挖矿 | Nature150周年专题——封面故事（天文与地质）

小图按：2019年是Nature周刊创立150周年。图书馆“资源深度推广计划”（挖矿）计划推出一系列文章来纪念Nature150岁生日，帮助大家了解世界顶尖学术期刊的过去、现状与未来。本计划预计由11篇文章组成，5篇转载文章分别介绍Nature的起源、Nature与中国等，后6篇文章介绍登上Nature封面故事的高水平研究成果，分成IT与人工智能、生物与医学、人文与社会等。

人类对世界的探索从来不仅限于薄薄的地壳表层，而是深达炽热致密的地核，远至深邃飘渺的宇宙，低头凭渺小的躯体丈量大地，昂首用伟大的灵魂仰望星空。从蕴藏着宇宙信息的快速射电暴，到隐含着宇宙演变进程的陨石，Nature期刊中，善于发现与探索的天文学家与地质学家们用自己的画笔，亲手描绘出色彩斑斓的宇宙宏图。

01

神秘的快速射电暴

1)   快速射电暴及其宿主的直接定位

Chatterjee S, Law C J, Wharton R S, et al. A direct localization of a fast radio burst and its host[J]. Nature, 2017, 541(7635): 58.

封面为银河系和美国新墨西哥州卡尔·央斯基甚大天线阵的碟形天线。快速射电暴(FRB)是持续时间仅几毫秒的射电闪光，人们尚不清楚其物理性质。此前，对FRB的观测分辨率普遍不足，无法精确辨认其宿主或多波长对应物，而Shami Chatterjee及同事报告了阿雷西博射电望远镜发现的已知的唯一一个重复射电暴源——快速射电暴FRB 121102——的亚角秒定位，揭示出了一个持续的射电光源，它与射电暴的角距离在100毫角秒以内。这个神秘的持续射电暴源可能是遥远寄主星系星云内的一颗中子星、一个低亮度的活动星系核，或者此前未知的一种银河系外来源。

2)   快速射电暴FRB 121102与极度磁化等离子体环境相关

Michilli D, Seymour A, Hessels J W T, et al. An extreme magneto-ionic environment associated with the fast radio burst source FRB 121102[J]. Nature, 2018, 553(7687): 182.

封面所示为波多黎各阿雷西博天文台的威廉·戈登望远镜。Jason Hessels与同事使用该望远镜试图揭示唯一已知的重复性快速射电暴源的物理性质。这些重复性快速射电暴来自一个矮星系中的一片恒星形成区，每次持续约一毫秒。Hessels与共同作者观察到这些射电暴的线偏振接近100%，且法拉第旋转量极高。只有存在一个极度磁化的等离子体环境才能产生这样的结果，而这种环境此前只在大质量黑洞附近被观察到。因此，作者提出这些射电暴可能来自一颗处于这样一种环境中的中子星（不过该团队也声明，在理论上，它们也可能来自一颗被高度磁化风星云或超新星遗迹围绕的中子星）。

3)   加拿大氢强度测绘实验首批观测结果揭晓

Amiri M, Bandura K, Bhardwaj M, et al. Observations of fast radio bursts at frequencies down to 400 megahertz[J]. arXiv preprint arXiv:1901.04524, 2019.

本期《自然》介绍了“加拿大氢强度测绘实验”（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment，CHIME）获得的首批观测结果。CHIME是位于加拿大不列颠哥伦比亚省彭蒂克顿市郊的一座射电望远镜。该数据是CHIME在去年7月和8月调试期间收集得到的。在第一篇论文中，CHIME/FRB合作项目报告了最新探测到的13个快速射电暴（FRB），频率最低的仅为400MHz（此前虽进行了大量搜索，却从未探测到频率低于700MHz的快速射电暴）。在另一篇论文中，CHIME/FRB合作项目发现，其中一个快速射电暴的来源实际上是一个重复快速射电暴——迄今发现的第二个重复暴来源。

02

星体与宇宙演化

1)   冥王星上的 “史波尼克平原”

Dombard A J, O'Hara S. Planetary science: Pluto's polygons explained[J]. Nature, 2016, 534(7605): 40.

