發現最年輕、正在形成的系外行星

• 文／蕭予揚 清大天文所碩士生，將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士、
  　　林彥興 清大天文所碩士生，EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰，那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡，可以在不受大氣層干擾的情況下，清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而，哈伯望遠鏡並非全能，雖然它在解析度（angular resolution）和靈敏度（sensitivity）上都無人能及，但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機（ACS）」，其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已，相當於滿月的 1.5%，或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見，想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域，是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年，天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式，可以在不改變哈伯硬體設備的前提下，大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術，來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫，其拍攝的天空範圍，是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率，就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢？在低亮度的環境中，相機總需要比較長的時間進行曝光，才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機，那拍出來的照片就會糊成一團。同理，由於天文學家想要拍攝的目標，大多是極其遙遠且黯淡的天體，所以天文觀測時單張照片的曝光時間，往往動輒數百秒以上。因此，專業天文望遠鏡常會配備「導星（Guiding）」系統，以確保望遠鏡能在數百秒的時間內，都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單，就是在望遠鏡和相機觀測的同時，同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動，導星系統就會命令望遠鏡調整指向（pointing），即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上，這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器（FGS）」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星，就被稱為「引導星（guide star）」。

一般來說，在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標，都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星，然後才能進行科學拍攝。然而，由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右，因此在一次軌道中，哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區，不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來，天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向，就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢？哈伯望遠鏡的觀測，是由美國「太空望遠鏡科學研究所（STScI）」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後，再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測，很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果，天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天，該怎麼辦呢？

提升效率的新方法

如前述，一般來說哈伯每指向一個新目標，都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想，如果把導星功能關掉，不就可以省下這些時間了嗎？

還真是沒錯，哈伯的設計的確是可以關掉導星系統，利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統，一旦曝光時間過長，望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片，這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間，不開導星又沒辦法長曝，該怎麼辦呢？

這時就輪到「Drift And SHift（DASH）」技術出場了！DASH 的核心概念很簡單：

• 為了省時，我們就關掉導星。
• 關導星不能長曝，那我們就拍很多短曝光時間的照片，降低每張照片的模糊程度，再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說，關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下，讓星點在畫面中的移動不超過一個像素（WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒）。利用這樣的技術，天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中，拍攝八個不同的指向，把觀測效率提升了八倍！

拍這些照片有什麼用？3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開，不過這龐大的資料量，觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過，在公布這個計劃的論文中，團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說，天文學家認為如今多數的橢圓星系（elliptical galaxy）們，都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系，並測量它們的各項物理性質，是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候，地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成，卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料，天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節，並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區，每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少，因此比起 CANDELS 等前輩們，3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此，3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測，不僅可以提供更大量的星系樣本，幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析；也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼，如果發現了有趣的目標，就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測！

參考資料

• 3D-DASH — Lamiya Mowla
• [2206.01156] 3D-DASH: The Widest Near-Infrared Hubble Space Telescope Survey
• Hubble Space Telescope captures largest near-infrared image to find universe’s rarest galaxies — ScienceDaily

延伸閱讀

• 未來的高解析度近紅外線巡天計畫
  • 丈量宇宙幾何：歐幾里德太空望遠鏡- 科學月刊Science Monthly
  • 百倍於哈伯觀測能力，大小尺度通通包辦！——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
• 哈伯太空望遠鏡
  • 讓人們窺見宇宙天體的真面目 ——哈伯太空望遠鏡- PanSci 泛科學
  • 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史

• 本文轉載自臺北天文館《臺北星空》第 104 期

• 文／林建爭｜美國夏威夷大學天文研究所、泛星計畫博士後研究員
• 校稿／王品方｜美國夏威夷專案文物修復師

位於美國夏威夷茂宜（Maui）島哈萊阿卡拉（Haleakal）山上，由夏威夷大學天文研究所執行的泛星計畫（Pan-STARRS）望遠鏡近期又發現了一顆新的彗星。這顆彗星將在明（2022）年四月底至五月初最接近地球，目前估計其亮度最亮可達 5 等，因此人們將很有機會透過肉眼或是雙筒望眼鏡看見。

泛星計畫英文全名是（Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System； Pan-STARRS），直譯為全天域觀測望遠鏡及快速反應系統，其最主要目的是藉由此觀測系統，指認出軌道可能與地球相交的近地小行星，使人們能預警撞擊與研擬避免撞擊地球的解決方案，關於泛星計畫《臺北星空 42 期》有詳細介紹。該計畫原本要建置四座 1.8 米口徑的望遠鏡，不過由於經費限制，目前僅建造兩座望遠鏡（PS1 與 PS2）並投入科學觀測中，圖 1 是 PS1 圓頂。PS1 及 PS2 裝載了目前世界上最大的數位相機，大約有 14 及 15 億像素，一幅影像視野約 7 平方度。

