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眾望遠鏡轉播175年前一場大爆炸的回光

臺北天文館_96
・2012/02/21 ・1722字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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太空望遠鏡研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)Armin Rest等天文學家利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)觀察船底座Eta(Eta Carinae)雙星系統約在175年前一場劇烈爆炸事件的回光(light echo)。這項研究,將有助於天文學家瞭解關於大質量恆星超新星爆炸的一些細節。Rest表示:任何目前已知的船底座Eta爆發事件,都是從「目睹」的歷史紀錄而來;但利用現代科學儀器,一年一年追蹤這些回光如何變化,卻可以知道在爆發事件這麼多年之後,直接瞭解爆發的本質。

這場被稱為「大爆發(Great Eruption)」的超新星爆炸事件於西元1837年首度被觀測到,而且一直到1858年都還可以看到爆炸的餘光。但當時的天文學家沒有如現代般的精密儀器,無法正確地記錄這場猛爆性天文事件。由於爆發當時所發出的光是向四面八方散開,現代天文學家何其幸運,其中一部分爆發當時所發出的光,被離船底座Eta星有段距離的塵埃雲氣反射後間接傳遞到地球。由於回光走的路徑比爆發後直衝地球而來的光還長許多,因此延宕了175年才抵達地球。天文學家詳細分析這個回光,可以從中瞭解這個巨獸級大質量恆星毀滅瞬間的狀況,或許可幫助天文學家修正關於超新星爆炸的理論模型。

船底座Eta位在南天的船底座方向,距離地球約7,500光年,兩星總質量高達140倍太陽質量左右,是銀河系中最大、最亮的恆星系統之一。不過這對雙星卻是以這個大爆發事件著稱,因為這場1837年的爆發事件是曾觀測到過類似事件規模最大的。1837年爆發後約20年的期間,船底座Eta流失約20個太陽質量的物質,成為當時全天第二亮的恆星。有一部向外流失的物質在恆星周圍形成一對巨大的物質瓣(lobe)。

以天文尺度而言,船底座Eta算是離地球相當近的恆星系統,因此天文學家已經啟用包括哈柏太空望遠鏡在內的各式望遠鏡觀察船底Eta。除了哈柏之外,Rest等人還結合了地面望遠鏡的可見光和光譜觀測資料來進行研究;雖然光譜觀測並不是新鮮事,但之前都僅針對超新星本身,Rest等人的研究則是首度利用光譜分析船底Eta的回光,可由此獲得超新星爆炸像外拋出物質的「指紋」,如溫度和速度等。

雖然這個回光比超新星爆發本身晚了175年才抵達地球,但帶給天文學家的驚喜卻不下於超新星爆炸當時。船底Eta是所謂的亮藍變星(Luminous Blue Variable,LBV),這類恆星質量很大、非常明亮,週期性地發生爆發。這個紊亂的恆星系統的行為,和其他類似的恆星系統不大相同。例如:從船底Eta中心區向外流出物質的溫度高達絕對溫度5,000K,比其他類似的爆發恆星的流出物質溫度還低得多。對付這個恆星怪胎,Rest等人得回頭檢視相關的理論模型,看看到底是什麼樣的變動因素造成現在觀測到的這種奇特狀況。

Rest等人其實是比較2010年和2011年利用美國光學天文臺(U.S. National Optical Astronomy Observatory)位在智利托洛洛山的泛美天文臺(Cerro Tololo Inter-American Observatory,CTIO)4米Blanco望遠鏡所拍攝的可見光影像,從而發現船底Eta的回光。後來他們另從亞利桑納大學(University of Arizona)天文學家Nathan Smith處得到2003的CTIO觀測系列觀測資料,對分析這場大爆炸事件的工作更如虎添翼般。

這個回光比超新星爆炸本身的光還暗很多,但僅一年相隔就可以看出它的位置有變動,不過這個位置變動並不是同一束光真的在這些塵埃間移動,而是與船底Eta不同距離、不同方向的塵埃反射回光的時間也不同,與看起來好像是同一道光、或是一般超新星爆炸的震波向外傳遞過程中激發周邊物質的光隨震波移動而向外擴張的狀況不一樣。

