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古老星系中的新生命力

peregrine ・2011/02/19 ・1535字・閱讀時間約 3 分鐘・SR值 565 ・九年級

由於老化的恆星，橢圓星系一度被認為其恆星形成的全盛期是在數十億年前。

不過，使用美國航太總署哈伯太空望遠鏡(NASA’s Hubble Space Telescope)的諸多新觀測正協助證實，由於與較小星系的相遇，橢圓星系仍具有一些朝氣蓬勃的活力。

使用哈伯太空望遠鏡3號廣域攝影機(Wide Field Camera 3)近紫外線光所拍攝之NGC 4150橢圓星系的核心影像，揭露了多顆明顯年齡不及十億年之年幼、藍色恆星所發出的塵埃及氣體流光(streamers)。證據顯示，此些恆星的誕生是該星系與矮星系(dwarf galaxy)合併觸發的。

該項新研究有助於強化浮現中的一種見解，也就是多數橢圓星系具有為古老星系帶來新生命力的年幼恆星。

哈伯太空望遠鏡的此些觀測領導人，英國牛津大學(the University of Oxford)天文學家Mark Crockett宣稱：「一般認為橢圓星系於數十億年前已形成其所有的恆星。這些恆星已耗盡形成新恆星的所有氣體。目前，他們發現了於橢圓星系中藉由吞噬較小星系，驅動恆星誕生的證據。」

Crockett也表示：「此些觀測支持了星系於數十億年間，藉由與矮星系碰撞而逐步集結的理論。NGC 4150是咱們銀河系後院中，屬宇宙初期常有之引人矚目的例子。」

哈伯太空望遠鏡拍得的這些影像，揭露了該星系核心深處的紊亂活動。年幼、藍色恆星簇勾勒出一輪圍繞中心而隨著該星系旋轉的光環輪廓。該恆星的蘊釀溫床直徑約1300光年。諸多長串的塵霧朝著，由較老恆星群組成的淡黃色核心呈現輪廓。

從哈伯太空望遠鏡就此些恆星顏色的分析，Crockett及其團隊推測，該恆星形成的迅速發展期約十億年前開始。於宇宙論史中，這是相對來說很新的事件。

該團隊成員，牛津大學的Joseph Silk解釋：「他們發現該主星爆(starburst)已發生過的星系，諸多最巨大的恆星早已消失，而最年幼的恆星介於5千萬及3到4億年之間。相較之下，該星系中多數的恆星約有百億年。」

該上述觸發恆星誕生之與較小星系的相遇，應類似於咱們銀河系吞噬鄰近的大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud)。

該團隊成員，英國倫敦帝國學院(the Imperial College London)暨牛津大學的Sugata Kaviraj宣稱：「他們認為，約十億年前，NGC 4150與富含氣體之小星系的一次合併，為該星系提供了形成新恆星所需的物質。於此些年幼恆星中，比氫及氦重的金屬元素含量很低，顯出與NGC 4150合併的也是缺乏金屬的星系。這指向了質量約NGC 4150 1/12的小矮星系。」

此些天文學家表示，諸如上述的小合併比極大星系間的交互作用更為普遍存在。就此類相遇而言，很可能比大星系與小星系撞擊更頻繁達10倍。大撞擊較容易發現，因為產生驚人的煙火。而較小的交互作用，由於留下相對少的痕跡，因而較難發現。

不過，過去5年間，以地面及太空為基地的望遠鏡業已提供了橢圓星系中新恆星形成的線索。於諸多橢圓星系中，以地面為基地的觀測捕捉到恆星的藍色光輝，而諸如以遠及近紫外線光進行檢測的星系演變探測器(the Galaxy Evolution Explorer)等衛星證實，上述藍色光輝來自少於十億年很多的年幼恆星。

Crockett及其團隊選擇NGC 4150來進行哈伯太空望遠鏡的研究，是因為以地面為基地的光譜分析產生了，該星系核心中並不平靜，且令人倍嘗可望而不可及之苦的線索。

該被稱為攝譜術區域性研究光學星雲裝置(the Spectrographic Areal Unit for Research on Optical Nebulae：SAURON)之以地面為基地的勘測，揭露了諸多年幼恆星的存在及與該星系不協調的強力活動。

Silk宣稱：「於可見光中，諸如NGC 4150的橢圓星系看來像正常的橢圓星系。不過，當他們以紫外線光檢視時，景像發生變化。至少有1/3的橢圓星系發出年幼恆星的藍色光輝。」

Crockett附言：「就以紫外線光研究小合併而言，橢圓星系是理想的研究處所。因為橢圓星系是由老的紅恆星所支配，這使天文學家們得以發現年幼恆星的微弱藍色光輝。」

此些天文學家期盼於SAURON的勘測中，繼續研究其他橢圓星系，以找尋新恆星誕生的明顯線索。該團隊的研究結果，發表於《天體物理學雜誌》(The Astrophysical Journal)。

原文網址：http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2010/38/full/

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什麼是「造父變星」？標準燭光如何幫助人類量測天體距離？——天文學中的距離（四）

CASE PRESS ・2021/10/22 ・3033字・閱讀時間約 6 分鐘

撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

圖二：造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間，縱軸可以看成亮度。圖片來源：ThomasK Vbg^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

圖四：造父變星的週光關係。縱軸為平均光度，橫軸是週期。光度愈大，週期就愈久。圖片來源：NASA ^[11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

圖五：M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源：NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team ^[1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]