恆星天文學之父：赫歇爾誕辰｜科學史上的今天：11/15

• 撰文｜許世穎
• 本文轉載自 CASE 科學報《天王星上的 X 光》

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中，它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」，天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星：天王星、海王星沒有。終於，研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5，是一顆非常暗的星，幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到，只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

正式的發現、命名者是英國的威廉．赫雪爾（William Herschel）。一開始猜測是個彗星，後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他，依照零售物價指數（Retail Prices Index）來推算的話，相當於現今一年一百萬台幣的薪水 ^[2]。

這筆薪資顯然相當優渥，本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」（Georgium Sidus）。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外，當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名，突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰．波德（Johann Bode）的建議定案為「Uranus」，這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯（Caelus）」，是「薩圖恩（Saturn，即土星）」的爸爸；是「朱比特（Jupitar，即木星）」的祖父；更是「馬爾斯（Mars即火星）」的曾祖父。

因此在希臘羅馬神話當中，天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的，要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星，在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年，天王星更慢，要 84 年！因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了，以至於早期先民即使看到了天王星，也認為它是一顆恆星。

與其它的行星比起來，天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射，飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號（Voyager 2）。這台探測器從地球出發，觀測了木星、土星、天王星、海王星之後，繼續一路向外飛，現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作，只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時，在將近 35 小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面，有著一個非常奇特的性質：「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上，以地球為例子，地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話，地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺，而天王星則是電風扇的扇葉。

天王星上的 X 光訊號！

太陽系的行星成員當中，除了地球以外，水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號，甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前，行星當中就只剩下兩顆冰巨行星：天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近，研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台（Chandra X-ray Observatory）」的觀測數據，研究團隊量測到了天王星上的 X 光，研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊：太空物理學（JGR: Space Physics）》當中 ^[5]。

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在，累積了非常多的觀測資料，有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦，對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月，只有三次對天王星的觀測：2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光，一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源，即便天王星離太陽這麼遠，太陽所發出來的X光到了天王星以後，被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的，過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是，天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能，一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說，天王星和土星一樣，周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候，就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」，當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後，也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在，它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉，讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆，由於距離遙遠，都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像，使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料：

1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
2. Measuring Worth
3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
4. WASP Planets
5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus

• 文／陳子翔（現就讀師大地球科學系， EASY 天文地科團隊創辦者）

距離我們大約兩百億公里的太空中，有一架名為航海家二號的探測器已經工作了數十年，就在不久前，NASA 送出了久違的訊息試圖再次與她連絡上……

為什麼說久違呢？是這樣的，今年初因為位在澳洲坎培拉，負責聯繫航海家二號的訊號收發站要進行天線設備升級，然而這又是目前唯一能和航海家二號聯繫上的訊號收發站，也因此必須暫停與航海家二號的聯繫。

43 年從未斷訊的航海家二號

雖然說這次與航海家二號數個月的斷訊是計畫之中的事情，但其實還是讓 NASA 的工程師與科學家們有些緊張。各位可以回想看看，自己用過壽命最長的電子產品或家電用品是什麼呢？也許你會想到用了五年的手機，十年的電視機，又或是用了二、三十年的電鍋或冰箱。但相信應該很少人家裡有超過四十年，而且完全沒有維修過卻還能使用的電器吧。然而航海家二號從發射至今已經獨自在廣大的太空中運作超過 43 年了，在她離開地球時，台灣第一條高速公路與電氣化鐵路都還在建設中呢！也因此要與一架骨董級探測器斷訊八個月的確滿讓人擔心的。

不過話說現在科技已經進步非常多，近年也不乏許多先進的新探測器持續進入太空探索，為什麼我們仍這麼關心航海家二號的動向呢？其中有個很大的原因是，即便新的探測器有著更先進的儀器設備，航海家二號帶來的貢獻和歷史意義仍然難以被超越。

就讓我們藉由著個機會來重溫這架傳奇探測器光輝的故事吧！

航海家二號的誕生：太空「大航海時代」的序章

在太空探索的歷史上，1960 年代是載人太空任務發展的黃金年代，第一位進入到太空的人與第一位踏上月球的人都是在 1960 年代發生的。而 1970 年代，就可說是探索太陽系的「大航海時代」了，在這十年間，許多無人探測器先後出發探訪太陽系的各大家族成員，像是首次登陸火星、首次飛掠各大行星的成就都在這幾年間達成，而航海家二號可說是其中最具代表性的探測器之一。

揭開太陽系外圍的神秘面紗，乘載希望奔向宇宙深處

有別於先前多數的太空探測器都是以一顆特定星球作為目標，航海家二號最特別之處，就在於她造訪了所有外太陽系的氣體行星—木星、土星、天王星和海王星。而要完成這樣的壯舉必須仰賴這四顆行星特殊的排列位置，讓探測器在每在造訪一顆行星的同時，也正好能巧妙地讓該行星的重力拉自己一把，幫助探測器用最節省燃料的方式飛向下一顆行星，而這樣的機會每隔 176 年才會有一次呢！

把握住這樣的機會，航海家二號在 1977 年八月升空，並在接下來的十年先後收集了四顆氣體行星的重要科學資料，同時也傳回了許多令人屏息的經典照片。更特別的是，在四十多年後的今天，航海家二號仍然是唯一造訪過天王星和海王星的探測器，因此下次看到像是下圖這樣清晰漂亮的天王星和海王星影像，就可以跟朋友說這個照片是航海家二號拍攝的，也許朋友就會以崇拜的眼光看你（並不會）