每天晚上每個望遠鏡總觀測天區約 1,000 平方度的夜空，而每個目標星場會曝光四次，每次曝光約 45-120 秒，每次間隔約 15 分鐘。圖 2 是泛星計畫所使用的六個濾鏡，分別是 grizyw，其中 w 波段較寬，橫跨 gri 三個波段，而 y 波段接近 1 微米近紅外線。目前搜尋小行星主要以 w 波段觀測，曝光時間 45 秒，其他波段的曝光時間則依其科學目的而有所調整。天文臺拍攝完的影像，會同步下載到夏威夷大學計算中心的伺服器上，團隊人員隨即處理影像，接著每兩幅影像互相比較，因此在一小時內移動的星體便能即時辨識；如果有近地小行星軌道與地球軌道重疊，且有撞擊地球之風險，泛星團隊會立即回報給小行星中心，全世界大大小小望遠鏡將會對該星體進行後續的觀測，以估算其軌道和大小，並進一步確認它們對地球構成威脅的機率。一般說來，泛星團隊在觀測後的 12 小時內，便能將當晚觀測到已知或新發現的近地小行星位置及亮度匯報給小行星中心。

泛星計畫在發現近地小行星方面一直處於領先的角色，自從泛星望遠鏡上線後，有近五成較大的近地小行星（直徑>140 米）由該望遠鏡發現，圖 3 顯示自 2014 年起，泛星計畫的小行星發現數量開始領先其它巡天計畫並持續至今。自從 2010 年十月泛星計畫發現了第一顆新彗星 P/2010 T2 以來，該計畫在發現彗星方面也有不少收穫；其中過去五年（2016 年至 2021 年）從美國噴射推進實驗室小行星資料庫的統計中，新發現的彗星約有 350 顆，而泛星計畫發現約 130 顆，每一年佔新發現的彗星中約有三成五以上。

今年 7 月底，泛星計畫望遠鏡再度發現了一顆新彗星，當時被暫時命名為「P11ibiE」，這顆彗星預估在明（2022）年四月底至五月初最接近地球，當彗星接近地球和太陽時，太陽的輻射會使彗星表面變暖，隨著氣體和塵埃從其冰冷的表面釋放出來後，整體的表面積（塵埃與氣體）變大，讓更多陽光從彗星反射出來，這樣的過程使得彗星變亮。也因此這顆彗星讓我們很有機會透過肉眼或是雙筒望遠鏡看見。

這顆彗星是由夏威夷大學天文所的天文學家 Robert Weryk 在 2021 年 7 月 26 日首次觀測記錄，通報至小行星中心，接著由全球的望遠鏡協助觀測確認後，在 8 月 1 日正式命名為 Comet C/2021 O3（PANSTARRS）。儘管這顆彗星正逐漸接近地球，但屬於對地球沒有威脅的星體，其軌道預測近日點距離約 0.29 天文單位（註：地球與太陽距離是 1 天文單位），目前與地球的距離約 3 天文單位，如圖 4 所示，這顆彗星以雙曲線軌道繞行太陽，目前預計在 2022 年 4 月 21 日經過近日點，接著它就會展開新的旅程，朝太陽系外遠去。

夏威夷大學天文所的天文學家 Richard Wainscoat 也表示，類似這種長週期彗星的軌道是相當難預測其未來的路徑，它可能受到其他行星（例如：木星）的重力影響而改變軌道週期。而 Comet C/2021 O3（PANSTARRS）在運行的過程中，也有可能會因重力或其他小行星體撞擊而偏離軌道，甚至可能會變成週期彗星而回歸，不過即使再次回來，也是數百或是千年後的事了。Robert Weryk 認為這顆彗星不大，這可能會導致它在接近太陽時，受太陽重力拉扯碎裂解體；即使沒有，太陽的輻射也會使彗星內的物質蒸發，形成彗星特有的標誌「彗尾」。目前預估要觀察該彗星的最佳機會是明年五月的前幾天，屆時彗星將在日落後低懸於西方天空。

YouTube 相關影片：

參考資料：

• Pan-STARRS
• New Comet Discovered by UH Telescope on Haleakalā Could Become Visible in 2022
• 新發現肉眼可見的 C/2021 O3（PanSTARRS）彗星 
• Pan-STARRS Releases Largest Digital Sky Survey to the World 
• Comet discovered by Haleakala telescope could be visible on BI next year 

上方影像所顯示的4個天體均為行星狀星雲（planetary nebula，PN），分別為貓眼星雲（Cat’s Eye, NGC 6543）、NGC 7662、NGC 7009和MGC 6826，它們都是錢卓X射線觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）目前正在太陽系附近區域中進行系統性搜尋或觀測的目標之一。錢卓所偵測到各PN的X射線輻射以紫色標示，另紅色、綠色和藍色則來自哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）的可見光波段觀測結果。

