究团队通过分析发现，这个黑洞“吞噬”宿主星系物质的速度高于理论预测的五倍，暗示可能存在“生来即大”的形成机制，或者黑洞通过超高效的气体吸积快速成长。该研究为重新审视宇宙早期黑洞的形成和演化机制提供了关键证据。

2. 发现最遥远的星系：触及宇宙的边缘

图像由NIRCam（近红外相机）为韦布望远镜高级深空河外星系巡天计划（简称 JADES）拍摄。其中一个星系，即JADESGS-z14-0，这是目前已知最遥远的星系，对应的时间约为大爆炸后2.9亿年。版权／NASA

JWST通过其近红外相机（NIRCam）观测到名为JADES-GS-z14-0的星系，这一星系的红移值为14.32，意味着它的光线来自宇宙大爆炸后仅约3亿年。这项发现刷新了此前由哈勃空间望远镜和JWST早期数据记录的最远星系观测极限。

通过光谱分析，研究团队发现，该星系正在经历快速恒星形成活动，这表明宇宙早期存在高效的物质聚集机制。科学家指出，JADES-GS-z14-0可能为揭示宇宙“再电离时期”提供重要信息，这是宇宙从黑暗时期过渡到光子自由传播的关键阶段。这一成果不仅为星系形成和演化研究提供了关键数据，也展示了JWST在探测宇宙最深远区域中的无与伦比能力。

3. 发现早期宇宙的超新星爆发

JWST还在遥远的宇宙中发现了大量超新星爆发。天文学家通过对2022年和2023年两幅同一区域的深空图像进行对比，共确认了79颗新超新星。其中一颗在宇宙仅18亿年时爆发，是目前已确认的最遥远超新星。

这些早期超新星的研究为理解宇宙早期重元素形成提供了宝贵数据。与现代超新星相比，它们含有更少的重元素。科学家认为，这些超新星爆发为宇宙提供了遍布其中的重元素，是星系和行星形成的基石。

2024年的这些发现，再次展示了JWST在天文学研究中的革命性作用。从揭示黑洞起源，到触及宇宙最深处的边缘，再到解读超新星的秘密，JWST的观测能力为人类了解宇宙的起源、演化和结构提供了无与伦比的数据支持。

展望未来，JWST有望继续在暗物质、系外行星大气分析以及宇宙结构演化等领域取得更多突破。通过JWST，人类对宇宙的探索之旅才刚刚开始。

6/跨越质量空白：

小质量黑洞与喷流的探索

黑洞，这一承载着宇宙极端物理条件的神秘天体，一直是现代天文学和物理学的研究焦点。2024年，全球科学家在黑洞研究领域取得了令人瞩目的发现，为理解黑洞的诞生、演化和对宇宙环境的影响提供了全新视角。这些成就不仅填补了知识空白，更标志着黑洞研究正在迈入全新阶段。

1. 小质量黑洞现身：填补“质量间隙”空白

G3425双星想象图，包含一颗可见的红巨星和一颗不可见的小质量恒星级黑洞。制图／王松

2024年9月10日，中国科学院国家天文台联合国内多个研究团队借助LAMOST望远镜与欧空局盖亚（Gaia）卫星的数据，利用视向速度和天体测量方法，在双星系统G3425中发现了一颗质量约为3.6倍太阳质量的小质量黑洞。为长期难以观测的“质量间隙”（3至5倍太阳质量之间的黑洞质量段）提供了明确实例。

此前，黑洞质量分布通常被分为两大阵营：恒星级黑洞（5至50倍太阳质量）与超大质量黑洞（数十万至数十亿倍太阳质量）。3至5倍太阳质量的“偏小区域”极少探测到样本，令人对黑洞形成机制及演化路径的理解蒙上阴影。G3425中的小质量黑洞揭开了这层迷雾，让科学家推测此类黑洞可能来自较低质量恒星坍缩或双星相互作用形成。该发现不仅补全了黑洞种群分布的图景，也为未来的恒星/双星演化理论和黑洞形成理论建模奠定了观测基础，更彰显了地基与空间观测协同的重要性。

2. 超长黑洞喷流：宇宙大尺度结构的动力之源

a：视向速度数据拟合。b：天体测量数据拟合。c：G3425与其他恒星级黑洞在质量—轨道周期分布的比较。来源 / Wang et al.（2024）

2024年9月18日，著名科学期刊《自然》发表了一篇论文，欧洲和美国的天文学家通过最新的射电观测手段，发现了一个长达2300万光年的超长黑洞喷流，并将其命名为“波耳费里翁”（Porphyrion），这个词所指的是古希腊神话中的一位巨人。这条纵横星系的喷流源自距离地球约75亿光年的巨型星系中心，其星系质量超过银河系总质量的十倍。

黑洞喷流以近乎光速的物质流扩张，将能量注入星际、星系际介质，并影响周边星系的形成与演化。波耳费里翁喷流刷新了人类对黑洞活动范围的认知高度，也提供了前所未有的研究窗口。其长度、方向与稳定性昭示黑洞高自旋率与持续吸积活动的复杂互动关系，进一步凸显了黑洞与宇宙大尺度结构间的深远关联。

从小质量黑洞的出现到超长喷流的震撼，2024年关于黑洞的两项重要发现，预示着黑洞研究进入前所未有的黄金时代。小质量黑洞的确认填补了质量谱系的缺环，而超长喷流让我们更深刻地领会到黑洞活动对宇宙结构的塑造。

如今，黑洞不再是纯理论构想，而是可利用多信使（光学、射电、X射线、引力波）进行深入剖析的实证对象。地基与空间望远镜协作、射电干涉测量技术的发展以及引力波探测器的不断进步，为我们打开了认识黑洞的崭新大门。展望未来，更先进的设备、更精密的测量和更多国际合作将推动黑洞研究继续向前，为揭开宇宙诞生与演化的深层密码提供关键指引。

（未完待续）……

致谢 /

感谢帮助审阅的众多老师，包括袁为民、魏建彦、 姜鹏、向茂盛、张建立、苏彦、王松、戴昱、薛随建、邹虎。因为他们的帮助，让文章内容更为丰富和准确。在此非常感谢。

作者简介 /

苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。

本文转载自《中国国家天文》微信公众号

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