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哈伯望遠鏡發現一對正在衝向銀河系的矮星系

臺北天文館_96
・2016/10/03 ・1841字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

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美國太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)天文學家 Erik Tollerud 等人利用哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)觀測資料,發現有一對矮星系(dwarf galaxies)正從太空中的「荒漠區」往鄰近的「都會區」移動中。

這些天文學家估計,它們大約沉寂數十億年之後,星系內的恆星誕生速度將會暴增,從而加入星遽增星系(starburst galaxies)的行列。我們現在所見到的這對星系的狀況,或許是宇宙早期普遍存在的景象,所以或許能透過它們,進一步取得星系形成與演化的線索。

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誕生在荒漠的兩星系,怎麼進入都會區?

這對晚熟的矮星系分別為雙魚座 A 星系與 B 星系(Pisces A and B),從它們誕生迄今,生命中的絕大部分時間都待在本地空洞結構(Local Void)裡,這是一個直徑約 1.5 億光年的大尺度結構,如其名般,空洞內僅有少數星系分佈其中。但是後來受到星系密集區的重力牽扯,這對孤單的星系對終於進入一個星系際氣體充盈的擁擠區域;在衝入這些豐富氣體的過程中,不斷有氣體落入雙魚 A 和 B 星系內,使得它們的恆星誕生速率開始加快。

不過這些天文學家有另一個猜測是這對星系可能遭逢一個氣體絲狀結構(gaseous filament),會壓縮星系內的氣體,讓星系內的恆星誕生情形加劇。考量這對星系的位置後,Tollerud 等人認為雙魚 A 與 B 星系應該是位在一個鄰近的濃密氣體纖維狀結構的邊緣,而目前這對星系各自含有約 1000 萬顆恆星。

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這兩個矮星系似乎不太一樣

現行理論認為在數十億年前的宇宙早期,矮星系是大型星系的建造基石。由於雙魚 A 和 B 星系大多時間是處於空曠的太空荒漠區,讓它們恰好避開宇宙中破壞力最強的一段時期。

Tollerud 表示:因為處在本地空洞結構內的關係,減緩了這對星系演化速度;之所以認為這對星系之前是位在空洞中,乃是因為它們的氫含量比類似的星系還高一些。在宇宙較早時期的星系,會含有較高的氫濃度;但是相較於同齡且化學組成豐富的,這些矮星系因為恆星形成活動不踴躍之故,使其似乎保留了更多的原始化學組成。此外,與鄰近宇宙中其他有恆星形成正常進行的典型星系相較之下,這些矮星系的結構也比較緊實一些。

科學家怎麼發現它們?哈伯望遠鏡是關鍵

與典型星系比較,矮星系小而暗,所以並不容易發現這些矮星系。Tollerud 等人是透過一個利用電波望遠鏡測量我們銀河系中的氫含量的特別巡天計畫發現雙魚座 A 與 B 這對矮星系。這項巡天計畫捕捉到數千個小而緻密的氫氣雲球,絕大部分雲球位在我們銀河系內,另外辨識出有 30~50 個可能是銀河系以外的其他星系。這些天文學家利用位在美國亞利桑納的 WIYN 望遠鏡以可見光波段研究其中最可能是星系的 15 個雲球。根據觀測結果 Tollerud 等人再選出 2 個最可能是鄰近星系的雲球,另外透過哈伯太空望遠鏡的先進巡天相機(Advanced Camera for Surveys)來進一步研究這 2 個天體,最後終於確定它們兩個,即雙魚座 A 與 B 都是矮星系。

正在組裝的先進巡天相機(Advanced Camera for Surveys)。圖/Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6223581
正在組裝的先進巡天相機(Advanced Camera for Surveys)。圖/Public Domain, wikimedia commons.

哈伯太空望遠鏡的敏銳解析力,可以將鄰近但昏暗的矮星系中個別恆星解析出來,這些天文學家可據估計這些矮星系的距離。距離是決定星系亮度的重要參數,而這個哈伯觀測還有一項工作就是要估算這些星系離最近的空洞結構有多遠。最後得出:雙魚 A 星系距離約 1900 萬光年,雙魚 B 星系約 3000 萬光年。

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追溯兩星系的恆星形成史

分析矮星系內個別恆星的顏色後,天文學家能追溯這兩個星系內的恆星形成歷史。這兩個星系各含有約 20~30 顆明亮的藍色恆星,這代表它們非常年輕,少於 1 億歲。Tollerud 等人由此判斷:在距今不到 1 億年之前,這些星系內的恆星形成率增加了一倍。但當這些星系最終成為某個大型星系的衛星星系之後,那麼它們的恆星形成率又再度減緩,這是因為沒有新的氣體補充造星所需原料,當原本的存料用罄之後,便將完全停止製造新恆星。不過目前並不清楚這個停止造星的階段何時會發生,所以合理的猜測是恆星形成率至少還會上漲一陣子。