而利用卡內基研究所(Carnegie Institution)麥哲倫望遠鏡(Magellan)和智利坎帕斯山天文臺(Las Campanas Observatory)du Pont望遠鏡所做的光譜觀測,Rest等人不僅獲得物質流的溫度,還估算出超新星爆炸向外拋射的物質移動速度高達每小時70萬公里,與理論模型預測相符。

此外,這群天文學家利用位在澳洲塞丁泉(Siding Spring)Las Cumbre天文臺的福克斯南座望遠鏡(Global Telescope Network’s Faulkes Telescope South)監測回光的強度變化,再與1800年代天文學家所做的那20年持續可見的超新星爆炸亮光逐漸變亮而後逐漸變暗的觀測繪圖比較,發現這場爆發事件在1843年時亮度達到最亮的趨勢是相同的。

這些天文學家將持續追蹤監測船底Eta的回光變化,並預測在未來6個月間,船底Eta回光的亮度應該會接近1844年時看到的亮度。如果持續監測到能捕捉到所有方向傳回的爆發回光,那麼屆時或許可以獲得這場大爆發事件的整體狀況。

資料來源:Astronomers Watch Delayed Broadcast of a Powerful Stellar Eruption[2012.02.15]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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被吸進黑洞會怎樣?黑洞和一般的洞,哪裡不一樣?——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/24 ・2414字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

如果我被吸進黑洞會怎麼樣?

很多人似乎都有這個疑問。

如果路上突然出現一個黑洞,會發生什麼事?圖/天下文化提供

「進入黑洞後會發生什麼事呢?」在許多科學書籍中都有提到,也是我們聽眾和讀者經常提出的問題。但是為什麼大家對這問題特別有興趣呢?難道公園裡處處都是黑洞?或是有人計畫在黑洞附近野餐,但又擔心放任他們的孩子在旁邊跑來跑去會發生問題?

可能不是。這個問題的吸睛度與實際上會不會發生無關,而是源自我們對迷人太空物體的基本好奇心。眾人皆知,黑洞是神祕莫測的奇怪空間區域,是時空結構中與宇宙實體完全脫節的「空洞」,任何東西都無法逃脫。

不過,掉入黑洞是什麼感覺呢?一定會死嗎?和掉進普通洞裡的感覺有什麼不同?你會在洞內發現宇宙深處的祕密,還是看到時空在你的眼皮子底下伸展開來?在黑洞裡面,眼睛(或大腦)能正常發揮功能嗎?

只有一種方法可以找到答案,那就是跳進黑洞。所以抓起你的野餐墊,和你的孩子說聲再見(也許是永別),然後牢牢抓緊,因為我們即將深入黑洞公園展開終極冒險。

讓我們跳進黑洞尋找答案吧!圖/天下文化提供

接近黑洞

當你接近黑洞時,注意到的第一件事可能是,黑洞確實看起來就像「黑色的洞」。黑洞是絕對黑色,本身完全不發射或反射光線,任何擊中黑洞的光都會被困在裡面。所以當你觀察黑洞時,眼睛看不到任何光子,大腦會將其解釋為黑色。

黑洞也是個不折不扣的洞。你可以將黑洞視為空間球體,任何進入黑洞的東西都會永遠留在裡面。這是因為已經留在黑洞內的東西所造成的重力效應:質量在黑洞中被壓縮得十分密集,進而產生巨大的重力影響。

為什麼?因為離有質量的東西愈近,重力愈強,而質量被壓縮代表你可以十分靠近質量中心。質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例,地球質量大約與一公分寬(大約一個彈珠大小)的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣,都是 1g。

如果你與黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣。圖/天下文化提供

但是當你分別接近兩者中心時,會發生截然不同的狀況。當你愈靠近地球中心點,愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你,把你平均的往各個方向拉。相反的,當你離黑洞愈近,感受到的重力愈大,因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。這就是黑洞強大的威力,超緊緻質量對周圍事物立即產生巨大影響。

