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我院2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文， 首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素
南京大学天文与空间科学学院 昨天
一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的 碳同位素13C ，并发现其相对含量高于地球标准（图1）。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化 历史 。相关研究论文（标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”）于2021年7月15日在《自然》（Nature）杂志发表。该论文的第一作者 张雅鹏 2017年本科毕业于 南京大学天文与空间科学学院 ，现为荷兰莱顿天文台博士研究生。
图1: 探测系外行星大气中的同位素（想象图） Dani?lle Futselaar
1穆朗玛峰 应用广泛的同位素 同位素（isotope）是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同，却有着不同的中子数目。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为13C或14C。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化，太阳系以及系外行星的起源。
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丰富多样的系外行星
迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星，并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量（例如，“超级木星” super-Jupiter），或占据着的极近的轨道（“热木星” hot-Jupiter）……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家：行星的形成路径究竟是自上而下，还是自下而上？它们形成于何处？轨道是否迁移？……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分，它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。
图2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO冻结在固态物质表面，成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面，导致最终构成的行星中更富含13C。
3 用同位素追溯系外行星起源 研究者们利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍，距离地球300光年。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO和12CO（一氧化碳分子的两种同位素形式），并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为我们揭示其可能的起源过程提供了线索 （图2）。张雅鹏解释说：“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。在如此远距离下，原行星盘（protoplanetary disk）中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气”。 因此，通过测定大气中同位素相对含量，研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。
该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说：“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后，天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中，向揭秘行星起源更进一步。现在，这仅仅是个开始！”
物理学家霍金（探索宇宙的奥秘）
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霍金的生平与成就
物理学家霍金（StephenHawking）是20世纪最伟大的科学家之一，他为人类对宇宙的认知做出了巨大贡献。霍金于1942年出生在英国牛津，他在牛津大学学习物理学，并在剑桥大学获得博士学位。然而，在21岁时，霍金被诊断出患有肌肉萎缩性侧索硬化症（ALS），这是一种罕见的进行性神经系统疾病，导致他逐渐失去行动能力。
尽管身体状况恶化，但霍金的思维能力却没有受到影响。他通过使用电脑辅助设备，以及与同事合作，继续进行研究和发表论文。霍金的研究领域涉及广泛，包括黑洞、宇宙起源、时间旅行等。他的著作《时间简史》成为畅销书，并使他成为公众人物。
探索宇宙的奥秘：霍金的理论和实证
1.理论物理学的突破
霍金在理论物理学领域做出了多项突破性贡献。其中最著名的是他的黑洞理论。黑洞是宇宙中一种极为奇特的天体，它的引力极强，甚至连光也无法逃脱。霍金提出了黑洞辐射理论，即黑洞并非完全黑暗，而是会发出微弱的辐射。这一理论打破了以往对黑洞的认知，对宇宙学研究产生了重大影响。
此外，霍金还提出了宇宙起源的理论。他认为，宇宙起源于一次大爆炸，即大爆炸理论。根据这一理论，宇宙在大约138亿年前由一个极为热密的点开始膨胀，形成了我们今天所看到的宇宙。这一理论得到了大量观测数据的支持，被广泛接受。
2.实证研究的突破
除了理论突破，霍金还进行了一系列实证研究，以验证他的理论。其中最著名的是他对黑洞的研究。虽然黑洞本身无法直接观测，但黑洞周围的物质会产生辐射，这种辐射被称为霍金辐射。霍金提出了一种实验方法，通过观测黑洞附近的辐射，来验证他的黑洞理论。这项实验被认为是对霍金理论的重要验证。
此外，霍金还利用他的电脑辅助设备进行了大量的计算和模拟实验。他通过模拟宇宙演化的过程，研究了宇宙中的各种现象，包括星系的形成、恒星的演化等。这些实证研究为我们对宇宙的认知提供了重要的支持。
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