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銀河系行星數量遠多於恆星

臺北天文館_96
・2012/01/19 ・1897字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

行星在銀河系中,算普遍嗎?過去我們相信地球的條件在銀河系中相當獨一無二,不過,最新研究結果帶來不同觀點:銀河系裡,質量與地球相近,繞行恆星周圍運轉的行星,總共數量恐怕不下幾十億!擁有一個以上行星的恆星不是特例。研究學者是藉由「重力透鏡法」證實,在繁星似錦的銀河系裡,平均每個恆星至少都有一顆行星伴隨在側。

過去16年,天文學家一共偵測到700多顆系外行星,並且已經開始透過分析它們的光譜和大氣這些方法加以一一探索,無庸置疑地,個別地探究這些系外行星具有哪些特徵,顯然有其重要價值。但有個更基本的問題,人們始終好奇依舊:在我們自己的銀河系中,行星的存在,很普遍嗎?

大多數已知的系外行星藉兩種觀測方法得知它們確實存在,一是偵測到主星對行星因重力拉扯帶來的效果(徑向速度觀測),或者因系外行星經過主星前,導致光度下降,並由望遠鏡精確捕捉到這一短暫時刻發生的「凌日事件」。兩種方法很大幅度都會因為比較容易偵測到質量大或者距離恆星近的行星而結果受到左右-許多行星是用這兩種觀測方法都看不到的!

最近在「自然」雜誌上發表論文的一群國際天文學者團隊,則以另一種方式進行著系外行星觀測研究,這種方式可以偵測到質量範圍更廣、質量大小不同的行星,並且,即便行星與母恆星之間的距離再長,觀測也不受限,這種方法叫做:「微重力透鏡」觀測。

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該團隊的主要研究員Arnaud Cassan表示,藉由這種「微重力透鏡」觀測法,從2002到2007的6年當中,他們蒐集到許多和系外行星相關的證據,其中最顯著的發現是,在銀河系裡,行星數量遠比恆星更多、更普遍,並且他們還發現,質量大於地球的「超級地球」和「冷海王星」兩類行星, ,在銀河系裡其實數量很多,遠比巨型行星更為常見。(「超級地球」類的質量大約是地球的2~10倍;「冷海王星」類行星質量約地球10~20倍,以「冷」字代表其軌道離主要恆星甚遠,溫度極低)

在「探索透鏡異常網」(PLANET:Probing Lensing Anomalies NETwork)和光學重力透鏡實驗(OGLE:Optical Gravitational Lensing Experiment)團隊支援下,Arnaud Cassan等人的團隊進行了微重力透鏡觀測的後續追蹤。微重力透鏡這種觀測的原理是:如果行星位於主恆星的重力場中,也就是所謂的透鏡區時,經過透鏡的效應,行星會放大背景恆星所發出的光,這種光度放大的結果如果夠明顯, 望遠鏡便可以偵測得到。(PLANET團隊在這個研究中的任務是:針對一些「後續探索價值較高」的微重力透鏡事件,藉由南半球分布在不同經度上的望遠鏡所形成的網路,執行後續跟蹤,這些望遠鏡的位置從澳洲到南非到智利都有。)

微重力透鏡是一種強大工具,用來偵測系外行星時具有其他觀測技術望塵莫及之優點。但是背景星和構成透鏡效應恆星之間必須連為直線,這是微重力透鏡事件能被觀測到的第一要件,如果要在微重力透鏡事件發生時看得到行星,那就近一步必須要「連行星的軌道也能對齊形成一直線」,如此一來,觀測到的機率便更加低微。

誠如上述,儘管以微重力透鏡法來尋找行星如此不易,但在總計6年的觀測資料中,研究團隊分析後竟得到了3顆系外行星的資料,這3顆系外行星分別代表三種不同質量等級:一顆屬於「超級地球」類,一顆則質量相當於海王星,還有一顆質量相當於木星。以微重力透鏡所需的機率條件來看,這種結果簡直像是中樂透一樣的超級幸運。或者,你也可以換成另一種看法:銀河系中行星的數量本來就是這麼多,閉著眼睛簽,也會簽到中獎號碼。