1989 年航海家二號飛掠了最後一個計劃中的目標天體—海王星，然而她的任務卻還會持續下去，繼續為我們帶來外太陽系，甚至是「太陽系外」的第一手資訊，例如太陽磁層頂的位置、星際空間的磁場與宇宙射線強度等等……

同時，航海家二號也帶著地球人想送給外星人的「小禮物」，一張收錄用全球各種語言打招呼的錄音，以及數張影像檔案的唱片和唱片播放器。雖然說要在茫茫宇宙中「不小心撿到」這個禮物的機率實在太低，但這樣的紀念品某種程度也象徵著人類踏出航向宇宙的步伐時，做出的浪漫宣示吧！

重新連繫航海家二號

今年十月天線更新完成後，NASA 終於能送出睽違八個月，一封「來自地球的家書」給航海家二號，而她也順利收到並有所反應，彷彿對地球上的我們說：「哈囉地球上各位，好久沒有各位的消息了，很高興又收到你們的信，我在遙遠的太陽系外也都還好喔！」

這次成功的聯繫也代表著航海家二號的任務依然持續進行著，不過 NASA 的工程師也估計探測器的電力應該所剩不多了，我們終究在未來的某一天必須和這部偉大的探測器告別，但航海家二號仍將繼續帶著人們探索未知世界的精神，航向星空深處。

參考資料

• Jet Propulsion Laboratory Voyager
• Deep Space Network Canberra Deep Space Communication Complex
• NASA finally makes contact with Voyager 2 after longest radio silence in 30 years

十七世紀末，牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始；人們利用物理原理來描述天體運行，並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機，科學家開啟了一連串對行星軌道的研究；這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌，最終竟促成重力理論的演進，甚至延續到現今，反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切，都要從 1781 年，英國天文學家赫雪爾（William Herschel，1738-1822）在自家庭院，從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後，其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的，它似乎沒有彗星尾巴，而且運行軌跡較接近圓形，不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽；與其說是彗星，它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身，天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者：它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎？還是觀測錯誤了呢？1846 年，法國天文學家勒維耶（Urbain Le Verrier，1811-1877）利用數學計算提出預測：存在某個未知星體影響了天王星的運行，造成理論和觀測的差異；他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

一陣子之後，柏林天文台收到勒維耶的報告，便馬上著手進行未知星體的搜尋工作；只花不到一個小時，海王星就被找到，與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次，單純憑藉數學計算發現新行星[1]。

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現，牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而，天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年，勒維耶再度出擊，聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下，依據牛頓萬有引力理論，水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變；然而在實際上，因為受到其他行星的重力拉扯（和另外一些次要因素），水星軌道的近日點（以及軌道本身）會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料，發現水星的近日點進動，與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值，每世紀差了三千六百分之三十八（38/3600）度[2]──這是多麼微小的數值，卻又真實存在！

因為之前海王星的成功經驗，勒維耶猜想：介於太陽和水星軌道之間，可能存在未曾發現過的星體，影響了水星的運行；他將其命名為瓦肯星（Vulcan）[3]。

無奈地，這一次任憑天文學家花費幾十年尋找，甚至勒維耶也已去世良久，瓦肯星始終不見蹤影；而水星近日點進動問題便懸而未決，延續到二十世紀。在 1915 年，愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

根據我們目前所知，水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度，其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度，而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力，做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下，微小到可以忽略；只有在水星近日點進動這樣的例子，差異才會顯現出來。可以說，水星近日點進動問題的解決，是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎？非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律，因水星近日點進動現象而被找到缺陷，那麼現在大獲全勝的廣義相對論，自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體，龐大的重力吞噬一切，無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動，是否，繞行黑洞的星體，其軌道也會有進動現象呢？又是否完全可以用廣義相對論來解釋？

針對廣義相對論的正確性問題，一群科學家團隊花了二十七年，觀測環繞無線電波源人馬座A*（Sagittarius A*）運行的恆星S2，並於今年（2020）四月，在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果。

人馬座A*位於銀河系中心，距離地球約兩萬六千光年，質量估計為四百多萬倍太陽質量，據信極可能是超大質量黑洞；環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量，與人馬座A*的最近距離是十七光時（海王星到太陽距離的四倍），軌道週期為 16 年（海王星軌道週期是 165 年）。研究發現，S2近心點（pericenter，最靠近重力中心的點）的進動約為每軌道週期 12/60 度，與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境，廣義相對論依舊通過試煉。

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口，這次的成果仍然別具意義：它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象；再者，若人馬座A*附近存在某些看不見的物質（如暗物質，或其他小型黑洞等等），科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是，隨著觀測技術的發展，我們對於宇宙、或者黑洞的理解，將持續進步；說不定哪天，還真能發現廣義相對論的問題呢。

參考資料

• Classical Dynamics of Particles and Systems, Marion and Thornton, 4^th edition, 1995, Harcourt Brace & Company
• Dance around the heart of our Milky Way
• Urbain Jean Joseph Le Verrier
• A star orbiting the Milky Way’s giant black hole confirms Einstein was right
• Wikipedia: Discovery of Neptune
• Wikipedia: Tests of general relativity
• Wikipedia: Vulcan
• Wikipedia: S2 (star)

註釋

• [1] 實際上，勒維耶計算出的海王星軌道，與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
• [2] 多年後，其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距，得出每世紀三千六百分之四十三（43/3600）度的數值，跟現代觀測吻合。
• [3] 就跟《星際爭霸戰》（Star Trek）裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。