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英法千年恩仇錄之「海王星」爭霸戰

物理雙月刊_96
・2016/11/22 ・5162字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

文/高崇文|中原大學物理系教授

上次提到當年英法兩國為了爭奪海外殖民地,先後蓋起天文台,目的都是為了繪製更精確的航海圖,好讓自己的艦隊能在海上發威。七年戰爭(1756 – 1763)大英帝國大獲全勝,法國在巴黎和約中被迫割讓整個加拿大給英國,並撤出印度,英國搖身一晃,成了海外殖民地的霸主。然而福禍相倚,英國把戰爭的開銷轉嫁在北美殖民州身上,引起了當地居民的不滿。就在七年戰爭之後 13 年,北美十三州就爆發獨立戰爭。法國出人出錢,硬是要讓英國痛失一個重要的殖民地。只是高昂的戰爭費用卻讓法國政府差點破產,狗急跳牆,胖路易把腦筋轉到享有不必繳稅的貴族與僧侶頭上,不料擦槍走火,爆發了大革命!

法國大革命爆發後,英國收容了一堆貴族,更成了法國最死硬的敵人。拿破崙為了扳倒英國這個宿敵,搞出史上極惡的大陸封鎖令,想要對英國進行全面性的經濟封鎖,結果為了懲罰偷偷跟英國眉來眼去的俄羅斯,拿破崙霸氣揮軍俄國,卻遭到毀滅性的打擊。拿破崙雖然一度退位被放逐到厄爾巴島,卻又奇蹟式地溜回巴黎,展開百日天下,最終還是飲恨滑鐵盧,敗在威靈頓指揮的英荷普聯軍之下。

英國跟法國一路從陸地打到海上,後來居然打到天上去了!這是怎麼回事哩?請聽我慢慢道來:

自從 1781 年天王星被發現後,第一個計算天王星軌道的是芬蘭(當時是瑞典王國的一部份)出身的天文學家萊克塞爾(Anders Johan Lexell),他是大數學家歐拉(Leonhard Euler)的關門弟子。萊克塞爾發現天王星的軌道與牛頓重力理論計算的結果有所出入,當時他猜想似乎天王星是受到太陽系其它更遠方不知名星體的影響。不過當時行星之間的重力效應還無法很精確地被掌握,所以他無法更進一步去探究。

由於計算天王星的軌道,開啟了後續一連串找尋新行星的過程。圖/wiki
由於天王星軌道的計算,開啟了後續一連串找尋新行星的過程。圖/wiki

天體力學在號稱「法蘭西的牛頓」的拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)手中逐漸臻於完備,四十年後,曾擔任拉普拉斯助手的法國天文學家布瓦(Alexis Bouvard)將天王星軌道的計算結果做成完整的表,加以出版。可是天王星被觀測到的位置與布瓦的計算結果依然不一致。當時布瓦不得不猜想誤差可能來自於天王星受後方某個未被人類發現的新星球吸引的效應。他在隔年成為巴黎天文台的台長,一直到 1843 年他以高齡七十五歲為止,但是他沒有展開搜索新行星的計畫。

他的繼任者阿拉戈(Dominique François Jean Arago)倒是對這個問題深感興趣,所以在 1845 年他鼓勵當時法國最能算的勒維耶(Urbain Jean Joseph Le Verrier)去研究這個問題。勒維耶手腳奇快,十一月就提交一篇論文到法蘭西科學院,到了隔年的六月一日,他提出第一次對「新行星」位置的預測。

勒維耶萬萬沒想到的是,就在一水之隔的英國,有一個他素未謀面的年青科學家也正在研究同一個問題,他就是亞當斯(John Couch Adams)。早在 1843 年他在劍橋就開始思考如何從天王星軌道的異常,來反推「未知新行星」的質量與軌道。記錄顯示當時的劍橋天文台台長查理斯(James Challis)曾向皇家天文學家兼格林威治天文台台長艾里(George Biddell Airy)爵士索取天王星的觀測資料,就是應亞當斯的要求。

問題是亞當斯是個害羞、不善交際、而在工作上卻是個吹毛求疵的完美主義者,所以他在什麼時候算到哪個地步,全都沒公開,這個習慣後來讓整樁事件成了一宗「羅生門」。查理斯對尋找新行星似乎不太熱衷,他的看法是這是件吃力卻未必有收獲的苦差事。 而亞當斯與艾里爵士之間的信件也顯示亞當斯並沒有詳述他的計算,艾里爵士想來也是一頭霧水。雖然亞當斯曾在 1845 年 10 月 21 日拜訪艾里爵士,主人不在家,亞當斯只留下一份與天王星軌道相關的手稿就走了。由於手稿寫得語焉不詳,艾里爵士曾經寫信給亞當斯請他解釋清楚他的計算,然而亞當斯卻一直沒有回信。這種奇怪的舉動也許讓艾里爵士對整件事有所保留吧。更何況,身為格林威治天文台台長,他也是忙得不可開交,記錄顯示當時他在處理天文台員工涉入一起亂倫謀殺案,同時迎接他第七個小孩的誕生呢!

