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最擔心微波爐的是……電波天文學家?!

臺北天文館_96
・2016/11/14 ・3128字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

文/胡佳伶

利用可見光觀測的天文學家最討厭光害了,但電波天文學家的煩惱可不太一樣,他們得要擔心微波爐、除草機器人,甚至連 Wi-Fi、手機、電視、廣播訊號都會影響到他們的觀測!

用微波爐熱午餐發現的新天體!

偵測到「佩利頓」信號的帕克斯電波望遠鏡,直徑有64公尺。圖 / Credit : CSIRO
ㄅˋ 偵測到「佩利頓」信號的帕克斯電波望遠鏡,直徑有 64 公尺。圖 / CSIRO

澳洲帕克斯(Parkes)電波望遠鏡偵測到一種神祕的「佩利頓」(peryton)訊號,這種訊號和僅維持幾毫秒的快速電波爆發(FRBs)有些類似,可能與中子星坍塌或是星體合併有關。

帕克斯天文台所偵測到的「佩利頓」信號。圖 / By Petroff, E. et al.
帕克斯天文台所偵測到的「佩利頓」信號。圖 / By Petroff, E. et al.

天文學家展開追查,發現訊號幾乎都在午餐時出現。直到某天有位研究人員在廚房裡微波午餐,卻沒耐性等微波爐停止,就打開微波爐的門,就在那個那一個瞬間,望遠鏡也探測到了佩利頓訊號……。於是天文學家裝設電波監測器反覆測試後,得到了以下結論:

「只要望遠鏡剛好對向這個角度時,有人太早打開微波爐的門,就會探測到佩利頓信號!」

圖/Chris Kelly@flickr, CC BY 2.0
圖/Chris Kelly@flickr, CC BY 2.0

嗯,這給我們的啟示是:使用微波爐務必要等停止運轉後再打開,否則可能會發現意想不到的新天體!整起事件看來有些烏龍,但認真的天文學家還就此在《皇家天文學會月報》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)發表了一篇論文呢!

論文中指出「只要望遠鏡剛好對向這個角度時,有人太早打開微波爐的門,就會探測到佩利頓信號!」。圖/《臺北星空》提供
論文中指出「只要望遠鏡剛好對向這個角度時,有人太早打開微波爐的門,就會探測到佩利頓信號!」。圖/《臺北星空》提供

天文學家抗議 iRobot 研發除草機器人

電波天文學家不但要擔心微波爐,連掃地機器人也得操心!以掃地機器人聞名的 iRobot公司研發的除草機器人,引起電波天文學家的不滿。美國國家電波天文台(National Radio Astronomy Observatory,簡稱 NRAO)為此在美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission,簡稱 FCC)與 iRobot 進行激烈的辯論。

iRobot公司所生產的掃地機器人。圖 / Credit : iRobot
iRobot 公司所生產的掃地機器人。圖 / iRobot

原來這是因為 iRobot 公司向 FCC 申請批准使用一個特定的無線電頻段,以用作限制除草機器人活動範圍的虛擬牆。沒想到他們所申請的發射頻率,恰巧是在 6240 – 6740 MHz ── 天文學家利用電波望遠鏡監測太空中甲醇訊號的波段,而甲醇訊號被認為與恆星形成區域有關。NRAO 在寫給 FCC 的公開信中,呼籲不要核准 iRobot 公司的申請,他們在信裡寫道:

「NRAO 所屬的電波望遠鏡正在繪製宇宙地圖,以極高精度測量恆星形生區的距離,探尋星系的演化歷程。」

iRobot 公司提出了應對方案──他們在使用手冊中加了一項:「消費者僅限於居住區域使用」,他們認為這將能確保除草機器人不會出現在電波天文台附近。但美國國家電波天文台則認為這項條文的效果令人難以信服,根本無法限制居住在電波望遠鏡附近的居民使用此產品。iRobot 公司的律師曾經前往 NRAO,針對技術性問題進行溝通,當時天文學家就對此表示疑慮,但 iRobot 公司仍然向 FCC 提出頻段申請。