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天文學家於是將三個得到正面觀測結果的系外行星資料拿來和先前的7次觀測合併,並且將6年觀測總資料裡的無明顯訊號觀測結果也一併放在資料庫中分析 (研究團隊表示,以本案為例,無明顯訊號的觀測結果在統計資料中的重要性和觀測有結果的資料同等重要。)經過分析,他們的結論是:在總共6顆恆星中,其中一顆擁有質量近似木星的行星,其半數具有質量接近海王星的行星,2/3則具有質量大小屬「超級地球」範圍的行星。該調查中對行星質量和距離所設的標準是:距離母恆星7500萬公里到15億公里(以太陽系為例,這個範圍含括了從金星到土星),質量範圍:從地球5倍起跳,直到木星的10倍。

綜合各種資料後的結論是,他們強烈主張:平均起來,每個恆星所擁有的行星數量應大於一:「這是普遍定律而非少數例外。」

Daniel Kubas結論說:過去我們以為,地球在銀河系中是多麼特別的不同。不過現在看來,質量和地球相近而環繞於母恆星周圍的行星,在我們這個銀河系裡,恐怕有數十億個那麼多!

加州大學厄灣分校Virginia Trimble發表評論時表示,「在我手上有一張清單,上面列了可以用來找系外行星的方式一共17種,目前只用上了5種,未來,找到更多行星應該不太意外。」(Lauren譯)

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資料來源:中研院天文網[2012.01.13]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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韋伯太空望遠鏡運作滿週年,它看到了什麼?
PanSci_96
・2023/09/02 ・3306字 ・閱讀時間約 6 分鐘

古老星系中發現有機分子?我們離第三類接觸還有多遠?

韋伯正式展開拍攝任務已經屆滿週年,最近也傳回來許多過去難以拍攝到的照片。六月初,天文學家在《自然》期刊上發表了這張照片,在藍色核心外,環繞著一圈橘黃色的光環。

這是一個星系規模的甜甜圈?這是一個傳送門?還是外星文明的戴森環?

——都不是!其實,這是一個含有有機物多環芳香烴的古老星系,其名為 SPT0418-47。因為名字很長,以下我們就簡稱為 SPT0418 吧!

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這個觀測結果有什麼特殊意義?這代表我們發現外星生命了嗎?

SPT0418 是怎麼被拍到的?扭曲時空的重力透鏡!

一年前,在韋伯望遠鏡傳回第一組令人震撼的照片時,我們製作了兩期節目來介紹韋伯望遠鏡,和它在天文觀測史上跨時代的重要意義。在那之後,也有不少泛糰敲碗,希望我們可以再繼續介紹韋伯望遠鏡的後續發展。

這次在週年前夕公開的這張 SPT0418 照片,是一張標標準準因為重力透鏡而形成的美麗照片。「重力透鏡 Gravitational Lensing」這個概念,相信有在關注天文物理的泛糰們,應該都有聽過。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,星系與星系團的龐大質量會扭曲它們周圍的時空,就像一面星系尺度的超級放大鏡一樣,可以在光線通過時改變它們的走向,從而扭曲背景星系的影像。而如果背景星系與前方的前景星系剛好前後對齊的話,重力透鏡效應還能將背景星系扭曲成美麗的環型,這個環型被稱為「愛因斯坦環 Einstein Ring」。

背景星系從黑洞後面經過時的重力透鏡效應模擬影像。圖/Wikimedia

乍聽之下,重力透鏡會扭曲背景星系影像,好像會干擾觀察,是個缺點。但實際上重力透鏡在扭曲影像的同時,也會聚焦背景星系發出的光,從而讓背景星系變得更加明亮而容易觀測,讓天文學家可以看到更遠或更暗的天體。因此雖然扭曲的影像會增加分析上的麻煩,但天文學家其實非常喜歡觀測這些受重力透鏡效應影響的天體們。甚至會專門安排觀測計畫,拍攝這些受重力透鏡效應影響的區域。這次的主角 SPT0418,正是韋伯太空望遠鏡針對重力透鏡效應開展的「TEMPLATES 」觀測計畫的其中一個觀察對象。