封面所示为 NASA “新视野号”飞船所看到的冥王星上的 “史波尼克平原” (Sputnik Planum)。“新视野号”揭示了冥王星表面上吸引人的细节情况，包括在冥王星的地质活动中居中心地位的被称为“史波尼克平原”的一个填满冰的巨大盆地。“史波尼克平原” 表面(大部分由氮冰构成)很大部分被分成不规则的、直径几十公里的多边形，其中心比边缘高出几十米。本期Nature上的两篇论文分析了 “新视野号” 拍摄的这一多边形地域的图像，通过建立不同的模型，得出结论：它在不断通过对流重新露出表面。

2)   比邻之星

Hatzes A P. Astronomy: Earth-like planet around Sun's neighbour[J]. Nature, 2016, 536(7617): 408.

封面是比邻星（Proxima Centauri）及其行星比邻星 b的艺术再现，图中最亮的两颗恒星分别是半人马座阿尔法星A和B。研究人员分析了此前用欧洲南方天文台（ESO）设备收集的多普勒数据，发现有一颗最小只有1.3倍地球质量的小行星围绕比邻星（距太阳最近的恒星）运行（被称作比邻星b）。比邻星 b的平衡温度可使水在其表面保持液态，但目前其表面是否存在水、水的成分为何尚不清楚。发现这颗围绕附近恒星运转、温暖的类地行星为人们提供了进一步对其表征的机会，随着科技的进步，人们还能通过直接成像和高分辨率光谱学技术来实现这一点。

3)   中子星碰撞带来的各种发现

Smartt S J, Chen T W, Jerkstrand A, et al. A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source[J]. Nature, 2017, 551(7678): 75.

封面展示的是两颗中子星并合的艺术想象图，中子星并合会产生低亮度“千新星”。2017年8月17日，激光干涉引力波天文台（LIGO）和处女座干涉仪通过引力波观测到这样一个事件——GW170817，大量装置还在该事件中观测到强电磁信号。科学家们因此收集到大量有关伽玛射线暴的信息。在本期《自然》中，6篇论文和1篇新闻与观点文章详细描述了千新星。

4)   从黑洞暂现源的冕收缩看黑洞演化

Kara E, Steiner J F, Fabian A C, et al. The corona contracts in a black-hole transient[J]. Nature, 2019, 565(7738): 198.

封面的艺术想象图描绘了一个黑洞已经开始吸积邻近恒星的物质。恒星质量黑洞的吸积流特性会在几天到几个月的时间尺度上发生变化。当黑洞在吸积物质后“启动”时，它具有硬（高能）X射线谱——由其吸积盘（黄色）上方的热冕（蓝色）产生，之后再变为软（低能）X射线谱——由吸积盘的辐射主导。但究竟是吸积盘半径变化还是热冕收缩驱动了这一转变仍是未解之谜。美国马里兰大学的Erin Kara及其同事通过观测一个新发现的黑洞暂现源，并利用国际空间站上的仪器追踪其演化，发现在黑洞从硬辐射变为软辐射的过程中，冕发生了收缩，但吸积盘的内缘位置没有发生变化。

5)   帕克太阳探测器团队公布首批结果

https://www.nature.com/nature/volumes/576/issues/7786

封面所示为美国国家航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器与太阳“同框”的艺术想象图。帕克太阳探测器正在执行一项以探测日冕和太阳风为目标的七年期任务。在本期《自然》中，帕克太阳探测器团队在四篇论文中公布了首批任务结果，为年轻太阳风的起源和动态、高能粒子物理学带来了新见解。Stuart Bale等人发现，太阳的磁场方向会在各种时间尺度上发生快速且大规模的倒转现象。Justin Kasper等人指出，远离太阳中心的径向等离子体速度的局部加快常与这些倒转有关，并发现证据表明等离子体的一部分会与太阳同步旋转，抵达比预期离太阳中心更远的位置。David McComas等人分析了在太阳附近测量到的由爆发现象产生的高能离子和电子，促进了对星体附近粒子激发和加速的认识。Russell Howard等人报告了尘埃散射光的强度，并提供部分初步证据表明，假想的太阳附近的无尘区可能真的存在。  

03

地质与壳层

1)   地幔对流模型

Mallard C, Coltice N, Seton M, et al. Subduction controls the distribution and fragmentation of Earth’s tectonic plates[J]. Nature, 2016, 535(7610): 140.

