矮星系吹泡泡

• 林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

2022 年 1 月底，兩位天文學家在頂尖科學期刊《自然》發表的論文中，宣布他們發現矮星系「Henize 2-10」中的超大質量黑洞，觸發了一批新恆星的誕生。可是，我們印象中的黑洞不是會以極強的重力撕碎、吞噬周遭一切的嗎？怎麼這樣毀滅性的天體，居然還能誕生新的恆星？今天就讓我們來一探究竟！

黑洞：宇宙燈塔核心

多數人對黑洞的印象，大概是一個擁有強大重力、會撕碎與吞噬一切的純黑球體。由於連光也無法逃離它的魔爪，因此黑洞總是隱身在宇宙黑暗的背景中難以觀測。

這樣的圖象雖然大致正確，卻不是事情的全貌。黑洞確實會以它強大的重力吃進物質，天文學家也確實相信茫茫星海中，有許多難以觀測的黑洞漫步其中。但是被黑洞重力捕獲的物質，往往不會直直地朝黑洞落去，而是會在黑洞週遭形成一個旋轉的盤狀構造，稱為「吸積盤 Accretion Disk」。

在吸積盤上，物質之間不斷的碰撞、摩擦、緩緩向黑洞靠近，在過程中將重力位能轉化為動能、熱能、磁能等各式各樣的能量形式，並釋放出橫跨伽瑪射線到無線電波的電磁輻射。在許多系統中，還可以觀測到物質快速的從黑洞附近噴出，通常速度較慢（約每秒數百至數千公里）者通常稱為「外流 Outflow」，速度較快（接近光速）者則稱為「噴流 Jet」。

黑洞產生的輻射、噴流與外流，不僅讓我們能夠用各式各樣的觀測手段去尋找和研究黑洞，它們同時也會對黑洞所在的環境產生影響。

尤其當身處星系中心、質量是太陽數百萬倍以上的「超大質量黑洞 SMBH」們在大快朵頤週遭的氣體時，能夠以太陽數百萬倍、甚至數千億倍以上的功率釋放能量，成為宇宙中最明亮的天體。

如此龐大的能量，足以影響整個星系乃至於星系團的演化。它可能促進星系中恆星的形成，為星系帶來新生；或者是抑制星系中恆星的形成，讓星系變得死氣沉沉。另一方面，星系中恆星的形成、超新星爆炸等其他現象，也會決定有多少氣體能夠流到位於星系中心的黑洞上，從而影響黑洞的成長。

超大質量黑洞與星系之間互相影響、共同演化的機制，統稱為「活躍星系核回饋 AGN Feedback」，是當代天文物理非常重要的研究領域。

過去 20 多年的無數理論與觀測成果，讓天文學家相信活躍星系核回饋確實對星系的演化有重要的影響。但是具體是怎麼影響？影響多大？目前仍沒有明確的結論，甚至連直接的觀測證據都十分稀少。因此，天文學家迫切的想要找到更多活躍星系核回饋的直接證據，了解黑洞究竟是怎麼與星系一同成長。

瞄準目標：矮星系 Henize 2-10

在這個研究中，天文學家鎖定位在羅盤座（Pyxis）、距離地球約 3400 萬光年的矮星系「Henize 2-10」。過去其他天文學家以無線電與 X 射線觀測的結果顯示，這個星系中心可能有一個正在進食的超大質量黑洞，因此是尋找活躍星系核回饋證據的絕佳場所。

為了得到高解析度的影像，天文學家使用哈伯太空望遠鏡仔細的研究星系中心的影像與光譜，發現在星系的中心有一道長約 500 光年、由游離氣體組成的纖維狀結構，源自星系中心的超大質量黑洞噴出的外流。而黑洞東方（圖中的左手邊）約 230 光年外，有一片正在形成許多新恆星的區域（稱為恆星形成區），與外流相連。

天文學家仔細分析星系的光譜後，認為黑洞的外流正是催生這片恆星形成區的幕後推手。因為外流推擠、壓縮了星系中的氣體，增加了氣體的密度，才進一步激發了這批新恆星的形成。對研究黑洞與活躍星系核的天文學家來說，這無疑是一次振奮人心的發現！

