0

0
0

文字

分享

0
0
0

從可見光到紅外線,蘇玉玲博士的天文探索之路

臺北天文館_96
・2017/03/10 ・6240字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

文/范賢娟|任職於清大育成中心,台北天文館刊物《台北星空》特約採訪。

始終將研究當作樂趣的蘇玉玲博士,感謝所有幫助過她的人,也非常珍惜自己的幸運。圖/網路天文館

亞利桑納大學史都華天文臺(Steward Observatory at the University of Arizona)的蘇玉玲研究員是天文館許多人的好朋友。她現在常年在美國,我們利用她回國參加研討會的空檔前去訪問,蘇博士稱自己很幸運,一直在喜歡的領域做研究,綜合不同來源的資訊來探討未知的事情,有許多有趣的發現,她覺得研究的樂趣就在這裡。

天文啟蒙在大學

把時間提早到她中學的時候,當時她對天文並沒有特別的印象,只以為那是種嗜好,不曉得那也可以是一門學問。她中學比較喜歡戶外科學,對生物的興趣可能還大一點,但在大學的時候她覺得物理是個基礎,有了這項基礎,將來想研究或走向應用都很容易。進入中央大學物理系還有天文方面的課可供選讀,她當時修了蔡文祥老師的「天文觀測」之後就開始對天文產生興趣。她覺得蔡老師的課啟發很多人對天文的興趣,她一想到就萬分感謝。

在這門課以及接下來其他的天文課當中,蘇博士了解到天文也是一種研究,跟物理很像。物理如果做實驗就要有實驗室去蒐集數據,理論就是電腦模擬;天文也是,做實驗就是觀測。蘇博士唸碩士的時候則跟陳文屏老師,研究恆星形成,因為陳老師當時剛從國外回來,有很多新的想法,他還會跟學生分享研究的點滴,這些讓人覺得天文學家的生活很精采,還常常有機會去不同地方開會、觀測,而那些天文臺又是在視野最好的地方,海拔很高、夜晚很暗,這些對蘇博士來說很有吸引力。

英文能力有限,天文能力無窮

不過碩士念完想出國的時候申請學校最重要的是看英文,她的托福和 GRE 都考不好,不過還好之前加拿大卡爾加里(Calgary)大學物理與天文系郭新教授來臺灣的時候對蘇博士有深刻的印象,因此他願意提供獎學金,讓蘇博士過去跟著他學習。

郭教授的研究是恆星演化末期的狀態,包括行星狀星雲與漸進巨星分支(Asymptotic Giant Branch, AGB stars)。之前恆星形成的時候周圍的原生行星盤(protoplanetary disks)還沒形成行星,有很多灰塵。而行星狀星雲與 AGB 星雖是不同階段,但周圍也有很多灰塵,有些會形成盤面,因此還是有許多現象可以比擬。而這個階段的觀察和之前比較大的差異在於此時都來自哈伯太空望遠鏡,不需要自己去觀測,而是寫計畫去申請。

等到蘇博士畢業之後,還有兩個研究議題需要時間完成,因此有一位共同合作的研究員提供經費讓蘇博士過去做博士後研究,在一年中完成了預定的兩項研究。接下來找工作的時候,她同時申請了許多不同的研究單位也曾回中央大學面試,結果亞利桑納大學提供了一個機會,此時仔細看才發現那兒是用史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)的資料,主要是中紅外線( 5 ~ 25 或 40 微米)與遠紅外線( 25 或 40 ~ 200 或 300 微米)。這和蘇博士原本擅長的可見光( 400 ~ 700 奈米)、近紅外線(波長 0.75 ~ 1.4 微米)資料很不一樣。

藝術家所繪,想像中史匹哲望遠鏡在外太空的英姿。 圖/NASA

轉換研究領域

亞利桑納大學表示,願意給蘇博士機會是看重她的研究能力,相信她可以很快學會處理這方面的資料。倒是蘇博士自己不大有把握,要去嗎?此時老闆分享自己的求學與工作的差異,原來他過去學的是 γ 射線(波長短於 0.02 奈米)的觀測,那不是差更多嗎?他以自己經驗鼓勵蘇博士不要被自己的過去所限制,既然他們願意給你機會,如果你又有興趣就應該去試試看。所以蘇博士接受那裡的工作,從 2001 年開始重新學習處理遠紅外線與中紅外線的資料,同時也把自己過去所學的知識連結過來,尋找有趣的題目。