Tollerud 等人希望能再經由哈伯觀測到類似的矮星系。他們也計畫從帕洛瑪巡天望遠鏡及泛星快速回應系統巡天計畫(Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System (Pan-STARRS) survey)觀測資料中篩選可能的矮星系。未來也將利用廣角巡天望遠鏡,如智利的 LSST(Large Synoptic Survey Telescope)或中國大陸的 500 米電波望遠鏡等,能發現更多這類矮小的星系鄰居,如此一來,才能進一步瞭解這些矮星系們的性質與在星系演化、宇宙演化中所扮演的角色。

資料來源:

本文轉載自臺北天文館之網路天文館網站。

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臺北天文館_96
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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 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。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

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。

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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)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

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。

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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?

計画通り!圖/GIPHY

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?

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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!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

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。

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合併中的星系們。圖/NASA

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!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

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毀滅與新生:超大質量黑洞觸發的恆星形成
EASY天文地科小站_96
・2022/03/18 ・2555字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 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!

哈伯太空望遠鏡拍攝的 Henize 2-10 矮星系。
圖/Hubblesite

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」。

對超大質量黑洞吸積盤與噴流的數值模擬。在吸積盤上,物質以圓形軌道環繞黑洞,並緩緩的向內移動,直到最終在吸積盤的最內側被黑洞吞噬。而從黑洞兩極高速噴出的物質,則形成了噴流。
影/EHT, Hotaka Shiokawa.

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。

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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。

天文學家常用星系的「恆星形成率 SFR」來衡量一個星系的狀態。如果一個星系正在產生許多新恆星(即恆星形成率高),這就是個「生機勃勃」的星系(如左圖的 NGC 4038 / NGC 4039);反之,如果一個星系都只有年邁的恆星,那這就是個「死氣沉沉」的星系(如右圖的 IC 2006)。
圖/WikipediaESO

半人馬座 A 星系是經典的活躍星系之一。由星系中心射出的筆直藍色區域,就是超大質量黑洞的噴流。圖/ESA_Multimedia

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。

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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!

哈伯太空望遠鏡拍攝的 Henize 2-10(左),以及其中心部分的 H alpha 波段影像(右)。在右編的影像中 Massive Black Hole 即是黑洞所在的位置,Outflow 是外流、Triggered Star Formation 即是恆星形成區。
圖/Hubblesite

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。

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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

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淺談 JWST 的科學意義:探索宇宙深處與塵埃後的外星世界!——認識韋伯太空望遠鏡(四)
EASY天文地科小站_96
・2021/10/21 ・4876字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 作者/林彥興|清大理學院學士班,努力在陰溝中仰望繁星 

在談完了韋伯太空望遠鏡(JWST)的源起、技術與運行軌道之後,本系列的終章就帶大家一起來了解,天文學家花費上百億美金之後,究竟希望韋伯能為哪些領域帶來突破?

背景圖片/illustris simulation。製圖/林彥興

追尋起源:早期宇宙與星系演化

月亮距離我們大概 380,000 公里,光需要花費 1.3 秒左右才能到達地球,因此我們看到的月亮,是 1.3 秒以前的月亮;同理,我們看到的太陽,是 500 秒以前的太陽;我們看到的仙女座星系,是 250 萬年前的仙女座星系。在宇宙中,我們看得越遠,看到的東西就越古老。某種意義上,望遠鏡就像是一座時光機,可以讓我們一窺宇宙從誕生到現在的演化歷程。

在 1995 年,一組天文學家申請哈伯太空望遠鏡進行一次瘋狂的觀測。他們選擇將哈伯太空望遠鏡對準天空中一片看似什麼都沒有的區域,接連進行了 140 個小時的曝光。他們得到的影像,日後成為天文史上最重要的照片之一,其名為:哈伯深空(Hubble Deep Field)。

哈伯深空影像。圖/Robert Williams (NASA, ESA, STScI)

天文學家們驚訝的發現,這片看似空無一物的區域,其實充滿了數以千計遙遠、古老且黯淡的星系。比起銀河系這種中老年星系,哈伯深空中拍到的許多星系才形成不久,相當的年輕有活力。瘋狂誕生恆星的星系,與現在宇宙中的星系相當不同,非常有趣。望遠鏡就好像時光機一樣,帶我們一窺宇宙過去 130 多億年的演化歷史,而哈伯深空影像,正因此成為早期宇宙與星系演化研究的一個重要里程碑。

