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。

• 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？

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」。

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。

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。

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。

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）

• A Search for H-Dropout Lyman Break Galaxies at z ∼ 12–16 – The Astrophysical Journal
• A highly magnified star at redshift 6.2 – Nature
• Observing the First Galaxies – Astrophysics and Space Science Library
• Galaxies in the First Billion Years After the Big Bang – Annual Review of Astronomy and Astrophysics
• Galaxy Formation and Reionization: Key Unknowns and Expected Breakthroughs by the James Webb Space Telescope – Annual Review of Astronomy and Astrophysics
• General Observer Programs in Cycle 1 

延伸閱讀（科普文章）

• 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
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• 太空巨獸JWST 升空後的150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三）
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