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什麼是「天文」?又為什麼要研究天文學?

htlee
・2018/04/23 ・3294字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 447 ・四年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

天文是什麼?大部分的人對數學、物理學、化學,這些領域都能說得清楚,但是對天文的瞭解卻非常模糊,而且常常和氣象學、地球科學、太空科學分不清,甚至還跟占星術混在一起。

天文,最古老的科學

早期人們從事農耕,生活簡單,日出而作,日落而息,到了晚上沒有電視可看,手機可以滑,也沒有百貨公司或夜市可以逛,甚至連電燈都沒有。不過因為沒有燈光,也就沒有光害,夜晚的星空,不受塵世燈光影響,閃亮的星星和壯麗的銀河反而格外清晰,它們就成了夜晚說故事的題材。古希臘人把夜空中的星星串連起來,想像成一個個的星座,再將這些星座和神話故事連結,這些精彩的星座故事就一直流傳到現在。

古代的人一開始可能只是看看星星和星座,然後發現每個季節的星座都不相同,例如春季看到的星座就和夏、秋、冬三季不一樣。一些先進古文明對天象的觀察,讓他們掌握「天機」,進而改善他們的生活,有了好的生活才能發展出強盛的文明。例如,古埃及人會在日出前觀察東方的天空,如果看見天狼星比太陽還早升起(稱為天狼星偕日升),表示尼羅河即將氾濫。其實尼羅河氾濫和天狼星沒有關係,每年 8 月中旬,天狼星就會比太陽還早升起,每年這個時候南方兩千公里外,尼羅河上游的衣索比亞高原正受到季風影響下著大雨,這才是造成下游尼羅河氾濫的原因。

每年八月中旬,天狼星會比太陽還早升起,古埃及人知道尼羅河即將氾濫。(Stellarium軟體製作)

追根究底,造成衣索比亞季風的是太陽,而太陽運行直接影響各地氣候。太陽運行造成四季變化,這對農耕漁獵非常重要,動物依照季節變化遷徙,日照長短更影響農作物生長,藉由觀察太陽運行,人類才能掌握這些變化,所以天文是最古老的科學之一。

天文學的範圍

早期的人類,把天上的現象或物體都當作天文的一部分,從天上的雲、閃電、彩虹、日暈、極光,到太陽、月亮、行星和星星,都被歸類為天文學。到了近代,科學家把大氣層內的區域劃分為大氣科學和氣象學,所以雲、彩虹、日暈、幻日這些大氣層內的現象,屬於大氣科學的一部分。有趣的是,當看到彩虹、日暈、幻日這些現象時,有時還會請教天文學家,這些現象的照片也會在天文相關網站或雜誌中發表,雖然這些都是屬於大氣科學的範圍。

日暈是大氣層裡的現象,是冰晶折射太陽光造成的結果。攝影:李昫岱

自從 1957 年人類發射第一顆人造衛星後,許多太空船進入太空探索太陽系的各個天體,於是產生了新的學門:太空科學(或行星科學),太空科學是以研究太陽系為主的科學,研究的對象有行星、衛星、彗星、小行星、矮行星等等。另外,地球科學是研究地球的科學,研究的是地球的海洋、大氣及地質,重點是和地球相關的研究。

物理學是最接近天文學的科學,實際上天文學是物理學的一個分支,天文學家運用物理學的知識和定律,來解釋我們所觀測到的現象。天文和物理最大的差別在於,物理通常可以在實驗室作實驗,而天文卻不能,天文學家只能觀測「實驗」的結果,天文實驗可能是「造物者」專屬的權利!

天文學所研究的範圍通常是指我們太陽系以外的區域,包括了恆星、星系和整個宇宙。我們的銀河系裡有數千億個恆星系統,而太陽系只是數千億個系統中的一個,當然廣義的天文學包括了我們的太陽系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的影像,圖中密密麻麻的天體幾乎都是一個個的星系。影像來源:NASA

物理、氣象、地球科學、太空科學、行星科學及天文,這些都是以科學的方法來作研究,只是研究的目標不同。而推測個人命運和運勢的占星術並不是科學,占星術跟天文學沒有直接的關係。

為什麼要研究天文?

