讓天文學家疑惑不已的慢速波霎SXP 1062

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。

• 採訪撰文／田偲妤
• 美術設計／蔡宛潔

AI 的誕生，文理缺一不可

人工智慧（Artificial Intelligence，簡稱 AI）在 21 世紀的今日已大量運用在生活當中，近期掀起熱議的聊天機器人 LaMDA、特斯拉自駕系統、AI 算圖生成藝術品等，都是 AI 技術的應用。多數 AI 的研發秉持改善人類生活的人文思維，除了仰賴工程師的先進技術，更需要人文社會領域人才的加入。

中央研究院「研之有物」專訪院內人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員，帶大家釐清什麼是 AI？文科人與工程師合作時，需具備什麼基本 AI 知識？AI 如何應用在人文社會領域的工作當中？

詩詞大對決：人與 AI 誰獲勝？

一場緊張刺激的詩詞對決在線上展開！人類代表是有「AI 界李白」稱號的蔡宗翰研究員，AI 代表則是能秒速成詩的北京清華九歌寫詩機器人，兩位以「人工智慧」、「類神經」為命題創作七言絕句，猜猜看以下兩首詩各是誰的創作？你比較喜歡哪一首詩呢？

答案揭曉！A 詩是蔡宗翰研究員的創作，B 詩是寫詩機器人的創作。細細賞讀可發覺，A 詩的內容充滿巧思，為了符合格律，將「類神經」改成「類審經」；詩中的「福落天赦」是「天赦福落」的倒裝，多念幾次會發現，原來是 Google 開發的機器學習開源軟體庫「Tensor Flow」的音譯；而「拍拓曲」則是 Facebook 開發的機器學習庫「Pytorch」的音譯，整首詩創意十足，充滿令人會心一笑的魅力！

相較之下，B 詩雖然有將「人工」兩字穿插引用在詩中，但整體內容並沒有呼應命題，只是在詩的既有框架內排列字句。這場人機詩詞對決明顯由人類獲勝！

由此可見，當前的 AI 缺乏創作所需的感受力與想像力，無法做出超越預先設定的創意行為。然而，在不久的將來，AI 是否會逐漸產生情感，演變成電影《A.I. 人工智慧》中渴望人類關愛的機器人？

AI 其實沒有想像中聰明？

近期有一則新聞「AI 有情感像 8 歲孩童？Google 工程師爆驚人對話遭停職」，讓 AI 是否已發展出「自我意識」再度成為眾人議論的焦點。蔡宗翰研究員表示：「當前的 AI 還是要看過資料、或是看過怎麼判讀資料，經過對應問題與答案的訓練才能夠運作。換而言之，AI 無法超越程式，做它沒看過的事情，更無法替人類主宰一切！」

會產生 AI 可能發展出情感、甚至主宰人類命運的傳言，多半是因為我們對 AI 的訓練流程認識不足，也缺乏實際使用 AI 工具的經驗，因而對其懷抱戒慎恐懼的心態。這種狀況特別容易發生在文科人身上，更延伸到文科人與理科人的合作溝通上，因不了解彼此領域而產生誤會與衝突。如果文科人可以對 AI 的研發與應用有基本認識，不僅能讓跨領域的合作更加順利，還能在工作中應用 AI 解決許多棘手問題。

「職場上常遇到的狀況是，由於文科人不了解 AI 的訓練流程，因此對 AI 產生錯誤的期待，認為辛苦標注的上千筆資料，應該下個月就能看到成果，結果還是錯誤百出，準確率卡在 60、70% 而已。如果工程師又不肯解釋清楚，兩方就會陷入僵局，導致合作無疾而終。」蔡宗翰研究員分享多年的觀察與建議：

如果文科人了解基本的 AI 訓練流程，並在每個訓練階段協助分析：錯誤偏向哪些面向？AI 是否看過這方面資料？文科人就可以補充缺少的資料，讓 AI 再進行更完善的訓練。