亞當斯(John Couch Adams, 1819-1892)圖/By Unknown - http://www.york.ac.uk/depts/maths/histstat/people/adams.gif, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1182441
亞當斯(John Couch Adams, 1819-1892)圖/Public Domain, wikimedia commons.

雖說公私繁忙,艾里爵士在 1846 年 6 月 23 日得知勒維耶的第一個預測後,馬上想起亞當斯的工作,六天後他在格林威治天文台的 Board of Visitors 的會議上提到這件事情。

話說 Board of Visitors 是什麼呢?算是格林威治天文台的一個監督單位,成立於 1710 年,第一任主席是誰呢?就是跟第一任皇家天文學家佛蘭斯蒂德(John Flamsteed)有深仇大恨的牛頓,因為他是當時的皇家學會主席!不過到了艾里爵士的時候,Board of Visitors 比較像是格林威治的一個諮詢單位。7 月 9 日艾里爵士正式要求查理斯尋找新行星。而查理斯在 7 月 29 日終於開始做這件他眼中的苦差事。幸運之神正在朝他猛眨眼,可惜他不解風情,大好機會就這麼隨風而逝……。

巴黎天文台由於缺乏適當的儀器無法配合,所以勒維耶改進他的計算後,在 8 月 31 日提出第二次的預測,便將結果寄去給柏林天文台的天文學家伽勒(Johann Gottfried Galle),勒維耶的信 9 月 17 日從巴黎發出,伽勒在六天後收到,當夜凌晨伽勒跟他的學生德亞瑞(Heinrich Louis d’Arrest)就找到新行星了!位置就在勒維耶預測的位置一度以內!伽勒馬上回信給勒維耶告訴他:「在你算出來的位置上真的有一顆行星!」(the planet whose place you have really exists)。大喜過望的勒維耶馬上寫信給各大天文台,並建議新行星取名為「海王星(Neptune)」,以希臘神話的海神波塞頓(Poseidon)手上的三叉戟 為象徵符號。十月五日他正式向法蘭西科學院宣佈這項成就,舉國為之歡騰。

觀察到海王星的新伯林天文台 New Berlin Observatory。圖/ Wikimedia Commons
觀察到海王星的新伯林天文台 New Berlin Observatory。圖/ Wikimedia Commons

而聽到這個消息的查理斯這時才發現,自己在 8 月 8 日與 12 日已經看到「新行星」,卻將它視為一般恆星,只能扼腕長嘆。當時艾里爵士正在歐洲度假,等他 10 月 11 日回到英國才發現自己已經身陷風暴,一場爭奪新行星的筆戰已經開打了。

在他人還在歐洲的時候,赫歇爾(John Herschel,天王星發現者 William Herschel 的兒子,本身也是傑出的天文學家,同是也是格林威治天文台的 Board of Visitors 的成員)在期刊 Athenaeum 登出一篇文章,不僅提到柏林天文台發現新行星的消息,還提到亞當斯的計算以及查理斯的搜尋。文中暗示勒維耶與亞當斯的工作是平行的。所以當艾里爵士向勒維耶恭賀時,卻收到勒維耶怒氣沖沖的回信,他表示自己對亞當斯的工作一無所悉,而且他質疑為何亞當斯為何從來不曾發表任何相關的著作。

其實不止是赫歇爾,連查理斯與格林威治天文台的格萊舍(James Glaisher)也都對外投書陳述類似的內容。這讓法蘭西的學界相當不開心,甚至連「英國佬要偷咱們的新行星」這種話都出來了。當時英法的報紙還出現諷刺畫,一場尋找新行星的科學壯舉變成兩個世仇的口誅筆伐,稱之為「海王爭霸戰」毫不為過。

查理斯在 10 月 15 日在期刊 Athenaeum 投書,他承認在亞當斯給他的預測範圍內(亞當斯給的範圍有二十度之多)他的確在 8 月 4 日與 12 日都看到了新行星,但他疏於比較星表,沒有在當時了解到,看到的是行星而非恆星。所以他認為英國還是第一個「發現」新行星的國家,所以有資格為新行星命名,他還建議把新行星命名為 Oceanus。

其實早在 10 月 5 日法蘭西科學院開會時,巴黎天文台台長阿拉戈甚至主張把行星命名為「Le Verrier」!而當事人勒維耶雖然之前建議採用 Neptune,似乎也心中竊喜,想來變為一顆星是難以推辭的殊榮吧。再加上原先真正的發現者伽勒主張的 Janus(羅馬的雙面門神,因為「新行星」守在太陽系的門口),一共有四個名字了!最後在巴黎的經度局(Bureau des Longitudes)決定採用 Neptune,而英國皇家學會也把該年度的 Copley 獎章頒給勒維耶, 完全沒提到 Adams。看來英國佬認輸了。

嘿嘿,妙就妙在隔了兩年亞當斯還是得了 Copley 獎章,理由呢?海王星!而原本表示勒維耶是新行星發現者無可置疑的艾里爵士,也改口在 11 月皇家天文學會上公然將勒維耶與亞當斯兩人的成就相提並論。英國人果然不容易低頭認輸呀。