為什麼要研究天文?同樣的問題也可以問,為什麼要研究歷史?為什麼要研究文學、音樂和藝術?滿足人類的求知慾,了解宇宙,了解我們的過去,甚至未來,這跟研究歷史相同。對喜歡天文的人來說,宇宙美得像首詩、像幅畫,那跟很多人喜歡文學、音樂和藝術是一樣的。

仰望滿天星斗會不會想知道,天上的星星是怎麼來?宇宙中有多少顆星星?宇宙有多大?宇宙是怎麼來的?真的有外星生物存在嗎?這些其實都是天文學家研究、想回答的問題。想像一下,有個小孩發問,宇宙怎麼來的?如果只能告訴他,宇宙是盤古開天闢地創造出來的,小孩會滿意這樣的答案嗎?

哥倫布能夠發現新大陸,除了優秀的航海技術,天文知識也很重要!1503 年 6 月 30 日,從歐洲出發的哥倫布抵達牙買加,當地的原住民一開始很歡迎他們,還提供食物,但是後來一些不肖的水手欺騙而且偷竊原住民的東西,於是原住民停止供應他們食物。哥倫布從船上的天文年鑑中得知 1504 年 3 月 1 日即將發生月全食,於是告訴原住民如果不再提供食物給他們,神會發怒而且讓月亮變紅。3 月 1 日晚上,月亮果然如哥倫布所言,變成血紅色的月亮,原住民以為神真的生氣了,所以趕緊提供哥倫布食物。

哥倫布讓牙買加的原住名以為神生氣了,所以讓月亮變成血紅色。Author: Camille Flammarion

培根說:「知識就是力量」,哥倫布運用天文知識,讓牙買加的原住民繼續提供食物給他們,如果哥倫布不知道月食即將發生,他們能夠得到食物嗎?如果牙買加的原住民也知道月食即將發生,那麼他們會受騙嗎?如果有一天外星人來到地球,告訴我們地球即將毀滅,要我們提供所需,外星人才願意幫助我們,我們是不是有足夠的知識,能夠判斷外星人說的是不是正確?還是我們只能當牙買加的原住民?

不僅僅是月食,早期的人類對其他的一些天文現象也充滿恐懼,日食是天狗把太陽吞了,地上的人敲鑼打鼓要把天狗趕跑,彗星則是帶來厄運的掃把星,避之唯恐不及,流星雨就像世界末日一般,天上的星星都掉下來。不過當我們了解這些天象的來龍去脈,它們反而成為眾人追逐的對象,不少人為了看日食,不遠千里到世界各地觀看這難得天象,彗星更是大家追逐的目標,流星雨發生時,各個觀星地點更是人滿為患!

改變人類的價值觀

中世紀的時候,歐洲人普遍接受托勒密(Claudius Ptolemy)的地心說,也就是地球是整個宇宙的中心,太陽、月亮及行星都繞著地球運行。文藝復興時期的哥白尼(Nicolas Copernicus, 1473-1543)提出日心說,認為太陽才是宇宙的中心,地球和其他行星都是繞著太陽運行。布魯諾(Giordano Bruno, 1548-1600)更進一步地認為,太陽只是太陽系的中心,而它僅僅是銀河系眾多恆星中的一顆而已。

太陽只是銀河系中數千億顆恆星中的一顆,那麼我們的銀河系是宇宙中唯一的星系嗎?哈伯(Edwin Hubble, 1889-1953)證明仙女座星雲其實是銀河系外的一個星系,而我們的銀河系只不過是宇宙中許許多多星系中的一個!

宇宙如此的廣大,那麼它是怎麼來的呢?哈伯發現距離我們愈遠的星系,遠離我們的速度就愈快,不過我們並不是宇宙的中心,而是每個星系都在遠離彼此,這推翻了牛頓和愛因斯坦認為宇宙是靜止的想法。哈伯的這個發現後來衍生出大霹靂理論,大霹靂理論認為宇宙大約是137億年前誕生的,從一個非常小、非常炙熱的點膨脹到現在的樣子。我們的宇宙會繼續的膨脹下去嗎?是的,而且膨脹的速度還愈來愈快!天文學家不斷的改變我們的想法,從自我為中心到接受各種可能,就像所有科學探索的過程,一步一步朝著真理前進。

卡爾·薩根(Carl Sagan)建議讓遠離太陽系的航海家1號(Voyager 1),回頭對地球拍攝一幅影像,1990 年 2 月 14 日航海家 1 號已經遠在冥王星軌道之外,拍攝的影像中地球比一個畫素還小!如果不知道地球在影像中的位置,大概沒人能找到我們的家在哪裡,這個「蒼藍小點」就是地球上的生物世世代代生老病死的地方。

藍色圓圈中的小點就是我們的地球,棕色的條紋是太陽光芒造成的。影像來源:NASA航海家一號

離開地球,遠離太陽系,飛向宇宙,浩瀚無垠,那裡無限寬廣,沒有束縛,沒有限制,更沒有疆界,天文科學上許多未知等著我們去探索!