史上最認真的學生：AI

認識 AI 的第一步，我們先從分辨什麼是 AI 做起。現在的數位工具五花八門，究竟什麼才是 AI 的應用？真正的 AI 有什麼樣的特徵？

基本上，有「預測」功能的才是 AI，你無法得知每次 AI 會做出什麼判斷。如果只是整合資料後視覺化呈現，而且人類手工操作就辦得到，那就不是 AI。

蔡宗翰研究員以今日常見的語音辨識系統為例，大家可以試著對 Siri、Line 或 Google 上的語音辨識系統講一句話，你會發現自己無法事先知曉將產生什麼文字或回應，結果可能正是你想要的、也可能牛頭不對馬嘴。此現象點出 AI 與一般數位工具最明顯的不同：AI 無法百分之百正確！

因此，AI 的運作需建立在不斷訓練、測試與調整的基礎上，盡量維持 80、90% 的準確率。在整個製程中最重要的就是訓練階段，工程師彷彿化身老師，必須設計一套學習方法，提供有助學習的豐富教材。而 AI 則是史上最認真的學生，可以穩定、一字不漏、日以繼夜地學習所有課程。

AI 的學習方法主要分為「非監督式學習」、「監督式學習」。非監督式學習是將大批資料提供給 AI，讓其根據工程師所定義的資料相似度算法，逐漸學會將相似資料分在同一堆，再由人類檢視並標注每堆資料對應的類別，進而產生監督式學習所需的訓練資料。而監督式學習則是將大批「資料」和「答案」提供給 AI，讓其逐漸學會將任意資料對應到正確答案。

學習到一定階段後，工程師會出試題，測試 AI 的學習狀況，如果成績只有 60、70 分，AI 會針對答錯的地方調整自己的觀念，而工程師也應該與專門領域專家一起討論，想想是否需補充什麼教材，讓 AI 的準確率可以再往上提升。

就算 AI 最後通過測試、可以正式上場工作，也可能因為時事與技術的推陳出新，導致準確率下降。這時，AI 就要定時進修，針對使用者回報的錯誤進行修正，不斷補充新的學習內容，讓自己可以跟得上最新趨勢。

在了解 AI 的基本特徵與訓練流程後，蔡宗翰研究員建議：文科人可以看一些視覺化的操作影片，加深對訓練過程的認識，並實際參與檢視與標注資料的過程。現在網路上也有很多 playground，可以讓初學者練習怎麼訓練 AI，有了上述基本概念與實務經驗，就可以跟工程師溝通無礙了。

AI 能騙過人類，全靠「自然語言處理」

AI 的應用領域相當廣泛，而蔡宗翰研究員專精的是「自然語言處理」。問起當初想投入該領域的原因，他充滿自信地回答：因為自然語言處理是「AI 皇冠上的明珠」！這顆明珠開創 AI 發展的諸多可能性，可以快速讀過並分類所有資料，整理出能快速檢索的結構化內容，也可以如同真人般與人類溝通。

著名的「圖靈測試」（Turing Test）便證明了自然語言處理如何在 AI 智力提升上扮演關鍵角色。1950 年代，傳奇電腦科學家艾倫・圖靈（Alan Turing）設計了一個實驗，用來測試 AI 能否表現出與人類相當的智力水準。首先實驗者將 AI 架設好，並派一個人操作終端機，再找一個第三者來進行對話，判斷從終端機傳入的訊息是來自 AI 或真人，如果第三者無法判斷，代表 AI 通過測試。

換而言之，AI 必須擁有一定的智力，才可能成功騙過人類，讓人類不覺得自己在跟機器對話，而這有賴自然語言處理技術的精進。目前蔡宗翰的研究團隊有將自然語言處理應用在：人文研究文本分析、新聞真偽查核，更嘗試以合成語料訓練臺灣人專用的 AI 語言模型。

