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星系進食習慣會隨時間改變

臺北天文館_96
・2012/03/19 ・953字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

天文學家利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)觀察鯨魚座方向、青少年期的星系成長的狀況;這是這類巡天工作中規模最龐大的一次。由巡天資料,天文學家發現年輕星系的進食習慣會隨著它們成長而改變。這些年輕星系大都位在大霹靂後約30~50億年的時期中。它們最初會像吃喜愛的小點心般,緩慢而平穩的吸收氣體;但之後,絕大部分星系開始狼吞虎嚥,以其他較小星系為主食。

天文學家已知宇宙早期的星系比現今宇宙中的螺旋星系和橢圓星系都小很多。這些星系必須藉由進食才能逐漸成長茁壯,但它們得的進食習慣究竟為何,迄今仍是未解之謎。因此由法國IRAP的Thierry Contini等人利用VLT進行MASSIV(Mass Assembly Survey with SINFONI in VVDS)巡天工作,觀測那些被挑選過、約大霹靂後30~50年的星系;以星系生命期來看,這些星系位在宇宙早期,相當於人類的青少年期,相當年輕,因此星系中充滿氣體。

關於星系成長的理論,主要有兩種:一種是大一點的星系經由併吞小一點的星系這樣的劇烈合併事件而成長,另一種則是有氣體持續而平緩的從星系外流入星系。兩種方式都可以產生大量新恆星。Contini等人從MASSIV巡天資料發現:當宇宙年齡約30~50億歲時,星系進食習慣開始轉變。在此之前的星系主要是經由持續而平緩的補充氣體來成長;在此之後的則是以吞噬合併為主。

這份巡天資料除了提供星系進食習慣改變得狀況外,還讓Contini等人發現:許多星系中的氣體並沒有自轉現象,但現今宇宙中卻沒觀測到這類星系;第二個意外發現則是這些位在宇宙早期的年輕星系中,有許多星系的重元素居然是集中在星系外圍部分,這個現象也和現今宇宙中的星系現狀相反。頁首圖片呈現MASSIV的一部份,其中彩色部分是SINFONI光譜觀測的星系氣體運動結果,藍色代表氣體朝地球方向移動,紅色代表朝背對地球的方向移動。

類似MASSIV巡天工作中所偵測的遙遠星系,通常都非常昏暗,因此必須利用解析度高的望遠鏡和靈敏度高的偵測儀器才能觀察到它們的細節。在VLT望遠鏡和SINFONI近紅外光譜相機的協助下,Contini等人才能觀測到星系各個部分如何運動以及組成成分是什麼等等。雖然如此,Contini等人仍盼望未來歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope,E-ELT)建成之後,類似的巡天工作可以帶給他們更多驚喜。

資料來源:The Feeding Habits of Teenage Galaxies[2012.03.14]

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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來自137 億年前的訊息!透過重力波,一窺「宇宙誕生」的真相──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/09 ・4055字 ・閱讀時間約 8 分鐘

重力波不只能提供星體的資訊!

說到重力波,一般人可能會想到黑洞、中子星、超新星這三個引發話題的星體。不過,只有在這些星體事件發生的「瞬間」,才會產生重力波,就像宇宙中的一場秀一樣。而當重力波通過後,就無法再偵測到這些資訊。

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圖/GIPHY

譬如,LIGO 在 2015 年 9 月捕捉到的就是「來自 13 億光年外星體的重力波」。不過,和宇宙年齡相比,這其實是相對較年輕的星體事件。

我們有沒有辦法捕捉到很久很久以前,宇宙剛誕生時產生的重力波,也就是暴脹時期產生的重力波呢?

為什麼宇宙正在急速膨脹?

