天文學作為研究宇宙起源、演化與結構的科學，不斷借助科技突破與多元學科交叉取得令人矚目的進展。從太陽系邊界到遙遠的暗能量現象，從高能量物理觀測到智慧演算法的應用，天文學家透過觀測、實驗和理論推導，深入挖掘宇宙的複雜性與規律性。讓我們一起回顧2024年天文學領域的重大成果與進展。

1. 木衛二快船啟程

許多獨立的證據顯示，木星的衛星木衛二（Europa，歐羅巴）的冰冷外殼下存在液態水海洋，水量是地球上所有海洋總和兩倍以上。除此之外，木衛二的表面下還可能具備形成生命所需的條件。木衛二快艇（Europa Clipper）是有史以來，第一個致力於研究地外海洋世界的任務（圖1），也是美國國家太空總署（NASA）為行星任務開發的有史以來最大探測器。 2024年10月14日，搭載木衛二快艇的SpaceX獵鷹重型火箭從甘迺迪太空中心發射升空，開啟了前往木星的長途旅行。預計2025年2月飛越火星，期間多次利用重力彈弓，預計2030年4月抵達木星。到達後，它將會飛越木衛二近50次進行更詳盡的探索。木衛二快艇可以幫助我們更了解太陽係以外的數十億顆衛星和行星是否具有存在生命的潛力，在尋找地外宜居世界的道路上前進一大步。

2. 兩大新衛星升空

2024年，兩顆性能優越的新衛星發射升空，分別是“天關”衛星與中法天文衛星。

 2.1 “天關”衛星

“天關”衛星，別名愛因斯坦探針（Einstein Probe，簡稱EP），由中方主導研製，歐洲太空總署（ESA）、德國馬普地外物理研究所（MPE）和法國太空總署（CNES）以國際合作形式參與，旨在發現宇宙中X的射線暫現源，並發布預導其他天文設備。 EP具有軟X射線高靈敏度和即時動態巡天檢測的能力，填補了國際上在該波段的大視野全天檢測設備的空白。 2024年1月9日，EP在中國西昌衛星發射中心使用長徵二號丙運載火箭發射升空。 “天關”源自中國北宋至和元年（西元1054年）所記錄的“天關客星”超新星，遺骸為蟹狀星雲。將EP命名為“天關”，體現了中國在超新星爆發觀測記錄方面的深厚淵源和對世界天文學的卓越貢獻。 2024年4月，EP團隊發表編號為EP240315a的伽馬射線暴（gamma ray burst，GRB），該源位於紅移z=4.859的位置，這是EP目前探測到的最遠天體，如圖2所示。此GRB的X射線通量峰值位於先前已知的高紅移伽瑪射線暴的微弱端，證明了EP透過GRB研究早期宇宙的巨大潛力。

2.2 中法天文衛星

天基多波段空間邊緣監視器，也稱為中法天文衛星（Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor，SVOM），是中法合作的空間觀測項目，主要目標是伽瑪射線暴的多波段研究，同時包括瞬時和余輝觀測，以獲取完整的高品質的GRB爆發過程資料。 SVOM可以進行GRB定位以及從keV到MeV的光譜觀測，儀器結構如圖3所示。寬頻光譜範圍可以盡可能準確地確定GRB的峰值，這是利用GRB作為標準燭光測量大紅移下宇宙學參數的關鍵。因此，SVOM是目前用來研究最遠GRB多波段綜合觀測能力最強的衛星。

兩國科學家和工程團隊歷經18年的合作，搭載SVOM的長徵二號丙運載火箭在北京時間2024年6月22日從中國西昌衛星發射中心發射升空。預計未來每年能夠觀測到約70次GRB。 2024年6月24日，搭載的高能儀器GRM正式開機，6月27日開啟探測器高壓，進行在軌測試，當天就成功捕捉到該儀器的首個在軌科學探測成果（GRB240627B）。