文章難易度
htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 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)

Tiger Hsiao_96
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現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。

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活躍黑洞的炙熱遺跡:費米泡泡
EASY天文地科小站_96
・2022/04/29 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星
圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team.

你看過銀河嗎?

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上,將會看到天上有一條淡淡的、若有似無的亮帶,好像一條薄薄的雲橫跨夜空,它正是我們所居住的星系 ── 銀河系(Milky Way)的盤面。在數位相機的加持之下,我們還能看到這薄薄的盤面上,其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶,複雜、深邃而美麗。

美麗的銀河。圖/陳子翔(CC BY-NC-ND 4.0)拍攝於清境。

但如果,你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛,你將看到兩個視角高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形「泡泡」,矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡 Fermi Bubbles」,是銀河系中巨大且神祕的結構之一。

費米泡泡的起源,以及存在的意義,一直是過去十多年來,天文學家相當關注的研究主題。

費米泡泡示意圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center

最近(2022 年 3 月),一篇刊登於《自然天文學》(Nature Astronomy)的研究顯示,壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前,銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。

費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞,腦海中浮現的第一個問題往往是:

「費米是誰?這個泡泡跟他有什麼關係?」

在物理界,恩里科.費米(Enrico Fermi)這個名字可謂家喻戶曉。他是 20 世紀初最重要的物理學家之一,曾參與曼哈頓計畫,設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈;並且在量子力學、核子物理、粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念、研究計畫不計其數。這之中,就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

費米太空望遠鏡。圖/NASA

正如其名,費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡,它於 2008 年發射升空,是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們,費米擁有更大的視野、更高的靈敏度和空間解析度,可以看得更廣、更暗、更清楚。

它的主要任務,是不斷的掃視整片天空,繪製伽瑪射線的全天地圖(all sky map),研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天體。

費米太空望遠鏡的十週年科學成果紀念海報。圖片中橢圓形的區域,就是費米拍攝的伽瑪射線全天圖,以等面積投影法投影成二維的圖。中間的水平亮帶源自銀河盤面上的氣體,上下兩個泡泡狀結構就是費米泡泡的示意圖。圖/NASA

費米太空望遠鏡升空短短兩年後,天文學家就從觀測資料中發現,如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體(比如銀河系的瀰散氣體、中子星、其他星系等)全部扣除,將會看到銀河中心的上下兩側,各有一對高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形區域,而這是從未發現過的銀河系新結構!

天文學家於是將它命名為「費米泡泡 Fermi Bubble」,以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。

相對於銀河系中的瀰散氣體,費米泡泡的亮度其實並不高。因此天文學家必須先小心翼翼的將其他伽瑪射線的來源建模並扣除,才能看到這巨大但黯淡的構造。影/NASA Video

而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外,天文學家也在微波和 X 射線波段看到了相似的結構。

在微波波段,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星(Planck)都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域,天文學家稱之為「微波薄霧 microwave haze」。而在 X 射線波段,2019 年才昇空的義羅西塔(eROSITA)衛星則發現了與費米泡泡相似,但是更大的泡泡狀結構,被稱為「eROSITA 泡泡」。

另外,在紫外線波段,雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構,但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線,可以計算出費米泡泡的膨脹速率,大約是每秒數百到數千公里的等級。

綜合以上資料,天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前,銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了 1048 – 1049 焦耳的龐大能量(相當於太陽終其一生釋放的能量,再乘以 10000 倍以上),並加熱了銀河系中心的氣體,使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天,就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。

但是,這張錯綜複雜的拼圖,還缺少了最核心的一塊:

這麼龐大的能量,究竟是從何而來?