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SPT0418 是一個位於時鐘座(Horologium)方向,距離地球約 123 億光年遠的古老星系。最早在南極望遠鏡(SPT)的觀測資料中被發現,並在後續以阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 ALMA 進行的觀測中,確認了它是一個富含大量塵埃,而且正在以每年約 350 個太陽質量的超高速率生成恆星的星系。

在我們與 SPT0418 之間,還存在著一個前景星系。正是這個前景星系的質量扭曲了周圍的時空,像一片巨大的放大鏡一樣將背後的 SPT0418 扭成了漂亮的愛因斯坦環。

當觀察者、前景星系和背景星系在同一直線上時,就可以透過重力透鏡效應觀測到愛因斯坦環。圖/PanSci YouTube

在這張經過調色的照片中,中間的藍色部分就是前景星系,旁邊的橘色環則是因為重力透鏡而扭曲的 SPT0418 。得益於這個重力透鏡,SPT0418 的影像被增亮了三十倍以上,非常適合讓天文學家一窺早期宇宙中星系的狀態,因此被選為韋伯的觀測目標。

韋伯望遠鏡藉由重力透鏡效應拍攝到的扭曲的古老星系 SPT0418-47。圖/J. Spilker/S. Doyle, NASA, ESA, CSA

那麼,這次的觀測又有什麼重要意義呢?

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多環芳香烴是什麼?看見它代表什麼意義?

這次的拍攝結果不能完全說是意外,因為在這個研究中,韋伯的目標非常明確,就是要尋找古老星系中的多環芳香烴。

在天文學上,多環芳香烴通常指兩個以上的苯環所組成的有機化合物的統稱,人們一般以它的簡稱「PAH」來稱呼它。

發現有機分子,難道這代表有生命存在於古老星系中嗎?其實不能這麼快下定論。

因為 PAH 廣泛存在於各式各樣的星系中,與其他由碳和矽組成的塵埃顆粒,同屬於星際塵埃的一部分。甚至在彗星、小行星、隕石中,都能發現各式各樣的 PAH。目前認為,宇宙中可能有超過 20% 的碳原子,都是以 PAH 的方式存在,只是環數不盡相同。

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圖中右側的黑色暗帶為星際塵埃。圖/NASA, ESA, and the LEGUS team

所以,雖然科學家認為,宇宙中的生命誕生,可能與這些這些遍布其中的有機分子有關。但發現 PAH,不能直接與發現生命劃上等號。

過去數十年的天文觀測結果也顯示,PAH 確實廣泛存在於星系之中,但是天文學家對於這些分子究竟如何形成?又是什麼時候形成的?目前還沒有共識。因此迫切需要更多觀測,例如這次的目標 SPT0418 是個距離我們非常遙遠的古老星系,對於研究宇宙早期星系以及 PAH 的起源就很有幫助。

觀察 PAH 的困難及韋伯望遠鏡的重大突破

然而,要觀察 PAH 卻不太容易。原因是這些 PAH 發出的光,波長主要都集中在幾微米到十幾微米的近紅外與中紅外線波段。這個波段的光線受到大氣層的吸收非常嚴重,幾乎無法從地面觀測,因此過去我們很難取得相關數據。想要尋找 PAH 的蹤跡,勢必得使用紅外線太空望遠鏡才行。

這時,就是韋伯大展身手的時候了。比起同樣專注於紅外光譜的前輩史匹哲太空望遠鏡,韋伯的鏡片直徑大了超過七倍,集光面積更是大了將近六十倍,這不僅讓韋伯能夠拍攝遠比史匹哲更清晰的影像,更可以在更短的時間內拍攝到更暗的目標。

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得益於韋伯強大的觀測能力,在這個研究中它僅僅對著 SPT0418 曝光了不到一個小時的時間,就在 3.3 微米的波段找到了清晰的 PAH 發射譜線,確認了PAH的存在的同時,也打破了觀測到最遠的 PAH 訊號的紀錄。