138 億年前,宇宙在超高溫、超高壓下,以「火球」的樣貌誕生,這就是所謂的「大霹靂」。在這之後,隨著宇宙的急速膨脹,溫度與密度逐漸下降,然後演變現在的樣貌。

這就是大霹靂宇宙論,也是目前多數學者支持的標準宇宙論。

那麼,為什麼會產生「火球宇宙」這個超高溫、超高壓的世界呢?為什麼宇宙不是一直保持原樣(不是保持相同大小),而是會急速膨脹呢?目前有一個較被接受的說法,那就是前面提過許多次的「暴脹理論

在這個理論中,宇宙初期並沒有任何物質或光,而是一個充滿能量的真空。透過這些真空能量,宇宙用比光速還快的速度,呈指數函數膨脹。

而在暴脹時期結束後,這些真空能量轉變成了光(火球),於是產生了超高溫、超高壓的宇宙,這就是所謂的大霹靂。

目前科學界的研究和觀測結果大多支持大霹靂學說。圖/NASA

不過,如果空間中存在許多能量的話,應該會存在像重力這樣使空間收縮的力才對。為什麼空間會以超越光速的速度迅速膨脹,進入暴脹時期呢?

學者們用「暴脹子場」這種量子場中的真空能量,說明暴脹時期。

暴脹子場是個未證實存在的純量場。就目前而言,它的存在仍處於假說階段。

目前已知的純量場,譬如 2012 年時,由瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織 CERN 在 LHC 實驗中發現並發表,由希格斯玻色子產生的希格斯場。研究者們也因此而獲得 2013 年諾貝爾物理學獎,各位應該還記憶猶新。

137億歲的宇宙,至今仍然不斷膨脹

暴脹子場與希格斯場在質量與粒子的結合力上,都有著很大的差異。暴脹子場的真空中,會產生長時間的負壓。而這個負壓會造成宇宙加速膨脹。

這點與目前的暗能量機制十分類似。有人猜想暗能量可能是未發現的純量場。與暴脹時期相同,目前的宇宙中可能存在著未知純量場的真空能量,就像暗能量般,佔了全宇宙能量的 70%。

宇宙中佔了 30% 能量之物質,與佔了 0.1% 的光會產生引力,但比不過真空能量所產生的斥力,所以目前宇宙正在加速膨脹。

宇宙仍在不斷的擴大。圖/NASA

順帶一提,即使物質與光的能量佔宇宙的 100%,宇宙也只是減速膨脹而已,並不會收縮回去。因為膨脹初期的速度過快,所以宇宙只會持續膨脹下去。

宇宙誕生的第一步——「原始重力波」

暴脹時期結束後,空間能量會迅速轉變成物質能量,使宇宙轉變成超高溫、超高壓、充滿輻射的狀態。這就是大霹靂「火球」。暴脹理論說明了幾點。

首先是前面提到的「膨脹速度超越光速的宇宙」

這造成了我們現在看到的(宇宙視界內的)宇宙溫度擁有各向同性,在 10 萬分之 1 的精度下,為絕對溫度 2.723K(約 3K 的宇宙微波背景輻射(CMB))。

在大霹靂學說中,宇宙微波背景輻射是宇宙誕生時所遺留下來的熱輻射。圖/ESA

第二,這個急速膨脹,使宇宙的形狀在幾何學上變得相當平坦,就像膨脹的氣球一樣。

再者,暴脹子場的量子擾動,是宇宙初期物質擾動的來源,也就是3K宇宙微波背景輻射所觀測到的溫度擾動。暴脹子場也含有量子的擾動。這些小小的擾動在短時間內暴脹過程中,急速膨脹,延伸至宇宙視界的彼端,造成現今宇宙中不同區域的密度差異,這也是形成星系的種子

CMB 觀測到的「溫度擾動」,正是暴脹時期產生之暴脹子場的量子擾動。

另外,在重力波方面,暴脹時期不僅會產生前述密度(溫度)的擾動,也會產生「時空擾動」。急速膨脹的過程中,真空會一直變化,成對產生重力子,這與黑洞周圍產生霍金幅射的機制類似。

學者們認為這種重力波現今仍存在,稱其為「原始重力波」。因為整個宇宙都存在這種重力波,所以也叫做背景重力波。若能檢出這種背景重力波,不只能成為暴脹理論的證據,也會是宇宙起源相關研究的一大步。

原始重力波就像是背景雜訊一樣,在宇宙四處飄蕩

黑洞雙星的合併會產生重力波,不過當重力波通過地球,被 LIGO 觀測到時,該事件便已結束。不只是黑洞,中子星雙星的合併、超新星爆發也一樣。

不過,暴脹時期產生的重力波並非如此。當時整個宇宙充滿了重力波。不過這種重力波就像白噪音般的存在,很難分析這種波的狀態,所以也叫做背景重力波。若依波的種類來分,可以將其算在駐波。如何找到這種駐波,是我們現在的課題。