在這個巡天計畫近期發表的第一部份的論文中，在距離地球5000光年範圍內總共觀測了到21個行星狀星雲，並將另外14個錢卓先前另外觀測過得14個PN的研究結果也包含進去。

行星狀星雲是質量與太陽類似的恆星，演化到生命末期時，核心的氫融合燃料用盡後會逐漸膨脹成半徑比原來正常時還大數十到數百倍的紅巨星；我們的太陽估計約在幾十億年後便會進入這個階段。在此階段，恆星絕大部分的外層大氣會逐漸向外擴張，在恆星周圍形成殼層狀氣體層，最後只留下最後會收縮成白矮星的熾熱核心。來自熾熱核心的快速恆星風衝進原本已向外奔散的外層大氣，不僅將它們更進一步向外推送，並讓它們激發發光，因而形成瑰麗的行星狀星雲。

在錢卓這項新的PN巡天計畫中有30%的PN，以及本篇新聞中的4個PN，所發出的瀰散X射線輻射，是因為快速恆星風的震波與已向外擴散的外層大氣相互撞擊的結果。絕大部分PN的可見光影像，與其瀰散X射線資料綜合後，呈現出相當緊緻且邊緣鮮明的氣體殼層，在氣體殼層外圍還有一層比較暗的氣體暈。所有的緊密氣體殼層的年齡都在5000年以下，由此可知強烈震波是何時發生的。

另外，本研究中約有半數PN的中心都有個X射線點源，而且除了其中一個PN外，其餘的X射線點源所發出的高能X射線可能是伴星引起的，顯示時常向外拋擲物質、形成多重氣體殼層的PN通常擁有伴星。未來的研究重點，將擺在單星與雙星對行星狀星雲的結構和演化是否有何決定性關鍵。

資料來源：NGC 6543: A Planetary Nebula Gallery. NASA

轉載自 網路天文館

天文學家利用位在夏威夷的2座10米凱克望遠鏡（Keck telescopes）首度直接捕捉到一顆正在形成的系外行星影像。

這顆新發現的天體編號為LkCa 15 b，似乎是顆熾熱的「原行星（protoplanet）」，周圍還環繞著一圈溫度較低的塵埃和氣體，且這些塵埃氣體還正落往這顆正在形成的原行星上。影像顯示這顆正在形成的行星恰好位在年輕母星與一個更外側的塵埃盤之間的間隙中。

夏威夷大學（University of Hawaii）天文研究所（Institute for Astronomy）的天文學家Adam Kraus表示：LkCa 15 b是迄今發現的系外行星中最年輕的，年齡大約只有之前已知最年輕系外行星的1/5而已。由於它還處在形成過程中，以往的技術與儀器根本無法測量到這麼靠近母星旁的這類現象。但是藉由2座凱克望遠鏡的自適應光學系統（Adaptive Optics）及孔鏡遮罩干涉（aperture mask interferometry）技術，天文學家才得以首度直擊並測量正在形成的行星以及其周圍的塵埃物質。

干涉技術從1800年代開始發展，但直到7年前開始與自適應光學系統結合之後，天文學家才有能力研究鄰近年輕恆星周圍的細節。其中，自適應光學系統可抵銷地球大氣擾動的干擾，而孔徑遮罩干涉技術則是在望遠鏡前方光路上加裝挖了好幾個洞的小型遮罩來進行干涉觀測，就像是有一組小型鏡片組成的望遠鏡陣列一樣，可以抑制光波變形。如此一來，天文學家便可消除恆星周圍明亮的光輝，讓比較昏暗的行星和塵埃盤顯現出來。

　　左圖左中可見凱克拍攝到的LkCa 15恆星周圍的塵埃盤，這是由塵埃盤中的低溫塵埃所發出的輻射，塵埃盤中間的空洞是半徑約55AU的間隙。左圖右則是將中間部分再放大，星星記號顯示中央母星的位置，正在形成中的LkCa 15 b與母星相距約11AU左右，約比土星到太陽的距離再稍遠一些。Credit: Kraus & Ireland 2011。

LkCa 15位在金牛座方向，鄰近金牛座Tau星附近，R濾鏡亮度約11.8星等，距離約456光年。LkCa 15 b的發現是在一個巡天計畫中，所找到的位在各恆星形成區內150個富有塵埃的年輕恆星之一。Kraus等人再從中挑選了約10顆恆星進行深入觀測。

不過LkCa 15並不是Kraus等人的首選目標，只是排名第2的而已，卻讓Kraus等人有此驚訝的發現，讓Kraus等人開心不已。

Kraus等人等人計畫一年後再回頭來以同樣方式觀察LkCa 15 b，看看有沒有什麼變化。不過，屆時他們可能會用各種不同的波段來進行研究，以便蒐集更多資訊。

資料來源:YOUNGEST PLANET SEEN AS IT’S FORMING

轉載自台北天文館之網路天文館網站