蘇博士剛開始在那邊幾年,史匹哲望遠鏡的準備工作已經接近尾聲,但對她而言有機會接觸到儀器還是很新鮮的事情,讓她看到科學家與工程師光是就儀器的各方面設計及測試都有很多計畫及討論,才深刻了解到太空任務很不簡單,有很多前置作業要處理。尤其這個計劃從構想開始是三十多年前,這些年來許多前輩一起訂定執行這個計劃,設定每個階段的查核點,確定預期目標都能達成才會繼續下階段的事情,讓人見識到這些人嚴謹、務實的一面。

也就是有這樣的態度,美國的太空計劃成功機率才會比較高。拿登陸火星來說,蘇聯、日本至今都沒成功,歐洲雖然有衛星在軌道上繞行,但是登陸失敗。美國則有三分之二的成功機率,說起來是各國最高的。有人覺得美國運氣好,但這也要靠嚴謹務實的態度才能維持較好的成功率。

參與太空任務及轉換研究領域

蘇博士參加這個研究團隊,不久望遠鏡就由三角洲二號火箭( Delta 2 )載上太空,當時同事都去佛羅里達看火箭升空,整個活動就像一場宴會一樣,每個人既高興又緊張,高興的是自己花心血測試的儀器終於要上太空觀測,緊張的是後續還要做許多檢查:確定望遠鏡能達到預期的高度、太陽能板可以順利打開、儀器在發射的時候沒有損壞……。此外紅外線望遠鏡還要等鏡面和儀器降溫,這差不多要等一個多月才能達到穩定。史匹哲望遠鏡跟在地球後面一起公轉繞太陽,因此它不受地球晝夜的影響,而要有個遮蔽器幫它擋太陽光,因此在公轉軌道上有固定的觀察角度範圍,就像地球在特定季節只能觀察到特別星座一樣。

蘇博士覺得自己很幸運,沒想到亞歷桑納大學給了她機會,讓她接觸到中、遠紅外線,接觸到儀器測試、太空任務這方面的事情,此時,研究主題也跟著轉變,進入「碎屑盤」( debris disks )。

過去她碩士的研究針對行星盤,這是行星正在形成時的盤;碎屑盤則是行星已經形成時的情況。前者主要是氣體,灰塵僅有大約 1% ,這是在行星形成前的時候就已經形成。因為角動量守恆,所以物質會形成一個盤面,在中間的原始恆星會藉由吸進盤面上的物質而變大,此時盤面上的物質有部分也會結合在一起而行成微行星( planetsimals ,大約是 1-10 公里左右)。等到恆星形成開始自行發亮之後就會有熱輻射把周遭的物質清掉,所以原始那個前行星盤就會沒了。微行星是形成類木行星與類地行星的基本素材,這些微行星如果沒有成為行星,此時會經過碰撞之後又從大變小。在這過程中類木行星的引力會在其中扮演一個催化碰撞的機制,提高它們碰撞的機率,當這些碎屑很多,形成一個盤面,就是碎屑盤。

小行星帶即是我們太陽系的一個碎屑盤,在地球上看到的黃道光(zodiacal light),就是小行星帶的灰塵反射太陽光。如果換用紅外線部分觀測的話,除了反射光之外因為灰塵也會吸收太陽光產生熱,因此自己會發出紅外線部分的光,這反而會很亮。太陽系的另一個碎屑盤是古柏帶天體,由於那邊的溫度較低,距離較遠,所以不容易觀測,但理論上那兒也是一個碎屑盤。

碎屑盤─擁有解開太陽系形成與演化秘密的天體

碎屑盤是不斷演化的,剛開始會有很多微行星,碰撞的機會較大,產生很多灰塵碎屑,在紅外線比較亮。但之後許多小的灰塵被太陽或恆星的光壓吹到外面去,灰塵會減少,因此就不會那麼亮,地球上還能看到黃道光是因為那距離我們近;至於古柏帶的溫度低,比較亮的部分屬於遠紅外線,再加上距離遠,我們並不容易觀測到那裡的訊息,只是早先航海家太空船出去的時候經過那邊所蒐集的訊息,知道那兒有灰塵,不過當時的資訊很有限。況且太陽系的碎屑盤已經經過 45 億年的演化,很多早期重要演化的證據都已經不存在,所以要研究太陽系碎屑盤詳細演化的過程就只能看別不同年紀的恆星。蘇博士目前的工作就是觀察其他恆星的碎屑盤。

想像從織女星的小行星帶看織女星的情況。圖/http://www.spitzer.caltech.edu/

碎屑盤因為表面積大,同時比較強的波段在紅外線部分,而恆星比較強的波段是在可見光部分,因此只要選對波段,其實是容易觀測的,甚至會比一小點的行星還容易觀測。蘇博士就從觀測到的灰塵分佈去猜想,什麼樣的行星組合,會給這樣的灰塵分佈。