重力波可以分成兩種,來自近期星體活動的重力波,以及來自宇宙誕生的背景重力波。圖/台灣東販

與光波不同,重力波的偏振方式可以分成十字形(+)與交叉形(×)2 種,如下圖所示。十字形的偏振會往縱向與橫向伸縮、交叉形偏振則會往斜向伸縮,如其名所示。這兩種波疊合後,會變成圖中右方的樣子,往外傳播。

隨著時間的經過,來自黑洞的重力波會持續前進;但暴脹時期產生的重力波為「背景重力波」,是一種駐波,就像噪音一樣充滿在整個宇宙中。如果能發現這種波,就能證明暴脹理論。

重力波由十字形、交叉型兩種偏振方式所組成。圖/台灣東販

宇宙之窗:暴脹子場是什麼?

暴脹時期產生的「暴脹子場」究竟是什麼樣的東西呢?

重複一次,暴脹子場被認為是某種未知、很重的純量場,其質量上限在 1013GeV 以下。目前這個低能量宇宙中,已經不存在暴脹子場。即使透過粒子對撞,產生目前可達到的最高能量(數 10TeV,相當於數 10 京度的溫度),也沒辦法產生這種場。

每種基本粒子都有著伴隨其出現的「量子場」。

譬如希格斯場會伴隨著希格斯玻色子出現。就希格斯場這種純量場而言,其存在機率最高的期望值稱做場值(真空值),是希格斯玻色子的位置。而場值周圍存在所謂的量子擾動。這種量子擾動只有在微觀尺度下有意義。

在我們生活的巨觀尺度下,幾乎察覺不到任何量子擾動,所以我們平常的生活並不會意識到它們。

我們周圍有許多電路會用到二極體。在微觀尺度下看這些電路,會看到粒子般的電子周圍有量子擾動,這種量子擾動對二極體來說相當重要。

在這種量子擾動下,電流只能沿著電路中可跳躍量子擾動的方向流動,二極體才有如此特別的性質,可見量子論也是現代科技中的重要理論。

所以說,考慮初期宇宙中暴脹子場的量子擾動,可以知道當宇宙還很小時,暴脹並非在宇宙中的各個地方同時間發生。宇宙中各個地方開始暴脹與結束暴脹的時間都不一樣。

量子擾動除了會造成時間擾動,在某些條件下,我們也可以在巨觀視界下感受到密度和溫度的擾動。圖/台灣東販

量子擾動會造成時間擾動,不過在暴脹這種急速膨脹後,會轉變成超越視界的古典擾動,所以我們會在巨觀視界下觀察到,各個地方都有著不同的密度。這就是所謂的「密度擾動」或「溫度擾動」。

總而言之,最初產生量子擾動後,隨著空間的急速膨脹而迅速延伸,轉變成了空間性的密度擾動。

備註

  • 暴脹理論與大霹靂的名稱

1981 年,佐藤勝彥在大統一模型的框架下,提出真空相變會造成宇宙呈指數函數膨脹的理論。同年,古斯也發表了同樣的想法。自宇宙誕生的瞬間起(依大統一理論,約為 10−38 秒後~10−36 秒後)宇宙會以超越光速的速度,呈指數函數膨脹,然後轉變成大霹靂的「火球」宇宙。

1980 年時,為修正愛因斯坦的重力觀點,學者們提出了以指數函數膨脹中的宇宙。

而在 20 世紀初,多數學者認為「宇宙永遠不會改變」(宇宙穩態論),沒有開始,沒有結束,大小也永遠不會改變。不過宇宙穩態論的擁護者霍伊爾(Fred Hoyle)曾在某個廣播節目中說「宇宙的開始?那是大霹靂的觀點(the ‘big bang’ idea)」,於是「大霹靂」這個名稱就定了下來。

當時連愛因斯坦都相信宇宙穩態論,否定膨脹宇宙。不過在觀測結果陸續出爐後,哈伯(Edwin Hubble)、勒梅特(Georges Lemaître)等人成功說服了愛因斯坦接受宇宙正在膨脹。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350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