Urbain Le Verrier (1811-1877).圖/ Wikimedia Commons
Urbain Le Verrier (1811-1877)圖/ Wikimedia Commons
Johann Gottfried Galle (1812-1910)圖/Wikimedia Commons
Johann Gottfried Galle (1812-1910)圖/Wikimedia Commons

這場爭霸戰後最大的輸家首推查理斯,英國大眾指責他蹣頇無能,把大好機會白白讓給法國人。而艾里爵士也是滿臉全豆花,被批評是目光短淺,官僚心態,(話說發現新行星的確不是格林威治天文台的業務)。年輕的亞當斯對這兩位長者以及勒維耶倒是都不曾口出惡言。而經過這場海王爭霸戰之後,他的聲名鵲起成為家喻戶曉的名人。算是這場紛爭的贏家。而勒維耶與伽勒原本開心地成就一樁大事,半路卻殺出程咬金,硬生生要搶去半個功勞,真是無妄之災。伽勒為人謙遜,總是將新行星的頭銜推給勒維耶,後來他得享高壽九十八,想來是他好人有好報吧!

八年之後亞當斯又掀起另一場英法之爭。之前在阿文開講第一集曾提過,當年為了解釋月球的長期加速,拉普拉斯曾有過重力傳播速率是有限的想法。但是在 1786 年他發現月球繞地軌道的離心率會因攝動而改變,進而使月球的切線速度增加。他的計算解釋了整體的效應,似乎解決了這個難題。然而,亞當斯在 1854 年重新檢查拉普拉斯的計算,竟然發現其中有誤:拉普拉斯以地球軌道離心率的變化為基礎的說法只能夠解釋約一半的月球加速。這發現引起英法天文學家持續數年的尖銳爭議,像勒維耶馬上反對亞當斯的做法。可是最終包括德勞奈(Charles-Eugène Delaunay)等專家最後都接受了亞當斯的結論。

那麼另一半的月球加速是怎麼回事?後來德勞奈與費雷爾(William Ferrel)各自獨立提出解答。原來地球自轉由於潮汐作用而逐漸趨緩,而月球的運行速度的歷史紀錄是以地球自轉一周的日為單位來記錄,所以造成所謂的「月球加速」。亞當斯因為這項成就獲頒皇家天文學會金質獎章,而兩年後勒維耶也得到同一個獎章,而頒獎人呢?呵呵!正是時任皇家天文學會主席的亞當斯!真是有緣,不是嗎?

地球自轉由於潮汐作用而逐漸趨緩,而月球的運行速度的歷史紀錄是以地球自轉一周的日為單位來記錄,所以造成所謂的「月球加速」。圖/wiki
地球自轉由於潮汐作用而逐漸趨緩,而月球的運行速度的歷史紀錄是以地球自轉一周的日為單位來記錄,所以造成所謂的「月球加速」。圖/wiki

勒維耶後來嘗試以水星進動的異常為理由主張有一顆更靠近太陽的行星,連名字都取好了叫 Vulcan 星!(星艦迷航記的編劇八成是學天文的!) 水星進動異常後來被廣義相對論漂亮地解釋了。所謂 Vulcan 星自然成了明日黃花。勒維耶在 1854 年接替阿拉戈成為巴黎天文台台長,但是他人緣奇差,1870 年台長一職改由德勞奈接手,但是兩年後德勞奈不幸在一場船難中罹難,所以他又回鍋當上台長,直到 1877 年過世為止。他真是個幸運兒!

這場海王爭霸戰似乎就此收場,然而在 1998 年在智利有一位天文學家艾根(Olin Jeuck Eggen)過世後,在他的遺物中居然出現失蹤的「海王星檔案」。這些檔案據信是艾根任職格林威治天文台時順手牽羊、據為己有。經研究後,英國記者科勒斯特姆(Nicholas Kollerstrom)宣稱當年亞當斯的計算,根本不足以讓查理斯找到新行星。是耶?非耶?尚待澄清。

科勒斯特姆由於否認納粹大屠殺,在英國早已聲名狼藉,所以也許需要有人做更持平的研究。諷刺的是後人發現,不但赫歇爾(John Herschel)早在 1830 年就看到海王星,甚至連伽利略在 1612 年的記錄都可以找到海王星的蹤跡!只是無人識得這顆八星等的黯淡小星,居然是咱們太陽系的手足。1989 年,美國太空總署發射的旅行家二號飛越海王星,我們才第一次近距離看到這顆外觀是藍色的美麗星球,相較於世間無謂的喧囂爭吵,海王星要美麗許多,您說是嗎?

旅行家二號,第一艘造訪天王星跟海王星的太空飛行器。圖/Wikimedia Commons
旅行家二號,第一艘造訪天王星跟海王星的太空飛行器。圖/Wikimedia Commons
旅行家二號所拍攝到的海王星照片。圖/Wikimedia Commons
旅行家二號所拍攝到的海王星照片。圖/Wikimedia Commons

38卷10月號封面

 

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


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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。