當你離地球中心越近,就越感受不到重力,但當你離黑洞中心愈近,感受到的重力卻越大。圖/天下文化提供

真正緊緻的質量會在自身周圍產生極大重力,並且在一定距離處,把空間扭曲到連光都無法逃脫(請記住,重力不僅會拉動物體,還會扭曲空間)。光不能逃脫的臨界點稱為「事件視界」,在「某種程度」上,事件視界定義了黑洞從何處開始,以此距離為半徑的黑色球體則稱為黑洞。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。如果你把地球壓縮得足夠小,會得到一個彈珠大小的黑洞,因為在大約一公分距離內,光再也無法逃脫。但是如果你再壓縮更多質量,黑洞半徑就會更大。例如,你把太陽壓縮變小,空間扭曲程度更高,事件視界更遠,大約發生在距離中心點三公里處,因此黑洞寬度約六公里。質量愈大,黑洞愈大。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。圖/天下文化提供

其實,黑洞的大小並沒有理論限制。在太空中我們已探測到的黑洞寬度,最小約有二十公里,最大可達數百億公里。實際上,黑洞形成的限制只有周圍環繞物質的多寡,以及所允許的形成時間。

當你接近黑洞時,可能會注意到的第二件事是,黑洞通常不孤單寂寞。有時你會看到周圍東西掉進黑洞。或者更準確的說,你會看到東西在黑洞周圍旋轉等待落入。

這種東西稱為「吸積盤」,是由氣體、塵埃和其他物質組成。這些物質沒有被直接吸入黑洞,而是在軌道上盤旋等待、螺旋進入黑洞。這景象對於小黑洞而言,可能不是那麼令人印象深刻,但如果是超大質量黑洞,確實值得一看。氣體和塵埃以超高速度飛來飛去,產生非常強烈的純粹摩擦力,導致物質被撕裂,釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。這些類恆星(或稱類星體)的亮度,有時比單個星系中所有恆星的亮度總和還要高數千倍。

超大質量黑洞能釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。圖/天下文化提供

幸運的是,並不是所有黑洞,甚至是超大質量黑洞,都會形成類星體(或耀星體,就此而言,像是吃了類固醇的類星體)。大多數時候,吸積盤並沒有合適的東西或條件來創造如此戲劇化的場景。這也算是一樁美事,否則的話,你一靠近活動劇烈的類星體,可能會讓你在瞥見黑洞之前就氣化了。希望你選擇落入的黑洞周圍有個漂亮的、相對平靜的吸積盤,讓你有機會接近並好好欣賞。

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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沒有「引力」,只有「時空扭曲」——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/04/30 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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廣義相對論的基本

廣義相對論,簡單地說就是兩點。

  • 第一,一個有質量的物質,會彎曲它周圍的時空。這是「物質告訴時空如何彎曲」。
  • 第二,在不受外力的情況下,一個物體總是沿著時空中的測地線運動。這是「時空告訴物質如何運動」。

這裡根本沒有引力的事,根本不需要引力。

這個畫面是這樣的。你可以將時空想像成一張彈簧床,本來彈簧床是平的,往上面放幾顆球,彈簧床上有球的地方周圍就變成彎曲的了——這幾顆球,彎曲了各自周圍的時空。

地球為什麼繞著太陽轉?牛頓認為那是因為太陽對地球有引力。但是廣義相對論認為,地球根本不知道太陽在哪裡,只是太陽把時空彎曲得比較厲害,地球是根據自己所在時空的測地線運動而已。就好像彈簧床上的小球可以繞著大球滾動,而你知道大球並沒有吸引小球,那只是因為彈簧床上大球的周圍有凹陷。

廣義相對論認為,地球根本不知道太陽在哪裡,只是太陽把時空彎曲得比較厲害,地球是根據自己所在時空的測地線運動而已。

同樣的時空,每個物體的速度不一樣,它們遵循的測地線也不一樣。有的物體會直接掉向太陽,有的會繞著太陽做橢圓運動,有的與太陽擦肩而過,這些都只不過是物體在沿著自己的測地線運動而已。

同一個時空不同的物體,測地線也不一樣。

當然,每個有質量的物體在彎曲時空當中運動的同時,也是在彎曲著自己周圍的時空,只是彎曲的程度不同。時空的形狀由這些物質共同決定,而所有物質都會沿著自己周圍時空的測地線運動。