此外天文學家也發現,韋伯所拍攝到的 SPT0418 與前幾年使用 ALMA 觀測到的影像並不全然相同。

由於觀測波段不同,不同的望遠鏡拍攝同一天體的亮部分布會產生差異。圖/PanSci Youtube

由於韋伯拍攝的是 PAH 發出的近紅外光,而 ALMA 拍攝到的則是毫米尺寸的大顆粒塵埃所發出的遠紅外線,因此這可能代表 SPT0418 這個星系的不同部分,有著不同的塵埃組成。為甚麼會這樣呢?天文學家目前也沒有肯定的答案,需要更多的觀測來進一步釐清。

任務還在繼續!TEMPLATES 計畫持續追蹤 PAH 足跡

韋伯對 SPT0418 拍攝的照片,不僅打破了人類探測過離太陽系最遠的 PAH 訊號紀錄,更展示了在重力透鏡加韋伯的攜手合作下,能大幅拓展人類觀測遙遠星系的能力。除了 SPT0418 之外,天文學家還預計觀測另外三個被重力透鏡放大的星系,尋找並研究其中 PAH 的足跡,以解開星系與星際塵埃的演化之謎。

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韋伯望遠鏡的「TEMPLATES 」計畫預計觀測四個被重力透鏡效應放大的天體。圖/JWST ERS Program TEMPLATES

雖然還有許多未解之謎,但韋伯傳回來的每張相片,都能讓我們能更了解這個宇宙一點點。最後想問問大家,韋伯望遠鏡正式展開拍攝工作屆滿一年,你最喜歡,或最希望我們繼續來講解的照片是哪一張呢?

  1. 土星、天王星和海王星的行星環高清照
  2. 大爆炸後 3.2 億年就誕生的的古老星系
  3. 即將蛻變為超新星的恆星照
  4. 更多你覺得美麗的照片,分享給我們吧

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活躍黑洞的炙熱遺跡:費米泡泡
EASY天文地科小站_96
・2022/04/29 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者: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
圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team.

你看過銀河嗎?

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上,將會看到天上有一條淡淡的、若有似無的亮帶,好像一條薄薄的雲橫跨夜空,它正是我們所居住的星系 ── 銀河系(Milky Way)的盤面。在數位相機的加持之下,我們還能看到這薄薄的盤面上,其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶,複雜、深邃而美麗。

美麗的銀河。圖/陳子翔(CC BY-NC-ND 4.0)拍攝於清境。

但如果,你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛,你將看到兩個視角高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形「泡泡」,矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡 Fermi Bubbles」,是銀河系中巨大且神祕的結構之一。

費米泡泡的起源,以及存在的意義,一直是過去十多年來,天文學家相當關注的研究主題。

費米泡泡示意圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center

最近(2022 年 3 月),一篇刊登於《自然天文學》(Nature Astronomy)的研究顯示,壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前,銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。

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費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞,腦海中浮現的第一個問題往往是:

「費米是誰?這個泡泡跟他有什麼關係?」

在物理界,恩里科.費米(Enrico Fermi)這個名字可謂家喻戶曉。他是 20 世紀初最重要的物理學家之一,曾參與曼哈頓計畫,設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈;並且在量子力學、核子物理、粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念、研究計畫不計其數。這之中,就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

費米太空望遠鏡。圖/NASA

正如其名,費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡,它於 2008 年發射升空,是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們,費米擁有更大的視野、更高的靈敏度和空間解析度,可以看得更廣、更暗、更清楚。

它的主要任務,是不斷的掃視整片天空,繪製伽瑪射線的全天地圖(all sky map),研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天體。

費米太空望遠鏡的十週年科學成果紀念海報。圖片中橢圓形的區域,就是費米拍攝的伽瑪射線全天圖,以等面積投影法投影成二維的圖。中間的水平亮帶源自銀河盤面上的氣體,上下兩個泡泡狀結構就是費米泡泡的示意圖。圖/NASA

費米太空望遠鏡升空短短兩年後,天文學家就從觀測資料中發現,如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體(比如銀河系的瀰散氣體、中子星、其他星系等)全部扣除,將會看到銀河中心的上下兩側,各有一對高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形區域,而這是從未發現過的銀河系新結構!