3. “宇宙地圖”的第一塊拼圖

2024年10月15日，歐空局的歐幾里德太空任務在第75屆國際太空大會上公佈了迄今為止最精確的“宇宙地圖”的第一塊拼圖。這是一張具有2080億像素的巨大圖片，包含了從2024年3月25日至4月8日的260次觀測結果，共132平方度的南方天空，覆蓋面積超過滿月的500倍。歐幾里德太空望遠鏡於2023年7月1日搭乘SpaceX獵鷹9號火箭從美國佛羅裡達州卡納維爾角太空軍基地發射到日地拉格朗日點L2。目前歐幾里德空間望遠鏡已完成12%的巡天任務，圖4為歐幾里德空間望遠鏡拍攝的“宇宙地圖”的一塊拼圖，這張照片只是“宇宙地圖”的1%。接下來的6年裡，歐幾裡得空間望遠鏡將自動掃描大約1/3的夜空。研究人員預計，最終地圖將顯示約80億個星系，每個星係都有數十億顆恆星，跨越100億年的宇宙歷史。歐幾里德太空任務計畫於2025年3月發布53平方度的巡天數據，包括歐幾里德深場區域的預覽。第1年的宇宙學數據將於2026年全面公開。

4. 韋布空間望遠鏡新結果

4.1 愛因斯坦之字形
利用JWST，天文學家發現了第一個“愛因斯坦之字形”，一個類星體的圖像在一張圖像中重複出現6次。這個系統被命名為J1721+8842，它由1個類星體與2個相距遙遠卻完美排列的星系透鏡組成，是一種極為罕見的透鏡結構。在這6個類星體影像中，有2條光路在經過第一個透鏡星系的一邊和第二個透鏡星系的另一邊時發生了相反方向的偏轉，2個透鏡星系之間形成了一個曲折的之字形光路。

J1721+8842是已知最北的重力透鏡，因此能夠從地面進行連續監測。此外，它的源星系具有一個變化的活動星系核（AGN），這使得所有6個影像之間的時間延遲測量成為可能。透過在這個系統上結合時間延遲宇宙學和雙源平面透鏡建模，天文學家期望藉此得到對哈伯常數和暗能量方程式的更嚴格的約束。

4.2 早期超大质量星系

借助JWST強大的近紅外光譜能力，由日內瓦大學領導的國際天文學家研究小組確認了3個超大質量星系（圖6）每個星系幾乎和銀河系一樣大，但它們在宇宙誕生後的10億年內就已經形成了。這項發現令人驚訝，顯示早期宇宙中恆星的形成比以前認為的要高效得多，這項發現發表在2024年11月13日的Nature。

在目前的宇宙論中，星係是在俘獲氣體的暗物質暈中逐漸形成的，這些氣體會被轉化成恆星。通常，原始星系中只有低於20%的氣體轉化為恆星。但這項發現挑戰了這個觀點，這些大質量星系將更多的氣體轉化為恆星，它們形成恆星的效率幾乎是低質量星系的2倍。由於高塵埃含量，它們在望遠鏡影像中呈現出明顯的紅色，因此被稱為“紅色怪物”。這些發現提出了關於星系形成的新問題：早期宇宙中星系“太多、太大”。研究小組總結說，JWST和阿塔卡馬大型毫米波陣列未來的觀測將更深入了解這些超大質量的“紅色怪物”，並搜尋此類星系的更大樣本。 “紅色怪物”只是人類探索早期宇宙的一個新時代的開始。

5. 月球资源新篇章

5.1 月壤研究
研究月壤對了解月球結構和演化、探索月球資源有重要意義。目前，嫦娥五號月壤樣本已向40家科研機構的114個科研團隊發放258份共77.7 g，且已有多個領域70餘項相關研究成果在中外重要學術期刊發表。例如，在月壤中發現一種富含水分子和銨的礦物晶體，標誌著首次在月壤中發現分子水，揭示了水分子在月球上的一種存在形式。此外，在月壤玻璃珠表面的微隕石撞擊坑中發現了一系列含鈦顆粒，揭示了月球表面太空風化過程可以改變月壤的光催化特性，從而完善了對月壤風化過程的認識。 2024年6月，嫦娥六號月球探測器從月球背面的南極艾特肯盆地成功帶回1935.3 g月壤樣品，填補了人類月背研究的空白。這為研究月球早期演化、月背火山活動和撞擊歷史提供直接證據，也為理解月球背面與正面地質差異開闢新視角。目前，嫦娥六號月壤樣本的相關研究已經揭示月背約28億年前仍存在的年輕岩漿活動，以及首個月背古磁場訊息，為月球演化提供了關鍵證據。