用彈簧床打比方是不得已而為之,物質彎曲時空並不是如同小球在彈簧床上往下「壓」的結果,而是自然地彎曲周圍所有方向上的時空,所造成的結果。而且請注意,被彎曲的不僅僅是空間,還有時間,只是這部分,我們留到後面的章節再細說。

在這裡,我還要澄清一點。你也許會有這樣的疑問:既然高速運動物體的質量會增加,那多出來的質量是不是也會彎曲空間呢?答案是不會。廣義相對論裡說的「物質彎曲了空間」,可以理解成是物質的「靜止質量」在彎曲空間,靜止質量是所有座標系都同意的不變數。時空的內在幾何形狀是絕對的,但是時空在不同的座標系中被看成了不同的樣子。

廣義相對論就是這麼簡單。

自然運動狀態

愛因斯坦再一次看破了紅塵。什麼是引力?可以說根本沒有引力,有的只是時空的彎曲。

或者也可以說,所謂引力,就是在大尺度下才能看出來的、時空的彎曲。鯨魚的身體是曲線型的,但是如果近距離看,它身上每個地方都近似一塊很平的小平面。局部的測地線就是很直很直的直線,這就是為什麼我們上一章說「局部沒有引力」。

如果近看鯨魚,會覺得只是一塊平面(?)圖/envato elements

講到這裡,我們要重新定義「自然運動狀態」這個概念。所謂自然運動,就是在沒有任何外力干擾的情況下,一個物體自由自在的狀態。

亞里斯多德(Aristotle)認為自然的運動狀態是靜止。這符合我們的生活經驗——沒有外力干擾的東西好像都是靜止不動的。

後來,伽利略和牛頓說這不對,力並不是讓物體運動的原因,力其實是改變物體運動狀態的原因。一個物體在光滑的平面上滑動,如果沒有任何摩擦力干擾,它就會一直這樣運動下去。所以等速直線運動和靜止沒有差別,它們都是自然運動。

貓咪推了球之後,如果沒有任何摩擦力,球就會永無止盡的運動下去。圖/envato elements

而現在,愛因斯坦表示,一切沿著測地線的運動,都是自然運動。

可以想像太空中有一個周圍非常空曠、沒有任何星體的地方,這裡的時空是平直的,測地線是完美的直線,所以物體沿著測地線運動,正好就是等速直線運動。

如果時空是彎曲的,太空人就會繞著地球轉,而失控的電梯就會直接掉下去,這兩個運動看似不同,但其實都是自由落體運動,它們謹守本分地沿著自己的測地線運動。所以它們雖然有加速度,仍然是自然運動。

自由落體運動、等速直線運動,以及靜止,它們沒有本質上的差別。你在一個封閉的實驗室裡不管做什麼實驗,都沒有辦法區分它們。愛因斯坦表示它們是同一回事,都是沿著測地線運動,都是自然運動。

反過來說,你站在地面不動,站一會兒就累了,這其實是一種不自然的運動。你本來想沿著測地線往下掉,可是地板阻止了你。想要體驗真正的自由,你應該做自由落體運動。

都怪地板阻止了我們自由落體!(⋯⋯?)圖/envato elements

為什麼引力質量正好等於慣性質量,為什麼一輕一重兩個鐵球會同時著地?現在,廣義相對論給這個巧合提供了一個解釋——因為只要質量沒有大到能與地球相提並論、足以顯著影響周圍時空的形狀的程度,測地線就只和物體的初始速度有關,與質量無關!

回頭再看上一章中講的兩個想像實驗。不管你是在加速的火箭上,還是站在地面不動,都有一個外力在阻止你沿著測地線走,所以它們是一樣的。

無論是在地球附近自由落體,還是在太空中空曠、沒有任何星體的地方做等速直線運動,都是沿著該地測地線的自然運動,所以它們也是一樣的。

無論是在地球附近自由落體,還是在太空中空曠的地方做等速直線運動,都是沿著該地測地線的自然運動。圖/envato elements

只要你接受時空尺寸是相對的,你就能接受狹義相對論;只要你接受時空可以彎曲,你就能接受廣義相對論。接受了時空的這兩個性質,光速為什麼不變、慣性質量為什麼等於引力質量、引力到底是不是真實的存在⋯⋯這些問題就不用再糾結了。