封面所示为地球一个对流模型的粘度场和表面：红色的低粘度区是板块边界，深蓝色的高粘度区是大陆。内部用红色表示热点，用蓝色表示消减带。地球的亚表层以由各种不同大小和形状的构造板块或岩石圈板块构成的一个连锁网络形式出现。地幔流动与地质构造之间之联系的性质以及板块布局的起源在很大程度上仍不知道。Claire Mallard等人建立了具有类似板块行为的地幔对流的电脑模型，发现大板块的布局是由消减板块之间的间距控制的，由沟槽(trenches)的弯曲造成的应力将板块分解成较小的碎片，这可解释为什么小弧后板块(back-arc plates)的迅速演变反映了在重大板块构造重组期间板块运动的剧烈变化。

2)   源自下地幔的含硼蓝钻

Smith E M, Shirey S B, Richardson S H, et al. Blue boron-bearing diamonds from Earth’s lower mantle[J]. Nature, 2018, 560(7716): 84.

要评估地表物质循环进入深部地幔的程度颇有难度。在本期《自然》中，Evan Smith及同事通过对蓝色（IIb型）钻石的研究阐明了这一问题。稀有蓝钻的独特成色来自于硼元素，而硼主要存在地壳中，意味着硼以某种方式进入了地表下形成钻石的高压环境。通过对含硼钻石中的矿物包裹体进行分析，作者发现这些钻石形成于俯冲至下地幔的洋壳（海洋板块）中，距离地表至少660km，而大部分钻石的结晶深度不超过200km，蓝钻也因此成为迄今发现的来源于地球最深处的钻石。作者认为硼曾随海水蚀变洋壳俯冲进入深部地幔，揭示了地壳元素深部地幔再循环的一条可能路径。

3)   纳斯卡板块沿安第斯山脉向南俯冲扩张

Chen Y W, Wu J, Suppe J. Southward propagation of Nazca subduction along the Andes[J]. Nature, 2019, 565(7740): 441.

安第斯山脉的群山是由太平洋下方的纳斯卡板块俯冲于南美板块之下形成的。本期《自然》中，Yi-Wei Chen及其同事利用地震层析成像模型重建了沿此边缘的俯冲历史，为了解山地形成与板块俯冲之间的联系提供了新视角。研究人员发现，现阶段的纳斯卡俯冲在8000万年前左右从安第斯山脉北部开始，继而向南传播，并于大约5500万年前到达安第斯山脉南部。这表明与普遍看法相反，纳斯卡板块俯冲并不是一个连续过程，而是分阶段的。他们还发现，纳斯卡板块与下地幔之间的互作与形成安第斯山脉的最初挤压有关，这与一些早期模型较为一致。

4)   明确地球挥发性成分的熔融和消散过程

Norris C A, Wood B J. Earth’s volatile contents established by melting and vaporization[J]. Nature, 2017, 549(7673): 507.

封面展示的是一个原始地球及附近一颗星子。地球是通过无数星子碰撞产生的。今天的陨石就是这些构筑材料的代表，部分陨石的基本组成是碳质球粒陨石——被认为可以反映早期太阳系的化学情况。因此，地球的化学组成应该与这些陨石相似，而且在许多方面的确如此。但是，地球明显缺少中等挥发性元素，如铅、锌和铟。一种可能的解释是这些元素在地球形成期间从熔岩中挥发了，在本期的《自然》中，Ashley Norris和Bernard Wood进一步探索了该想法，解决了早期理论中的一些矛盾情况。在另一篇相关论文中，Remco Hin及同事测量了地球、火星和一些小行星的镁同位素比重，提供证据进一步证明了挥发这一观点。

04

化石与古生物

1)   来自寒武纪的早期后口动物

Han J, Morris S C, Ou Q, et al. Meiofaunal deuterostomes from the basal Cambrian of Shaanxi (China)[J]. Nature, 2017, 542(7640): 228.