讓 AI 替你查資料，追溯文本的起源

目前幾乎所有正史、許多地方志都已經數位化，而大量數位化的經典更被主動分享到「Chinese Text Project」平台，讓 AI 自然語言處理有豐富的文本資料可以分析，包含一字不漏地快速閱讀大量文本，進一步畫出重點、分門別類、比較相似之處等功能，既節省整理文本的時間，更能橫跨大範圍的文本、時間、空間，擴展研究的多元可能性。

例如我們想了解經典傳說《白蛇傳》是怎麼形成的？就可以應用 AI 進行文本溯源。白蛇傳的故事起源於北宋，由鎮江、杭州一帶的說書人所創作，著有話本《西湖三塔記》流傳後世。直至明代馮夢龍的《警世通言》二十八卷〈白娘子永鎮雷峰塔〉，才讓流傳 600 年的故事大體成型。

我們可以透過「命名實體辨識技術」標記文本中的人名、地名、時間、職業、動植物等關鍵故事元素，接著用這批標記好的語料來訓練 BERT 等序列標注模型，以便將「文本向量化」，進而找出給定段落與其他文本的相似之處。

經過多種文本的比較之後發現，白蛇傳的原型可追溯自印度教的那伽蛇族故事，傳說那伽龍王的三女兒轉化成佛、輔佐觀世音，或許與白蛇誤食舍利成精的概念有所關連，推測印度神話應該是跟著海上絲路傳進鎮江與杭州等通商口岸。此外，故事的雛型可能早從唐代便開始醞釀，晚唐傳奇《博異志》便記載了白蛇化身美女誘惑男子的故事，而法海和尚、金山寺等關鍵人物與景點皆真實存在，金山寺最初就是由唐宣宗時期的高僧法海所建。

在 AI 的協助之下，我們得以跨時空比較不同文本，了解說書人如何結合印度神話、唐代傳奇、在地的真人真事，創作出流傳千年的白蛇傳經典。

最困難的挑戰：AI 如何判斷假新聞

除了應用在人文研究文本分析，AI 也可以查核新聞真偽，這對假新聞氾濫的當代社會是一大福音，但對 AI 來說可能是最困難的挑戰！蔡宗翰研究員指出 AI 的弱點：

如果是答案和數據很清楚的問題，就比較好訓練 AI。如果問題很複雜、變數很多，對 AI 來說就會很困難！

困難點在於新聞資訊的對錯會變動，可能這個時空是對的，另一個時空卻是錯的。雖然坊間有一些以「監督式學習」、「文本分類法」訓練出的假新聞分類器，可輸入當前的新聞讓機器去判讀真假，但過一段時間可能會失準，因為新的資訊源源不絕出現。而且道高一尺、魔高一丈，當 AI 好不容易能分辨出假新聞，製造假新聞的人就會破解偵測，創造出 AI 沒看過的新模式，讓先前的努力功虧一簣。

因此，現在多應用「事實查核法」，原理是讓 AI 模仿人類查核事實的過程，尋找權威資料庫中有無類似的陳述，可用來支持新聞上描述的事件、主張與說法。目前英國劍橋大學為主的學者群、Facebook 與 Amazon 等業界研究人員已組成 FEVEROUS 團隊，致力於建立英文事實查核法模型所能運用的資源，並透過舉辦國際競賽，廣邀全球學者專家投入研究。

蔡宗翰教授團隊 2021 年參加 FEVEROUS 競賽勇奪全球第三、學術團隊第一後，也與合作夥伴事實查核中心及資策會討論，正著手建立中文事實查核法模型所需資源。預期在不久的將來，AI 就能幫讀者標出新聞中所有說法的資料來源，節省讀者查證新聞真偽的時間。