所以,相對論是個簡單理論,它只是相當深刻;其實我覺得廣義相對論比狹義相對論還容易理解,它只是美麗非常。

也許下次看見鯨魚的時候,你可以想起廣義相對論。

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遠流出版_96
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雨水能否成為究極的致命武器?
科學大抖宅_96
・2021/01/19 ・2958字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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大多數人對蚊子一定不陌生;若是出遊或睡覺的時候遇上它們,簡直欲哭無淚。根據估計,蚊子每年殺害約七十多萬到一百萬個人類,可謂動物殺手界第一把交椅,大幅打敗第二名的人類自己;但以愛護動物的同理心想想,其實蚊子的處境相當不容易,除了要躲避地球最強勢物種――人類的追殺,還有許多天敵;除此之外,天氣環境似乎也是潛在威脅:舉例來說,雨滴的重量最高可達蚊子的數十倍(不妨想像我們身在充滿上百公斤到數公噸雨滴的大雨中),那麼下雨天的時候,蚊子豈不是會被滂沱的雨水砸死?怎麼可能生存至今?

圖/Pexel

水滴撞擊蚊子的研究

針對上述問題,美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的台裔美籍科學家胡立德[1](David L. Hu)與其團隊,於 2012 年進行了詳細研究。事實上,要用雨滴砸中蚊子是相當艱鉅的任務;胡立德表示:

「我們首先做的事,是從我們大樓的三樓,將小水滴落在裝滿蚊子的容器內――你可以猜到那並不太管用,就像在玩你所能想像得到的、最糟糕的射飛鏢遊戲。」

所以他們改變作法:在實驗室內朝蚊子射擊水滴,並用超高速攝影機記錄下過程。

他們觀察到,蚊子並不是特意閃躲、也不是跟雨滴對抗,相反地,蚊子的翅膀或身體會被水滴影響,以類似搭便車的方式,順著水滴運動。團隊又簡單估計了在這種狀況下,水滴給予蚊子的施力,發現當水滴比蚊子重上許多的時候,蚊子受到的力約略和自身質量成正比。

因此,儘管在實驗中,水滴重達蚊子的二到五十倍,但因為蚊子不硬接水滴的打擊,質量又極小,所以承受的作用力並不高――蚊子堅硬的外骨骼完全能夠抵擋衝擊。

上排左圖:蚊子受到水滴撞擊產生角度偏轉;上排右圖為偏轉角度(縱軸)和時間(橫軸)的關係圖,粉色區塊代表蚊子和水滴的接觸時段。下排左圖:蚊子受到水滴撞擊產生向下位移。下排右圖為位移距離(縱軸)和時間(橫軸)的關係圖,黑色代表蚊子,藍色代表水滴。圖/參考文獻 1

即使如此,雨滴在特定狀況下還是可以對蚊子造成危害:若蚊子極度靠近地面飛行時被擊中,就可能來不及恢復正常飛行狀態,而被雨滴拖行撞擊地面。

雨滴傷不了蚊子,那能傷人嗎?

有了蚊子的研究結果,我們可以接續思考:人類在淋雨的時候不會像蚊子那般順著雨滴的方向移動,也不像蚊子或昆蟲有堅硬的外骨骼保護;雨滴的動能和動量在極大程度上,可謂毫不留情地都用來打擊我們脆弱的血肉之軀。那麼,雨滴能否對人類造成傷害呢?很明顯地,答案是:不能。

那又是為什麼?(/‵Д′)/~ ╧╧(翻桌)怎麼跟蚊子的狀況完全不一樣?簡單回答,就是雨滴的質量不夠大、速率不夠快。

雨滴的質量可以到多大?