5.2 月球洞穴的發現
2024年7月15日，義大利一研究團隊在Nature發表文章，提出月球上很可能有一個能夠進入地下的洞道。該團隊分析了來自月球勘測軌道飛行器的靜海坑雷達數據，觀察到該坑西側的雷達亮度上升，進一步模擬後認為該現象的最佳解釋是存在一個洞穴空隙或管道。這項發現刷新了人們對月球地質的認知，或將成為月球基地的理想選址。這項發現也喚起人們對“月球城”的遐想。但要建立適合人類居住的基地，仍需克服重重困難：不僅需要擁有可供人類呼吸的大氣，抵禦宇宙射線的輻射，還應具備足夠的隔熱性能，維持穩定舒適的溫度，並且基礎設施、水和食物供應等問題也需逐一解決。正因為這些技術困難，NASA建立首個月球城的計畫一再延後。

6. 太阳物理新发现

6.1 太陽風探測
太陽風的加速和加熱一直被認為與阿爾芬波密切相關，2024年8月發表在Science上的一項研究給出了支持這一假設的證據。阿爾芬波是一種磁場振盪，它能攜帶大量能量在等離子體中傳播。帕克太陽探測器曾在太陽風中辨識到大量的磁力線迴旋結構，科學家將其解釋為大幅度的阿爾芬波動。在這次觀測中發現，當太陽風從日冕邊緣向外擴展時，這些大幅度的阿爾芬波逐漸衰減並釋放能量。進一步計算顯示，這些能量的減少正好與太陽風所獲得的動能和熱能相符。圖9展示了此次觀測的太空船軌跡和模擬的太陽風傳播路徑。這項研究為太陽風的加速機制提供了直接的證據，揭示了複雜的太陽風系統中一個重要的能量傳遞過程。

6.2 日冕加熱新解
太陽的最外層大氣－日冕，溫度高達數百萬開爾文，且遠遠超過下方光球層，表現出“距離核融合熱源越遠的太陽大氣反而越熱”的奇異現象。因此，必須存在某種或多種額外的加熱機制，並持續地為日冕補充能量。為全面揭示日冕加熱的物理機制，2024年4月發表在Natrue Astronomy的一項研究採用了三維輻射磁流體動力學模擬，提出了一種自洽的日冕加熱模型。模擬結果顯示，日冕活動區的磁場不斷從對流區浮現，引發持續的磁重聯（圖10）。這些重聯事件釋放了足夠的能量來加熱等離子體，並形成穩定的高溫結構—日冕環。該模型不僅成功解釋了超高溫日冕等離子體的來源，也揭示了活躍區域日冕環的長期穩定性，為解決日冕加熱問題提供了突破性的視角。

7. 系外行星新视野

7.1 首次一瞥系外行星的內部

透過JWST獲得的最新觀測數據，科學家首次深入揭示了系外行星WASP-107b的內部特徵。 WASP-107b是一顆低密度的“溫暖海王星”行星，距離地球約200光年，體積接近木星的3/4，但質量僅為木星的1/10。其異常的膨脹大氣使其看起來如同“棉花糖”，長期以來這一現象讓科學家困惑不解。 JWST的觀測揭示，WASP-107b大氣中甲烷的含量遠低於預期，表明它的內部溫度比先前估計的要高得多。此外，WASP-107b的大氣中還檢測到了二氧化硫、水蒸氣、二氧化碳和一氧化碳等分子，顯示其大氣中存在複雜化學非平衡反應。 JWST的精確數據使科學家能夠推測WASP-107b的核心質量，結果顯示其核心質量約為地球的12倍，遠高於先前的預期。研究表明，這顆行星的膨脹現象無需依賴極端的行星形成假說，而是可以透過增加核心質量和內部溫度來解釋。

7.2 人工智慧發現5顆超短週期行星
利用人工智慧技術，研究人員從開普勒太空望遠鏡2017年的恆星測光數據中發現了5顆超短週期行星，直徑均小於地球，軌道周期短於1 d，這一突破性成果發表在Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。這次新發現的5顆超短週期行星中，4顆為迄今為止發現的體積最小的超短週期行星，且它們的軌道均位於主星的5個恆星半徑以內。研究團隊創新地開發了一種結合影像處理單元（GPU）相位折疊方法與卷積神經網路（CNN）的演算法（GPFC），顯著提高了凌星訊號的辨識速度和精確度。與傳統的盒子擬合最小二乘（Box-fitting Least Squares）演算法相比，GPFC演算法的搜尋速度提高了約15倍，準確度和完備度分別提高了約7%。這項研究不僅為超短週期行星的發現提供了新的技術路徑，也為行星形成理論和行星系統的早期演化研究提供了寶貴的實驗數據。超短週期行星的獨特存在提供了全新的視角，促使科學家重新檢視並完善現有的行星形成模型。