然而,當哈伯想要往更遙遠、更古老的宇宙望去的時候,就漸漸顯得力不從心了。原因是典型的星系發出的光主要以可見光為主,但是這些古老星系發出的可見光,在前往地球的過程中,會隨著宇宙的膨脹而發生紅移。越是遙遠的星系,紅移的情況就越嚴重。因此對於非常遙遠的星系來說,它們發出的可見光到達地球時,就已經被宇宙紅移拉到紅外線波段了。因此,只能觀測紫外線到近紅外的哈伯,就很難看到它們。

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這時,就是韋伯出場的時候了。專司紅外線波段的韋伯,將能夠幫助天文學家看見宇宙中第一批恆星與星系的形成,以及這些恆星與星系如何與它們周遭的環境互動。

JWST 將幫助天文學家揭密宇宙早期演化的過程,包括宇宙的再游離(Reionization)以及第一批恆星與星系的形成等。圖/STScI

在宇宙學方面,JWST 將能讓宇宙學家深入探索宇宙「再游離(Reionization)」的過程。這是當前早期宇宙研究最重要的課題之一。大霹靂後 38 萬年,宇宙中的氫是以原子(稱為中性氫)的方式存在,然而在當今的宇宙中,多數的氫都是以游離態存在的。天文學家猜測,是宇宙中第一批形成的星系與黑洞發出的強烈輻射,游離了宇宙中的中性氫,才使得宇宙中多數物質的狀態發生了這樣的改變。但是再游離的過程究竟如何發生,現在無論是觀測還是理論都還無法給出統一的答案,仍待 JWST 等新一代望遠鏡的進一步探索。除此之外,就像前文所述,JWST 將能讓我們看到哈伯太空望遠鏡所見更古老的星系,這些仍在襁褓中的星系長有甚麼特色?又是怎麼演化成為我們在現在的宇宙中所看到的星系?這些也是 JWST 將幫助天文學家回答的問題。

宇宙學模擬團隊 THESAN 所進行的宇宙再游離模擬。可以看到星系們像吹泡泡一樣把中性的氫轉變成游離態。影/THESAN Simulations
天文學家模擬韋伯和哈伯以近紅外波段的觀測類星體(Quasar)與其宿主星系(Host galaxy)的效果。可以看到在近紅外波段,韋伯的解析度明顯勝於哈伯,讓天文學家可以清楚的將類星體與其宿主星系區分開來,以利進一步研究。圖/M. Marshall (University of Melbourne)

恆星搖籃:看穿恆星形成區

初生恆星所發射的噴流 HH 212。圖/ESO/M. McCaughrean

恆星是天文物理最古老的研究對象之一。數十年來,天文學家對於恆星的類型、內部結構、演化歷程都有相當詳細的了解。然而,星際間瀰漫的雲氣究竟是如何聚集成一顆一顆的恆星,以及其周圍的行星系統,卻還有很多不清楚的地方。

典型的觀點認為,恆星誕生於巨大分子雲(GMC)之中。當分子雲中的氣體在重力的影響下逐漸聚集,就會形成紊亂而複雜的纖維狀(filament)的結構。

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而在這些結構的高密度區域,隨著溫度、壓力與密度不斷提高,最終會點燃核融合反應,形成一顆顆的恆星。雖然大致的圖像有了,但是這整個過程不僅橫跨巨大的時間與空間尺度,更牽涉到磁流體力學、輻射、化學反應鏈等一系列複雜的物理與化學過程,因此上述的許多細節,仍是天文學家們努力研究的題目。

STARFORGE 團隊的天文學家借由超級電腦模擬恆星形成的過程。影/STARFORGE Simulation

然而,由於這些恆星的形成區,往往被濃密的氣體與塵埃所包圍,因此當天文學家使用可見光觀測時,往往只能看到黑壓壓一片,難以窺探雲氣神秘的核心之中,恆星究竟是怎麼演化的。此時,紅外線的優勢再次展現。由於波長較長,紅外線比可見光和紫外線,更能夠穿過層層的星際雲氣而不被吸收,因此可以幫助天文學家直擊初生恆星的核心區域。

哈伯太空望遠鏡利用可見光與近紅外線拍攝的創生之柱(Pillars of Creation)。可以看到利用紅外線觀測時,望遠鏡能夠更好地看穿厚重的星際雲氣。圖/NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