超新星爆發還是黑洞噴流?費米泡泡的身世之謎

費米泡泡剛被發現不久,天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎,提出了兩位候選人:

第一種觀點,認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成,其中年輕的恆星由於壽命短暫,很快的就走完它的一生,並發生超新星爆炸,釋放出巨大的能量。

另一種觀點,則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體,並在過程中將能量以噴流(jet)或外流(outflow)的形式釋放出來。

兩種說法聽起來都頗有可能,而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象,那該怎麼知道哪邊才是對的呢?這時,天文學家們就兵分兩路,觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測,尋找更多可能的隱藏線索;理論學家則利用電腦模擬,嘗試在電腦中重現出觀測結果。

劇烈的超新星爆發(如左圖的 M82)與黑洞噴流(如右圖的 Centaurus A)都可能產生類似費米泡泡的結構。圖/NASA, ESA, CXC, and JPL-CaltechNASA/CXC/SAO, Rolf Olsen, JPL-Caltech, NRAO/AUI/NSF/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle

早年,兩派假說各有各的優勢,也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積,天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果,因此更具說服力。但即使如此,想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵,仍是相當困難的挑戰。

三個願望,一次滿足

然而今(2022)年三月,清大天文所楊湘怡教授利用三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation),就一次重現了費米泡泡、義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。

他們假設銀河系中心的超大質量黑洞,在 260 萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有 1050 焦耳的強大能量,其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時,電子會將能量傳遞給光子,就好像被保齡球打到的球瓶一樣,讓光子從低能量的可見光,變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制,讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。

與此同時,這些高能電子在銀河系的磁場中運動時,會以「同步輻射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波與無線電波,形成我們看到的微波薄霧。最後,強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時,會產生以每秒數千公里高速移動的震波(Shock Wave)。震波所到之處,受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線,成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度,也與紫外線觀測的結果相符。

這個研究結果,將伽瑪射線、X 光、紫外線到微波的所有觀測結果,用黑洞噴流漂亮的一次重現,這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。

將理論模擬的費米泡泡投影到銀河系的可見光影像上。圖中可以清楚的看到費米泡泡(Cosmic rays)、義羅西塔泡泡(Shocks)以及它們跟太陽到銀河系中心的距離(28000 光年)的大小比較。圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team

未來展望

那麼,費米泡泡的身世之迷,就此蓋棺論定了嗎?

嗯⋯⋯還沒這麼快。

無論多麼精細的模擬,終究是對真實世界的近似與簡化,理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制,計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多、更好的儀器,挑戰模擬的結果。

更宏觀的看,如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍,它釋放出的龐大的能量,是否曾對銀河系造成其他的影響?我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史,以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制?這些都有待天文學家的持續探索。

費米泡泡的故事,仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料(學術論文)

  1. Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
  2. Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
  3. X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
  4. Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year

延伸閱讀(報導與科普文章)

  1. 本次研究相關
  2. 費米泡泡相關
  3. 其他相關天文物理科普文章
EASY天文地科小站_96
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太陽系裡最大的峽谷、最高的火山,都在火星上!——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/23 ・769字 ・閱讀時間約 1 分鐘

布滿鐵鏽的紅色沙漠:火星

在地球上用望遠鏡觀察火星,火星上的地形很難看清楚,只能看到最明顯的三種顏色色塊:紅、黑和白色。

比起水星和金星,火星算是比較宜人的行星,人類已經發射許多太空船前往探索,未來甚至可能移民到火星上生活,火星很可能成為人類下一個家園。圖/麥浩斯出版

火星表面充滿紅色塵埃,這些紅色塵埃由氧化鐵組成,也就是鐵鏽,火星表面絕大部分被氧化鐵覆蓋,所以表面看起來是紅色。

火星表面還有黑色的玄武岩,這些黑色玄武岩不會一直在那裡,有時黑色玄武岩會被紅色塵土覆蓋,當紅色塵土被吹散,黑色玄武岩又裸露出來。火星在南北兩極有白色的極冠,極冠是由水冰和乾冰組成,南北兩極的極冠會隨著季節變換而改變大小。

在火星上,除了兩極的白色極冠,還可以看見一些由冰晶組成的藍白色水冰雲。

壯觀的峽谷和火山

雖然火星的直徑只有地球的一半,不過火星上的峽谷和火山卻非常壯觀。

水手峽谷(Valles Marineris)長度約四千公里,這相當於美國的寬度,最深可達 7 公里,是太陽系裡最大的峽谷之一。火星表面有一座太陽系裡最高的火山:奧林帕斯山(Olympus Mons),奧林帕斯山是座盾狀火山,如果從附近的平原算起,它的高度約 26 公里。

圖/麥浩斯出版

比起荒涼死寂的水星和高壓炙熱的金星,火星似乎有趣多了!

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版