比如說我們的太陽系構造是太陽在中心,然後是類地行星、小行星帶、類木行星、古柏帶天體,這邊有兩個碎屑盤,中間隔著類木行星。小行星帶 (~3 AU)和古柏帶天體 (~30 AU) 有很大的空缺。如果我們看到外面的碎屑盤如果有兩個,那我們可以猜它們中心的空缺可能也跟太陽系一樣有幾顆類木行星。

基於紅外線的巡天計畫調查發現,靠近我們的恆星大約有 20% 有碎屑盤。這些多數都是類似庫伯帶型的盤面,距離恆星較遠、較冷而且有較大的表面積。

科學家相信受限於現行探測器的靈敏度,這個數字應該只是一個下限,說不定實際情況比例會更高。至於類似小行星帶的盤面,由於比較靠近恆星主體及較小表面積,其存在性多半由間接證據推論,就史匹哲望遠鏡的解析度無法直接區分出來太陽系外的小行星帶與庫伯帶。

蘇博士就藉由另一個較新的太空望遠鏡—赫歇爾(Herschel)去觀察織女星與北落師門(Fomalhaut)是否有上面理論所預期到的內外兩個碎屑盤。觀察結果恰如預期,兩個系統的內盤都是 10 天文單位左右,外盤則是 100 天文單位左右,比例為 1:10 。因為這兩顆均為較早期的恆星,因此會更有效率地加熱碎屑盤當中的灰塵,所以與類似太陽型態恆星相同溫度的灰塵距離恆星較遠。

蘇博士覺得比較有趣的一個研究,是 2009 年加拿大天文學家馬若士(Christian Marois)發現 HR8799 這顆恆星有 3 顆類木行星在旁邊環繞(稍後又確認還要再加一顆)。根據過去紅外天文衛星(InfraRed Astronomical Satellite, IRAS)的觀測,那顆恆星週圍有個盤面,但當時的解析力不夠,看不出是兩個。蘇博士看到那兒有三顆行星被找出來,馬上就申請史匹哲天文望遠鏡的觀測,果然分析出預期的兩個盤面。更棒的是,那幾顆行星的軌道就在這兩個盤面的間隔當中,讓碎屑盤的理論獲得更好的支持。

蘇博士認為,太陽系外的碎屑盤研究與原生行星盤、太陽系的研究有很密切的關係。好的研究者不必僅聚焦在自己的領域,反而應該廣泛地吸收相關領域的知識,這種跨領域的結合能夠讓學者更有創造力,有機會構思出獨特的新發現。

這是個資訊探索的時代,天文研究也是一樣。有很多大型計畫(例如哈伯、史匹哲與赫歇爾等太空望遠鏡或其他的巡天計畫)累積了很多觀測典藏,並且保存很好。在天文的觀測過程中,這些單位會保留給當初申請計畫的科學家一段時間,之後就完全對外公開,因此其他天文學家稍後可以接觸這些資料。

有的計畫,例如哈伯或者費米( γ 線太空望遠鏡)甚至還提供研究經費來鼓勵大家使用這些公開的典藏數據。蘇博士使用的織女星觀測資料就是已經存在的赫歇爾典藏資料,她並且強調雖然史匹哲與赫歇爾太空望遠鏡已經不再取得新的觀測,但是仍有很多典藏資料等待天文學家去分析。

蘇博士給年輕人的建議是:當一個人資源有限無法申請到自己的觀測計畫,可以考慮從這些公開資料庫典藏中選一個你最喜歡的去深耕,只要有好的想法以及聰明的分析方式,你有可能會看到之前研究者並未看到的新發現。

這邊有一些給初入門的天文典藏資料研究者的一些資料可以參考:


太空望遠鏡小檔案

史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)

史匹哲望遠鏡屬於NASA的四個重要的太空天文臺之一,另外三個分別是:哈伯太空望遠鏡、康普敦γ射線觀測站(Compton gamma-ray Observatory)、錢卓X射線太空望遠鏡(Chadra X-ray Observatory)。史匹哲這名稱是為了紀念史匹哲爵士(Lyman Spitzer, Jr. 1914-1997)。他是20世紀一位偉大的天文學家,主要貢獻在於恆星動力學、電漿物理、核融合、太空天文學等領域。他是最早提出應該把大型望遠鏡放到太空去的人,在他的努力下催生了哈伯太空望遠鏡。他提出的年代在1946年,這時候人造衛星還沒升空(1957年才有第一顆人造衛星),甚至連美國太空航空總署(NASA)都還沒誕生,但史匹哲非常有遠見地認為只有太空望遠鏡才能避開大氣的干擾,看到全部波段、更清晰的影像。當時那篇論文名為〈外太空天文臺對天文的幫助〉(Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory)詳列了各式各樣的理由,而他在接下來的五十年則努力將此構想實現。