封面所示为冠状皱囊动物（Saccorhytus coronarius）的复原图。冠状皱囊动物是一种新发现的后口动物，生活在寒武纪最早期的中国。后口动物包含了脊椎动物、海星、肠鳃纲动物和尾索动物等物种。但由于种类繁多，且缺乏现存的形态中间体，人们很难了解早期后口动物的形态。Simon Conway Morris、韩健及同事描述的微型化石属于一种身体为袋状、没有肛门的生物。基于其遗骸的原始特征，研究者认为这种生物是已知最原始的后口动物；化石表明，最早的后口动物是一种小型底栖动物。

2)   恐龙关系新假说

Baron M G, Norman D B, Barrett P M. A new hypothesis of dinosaur relationships and early dinosaur evolution[J]. Nature, 2017, 543(7646): 501.

封面所示艺术想象图展示的是，鸟臀目恐龙库琳达奔龙(Kulindadromeus)抬头仰望始祖鸟科非对称飞羽。这种羽毛被认为只存在于兽脚亚目恐龙中，但是，如果Matthew Baron及同事提出的恐龙关系假说被证实，那么就需要改变这种认知。Baron及同事提出需要重新调整已被广泛接受的恐龙分类方法——蜥臀目和鸟臀目。蜥臀目包括霸王龙等肉食性的兽脚亚目恐龙，以及梁龙等巨大的蜥脚下目恐龙；鸟臀目包括禽龙等鸟脚亚目恐龙，以及三角龙和剑龙等有甲恐龙。Baron及同事将早期鸟臀目恐龙纳入考虑范围，在此基础上对上述划分提出挑战，并提出蜥脚下目恐龙应与早期的肉食性艾雷拉龙归为一类，而鸟臀目恐龙应与兽脚亚目恐龙归为一类。

3)   蜥蜴的起源

Simoes T R, Caldwell M W, Tałanda M, et al. The origin of squamates revealed by a Middle Triassic lizard from the Italian Alps[J]. Nature, 2018, 557(7707): 706.

封面所示为中三叠纪的蜥蜴Megachirella wachtleri的艺术想象图。2003年，该蜥蜴的化石遗骸首次在意大利阿尔卑斯山被发现并得到描述。在本期《自然》中，Tiago Simões及其同事使用高分辨率微焦点X射线计算机断层扫描技术，对该化石进行了详细分析。结果清楚地阐明了有鳞类动物的起源——包括蜥蜴和蛇在内的爬行动物类群。该研究小组发现，M. wachtleri比其他已知最古老的有鳞类动物化石历史长7500万年，在一定程度上弥补了化石记录中的空缺。他们的系统发育分析表明，在有鳞类动物的演化史上，壁虎早于蜥蜴出现，而且主要爬行动物系谱的分化最早发生在2.52亿年前，比二叠纪/三叠纪之交更早。

4)   最新发现的侏罗纪擅攀鸟龙科恐龙化石与兽脚亚目恐龙膜翼的丧失

Wang M, O’Connor J K, Xu X, et al. A new Jurassic scansoriopterygid and the loss of membranous wings in theropod dinosaurs[J]. Nature, 2019, 569(7755): 256.

封面所示为最新发现的Ambopteryx longibrachium恐龙的艺术想象图。在本期《自然》中，王敏等人描述了距今1.63亿年的上侏罗统Ambopteryx化石。Ambopteryx是一种擅攀鸟龙科（scansoriopterygid）恐龙，这一类群一般被复原为体型较小、带羽的攀树恐龙，手部和手指均很长。但是Ambopteryx很不一样，它是第二种有证据表明长有羽毛和类似蝙蝠的膜翼的擅攀鸟龙科恐龙——膜翼由名为针状骨的附骨支撑。第一种此类标本是2015年发现的奇翼龙，其膜翼曾引发了一定的争议。Ambopteryx的发现表明奇翼龙并非孤例，除了羽毛之外，擅攀鸟龙科恐龙可能普遍具有类似蝙蝠的翅膀。

to be continued

SpringerNature 翻译

王媛、杜其原 整理

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