AI 的無限可能：專屬於你的療癒「杯麵」

AI 的未來充滿無限可能，不僅可以成為分類與查證資料的得力助手，還能照護並撫慰人類的心靈，這對邁入高齡化社會的臺灣來說格外重要！許多青壯年陷入三明治人（上有老、下有小要照顧）的困境，期待有像動畫《大英雄天團》的「杯麵」（Baymax）機器人出現，幫忙分擔家務、照顧家人，在身心勞累時給你一個溫暖的擁抱。

機器人陪伴高齡者已是現在進行式，新加坡南洋理工大學 Gauri Tulsulkar 教授等學者於 2021 年發表了一項部署在長照機構的機器人實驗。這名外表與人類相似的機器人叫「娜丁」（Nadine），由感知、處理、互動等三層架構組成，可以透過麥克風、3D和網路鏡頭感知用戶特徵、所處環境，並將上述資訊發送到處理層。處理層會依據感知層提供的資訊，連結該用戶先前與娜丁互動的記憶，讓互動層可以進行適當的對話、變化臉部表情、用手勢做出反應。

長照機構的高齡住戶多數因身心因素、長期缺乏聊天對象，或對陌生事物感到不安，常選擇靜默不語，需要照護者主動引導。因此，娜丁內建了注視追蹤模型，當偵測到住戶已長時間處於被動狀態，就會自動發起話題。

實驗發現，在娜丁進駐長照機構一段時間後，住戶有一半的天數會去找她互動，而娜丁偵測到的住戶情緒多為微笑和中性，其中有 8 位認知障礙住戶的溝通能力與心理狀態有明顯改善。

至於未來的改進方向，研究團隊認為「語音辨識系統」仍有很大的改進空間，需要讓機器人能配合老年人緩慢且停頓較長的語速，音量也要能讓重聽者可以清楚聽見，並加強對方言與多語混雜的理解能力。

臺灣如要發展出能順暢溝通的機器人，首要任務就是要開發一套臺灣人專用的 AI 語言模型，包含華語、臺語、客語、原住民語及混合以上兩種語言的理解引擎。這需花費大量人力與經費蒐集各種語料、發展預訓練模型，期待政府能整合學界與業界的力量，降低各行各業導入 AI 相關語言服務的門檻。

或許 AI 無法發展出情感，但卻可以成為人類大腦的延伸，協助我們節省處理資料的時間，更可以心平氣和地回應人們的身心需求。與 AI 共存的未來即將來臨，如何讓自己的行事邏輯跟上 AI 時代，讓 AI 成為自己的助力，是值得你我關注的課題。

延伸閱讀

• 蔡宗翰（2022）。寫給中學生看的 AI 課：AI 生態系需要文理兼具的未來人才。三采文化出版。
• Tulsulkar, G., Mishra, N., Thalmann, N.M. et al (2021). Can a humanoid social robot stimulate the interactivity of cognitively impaired elderly? A thorough study based on computer vision methods. Vis Comput 37, 3019–3038.

• 文／語星葉，與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹，正在努力成為天文學家。

看星星，是大多數人接觸天文的契機。現今，看見滿天星斗對於被光害荼毒的都市人而言是一種奢侈，相較於古時夜無燈火，總有許多靜謐無光的夜晚，能讓人們一同仰望星空，思索空中的奧秘。多數星星安靜地閃爍，被人類賦予神話故事，成了現在為人所知的「星座」。另外，有少數幾顆不安分地移動著，它們的移動方式看似有規則，有時候卻會逆行，這些在天空中漫遊的星星，我們就稱之為「行星」 。

在極少數的情況，我們會發現過去未曾注意到的星點，猶如初來乍到的旅客，古時中國稱之為「客星」 ^[註一]。現在我們知道，這些看似新生的星，實則氣數已盡。利用強大的各波段望遠鏡，人類偵測到大量「新」光，並提出多種機制來解釋星光快速且劇烈改變的現象。