8. FAST發現脈衝星數量破千

截至2024年11月，FAST發現脈衝星數量已突破1,000顆，超過同期國際其他望遠鏡發現脈衝星數量總和。其中包括大量的毫秒脈衝星和脈衝星雙星，對於理解脈衝星的形成和演化具有重要意義。透過觀測脈衝星，可檢驗廣義相對論、偵測低頻重力波等，為脈衝星物理、測時等理論研究提供重要的資料支持。未來FAST將探索透過在望遠鏡周圍增加輔助天線的方式來提升望遠鏡的靈敏度及空間分辨能力，實現射電暫現源定位和綜合孔徑成像的跨越式能力提升，並顯著增加FAST的覆蓋天區，全面革新對中子星演化的認識，揭示不同類型和狀態脈衝相對論的物理特性，開啟新紀元中廣元的物理特性，開啟新紀元檢定。

9.黑洞新知

9.1 位於黑洞質量間隙的小質量黑洞
2024年9月10日，Nature Astronomy在線上發表了一項研究成果，基於郭守敬望遠鏡（LAMOST）光譜數據和蓋亞太空望遠鏡（Gaia）的天體測量數據，在雙星系統G3425中發現了1顆小質量恆星級黑洞。在這個雙星系統中，可見星為質量約2.7倍太陽質量的紅巨星，而不可見星的質量約為3.6倍太陽質量，這顯示包含小質量黑洞的雙星系統是可以存在的。結合重力波等方法發現的小質量黑洞系統，研究認為質量間隙可能是單一觀測方法所致的選擇效應。

9.2 銀河系內最大質量恆星級黑洞
透過Gaia的精確觀測，天文學家發現銀河系中迄今質量最大的恆星黑洞—Gaia BH3。這顆黑洞的質量約為太陽的33倍，超出了目前銀河系已知的任何恆星起源黑洞的質量範圍，相關論文發表於《天文學與天文物理學》。與銀河系中典型的恆星級質量黑洞相比，Gaia BH3的巨大質量難以用現有的恆星演化理論解釋。這項發現不僅挑戰了傳統的黑洞形成理論，也為研究超大質量黑洞提供了新的線索。 Gaia高精度數據為黑洞質量的測定提供了前所未有的精度，揭示了銀河系中可能存在更多類似的休眠黑洞。隨著Gaia數據的進一步發布，預計將有更多此類黑洞及其伴星被發現。

9.3 有史以來最長的黑洞噴流
2024年9月18日Naure發表的一篇論文描述了一個黑洞噴射出來的一對巨大噴流Porphyrion（圖13）。它是迄今為止發現的最大黑洞噴流，噴流總長度約為2,300萬光年（7百萬秒差距），相當於將140個銀河系排列在一起。這個噴流系統來自大爆炸後約6.3億年的一個遙遠星系，其規模遠超先前已知的噴流，打破了過去認為黑洞噴流不能超越5百萬秒差距的理論限制。

10. 暗能量光譜巡天

北京時間2024年4月4日晚，暗能量光譜巡天（DESI）國際合作團隊發布新聞表示，該計畫首年的科學觀測製作出了目前最大的宇宙3D地圖，此前所未有的細節繪製了星系和類星體的分別，並給出了宇宙膨脹歷史的最精確測量（圖14）。這是科學家第一次以超過1%的精度測量那個遙遠時期（80億~110億年前）的膨脹歷史，為研究暗能量提供了一個強大的方法。

11. 結論

2024年，天文學領域產生了許多重要進展。這些科學進展不僅推動了基礎物理學的發展，也促使我們重新思考宇宙的本質。從脈衝星的多樣性到黑洞的質量差異，再到暗能量的神秘影響，天文學家的努力讓我們看到了更廣闊的宇宙景象。每一個發現都在挑戰傳統認知，揭示了更多尚未解開的謎題。隨著望遠鏡技術的不斷進步，未來的天文觀測將更加精確，提供更多的宇宙資訊。無論是透過對系外行星的大氣組成研究，或是透過對暗能量和暗物質的深度探索，都在不斷地接近宇宙最深層的奧秘。未來幾年，隨著數據的不斷積累，天文學的研究必將帶來更多意想不到的發現，將深刻影響我們對宇宙和自身的認知。天文學的探索是無盡的，每一個新發現都是人類智慧與探索精神的結晶，標誌著對宇宙的理解進入了新的時代。