1

1
1

文字

分享

1
1
1

第九行星到底存不存在?--《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/09/23 ・2722字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級
  • 文/陳英同|中研院天文所博士後研究員

肉眼、望遠鏡、推理:這就是整個太陽系了嗎?

人類用肉眼觀察行星。圖/Pixabay

遠古以來,人類在深夜裏仰望天穹, 結合神話故事,想像出一百多個星座。就在這樣充滿故事但是顯少改變的夜空中,有幾個星點被古代天文學家發現了規律的週期運動,這就是我們現在所知道的太陽系行星,並且以最有名的幾個希臘神來命名,例如:阿波羅(Apollo)-太陽、維那斯(Venus)-金星、朱比特(Jupiter)-木星等等。

不過畢竟肉眼的能力有限,頂多只能看到視星等五等多的天王星(不過天王星不是肉眼發現的,是利用望遠鏡偶然發現的)。在中古世紀,人們覺得這七顆行星應該就是太陽系中所有的行星了(不過確定他們是繞著地球還是太陽轉,又是另一個很長的故事了)。

在1846年,數學及天文望遠鏡發展了一段很長時間後,天文觀測精確度以及計算能力都剛好滿足時,天文學家發現最外圍的天王星似乎在天空中有著不規則的運動,而且剛好可以假設一顆還未發現行星的重力擾動來解釋,也因此而發現了海王星。

海王星,發現!source:Wikimedia

有了這個成功的例子,天文學家開始利用相同的方法去找尋是否海王星外是否還有未發現的行星。在1930年終於發現了冥王星,這也是唯一美國人發現的行星(雖然我們現在知道冥王星被降級成「矮行星」,再也不是太陽系的行星了······)。

冥王星。source:Wikimedia

在這之後,人們「又開始覺得」這應該就是整個太陽系的模樣了,但是理論天文學家就不這麼覺得了。荷蘭天文學家揚.歐特(Jan Oort)首先在 1932 年左右首先提出長週期彗星的來源,應該是一個距離 20000 au (天文單位,地球到太陽的距離)的球狀雲團 ,也就是歐特雲。

庫柏(Gerard Peter Kuiper)跟艾吉沃斯(Kenneth E Edgeworth)在 1950年代時,提出了海王星外應該有個太陽系形成時,所殘留下來的原始行星盤的假說。費南德茲(Julio Fernández)與中央大學的葉永烜老師在 1987 年進一步用數值計算模擬推論出位於 35 到 50 au 應該要存在一個彗星帶或是行星盤,才能解釋短週期彗星的成因。有了這些理論的基礎,1992 年麻省理工學院的朱維特(David Jewitt)終於找到在發現冥王星 60 多年之後的第二顆庫柏帶天體1992QB1,並且開啟了海王星外天體的大航海時代。

在古柏帶已知天體,數據源自小行星中心。 在主帶天體顏色為綠色,而分散的天體為橙色。四個外側行星是藍色的。海王星幾顆已知的特洛伊為黃色,而木星的為粉色。分散在木星軌道和古柏帶之間的天體被稱作半人馬小行星。圖中單位為天文單位。底部明顯的缺口是由於很難把他們從銀河背景中分辨出來。 source:wikipedia

在 2006 年,任職於加州理工學院的布朗(Michael Brown),利用第一代的大視場天文數位相機,發現了絕大部分的比較亮或是比較大的庫柏帶天體,包含表面有水冰光譜的妊神星(Haumea)家族、推測是內歐特雲的賽德娜(Sedna, 小行星 90377),以及跟冥王星大小差不多的鬩神星(Eris)。鬩神星的發現也間接了否定了冥王星行星的定位,西方媒體也戲稱布朗是冥王星殺手。

在接下來的十年中,觀測天文學家利用更大的望遠鏡、更新更廣的電子相機,找到了超過二千個庫柏帶天體。由於離太陽越遠,太陽系原始物質的空間密度會越來越低,在近二十年的觀測裡,也並沒有發現其他會影響庫柏帶天體的天體。這時,大家又開始覺得,真正的太陽系應該就是這樣了:庫柏帶跟歐特雲中間應該沒有什麼大東西存在了。

第九行星,下一個就是你:但是你在哪裡?

自從賽德娜發現後十年,行星動力學一直無法很好的解釋它的來源與存在。由於它離海王星實在非常的遠,離海王星軌道最近的距離比海王星軌道還多一倍 (76 au v.s. 30 au),動力學模擬的結果也證明在46億年內(太陽系的年齡) 它都不會改變它的軌道,那它是如何跑到到那個位置的呢?

一般相信這個與世獨立的存在需要一些外力,例如漂流的恆星通過太陽系外、或是太陽形生成於星團中,而後才離開星團。但這些理論大多只能說是假設,缺少觀測上的支持。但是在這十年間,天文學家陸續找到數顆與賽德納很像的天體,並且發現這些天體的軌道傾角與近日點的位置有特別的趨勢(見圖1、2),但由於數量過少,這個領域的研究方向一直還未確定。就在去年的二月,加州理工學院的巴特金(Konstantin Batygin)與布朗敲響了第九行星理論的第一聲響,發表了一顆十倍地球質量行星位於 250 au 的理論模型。而這個模型剛好可以適當的解釋遠近日點的天體為何都偏向同一邊(見圖)以及傾角分佈,以及他們如何生成的。

圖1. 內歐特雲天體的近日點大都面向上方。圖/作者提供

行星科學界最重要的定期會議之一是美國天文學會下的 DPS (Division for Planetary Sciences)會議,在裡面接受報告的論文都是最新、最有影響力的研究結果,許多科學媒體也會參與會議,然後立即發出新聞稿。在這個會議中,巴特金受邀發表大會演講,接在他之後的數個論文報告,也都提出一些觀測上跟理論上的一些支持的論點,包含:

  1. 雪柏(Scott Sheppard)又找到數顆遠近日點的天體
  2. 太陽自轉軸的偏差能用第九行星來解釋
  3. 這些遠近日點的天體剛好在這顆推論行星的軌道共振點上。

當然,除了正方的結果,也出現了不少反方的研究,其中最重要的二個結果就是:

(1) 這顆行星的存在將會把現在所見的庫柏帶外的結構摧毀,

(2) 銀河盤面並沒有巡天資料,所以觀測上有明顯的偏差。

現在這個狀況,舉一個眾所皆知的例子,就像UFO到底是外星人太空船,亦或只是地球上的飛行器或者各種光影的組成而已?先不討論照片合成或是誤認,正方反方都能提出不少「說法」或是「間接證據」,但是現況就是我們並沒有確切的證據來證明UFO是外星飛船。

觀測天文學家與理論天文家存在一種微妙的關係:既競爭又合作。理論天文學家可以利用一些假設來預測現在技術看不到的東西或現象,觀測天文學家則是不斷用最新的科學技術去發現、或是證明假設是否正確。一但當科學技術進步到能觀測到應該要觀測的天體時,眾多理論在這時就是大審判的時候了。

目前許多國際研究團隊包含卡內基天文台、加州理工學院及日本國立天文台,都如火如荼地進行尋找第九行星的觀測工作,尤其是位於夏威夷的 Subaru 望遠鏡,由於它是目前口徑最大(八公尺)的大視場望遠鏡,所以擔任起許多重要的觀測工作。所以第九行星到底存不存在?相信這個問題在不久的將來就會真相大白了。

圖2:作者發現的內歐特雲天體-2010-GB174。圖/作者提供

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 1
物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 6 位粉絲
《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。


0

28
6

文字

分享

0
28
6

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)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
8 篇文章 ・ 15 位粉絲
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。