本文將介紹 3+1 種天文現象，分別為「新星（Nova）」、「超新星（Supernova）」和「極亮超新星（Superluminous supernova / Hypernova）」，以及「千級新星（Kilonova）」。前兩者的觀測歷史源遠流長，後兩者則歸功於現代發達的觀測技術，才讓我們得以一探究竟。

新星：我可一點都不年輕！

新星（Nova）來自拉丁文，有 「new」 之意。過去，人們仰望寧靜無波（一成不變）的星空時，若是偶然發現從未見過的星星，便稱之為「新星」。但如今我們知道，新星其實不是剛誕生的星，而是古老的小質量恆星，會在它們的生命終章──白矮星時期，突然變得異常明亮。

白矮星是小質量恆星死亡後的產物，緻密、溫度高，但亮度低，平常不易觀測。一般而言，白矮星是非常穩定的天體，但如果身邊有個伴，情況就不同了。若是白矮星和伴星互繞的距離過近，使得伴星的氫被吸向白矮星表面，並在其表面點燃核融合反應，產生劇烈的光度變化，讓白矮星成為用肉眼可見的「新星」。

近年，天文學家發現，新星的出現經常伴隨強烈的伽瑪射線，推測是來自新星爆發時產生的衝擊波。後續研究指出，新星的高光度也是以衝擊波作用為主，而不是來自表面的核融合反應，打破了以往既有的觀點。

超新星──宇宙中的燦爛花火

超新星（Supernova）顧名思義是新星的 Super 版，比「新星」更亮的星星──天文名詞總是取得如此淺顯易懂。超新星的光度遠超越新星，其形成機制也有所不同。

目前科學界認為超新星有兩種不同的形成機制，分別為「熱核超新星（Thermonuclear supernova）」與「核心塌縮超新星（Core-collapse supernova）」。

「熱核超新星（Thermonuclear supernova）」前身和新星一樣是白矮星，差別在於熱核超新星爆炸極具毀滅性。當白矮星的質量增加到「錢德拉賽卡極限（Chanfrasekhar limit）」，也就是臨界值時，引爆其核心的碳元素將劇烈爆炸，將使白矮星灰飛湮滅。質量增加是因為白矮星身邊有個伴，可能是兩個白矮星白頭偕老、最終合併，也可能和新星一樣是老少配，然後白矮星吸走年輕伴星的表面物質。但究竟是哪種配對導致熱核超新星爆炸，天文學家還在熱議。

「核心塌縮超新星（Core-collapse supernova）」則來自大質量恆星核心塌縮後造成的熱壓爆炸。當大質量恆星的核心燃料用罄，無法支撐極強的重力而塌縮時，就會產生巨量的熱能，並向外爆發。整個過程僅以秒計。爆發後，周圍形成漂亮的超新星殘骸，核心則塌縮成中子星或黑洞。

值得一提的是，超新星是少數能夠串聯古今天文學的研究領域。歷史上數個著名的超新星爆發事件，在世界各地的文明史料中皆能發現記錄。目前推測人類文明見過最亮的超新星事件是 SN1006（西元 1006 年），最亮時甚至比啟明更亮 ^[註二]，即使在白天仍可用肉眼看見，而且持續長達數星期。著名的梅西爾天體 M1（蟹狀星雲）也是超新星爆炸後的殘骸，自 1054 年的超新星爆發中產生，相關記錄散見史冊，而且至今仍是天文界炙手可熱的研究對象。

+1 的部分：極亮超新星

現代觀測技術的進步使超新星事件變得常見，有多部自動望遠鏡凝視著宇宙虛空，在星際間搜尋著超新星的亮光，這類計畫稱為巡天（Survey）計畫。在眾多的觀測數據中，天文學家注意到一類特別明亮的「極亮超新星」（令人不禁想吐槽天文學家如此單純的命名邏輯），這些超新星比一般情況亮了 2 個數量級以上，並且非常罕見。