結語：萬里長征的一小步

黑洞不只是能夠吞噬一切的引力怪獸。它在囫圇吞棗的過程中，其實可以釋放出巨大的能量。尤其是位於星系中心的超大質量黑洞們，它們產出的能量之龐大，甚至能夠影響整個星系的演化，稱為活躍星系核回饋。但是怎麼影響？影響多大？天文學家們仍在積極的研究。

這次在 Henize 2-10 星系中觀測到的黑洞外流與其激發的恆星形成，是活躍星系核回饋相當重要的直接證據。未來，天文學家將繼續在更多的星系中，尋找黑洞與星系互動的蛛絲馬跡，直到揭開活躍星系核回饋的神秘面紗。

參考資料

• Black-hole-triggered star formation in the dwarf galaxy Henize 2-10 – NASA/ADS
• Dr. Becky: A supermassive black hole FORMING new stars! | Positive and negative black hole feedback
• Reviewing Fantastic Beasts: AGN Feedback in Galaxies and Clusters | astrobites
• Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback – NASA/ADS
• Hubble finds a black hole igniting star formation in a dwarf galaxy
• 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史

• 採訪編輯｜歐柏昇 美術編輯｜張語辰

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

天文學家無法做實驗來製造一個宇宙，卻可以在超級電腦中製造小宇宙，探索宇宙中複雜的現象。中研院天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮，利用電腦模擬，揭開觀測背後的物理過程，了解超新星爆發的機制，以及超新星與宇宙學的關聯。

模擬天文學家的望遠鏡：超級電腦

對於模擬天文學家而言，超級電腦就是望遠鏡。我們可以在超級電腦裡模擬我們的小宇宙。

為什麼研究宇宙需要用電腦模擬呢？陳科榮說明，物理、化學研究可以在實驗室裡做測試，但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來，必須仰賴電腦來做實驗。

用電腦模擬來研究宇宙，其基礎在於我們對物理的理解。我們覺得牛頓定律、電磁學等在宇宙其他地方也適用，就可用數學、物理的方程式，推算宇宙星體經歷的過程。然而，宇宙中的許多系統很複雜，沒辦法用人腦、用筆去算。因此，把物理方程式寫成程式，讓超級電腦計算。

何謂「超級電腦」？陳科榮解釋，當一台電腦的記憶體、運算速度，大約是一般筆電的超過一萬倍以上，就可稱做超級電腦。也就是說，在一般筆電要花一萬個小時的計算，在超級電腦只要花一小時。近年來，電腦運算速度越來越快，幫助我們處理更複雜的問題。

「模擬」是根據基本數學、物理建構出來，製造一個虛擬的世界。虛擬世界跟實際世界是否真的相關聯，這就需要驗證。

陳科榮舉了工業上的例子，說明電腦模擬的應用。過去沒有電腦模擬，若要測試新型汽車的效能，就會先製造一個實體的模型車，放在「風洞」裡，讓風吹向車子，觀察流線的分布，來判斷模型是否優良。現在不必花高成本製造模型車，只要用電腦模擬，計算流體力學，就可以了解流線的情況。確定模擬出的最佳結果之後，才需要做出實體的模型車，再放到風洞裡做實驗，省下了很多開發資源。

用電腦模擬，追探觀測背後的玄機！

用電腦模擬來研究天文，可以幫助我們了解：天文觀測到的現象背後，到底發生了什麼事。

陳科榮說明，我們一般看到宇宙都是看到「光」，光會帶來很多訊息，但有時比較表面。就像我們在大樓裡面討論事情，有些訊號可能會傳到大樓外，但是大部分的光線都被牆壁擋住，大樓外面的人無法得知我們在做什麼。

例如，超新星爆炸是發生在恆星內部的過程，我們只能看到爆炸後的現象，卻也想了解超新星爆炸內部的過程。做模擬的天文學家，便試著去探索背後的機制，了解爆炸怎麼產生。

以上方影片為例，這是陳科榮模擬「磁星」(magnetar) 的超新星爆發過程。簡單來說，中間有個很大的中子星，中子星放出的輻射促成了超新星的第二次爆炸。這種超新星爆炸會發出非常亮的光，且在輻射機制的加速過程中，被推出來的物質會承受流體的不穩定性。一開始小小的不均勻，可成長出「渦流」(eddy)，形成大尺度的不穩定結構。