既然水的密度大致上是固定的,變動不大,影響雨滴質量最主要的因素,就是它的尺寸。原則上,水滴要多大都可以,但仔細回想我們從小到大看過的雨滴,就算是尺寸最大的,直徑也幾乎無法超過五公釐。

在國際太空站的微重力環境下,水滴的尺寸可以很大。影/NASA Johnson

以往,科學家認為,雨滴在落下的過程中,會和周遭的其他雨滴碰撞,進而融合或分裂,最後形成我們在地上看到的雨滴尺寸。

然而,2009 年法國艾克斯-馬賽大學(Aix-Marseille Université)的科學家發表論文,確認雨滴的大小其實取決於其和空氣的作用:一旦雨滴在上空形成並落下,因為遭遇空氣阻力,過大的雨滴將難以維持形狀,而會分裂成小雨滴。

雨滴落下過程中的分裂示意圖。雨滴在直徑小的時候,約略成球形;雨滴的直徑越大,就會在空氣阻力的作用下變形得越厲害,最終導致分裂。圖/Wikipedia

不僅如此,研究團隊也對雨滴的尺寸上限進行推估,得出雨滴保持穩定、不分裂狀態的最大直徑約六公釐,基本上與實驗觀測和日常生活經驗吻合。因此之故,雨滴的質量絕不可能達到足以傷害人類的程度。

加速雨滴可行嗎?

就算雨滴的質量在現實中無法太大,我們仍然不需要放棄希望,只要你懂物理,物理就會幫助你:如果雨滴以極高速率落下,還是可以產生足夠動量,造成傷亡;在漫畫《航海王》裡就曾經出現過,擊發手上的水珠破壞岩石的劇情――不過,這真的可能嗎?

《航海王》中,反派角色擊發的水珠可以打穿岩石。

早在約莫兩千年前,羅馬人會在高處儲存大量的水,藉由一次全部釋放,將岩床上的覆蓋層沖刷掉,以尋找礦脈;這個技術現在稱為沖流探礦(Hushing)。十九世紀中葉,採礦者開始利用高壓水柱,直接把礦床噴到崩解,再進行洗礦,即為所謂水力採礦法(Hydraulic mining)

十九世紀採礦者利用水力採礦的照片。圖/Wikipedia

到了 1930 年代,人類已經能夠使用極細小的高壓水柱切割物品,稱為水刀(Water jet cutter)。隨著時代演進,我們能夠產生的水壓越來越強,水柱的威力也越來越大;換言之,只要速率夠快,水也可以很有破壞力。

這樣的話,雨滴又為什麼不會快到傷人的地步呢?原因仍然是前面提及的空氣阻力。當物體在流體中運動時,會感受到流體給予的反向阻力;物體的速度越快,阻力就越大。當物體因為重力而從空中落下,只要速度快到一個地步,空氣阻力就會大到抵銷重力的作用,此時該物體會以等速運動,稱為終端速度。

物體的終端速度和其質量、在流體中的截面積、以及流體的性質等都有關係。以雨滴而言,終端速度最高差不多每秒十公尺(每小時 36 公里),並不算快――於是也不可能造成人體傷害了。

大規模毀滅性武器夢碎

下雨是地球上大部分人都很熟悉的大氣現象,但雨之所以是我們習慣的那個樣子,並非理所當然,而是由背後深刻的物理學決定。單就結論而言,雨對昆蟲或人類都不具殺傷力,無法成為大規模毀滅性武器;反過來想,人類能夠生存到現在,或許就是我們不會被雨水傷害的最佳證據,不是嗎?

參考資料

註釋

[1] 其於 2015 年和 2019 年兩度獲頒搞笑諾貝爾物理學獎。

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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眾望遠鏡轉播175年前一場大爆炸的回光
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太空望遠鏡研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)Armin Rest等天文學家利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)觀察船底座Eta(Eta Carinae)雙星系統約在175年前一場劇烈爆炸事件的回光(light echo)。這項研究,將有助於天文學家瞭解關於大質量恆星超新星爆炸的一些細節。Rest表示:任何目前已知的船底座Eta爆發事件,都是從「目睹」的歷史紀錄而來;但利用現代科學儀器,一年一年追蹤這些回光如何變化,卻可以知道在爆發事件這麼多年之後,直接瞭解爆發的本質。

這場被稱為「大爆發(Great Eruption)」的超新星爆炸事件於西元1837年首度被觀測到,而且一直到1858年都還可以看到爆炸的餘光。但當時的天文學家沒有如現代般的精密儀器,無法正確地記錄這場猛爆性天文事件。由於爆發當時所發出的光是向四面八方散開,現代天文學家何其幸運,其中一部分爆發當時所發出的光,被離船底座Eta星有段距離的塵埃雲氣反射後間接傳遞到地球。由於回光走的路徑比爆發後直衝地球而來的光還長許多,因此延宕了175年才抵達地球。天文學家詳細分析這個回光,可以從中瞭解這個巨獸級大質量恆星毀滅瞬間的狀況,或許可幫助天文學家修正關於超新星爆炸的理論模型。