到 2017 年止，人類僅觀測到約 100 顆極亮超新星。由於數據過少，天文學家對其形成機制的想像可謂瞎子摸象、暫無定論，目前仍歸類為超新星。那麼，極亮超新星究竟是超新星的超級版，抑或是來自不同的形成機制，唯有持續探向更遙遠無垠的古老宇宙，才有機會揭發這個謎團了。

千級新星──看見宇宙之音

「千級新星」是非常新的天文研究領域，研究過程也極具戲劇性。故事得從科學家研究重力波開始說起。

重力波是重力作用產生的時空漣漪。百年前，愛因斯坦的理論便預測其存在，但重力波非常微弱，連愛因斯坦本人都不相信人類有朝一日能偵測到重力波。直到 2015 年，人類才首次「聽」到兩顆黑洞合併產生的重力波 ^[註三]。不過，重力波的訊號指向性不佳，難以「聽音辨位」，也就是用重力波訊號回推事件發生地點。若我們能同時「看」到電磁輻射訊號（該事件發出的電磁波），便可蒐集更多更精確的數據，以了解究竟是在宇宙何處發生了什麼事。

令人難過的是，兩顆黑洞合併幾乎不會產生電磁輻射，因此無法用上述的方法獲得更多資訊。

後來，科學家發現，當兩顆中子星合併、或一顆中子星與一顆黑洞合併時，發出的重力波訊號雖較兩顆黑洞合併更弱、也更難偵測，但這兩種事件不只會產生重力波，也會發出電磁輻射，因此是重力波干涉儀的重要偵測目標。2010 年，天文物理學家探討了這兩種合併事件可能的電磁輻射樣態，得出的結論是和新星事件一樣會有劇烈的光度改變，而且最大亮度約是新星的千倍，於是命名為「千級新星（Kilonova）」。

千級新星的發光機制和超新星不同：超新星的光度主要來自爆炸產生的放射性鎳元素衰變，而千級新星則主要來自兩顆中子星，或中子星與黑洞碰撞合併時，大量發生的核反應——「中子捕獲作用」，此類核反應僅在極端物理環境下產生，是形成金、銀、鉛等重元素的重要機制。過去科學家認為宇宙中重元素的生產者是超新星，然而超新星爆炸的觀測數據卻發現，超新星事件發生的中子捕獲作用的「產能」並不足以支撐現有的重金屬比例，因此千級新星便躍上研究舞台，被認為是重元素的主要產地。

2017 年，LIGO 及 VIRGO 重力波干涉儀共同偵測到人類史上第一場雙中子星合併事件 GW170817。當時，世界各地的望遠鏡幾乎都暫時放下常規任務，爭相投入這場觀測馬拉松。最終的成果令人振奮，不但同時偵測到重力波與相應的電磁波源，分析結果也與千級新星理論預測的訊號相符，這代表我們首次觀測到了千級新星！

這場盛會更昭示了「多信使天文學」時代的來臨 ^[註四]。重力波探測與多波段電磁觀測的結合，替人類的宇宙探索之旅翻開嶄新的一頁。今日，科學家們正期待著下一對共舞的緻密天體搖響精密儀器的銀鈴，讓更多未解之謎得以撥雲見日。

宇宙看似恆常不變，然而在無盡好奇的驅使下，人類以最新科技突破既有的感官極限。我們洞見宇宙深邃瞬變的幽光，聆聽時空悠遠微弱的呢喃。宇宙「新」光的無盡奧秘，還有待來日的勤奮深掘。

註解

註一：客星指新出現的星，意義上包含彗星等在太陽系內遊走的天體，惟不在本文範疇。

註二：金星是地球的夜空中最明亮的星，清晨及黃昏也可見。古時稱金星出現於黃昏為「太白」、「長庚」，出現於清晨為「啟明」。

註三：人類聽見的聲音主要來自空氣分子的震盪，只要震盪頻率在 20~20000 Hz 的範圍，並且經由介質傳遞使耳膜震動，我們就能聽見。雖然重力波是時空震盪，無法直接以耳朵聽見，但概念上類似，因此常見到科學家將重力波訊號轉換成「音訊」，方便人們感受。

