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獵戶星雲核心的恆星寶寶出現亮度快速變化現象

臺北天文館_96
・2012/03/11 ・1110字 ・閱讀時間約 2 分鐘

利用赫歇爾太空望遠鏡(Herschel)和史匹哲太空望遠鏡(Spitzer)觀測資料,天文學家發現埋藏在著名的獵戶星雲(Orion Nebula,M42)中的初生恆星出現亮度快速變化的現象。

位在「星空王者」獵戶座的腰帶下方、相當於獵人短刀部分的獵戶星雲,距離地球僅約1,350光年,不僅相當明亮,以肉眼就可見到這片星雲,而且星雲中有許多初生的大質量恆星,是非常有名的恆星搖籃,周圍雲氣被初生年輕恆星所發出的強烈紫外輻射激發而發光,或是散射這些恆星的星光,使得星雲色彩斑斕,是業餘天文學家最容易、最喜歡觀察拍攝的深空天體之一。

在獵戶星雲塵埃氣體最濃密的區域,以可見光波段通常無法看透,但其實此處是初生恆星最密集之處,有些初生恆星甚至還處在演化的最初階段。由於赫歇爾太空望遠鏡是以遠紅外波段進行觀測,而史匹哲太空望遠鏡的其中兩項儀器則是以波長短一點的紅外波段進行觀測,因此可避開塵埃的阻撓,直擊星雲內部的狀況。

恆星是經由稠密的氣體塵埃雲氣受重力影響,逐漸向內收縮而形成。在形成的最初階段,中間溫暖的原恆星(protostar)周圍還旋繞著氣體塵埃盤,以及一個範圍更大的塵埃氣體包層。這些塵埃盤或包層物質將在恆星周圍盤旋數百年到數千年之久,直到恆星核心的核融合反應啟動,成為一個完全成熟的恆星為止。而某些氣體塵埃盤中的物質會收縮形成行星,其餘的將被恆星的恆星風逐漸向外吹開逸散。

由西班牙Institut de Radioastronomie Millimétrique的Nicolas Billot領軍的研究團隊,在去年冬季到今年春季期間,約每星期變利用赫歇爾太空望遠鏡拍攝一次獵戶星雲的影像,這個工作持續了6星期之久。赫歇爾太空望遠鏡上的PACS光電偵測陣列相機(PACS Photodetector Array Camera)和光譜儀,可於70微米和160微米的遠紅外波段偵測最年輕的原恆星周圍塵埃盤中的低溫塵埃粒子(右上圖中以綠色和紅色顯示)。經與史匹哲太空望遠鏡的波長較短的8微米和24微米中紅外影像(以藍色顯示)結合後,還可尋找年紀稍長一點的熾熱天體。

由這些觀測資料,天文學家驚訝的發現有些年輕天體在幾週內的亮度變化幅度達20%以上,但是恆星周圍物質累積的吸積過程得耗上數年甚至數百年才能完成,因此吸積過程應該不是造成亮度變化的主因。

Billot等人認為,這些年輕恆星亮度變化的可能原因之一,是有許多氣體纖維狀團塊從吸積盤較外圍落往中心時,會使得吸積盤較內側處溫度暫時升高,致使整個恆星系統看起來變亮了。另一個可能是低溫物質堆積在吸積盤內側邊緣,恆星星光照射這些物質的影子投射在吸積盤外側,使吸積盤亮度暫時變暗。無論前述哪一種可能性,都顯示原恆星形成過程並不是一路平順、均勻的。

資料來源:Fledgling stars flicker in the heart of Orion[2012.02.29]

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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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域

CASE PRESS_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

參考資料

CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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