之後 NRAO 和 iRobot 雙方開始各自計算虛擬牆所採用的信號樁可能造成干擾的範圍大小,NRAO 計算的結果是 88.5 公里,而 iRobot 的計算結果則是 19.3 公里,他們並宣稱 NRAO 附近的大部分地區是沙漠和森林,並不是常會使用除草機器人的區域 ── NRAO 對此的評論則是:「愚蠢至極」。還好,FCC 的態度是「應採取一切可行措施,保護電波天文觀測不受干擾」。

iRobot所研發的除草機器人,利用信號樁形成的虛擬牆限制機器人的活動範圍。圖 / Credit : iRobot
iRobot 所研發的除草機器人,利用信號樁形成的虛擬牆限制機器人的活動範圍。圖 / iRobot

沒有手機、沒有 Wi-Fi 的小鎮

不少現代人有網路成癮症,隨時都在滑智慧型手機,每到一個地方就會先問問:有沒有 Wi-Fi 可以用?但你能想像在美國西維吉尼亞州,有個人口僅 147 人的綠堤鎮(Green Bank),這裡沒有電視、Wi-Fi、廣播電台,也無法使用手機、藍芽等無線電相關用品。只有急救醫療人員能夠使用無線電通訊器材,居民在外想打電話,只得使用小鎮上唯一的公用電話;想上網,只能用龜速的數據機撥接;甚至有警察在街上巡邏,阻止居民違法使用無線訊號。

直徑100公尺的綠堤電波望遠鏡,是全球最大的可操控電波望遠鏡。圖 / Credit : NRAO
直徑 100 公尺的綠堤電波望遠鏡,是全球最大的可操控電波望遠鏡。圖 / NRAO

你或許好奇什麼樣的人會想定居於此?對三十多名患有「電磁波過敏症」的居民來說,這兒可是天堂!他們無法承受手機訊號、無線網路以及其他電子產品產生的電磁波,身心產生嚴重的不適症狀。

美國聯邦通訊委員會在 1958 年,就將周邊 3 萬 4000 平方公里的區域劃為「國家電波靜止區」(National Radio Quiet Zone),禁用任何會釋放電波的裝置,這裡的山丘地形還能阻擋外來的電波訊號,確保電波望遠鏡的有效運作。美國國家電波天文台所建置的「綠堤電波望遠鏡」(Green Bank Telescope)就坐落在此,直徑達 100 公尺,是全球最大的可操控電波望遠鏡

這裡是可以使用微波爐的,但綠堤電波望遠鏡的天文學家對此可是嚴陣以待,牢牢把它關在由銅特製的法拉第籠(Faraday cage)裡,以阻隔電磁波可能造成的干擾。

中國建全球最大電波望遠鏡「天眼」,遷徙近萬人

2015年12月16日FAST工程進展。圖 / 新華社記者歐東衢攝。版權:中國科學院國家天文台 FAST 工程
2015年12月16日FAST工程進展。圖 / 新華社記者歐東衢攝。版權:中國科學院國家天文台 FAST 工程

望遠鏡當然是越大越好,直徑 64 公尺的澳洲帕克斯電波望遠鏡、直徑 100 公尺的綠堤電波望遠鏡還不夠看。目前最大的單一鏡面電波望遠鏡是位在波多黎各的阿雷西波(Arecibo)電波望遠鏡,直徑達305公尺。這部望遠鏡在 1974 年向 2 萬 5000 光年外的球狀星團 M13 傳送給外星文明的訊息而聲名大噪,更是受好萊塢青睞,出現在電影 007 系列《黃金眼》的打鬥場面中。

但今(2016)年 9 月,中國的 500 米口徑球面電波望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱 FAST,亦稱「天眼」)即將完工並投入使用,望遠鏡選在貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩窪地興建,這裡有天然的喀斯特地形,有利工程進行;而且當地地處偏遠、遠離城市,擁有較佳的無線電環境。為了讓電波望遠鏡能有更良好的工作環境,中國搬遷周圍 5 公里內 2029 戶約 9110人,每人約可獲得 1.2 萬人民幣的補償,這樣的處置方式引來熱議,部分居民對賠償金額表達不滿。

2008 年前拍攝的 FAST 台址,貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩窪地。圖 / 中國科學院國家天文台 FAST 工程
2008 年前拍攝的 FAST 台址,貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩窪地。圖 / 中國科學院國家天文台 FAST 工程

資料來源


本文轉載自《臺北星空》72 期


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 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

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。