陳科榮發現，磁星的超新星爆炸機制，模擬出來的結構，竟然與下方右圖的蟹狀星雲非常像，推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。

陳科榮再舉一個爆炸模擬，如下方影片所示。一般想像的爆炸是四面八方擴散，但其實有種不均向的超新星，稱為極超新星 (hypernova)。爆炸能量主要集中在南北極，產生噴流的結構形成極大的不對稱性。這就像是大砲把恆星轟一個大洞，整顆炸開。

化作春泥更護花──超新星與宇宙學

陳科榮在博士班三年級的時候，得到一個獎學金，去德州大學做研究，開啟了宇宙學和超新星關聯的研究旅程。超新星對宇宙有何影響呢？陳科榮引用詩句來詮釋：

落紅不是無情物，化作春泥更護花。

星星就像是一朵花，這朵花是由它的泥土滋養而來。超新星爆炸時，這朵花就散落了，但是花瓣回歸到泥土，就繼續滋養下一代的花長大。超新星也是一樣，散出去的物質，變成之後下一代星星成長所需要的元素。因此，超新星是宇宙、恆星生命週期中的重要過程。

宇宙很大，恆星很小，恆星卻能影響宇宙。這就像是人體很大，細胞很小，但是細胞發生問題，可能會影響到整個人體。恆星、超新星、宇宙之間的關聯性相當重要，但因為跨越了巨大的物理空間，是不易研究的課題。

為求了解恆星對宇宙的影響，陳科榮做了宇宙結構的模擬，如下方影片所示。首先，恆星會發光，將周圍氣體加熱、游離化。如果恆星死亡後直接變成黑洞，氣體會慢慢冷卻。但若恆星變成了超新星，則會發生許多有趣的變化。

在超新星的爆炸過程，會見到「紊流」這個現象。無序的紊流，是普遍發生於自然界的擴散過程。例如，滴下一滴墨水，很快地，杯子裡的水都變成藍色。其實短短時間內發生的物理過程很複雜，出現了「瑞利 – 泰勒不穩定性」等現象，使得流體混合在一起。透過下方的電腦模擬影片，我們可以仔細品味其中的過程，以及無序之美。

• （紊流影片來源│謝宜達提供）

難以入眠的模擬天文學家

宇宙星體很美麗，卻看似離實際利用較遙遠，那研究目的是什麼呢？陳科榮認為，研究基礎科學最重要的動機，是對人類知識做出貢獻，滿足人類的好奇心、求知慾。是否能夠拿來賺錢，總是往後才應用出來的事。

陳科榮舉例，電磁學之父法拉第發明了「電場」的概念，國王問他，這個東西對國王有什麼用？法拉第回答，他也不知道這能幹嘛，但是相信它未來會貢獻國王的稅收。後來，全世界一半以上的產值都和「電」有關。研究天文、宇宙，現在也不知道馬上能夠拿來幹嘛。

但若未來人類要去外太空旅行，也許就能知道要避開哪些爆炸的超新星。

談到研究的甘苦，陳科榮說，其實研究大部分時間都是苦的。一個研究結果出現，經常是失敗過很多次了。不過，痛苦與樂趣是相對的，如果沒有痛苦，就不會覺得快樂。如果有問題在腦中徘徊，經常睡覺就沒有睡好，但是想到答案時就很高興。他也有忙裡偷閒的方式，像是在美國時，有時自己一個人開車到山上躲個幾天，調劑身心。

模擬天文學家的另一項樂趣，是把研究成果作為藝術。超新星模擬結果的圖片，經常讓人感到新奇，容易登上新聞版面。陳科榮也常用模擬結果作為素材，創作出富有哲思的藝術品。

另一方面，陳科榮認為，能夠當科學家是得到一種「優待」，可以做自己喜歡的事，又有薪水過活；在研究上，自己就是自己的「老闆」，是個自由的工作。

相對地，科學家也有許多義務，不僅要做好研究，對人類知識做出貢獻，也有一些社會責任：將知識傳承下去，教育下一代。陳科榮回到臺灣之後即身體力行，在中研院成立了「爆炸小組」，帶領學生一起做研究，希望幫助學生，並且讓研究環境變得更好。