註四：多信使天文學（Multi-messenger astronomy）指利用多種訊號探索宇宙的現象。不同於早期僅以可見光探看宇宙，人類如今能夠探測光子、電磁波、微中子、重力波和宇宙射線等高能帶電粒子。透過這些訊號，可以傳達不同面向的資訊，協助我們拼湊出單一宇宙現象更細緻的原貌。GW170817 事件除了以重力波和電磁輻射觀測，亦有微中子觀測站參與，只是沒有找到相關聯的微中子訊號，因此理論在這方面尚未證實，有待解惑。

延伸閱讀

• 令人『震』驚的新星研究新發現 – A Nova Outburst Powered by Shocks
• 超新星 SN 1987A 30 週年超新星理論模型 – 科學月刊 Science Monthly
• 千級新星與重元素起源
• 宇宙中的金屬是怎麼來的？宇宙中重金屬元素的起源 – 科學月刊 Science Monthly
• 重力波：探測十三億光年外的黑洞合併──《宇宙的顫抖》 – PanSci 泛科學

參考資料

1. Li, KL., Metzger, B.D., Chomiuk, L. et al. (2017). A nova outburst powered by shocks. Nat Astron 1, 697–702. https://doi.org/10.1038/s41550-017-0222-1
2. Aydi, E., Sokolovsky, K.V., Chomiuk, L. et al. Direct evidence for shock-powered optical emission in a nova. Nat Astron 4, 776–780 (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1070-y
3. Gal-Yam, A. (2019). The most luminous supernova. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 57, 305–333. https://doi.org/10.1146/annurev-astro-081817-051819
4. Metzger, B.D., Martínez-Pinedo, G., Darbha, S., Quataert, E., Arcones, A., Kasen, D., Thomas, R., Nugent, P., Panov, I.V., Zinner, N.T.. (2010). Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 406(4), 2650–2662. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2010.16864.x
5. Smartt, S., Chen, TW., Jerkstrand, A. et al. (2017). A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source. Nature 551, 75–79 . https://doi.org/10.1038/nature24303

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《那些年，哈伯望遠鏡帶我們看到的宇宙》
• 作者／歐柏昇｜科技大觀園特約編輯

以哈伯望遠鏡觀測的經典天文照片

哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）在 1990 年 4 月 24 日發射升空，今年歡慶 31 週年。這座舉世聞名的望遠鏡，以前所未有的解析度與靈敏度，讓人們窺見宇宙中許多天體的真面目。 

哈伯望遠鏡網站上，經常公布五彩繽紛的天文照片。大家可能不知道，許多經典的天文照片，幕後推手是中央研究院天文及天文物理研究所所長朱有花。朱有花在 2014 年返回臺灣之前，是美國伊利諾大學天文系教授，長期使用哈伯望遠鏡進行研究。她拍的許多天體影像，經過哈伯望遠鏡後製團隊巧奪天工之手，變成網路上廣為流傳的經典照片。

朱有花的一件得意作品，是 NGC 3603 星雲的照片。這張照片在 2000 年 1 月登上《國家地理雜誌》封面。朱有花說，當時她剛好有訂閱雜誌，收到雜誌才發現，封面竟然是自己的觀測影像，於是立刻打開來看，想知道內文如何介紹他們的成果。結果發現書中內容與這張照片毫無關係，只是因為雜誌編輯很喜歡這張照片，而將它放在封面。 