船底座Eta位在南天的船底座方向,距離地球約7,500光年,兩星總質量高達140倍太陽質量左右,是銀河系中最大、最亮的恆星系統之一。不過這對雙星卻是以這個大爆發事件著稱,因為這場1837年的爆發事件是曾觀測到過類似事件規模最大的。1837年爆發後約20年的期間,船底座Eta流失約20個太陽質量的物質,成為當時全天第二亮的恆星。有一部向外流失的物質在恆星周圍形成一對巨大的物質瓣(lobe)。

以天文尺度而言,船底座Eta算是離地球相當近的恆星系統,因此天文學家已經啟用包括哈柏太空望遠鏡在內的各式望遠鏡觀察船底Eta。除了哈柏之外,Rest等人還結合了地面望遠鏡的可見光和光譜觀測資料來進行研究;雖然光譜觀測並不是新鮮事,但之前都僅針對超新星本身,Rest等人的研究則是首度利用光譜分析船底Eta的回光,可由此獲得超新星爆炸像外拋出物質的「指紋」,如溫度和速度等。

雖然這個回光比超新星爆發本身晚了175年才抵達地球,但帶給天文學家的驚喜卻不下於超新星爆炸當時。船底Eta是所謂的亮藍變星(Luminous Blue Variable,LBV),這類恆星質量很大、非常明亮,週期性地發生爆發。這個紊亂的恆星系統的行為,和其他類似的恆星系統不大相同。例如:從船底Eta中心區向外流出物質的溫度高達絕對溫度5,000K,比其他類似的爆發恆星的流出物質溫度還低得多。對付這個恆星怪胎,Rest等人得回頭檢視相關的理論模型,看看到底是什麼樣的變動因素造成現在觀測到的這種奇特狀況。

Rest等人其實是比較2010年和2011年利用美國光學天文臺(U.S. National Optical Astronomy Observatory)位在智利托洛洛山的泛美天文臺(Cerro Tololo Inter-American Observatory,CTIO)4米Blanco望遠鏡所拍攝的可見光影像,從而發現船底Eta的回光。後來他們另從亞利桑納大學(University of Arizona)天文學家Nathan Smith處得到2003的CTIO觀測系列觀測資料,對分析這場大爆炸事件的工作更如虎添翼般。

這個回光比超新星爆炸本身的光還暗很多,但僅一年相隔就可以看出它的位置有變動,不過這個位置變動並不是同一束光真的在這些塵埃間移動,而是與船底Eta不同距離、不同方向的塵埃反射回光的時間也不同,與看起來好像是同一道光、或是一般超新星爆炸的震波向外傳遞過程中激發周邊物質的光隨震波移動而向外擴張的狀況不一樣。

而利用卡內基研究所(Carnegie Institution)麥哲倫望遠鏡(Magellan)和智利坎帕斯山天文臺(Las Campanas Observatory)du Pont望遠鏡所做的光譜觀測,Rest等人不僅獲得物質流的溫度,還估算出超新星爆炸向外拋射的物質移動速度高達每小時70萬公里,與理論模型預測相符。

此外,這群天文學家利用位在澳洲塞丁泉(Siding Spring)Las Cumbre天文臺的福克斯南座望遠鏡(Global Telescope Network’s Faulkes Telescope South)監測回光的強度變化,再與1800年代天文學家所做的那20年持續可見的超新星爆炸亮光逐漸變亮而後逐漸變暗的觀測繪圖比較,發現這場爆發事件在1843年時亮度達到最亮的趨勢是相同的。

這些天文學家將持續追蹤監測船底Eta的回光變化,並預測在未來6個月間,船底Eta回光的亮度應該會接近1844年時看到的亮度。如果持續監測到能捕捉到所有方向傳回的爆發回光,那麼屆時或許可以獲得這場大爆發事件的整體狀況。

資料來源:Astronomers Watch Delayed Broadcast of a Powerful Stellar Eruption[2012.02.15]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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