除了恆星本身之外,恆星形成時環繞在其周遭的「原恆星盤(Protoplanetary disk)」也是行星誕生的溫床。利用 ALMA 等次毫米波(介於遠紅外線到無線電波之間)望遠鏡,天文學家發現許多初生的恆星系統旁,都圍繞著濃密的氣體與塵埃盤。不僅如此,它們還發現這些盤面上,常有許多大小不一的間隙(gap),很可能就是來自正在形成中的行星。在少數的系統中,天文學家甚至能夠直接拍攝到這些正在襁褓中的系外行星們。而 JWST 在紅外波段的觀測,將能夠讓天文學家更進一步了解這些行星(尤其是靠近恆星的類地行星們)的形成。

ALMA 在遠紅外線/次毫米波波段拍攝的多個原行星盤(protoplanetary disk)影像。它們是恆星旁殘留的塵埃與雲氣,且被認為是系外行星誕生的搖籃。JWST 將以中紅外線對這類天體進行更多的觀測。圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
中紅外波段存在許多重要的分子的發射譜線,如甲烷(Methane)、氨(Ammonia)、乙炔(Acetylene)等等,這些了解這些分子的分布與含量,能幫助天文學家了解行星的形成時原行星盤的環境,以進一步了解行星的形成機制。圖/NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

外星世界:凝視太陽系與系外行星

「我們在宇宙中是孤獨的嗎?」

這個問題雖然至今仍沒有答案,但過去 25 年,天文學家對外星世界的認識已經有了巨大的進展。曾經,系外行星是只存在於假想中的天體;但現在,天文學家已經發現了超過 4,000 顆,隨著資料的不斷更新(主要歸功於 TESS 衛星的努力),這個數量還會持續上漲。

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想了解系外行星學的發展歷史?這首 Acapella Science 的作品絕對是最棒的入門!

影/acapellascience

但是,天文學家雖然知道這些系外行星的存在,對這些外星世界的了解卻還相當有限,原因是系外行星實在是太小太暗了。對於多數的系外行星,天文學家都只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等相對粗略的特性,並且估計這個行星是否處於適合生命生存的「適居帶(Habitable Zone)」之內。

NASA 的 Kepler 與 TESS 望遠鏡是專司以「凌日法」搜尋系外行星的獵手。目前已知大半的系外行星都是由它們兩個發現。但是他們的觀測能夠提供的資訊相對有限。圖/NASA/JPL-Caltech

JWST 強大的能力將幫助天文學家突破困境。它能夠以兩種主要的方式觀測系外行星:一種是趁著系外行星繞行到其母恆星前方時,觀測整個系統的光譜,並找出其中由系外行星的大氣所貢獻的吸收譜線,這種方法被稱為「凌日光譜學 (Transit Spectroscopy)」;另外一種方式是藉由「日冕儀(Coronograph)」遮擋住來自母恆星的光線,直接拍攝並取得系外行星的光譜,這種做法被稱為「直接影像法(Direct Imaging)」。結合這兩種方式,JWST 將能夠讓天文學家對系外行星的認識不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述,而是能知道大氣的組成、溫度與垂直結構,以及它們隨著季節、軌道半徑等其他因素的變化,深入地了解這些外星世界,甚至是尋找生命可能存在的跡象。

藝術家對 Kepler-1649c 行星的想像圖。圖/NASA

除了遙遠的系外行星之外,JWST 對於太陽系內的觀測其實也能有很大貢獻喔!舉例來說,JWST 擁有的中紅外波段的光譜觀測能力,既然可以分析系外行星的化學組成,當然也可以拿來分析太陽系內的小天體,如小行星、彗星、古柏帶天體等等,補足地面天文台無法觀測中紅外線留下的資訊空缺。此外,對於火星、四大巨行星、以及土衛六泰坦的研究,都是 JWST 可能的觀測目標。

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未來精彩可期

從 1996 到 2021,從「新世代太空望遠鏡」到「詹姆士.韋伯太空望遠鏡」,天文學家的超級紅外線太空望遠鏡之夢,走過了漫長而曲折的發展歷程。25 年後的今天(10 月 17 日),JWST 已經搭乘海運抵達位於南美的法屬圭亞那太空中心,準備在 12 月 18 日搭乘亞利安 5 號火箭(Ariane 5),前往日地第二拉格朗日點(L2),以前所未有的性能,展開對宇宙、星系、恆星與行星的深入研究。更重要的是,每當一代更新、更強大的儀器成軍,天文學家不僅期待它回答上述「現有」的問題,更希望它能將人類的視野,開拓至我們從未想過的領域。韋伯究竟會帶來怎樣的驚喜,就讓我們拭目以待!

參考文獻

延伸閱讀

  1. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?——認識韋伯太空望遠鏡(一) – PanSci 泛科學
  2. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二) – PanSci 泛科學
  3. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡(三) – PanSci 泛科學
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