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天文學家於是將它命名為「費米泡泡 Fermi Bubble」,以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。

相對於銀河系中的瀰散氣體,費米泡泡的亮度其實並不高。因此天文學家必須先小心翼翼的將其他伽瑪射線的來源建模並扣除,才能看到這巨大但黯淡的構造。影/NASA Video

而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外,天文學家也在微波和 X 射線波段看到了相似的結構。

在微波波段,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星(Planck)都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域,天文學家稱之為「微波薄霧 microwave haze」。而在 X 射線波段,2019 年才昇空的義羅西塔(eROSITA)衛星則發現了與費米泡泡相似,但是更大的泡泡狀結構,被稱為「eROSITA 泡泡」。

另外,在紫外線波段,雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構,但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線,可以計算出費米泡泡的膨脹速率,大約是每秒數百到數千公里的等級。

綜合以上資料,天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前,銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了 1048 – 1049 焦耳的龐大能量(相當於太陽終其一生釋放的能量,再乘以 10000 倍以上),並加熱了銀河系中心的氣體,使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天,就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。

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但是,這張錯綜複雜的拼圖,還缺少了最核心的一塊:

這麼龐大的能量,究竟是從何而來?

超新星爆發還是黑洞噴流?費米泡泡的身世之謎

費米泡泡剛被發現不久,天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎,提出了兩位候選人:

第一種觀點,認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成,其中年輕的恆星由於壽命短暫,很快的就走完它的一生,並發生超新星爆炸,釋放出巨大的能量。

另一種觀點,則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體,並在過程中將能量以噴流(jet)或外流(outflow)的形式釋放出來。

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兩種說法聽起來都頗有可能,而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象,那該怎麼知道哪邊才是對的呢?這時,天文學家們就兵分兩路,觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測,尋找更多可能的隱藏線索;理論學家則利用電腦模擬,嘗試在電腦中重現出觀測結果。

劇烈的超新星爆發(如左圖的 M82)與黑洞噴流(如右圖的 Centaurus A)都可能產生類似費米泡泡的結構。圖/NASA, ESA, CXC, and JPL-CaltechNASA/CXC/SAO, Rolf Olsen, JPL-Caltech, NRAO/AUI/NSF/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle

早年,兩派假說各有各的優勢,也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積,天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果,因此更具說服力。但即使如此,想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵,仍是相當困難的挑戰。

三個願望,一次滿足

然而今(2022)年三月,清大天文所楊湘怡教授利用三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation),就一次重現了費米泡泡、義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。

他們假設銀河系中心的超大質量黑洞,在 260 萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有 1050 焦耳的強大能量,其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時,電子會將能量傳遞給光子,就好像被保齡球打到的球瓶一樣,讓光子從低能量的可見光,變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制,讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。

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與此同時,這些高能電子在銀河系的磁場中運動時,會以「同步輻射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波與無線電波,形成我們看到的微波薄霧。最後,強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時,會產生以每秒數千公里高速移動的震波(Shock Wave)。震波所到之處,受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線,成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度,也與紫外線觀測的結果相符。

這個研究結果,將伽瑪射線、X 光、紫外線到微波的所有觀測結果,用黑洞噴流漂亮的一次重現,這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。

將理論模擬的費米泡泡投影到銀河系的可見光影像上。圖中可以清楚的看到費米泡泡(Cosmic rays)、義羅西塔泡泡(Shocks)以及它們跟太陽到銀河系中心的距離(28000 光年)的大小比較。圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team

未來展望

那麼,費米泡泡的身世之迷,就此蓋棺論定了嗎?

嗯⋯⋯還沒這麼快。

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無論多麼精細的模擬,終究是對真實世界的近似與簡化,理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制,計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多、更好的儀器,挑戰模擬的結果。

更宏觀的看,如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍,它釋放出的龐大的能量,是否曾對銀河系造成其他的影響?我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史,以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制?這些都有待天文學家的持續探索。

費米泡泡的故事,仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料(學術論文)

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  1. Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
  2. Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
  3. X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
  4. Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year

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