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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誰在海邊蓋天文台啊(惱)──世界第一座電波干涉儀
全國大學天文社聯盟
・2022/04/15 ・4114字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/玄冥
    曾經做過 Radio Astronomy,現在叛逃去 Structure Formation 了,但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨,澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待,將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前,他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向,但是今天不一樣,他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道,他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術(Radio Interferometry),用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術,如果說大家對電波干涉術不熟悉的話,那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新(圖一)。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術,拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡(EHT)」(圖二)。

圖一:事件視界望遠鏡拍攝之 M87 星系中心的超大質量黑洞。圖/EHT
圖二:事件視界望遠鏡。圖/NRAO

大家聽到「電波干涉儀」時,腦海中浮出的想像,可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上,電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的(圖三),以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術,再介紹兩者結合的原理,一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

圖三:在澳洲 Dover Heights 岸邊的電波干涉儀。圖/CSIRO

什麼是無線電波?

無線電波(Radio wave,簡稱電波)是一種電磁波,它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播,以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段,因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是,相對於可見光波,電波波長更長(約 1 mm 以上),較容易穿過障礙物,讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體(如原恆星)。然而,能穿透障礙物的代價是,在相同的望遠鏡口徑下,電波望遠鏡的「角解析度(Angular resolution)」比較低。

角解析度(或稱角分辨率)是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力,白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑,但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻,如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度,是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。圖/envato elements

光的干涉,相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中,我們將光源對準布幕,並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光,便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋,源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同,因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反,會造成相消干涉而形成暗紋;若抵達布幕時震動方向相同,則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些(見圖四、五)。從實驗設備的上方俯視,藍色的點代表光源,紅色的點則是紙板上的狹縫位置,圖片底端是布幕,白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現,當狹縫間距越遠,布幕上亮紋就越細緻,而從圖五則可以看見,當光源橫向移動時,布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出,越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感,電波作為一種波亦有相同的特性。

圖四(左)、圖五(右):雙狹縫干涉示意圖。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍?

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機,通常會將電波接收器對準海平面,隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器(紅點)跟敵機(藍點)以及海面(黑色區域)的相對位置圖,此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器,其中較短的電波是從敵機直達接收器,而較長的則是經海面反射後抵達接收器,這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

圖六(左)、圖七(右):海岸干涉儀示意圖。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣,對波源的移動非常敏感(圖六),因此可以非常準確的判斷出敵機的位置;而如圖七所示,當電波接收器與海平面之間的高度差愈大,干涉條紋愈細緻,這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上,如果將電波接收器放在濱海的峭壁上,其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器,這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束,許多軍事科技被轉為民用或科研用途,電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說,電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時,因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候,往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度,人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關,卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現,天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈,其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊,這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧!

銀河系和太陽,是天空中兩個最亮的電波源,因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到,較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代,因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位,而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後,澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手,在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀,以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度,由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分(約 1/10 度),也得知這個天體的大小在八角分以下。

在美國新墨西哥州的無線電干涉儀:甚大天線陣Very Large Array。圖/Hajor, CC BY-SA 3.0

然而弔詭的是,如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體,這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體!更令人驚訝的是,該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星,於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A(4) 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空,陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下,天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系(5)(圖八、九)。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系,然而在電波望遠鏡下,時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出,噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道,噴流是在星系中心大質量黑洞進食(吸積)時所噴出的強烈電漿流,其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波,從而被電波干涉儀接收。

圖八:由甚大天線陣列(VLA)拍攝之天鵝座A電波星系的電波影像。圖/Mhardcastle, VLA data
圖九:由歐洲南方天文台拍攝之人馬座 A 電波星系,結合可見光與電波的影像。圖/ESO

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈,因此對星系演化有著至關重要的影響,今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷,如今的電波干涉儀,已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉,不再是依託於大海的孤立接收器;干涉儀技術的改良,立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往,而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往,人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往,因此當硝煙散去,人們便互相合作,將戰時的科技化作探索太空的利器,揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今,我們擁有更強大的科技,希望人們能夠繼承這份嚮往,一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

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  3. 黑洞攝影怎麼拍?七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
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  5. 太陽升起前,把握最後的永夜!與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  6. 人類史上首張黑洞近照:這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的? – PanSci 泛科學

參考資料

  1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
  2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the SunNature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspotsProceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(4087), 312-313.
  5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.
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