史匹哲望遠鏡與地球一樣繞著太陽公轉,落在地球後方。圖/http://commons.wikimedia.org/

史匹哲在 1997 年以 82 歲高齡過世,他在當天還跟普林斯頓的同事討論分析哈伯太空望遠鏡拍攝到的影像,這是他從 1946 年就夢想的儀器,他為它辛勤奉獻多年,甚至到最後一天還在為它工作,真所謂鞠躬盡瘁,死而後已,而這也留下可貴的遺產給後人。

2003 年 8 月 NASA 再度發射一個新的太空望遠鏡,上面有三個儀器,觀察波段從近紅外線、中紅外線到遠紅外線,此外它並非環繞地球,而是繞著太陽公轉,而它的公轉半徑略大於地球,因此會落在地球後面,預計在多年後地球會從後面趕上。為了紀念史匹哲在太空望遠鏡的遠見,因此這個新的太空望遠鏡即以他為名。

史匹哲太空望遠鏡需在極冷低溫下運作,大約是攝氏零下 270 度左右,在遠紅外線部分還要靠液態氦去降溫,因此當時帶了 360 公升的液態氦出去,當這些用量耗盡,遠紅外線的工作就停了,現在僅能做近紅外線與中紅外線的觀測。

史匹哲太空望遠鏡可以看透灰塵深處更多的訊息,因此對於深埋於灰塵中的胎兒恆星、星系中心、正在形成的行星系統、無法啟動內部核反應的棕矮星、系外行星、巨大分子雲、有機分子等,都有良好的探測能力。

工作人員正在組裝史匹哲望遠鏡。 圖/http://www.spitzer.caltech.edu/

赫歇爾太空望遠鏡(Herschel Space Observatory)

這是由歐洲太空總署(European Space Agency)與美國太空總署合作,在 2009 年發射的紅外線望遠鏡,主鏡為一個 3.5 公尺的面鏡,觀察的波段是遠紅外線與次毫米波(55-672微米),這樣的設計有助於觀察到宇宙中最遙遠、最冷峻物體所散發出的長波輻射。該望遠鏡升空後是安放在 L2 日地拉格朗日點(L2 Lagrangian Point)上,那是在地球背對太陽那一面的平衡點上,距離地球 150 萬公里,且繞日週期會跟地球一樣,因此易於天文觀測。

拉格朗日點是在日地力學系統中有五個點到太陽和到地球的引力一樣,L2是在地球背對太陽那一側。 圖/http://sci.esa.int/herschel/

赫歇爾的名稱是為了紀念英國天文學家赫歇爾,他發現了紅外線的存在,也是歷史上第一個發現了天王星的人。

赫歇爾望遠鏡的儀器需要液態氦才能冷卻,因此僅有 7000 小時可以觀測。它在 2013 年 4 月 29 日已經耗盡冷媒,停止工作。

藝術家筆下的赫歇爾太空望遠鏡。 圖/http://sci.esa.int/herschel/

韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)

韋伯太空望遠鏡也是一個由歐洲太空總署和美國太空總署的合作計畫,其太空位置也選在日地系統中的 L2 。韋伯太空望遠鏡的構造更大,主鏡直徑達 6.5 公尺,是由 18 塊六角形的鏡片組裝而成,觀測波段設定在近紅外線與中紅外線,預定在 2018 年升空,這將是未來十年中在太空唯一的紅外線望遠鏡。而其命名是為了紀念美國太空總署第二任署長詹姆士韋伯,在他任內執行了阿波羅登月計畫,把美國太空總署從一個組織鬆散的單位,變成一個有組織、有紀律、可以用尖端科技達成人類太空夢想的一個單位。韋伯太空望遠鏡偵測搜尋宇宙中最微弱的紅外線訊息,希望能看到宇宙開天闢底以來的第一道光、研究星系的形成、探索恆星與行星的形成,甚至找尋生命的起源。

藝術家根據規畫所繪製韋伯太空望遠鏡的外觀。 圖/http://jwst.nasa.gov/

哈伯太空望遠鏡與韋伯太空望遠鏡,二者主鏡的比較。 圖/http://jwst.nasa.gov/


本文轉載台北天文館之網路天文館網站,《台北星空》第 65 期。

文章難易度
臺北天文館_96
482 篇文章 ・ 36 位粉絲
臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

0

7
0

文字

分享

0
7
0
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!