經典天文照片，藏著對宇宙的問題與解答 

哈伯望遠鏡拍攝的照片不只是美麗，更重要的是提供許多科學訊息。在 NGC 3603 星雲照片的左上角（雜誌封面的字母 G 上方）有一顆藍超巨星，與著名的超新星 1987A 的前身星相似。早先地面望遠鏡在這顆星周圍偵測到恆星拋出的物質，引起朱有花的興趣，於是她利用哈伯望遠鏡的高解析度，看見了清楚的環狀構造，發現半徑與超新星 1987A 周圍的環相近。朱有花認為，這顆藍超巨星大概很快就會爆炸，說不定會成為 21 世紀銀河系內的第一顆超新星！

在 NGC 3603 星雲的照片中間，還可看到一個星團，而星團中的大質量恆星把周圍氣體吹出一個氣泡。恆星風吹出的氣泡，也是朱有花利用哈伯望遠鏡研究的重要課題。

「大質量恆星都會吹出氣泡嗎？」朱有花在 1976 年讀博士班的時候，就提出這個問題。理論上，大質量恆星都會吹出氣泡，然而大多數恆星的影像中，都無法看到氣泡。到了 1990 年代，朱有花就想，假如氣泡真的存在，那哈伯望遠鏡總該看得到了吧！

然而觀測結果出爐後，卻發現仍然看不見氣泡。不過，朱有花利用光譜做動力學分析，確實找到了膨脹的氣泡。原來是因為氣泡膨脹速度太慢，約每秒 10-15 公里，只比宇宙中游離化氣體的聲速快一點（相較於地表，這些氣體密度很低、溫度很高，因此聲速快很多），因此震波（shock wave）微弱，不容易用影像拍攝的方式偵測。簡而言之，氣泡真的存在，只不過拍照拍不出來。經過 25 年努力，朱有花的疑惑終於得到解答！

朱有花也曾用哈伯望遠鏡，嘗試在超新星殘骸 N63A 尋找氣泡，結果沒有看到氣泡，卻看到許多微小的雲氣團塊。這些團塊被超新星殘骸快速膨脹的震波侵襲、加熱，正在蒸發。這個奇特的現象，讓人們窺見星雲之中複雜的交互作用。哈伯拍攝到的 N63A 影像相當特殊，但僅能看到雲氣團塊，無法看到超新星殘骸的球形外殼，需要 X 射線望遠鏡才能掌握全貌。 

2014 年回到臺灣後，朱有花主持科技部計畫，利用哈伯望遠鏡的資料研究 Ia 型超新星殘骸的起源。Ia 型超新星的爆炸機制，目前有兩種主流的說法：「一顆白矮星吸取伴星的物質而爆炸」，以及「兩顆白矮星合併而爆炸」。如果以第一種機制爆炸，伴星理論上會存活下來，因此若能找到存活的伴星，就是第一種機制的重要佐證。2017 年，朱有花與指導的學生李傳睿（現為中研院天文所博士後研究）合作，在超新星殘骸 N103B 尋找存活下來的伴星，找到一顆可能是伴星的星球，並在《天文物理期刊》發表成果。 

想使用哈伯望遠鏡，先提出觀測計畫 

朱有花能夠用哈伯望遠鏡拍攝這麼多影像，並非易事。事實上，想要使用哈伯望遠鏡，必須先提出觀測計畫，與全世界天文學家激烈競爭，以 2019 年來說，只有不到 20% 的觀測計畫通過。朱有花說，競爭到最後還是有點運氣成分，許多自認完美的計畫最後失敗了，反而有些倉促完成的計畫書，竟然無心插柳柳成蔭。光是爭取望遠鏡時間，天文學家就有不少甘苦談。

除了主動爭取觀測時間之外，朱有花也常利用哈伯的資料庫做研究。筆者在朱有花老師門下，亦有從資料庫中挖到寶的經驗。哈伯望遠鏡 30 年來累積了大量珍貴的數據，仍蘊藏許多人們未曾發掘的資訊。

哈伯望遠鏡拍攝的每一張美麗照片，背後都有天文學家的艱辛，以及豐富的科學內涵。欣賞照片的同時，不妨試著了解，人們如何透過這些照片，認識宇宙精彩的面貌。