延伸閱讀

• 陳科榮的天文所網頁
• 陳科榮的個人網站
• 陳科榮「爆炸小組」團隊網站
• 【地球證詞導讀】宇宙的黎明─真正的創世時刻

本著作由研之有物製作，原文為《電腦裡的小宇宙，重現絢麗的恆星爆炸！專訪陳科榮》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

文／陳勁豪｜臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心 專案計畫助理研究員

根據一項新的研究結果，超新星爆炸可能會對地球上的生物造成影響，甚至可能是過去生物大滅絕的原因之一。

最近有幾項實驗結果發現，在太平洋、大西洋、以及印度洋的海床中，於 650 到 800 萬年前和 170 到 320 萬年前這兩個時期的沉積物中，都含有比背景更多的鐵 60 同位素，這個現象甚至可以在月球岩石的樣本中觀察到。一般認為這些同位素並不是來自地球本身，而是由距離地球約 300 光年左右的超新星爆炸。當超新星爆炸的時候，這些鐵同位素就跟著飛散到宇宙的各個角落，例如地球與月球表面。如果這個假設成立，那麼我們可以認為，儘管距離遙遠，超新星爆炸還是會對地球造成影響。

除了同位素之外，超新星爆炸會產生相當多的高能量宇宙射線。這些宇宙射線也會像鐵 60 一樣進入地球。那麼這些宇宙射線對地球的影響到底有多大？美國 Washburn University 的 Brian Thomas 跟他的研究團隊利用電腦模擬來研究這些宇宙射線對地球的影響。他們的模擬結果顯示，如果能量在藍光與紫外光範圍的話，這些宇宙射線對地球的影響基本上相當微小，不太可能對地球上的生命造成傷害。

但是如果把考慮的範圍延伸到更高能量，例如能量在 1 TeV 以上的宇宙射線，這時這些宇宙射線因為能量夠高，所以可以穿過太陽風與地球磁場，直接進入地球的大氣層。事實上，這些高能量的宇宙射線還不是真正的問題，因為畢竟數量還是不太多。真正的關鍵在這些宇宙射線進入大氣層後會與空氣中的分子碰撞而產生大量的其他粒子，例如質子、中子、渺子、以及電子等等。

如果宇宙射線的能量稍低，那他們通常會在平流層（地表以上 10 到 50 公里的位置）與大氣層發生反應，這些產生出來的大量粒子可能會破壞臭氧層；而這些 TeV 能量等級的粒子因為能量更高，所以可以穿透到更內部的對流層，甚至進入 1 公里深的海裡。

這些穿透進大氣層的高能粒子相當於給地表的生物增加了輻射曝曬量。一般而言，我們所接受到的背景輻射中，有六分之一是來自於這些來自宇宙的高能量渺子。根據他們的計算，超新星爆炸大概會讓這些高能量渺子的數量增加至二十倍，大約相當於正常輻射量的三倍左右。以目前一般評估的標準，大約相當於地球上所有的生物每年多接受了做一次電腦斷層掃描的輻射量。

這些輻射劑量說多不多，但畢竟總是比一般的正常劑量更多一些。所以還是有可能還是對地球上的大量生命造成影響。這些較高的背景輻射會對那些比較不耐輻射的生命受到更多的影響，甚至因此滅絕。在 293 萬年前，地球上的生物曾經發生過一次較小型的滅絕，或許超新星爆炸也是造成這些滅絕的原因之一。

參考資料：

• 原始論文：
  TERRESTRIAL EFFECTS OF NEARBY SUPERNOVAE IN THE EARLY PLEISTOCENE
  The Astrophysical Journal Letters, Volume 826, Number 1

相關報導：

• Physicsworld 2016/07/18: Nearby supernovae could have affected life on Earth
• Space.com 2016/07/11: Did Supernova Explosion Contribute to Earth Mass Extinction?
• CASE讀報 2016/05/02：從地層中研究超新星爆炸
• CASE讀報 2016/05/09：在月球尋找超新星的遺跡

本文轉載自《物理雙月刊》 38 卷 2016 年 10 月號，更多文章請見物理雙月刊網站。