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。

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?

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。

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。

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。

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

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

PanSci_96
1190 篇文章 ・ 1753 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

1

2
0

文字

分享

1
2
0
平民登月計劃?核融合真的來了?——2023 最值得關注十大科學事件(下)
PanSci_96
・2023/01/31 ・3226字 ・閱讀時間約 6 分鐘

在上一篇中,我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀:
用迷幻藥治憂鬱?基因編輯療法將通過批准?——2023 最值得關注十大科學事件(上)

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域,從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現,再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運!

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告,採取實際行動,朝淨零之路前進嗎?看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭,去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議,那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議,排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議,提出資金運用的建議,並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

至於核能的部分,新型核分裂發電與核融合發電,都會在 2023 年有所進展。

另外,世界上第一個核廢料儲存設施,今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫,將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾;這些鈾會被裝在銅罐中,再用厚厚的粘土覆蓋,最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內,預期將被密封數十萬年,直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是,今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉(Luiz Inácio Lula da Silva),將推翻前任總統開放的雨林開發,保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前,聯合國的國際海床管理局(ISA)沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識,那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上,不受限制地開挖,海洋生態將迎來浩劫……。

許多關於能源的抉擇包含了科學和政治,能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願;至於今年還會不會發生更棘手的麻煩?使能源轉型更加舉步維艱。

巴西新任總統推翻雨林開發,保護生態與文化。圖/Envato Elements

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月,美國費米國家加速器實驗室的物理學家,公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果;這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來,標準模型(Standard Model)[註]的理論預測通過了所有測試,但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備,並且認為可以從渺子身上找到破綻;如果今年再次公佈更精確的數據,顯示渺子的磁矩比理論預測來得大,那就代表還有新粒子等待被發現,而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站,也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅;利用位於地下七百公尺的探測器,來準確測量微中子的振盪。

註:標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力,以及所有物質基本粒子的理論。

另外,物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代(Linac Coherent Light Source-II),它將創造終極 X 射線機器,看到分子內原子的運動!另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna(物質波雷射干涉重力天線);這個設施把銣原子冷卻成「物質波」,能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪,揪出現有重力波設施錯放的事件,甚至可以幫我們尋找暗物質!

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源(ESS),將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束,來研究材料的結構;雖然預計 2025 年才會完工,但於今年迎來第一批研究人員,開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名,正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片;沒有意外的話,韋伯在 2023 年會繼續大顯身手,揭露星系演變的真相,與遙遠系外行星的生命印記,找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜!來自於新的太空望遠鏡,如:由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡,今年發射後將繞行太陽六年,拍攝宇宙的 3D 圖;日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM,則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡,將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線,預計在今年 4 月升空。

在地球上,位於智利的薇拉魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)將於今年 7 月啟用;其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計,相機包含超過 30 億像素的固態探測器,每三個夜晚就能掃描整個南天,也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡(QTT)也將在今年完工;其口徑達 110 公尺,能夠觀測天空中 75% 的星星。

詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)去年發布的圖片——史蒂芬五重星系。圖/維基百科

No. 2 好多月球任務,還有一個鐵小行星

2022/12/11 這天,包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器,共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空;HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球,預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3,預計今年年中發射,並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空,包含創業家、明星跟 YouTuber;如果 Starship 成功發射,將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功,將推動太空科學與商業進入新時代,讓進入太空的成本大幅下降。

歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空,並於 2031 年抵達木星系統;目標是研究木星以及三顆衛星:木衛二三四的環境,了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器,其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星;科學家認為它可能不是一般的小行星,而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射,將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說,2023 又將是幸福熱鬧的一年。

由超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)拍攝的靈神星。圖/維基百科

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過,AI 已預約登上 2023 年最大科學事件!

如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你,那 GPT-4 就要來了!

而在科學領域,DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT;它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列,準確預測折疊後的三維形狀,對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構,幾個月來,來自 190 個國家/地區、超過 50 萬名研究人員,使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外,Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍,預測的蛋白質超過 6 億種!

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加,這些龐大新知識也將開始應用於各學科,包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢,隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面,各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案,為使用人工智慧制定標準,其他國家和科技巨頭將密切關注,跟進與調適。

圖/GIPHY

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」,你最期待的是哪一個?哪個是你心中的 No.1?又有哪些我們漏掉了,但你覺得該列入的呢?歡迎留言討論!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定 2023 年的每一個科學大事件!

所有討論 1
PanSci_96
1190 篇文章 ・ 1753 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

2

3
2

文字

分享

2
3
2
2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

所有討論 2
PanSci_96
1190 篇文章 ・ 1753 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。