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電腦裡的小宇宙,重現絢麗的恆星爆炸!

研之有物│中央研究院_96
・2018/12/05 ・3579字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 495 ・六年級
  • 採訪編輯|歐柏昇 美術編輯|張語辰

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

天文學家無法做實驗來製造一個宇宙,卻可以在超級電腦中製造小宇宙,探索宇宙中複雜的現象。中研院天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮,利用電腦模擬,揭開觀測背後的物理過程,了解超新星爆發的機制,以及超新星與宇宙學的關聯。

一般人對於天文學家的想像,是拿著望遠鏡觀測宇宙的仰觀者。陳科榮是大家較不熟悉的另一類型:模擬天文學家。
攝影│張語辰

模擬天文學家的望遠鏡:超級電腦

對於模擬天文學家而言,超級電腦就是望遠鏡。我們可以在超級電腦裡模擬我們的小宇宙。

為什麼研究宇宙需要用電腦模擬呢?陳科榮說明,物理、化學研究可以在實驗室裡做測試,但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來,必須仰賴電腦來做實驗。

用電腦模擬來研究宇宙,其基礎在於我們對物理的理解。我們覺得牛頓定律、電磁學等在宇宙其他地方也適用,就可用數學、物理的方程式,推算宇宙星體經歷的過程。然而,宇宙中的許多系統很複雜,沒辦法用人腦、用筆去算。因此,把物理方程式寫成程式,讓超級電腦計算。

何謂「超級電腦」?陳科榮解釋,當一台電腦的記憶體、運算速度,大約是一般筆電的超過一萬倍以上,就可稱做超級電腦。也就是說,在一般筆電要花一萬個小時的計算,在超級電腦只要花一小時。近年來,電腦運算速度越來越快,幫助我們處理更複雜的問題。

「模擬」是根據基本數學、物理建構出來,製造一個虛擬的世界。虛擬世界跟實際世界是否真的相關聯,這就需要驗證。

陳科榮舉了工業上的例子,說明電腦模擬的應用。過去沒有電腦模擬,若要測試新型汽車的效能,就會先製造一個實體的模型車,放在「風洞」裡,讓風吹向車子,觀察流線的分布,來判斷模型是否優良。現在不必花高成本製造模型車,只要用電腦模擬,計算流體力學,就可以了解流線的情況。確定模擬出的最佳結果之後,才需要做出實體的模型車,再放到風洞裡做實驗,省下了很多開發資源。

用電腦模擬,追探觀測背後的玄機!

用電腦模擬來研究天文,可以幫助我們了解:天文觀測到的現象背後,到底發生了什麼事。

陳科榮說明,我們一般看到宇宙都是看到「光」,光會帶來很多訊息,但有時比較表面。就像我們在大樓裡面討論事情,有些訊號可能會傳到大樓外,但是大部分的光線都被牆壁擋住,大樓外面的人無法得知我們在做什麼。

例如,超新星爆炸是發生在恆星內部的過程,我們只能看到爆炸後的現象,卻也想了解超新星爆炸內部的過程。做模擬的天文學家,便試著去探索背後的機制,了解爆炸怎麼產生。

以上方影片為例,這是陳科榮模擬「磁星」(magnetar) 的超新星爆發過程。簡單來說,中間有個很大的中子星,中子星放出的輻射促成了超新星的第二次爆炸。這種超新星爆炸會發出非常亮的光,且在輻射機制的加速過程中,被推出來的物質會承受流體的不穩定性。一開始小小的不均勻,可成長出「渦流」(eddy),形成大尺度的不穩定結構。

陳科榮發現,磁星的超新星爆炸機制,模擬出來的結構,竟然與下方右圖的蟹狀星雲非常像,推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。

磁星 (magnetar) 的超新星爆炸機制,左圖模擬出來的結構,與右圖的蟹狀星雲(紅框處)非常像。
資料來源│左圖:陳科榮,右圖:NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

陳科榮再舉一個爆炸模擬,如下方影片所示。一般想像的爆炸是四面八方擴散,但其實有種不均向的超新星,稱為極超新星 (hypernova)。爆炸能量主要集中在南北極,產生噴流的結構形成極大的不對稱性。這就像是大砲把恆星轟一個大洞,整顆炸開。

化作春泥更護花──超新星與宇宙學

陳科榮在博士班三年級的時候,得到一個獎學金,去德州大學做研究,開啟了宇宙學和超新星關聯的研究旅程。超新星對宇宙有何影響呢?陳科榮引用詩句來詮釋:

落紅不是無情物,化作春泥更護花。

星星就像是一朵花,這朵花是由它的泥土滋養而來。超新星爆炸時,這朵花就散落了,但是花瓣回歸到泥土,就繼續滋養下一代的花長大。超新星也是一樣,散出去的物質,變成之後下一代星星成長所需要的元素。因此,超新星是宇宙、恆星生命週期中的重要過程。

宇宙很大,恆星很小,恆星卻能影響宇宙。這就像是人體很大,細胞很小,但是細胞發生問題,可能會影響到整個人體。恆星、超新星、宇宙之間的關聯性相當重要,但因為跨越了巨大的物理空間,是不易研究的課題。

為求了解恆星對宇宙的影響,陳科榮做了宇宙結構的模擬,如下方影片所示。首先,恆星會發光,將周圍氣體加熱、游離化。如果恆星死亡後直接變成黑洞,氣體會慢慢冷卻。但若恆星變成了超新星,則會發生許多有趣的變化。

在超新星的爆炸過程,會見到「紊流」這個現象。無序的紊流,是普遍發生於自然界的擴散過程。例如,滴下一滴墨水,很快地,杯子裡的水都變成藍色。其實短短時間內發生的物理過程很複雜,出現了「瑞利 – 泰勒不穩定性」等現象,使得流體混合在一起。透過下方的電腦模擬影片,我們可以仔細品味其中的過程,以及無序之美。

  • (紊流影片來源│謝宜達提供)

難以入眠的模擬天文學家

宇宙星體很美麗,卻看似離實際利用較遙遠,那研究目的是什麼呢?陳科榮認為,研究基礎科學最重要的動機,是對人類知識做出貢獻,滿足人類的好奇心、求知慾。是否能夠拿來賺錢,總是往後才應用出來的事。

陳科榮舉例,電磁學之父法拉第發明了「電場」的概念,國王問他,這個東西對國王有什麼用?法拉第回答,他也不知道這能幹嘛,但是相信它未來會貢獻國王的稅收。後來,全世界一半以上的產值都和「電」有關。研究天文、宇宙,現在也不知道馬上能夠拿來幹嘛。

但若未來人類要去外太空旅行,也許就能知道要避開哪些爆炸的超新星。

談到研究的甘苦,陳科榮說,其實研究大部分時間都是苦的。一個研究結果出現,經常是失敗過很多次了。不過,痛苦與樂趣是相對的,如果沒有痛苦,就不會覺得快樂。如果有問題在腦中徘徊,經常睡覺就沒有睡好,但是想到答案時就很高興。他也有忙裡偷閒的方式,像是在美國時,有時自己一個人開車到山上躲個幾天,調劑身心。

模擬天文學家的另一項樂趣,是把研究成果作為藝術。超新星模擬結果的圖片,經常讓人感到新奇,容易登上新聞版面。陳科榮也常用模擬結果作為素材,創作出富有哲思的藝術品。

這是陳科榮相當自豪的一個超新星爆炸模型。過去他在加州大學聖塔克魯斯分校時,學校正好舉辦 50 週年校慶,選了他的這幅作品做成大型看板,擺在舊金山市區,配上標語 “Who says you can’t crack open a star?”(點圖放大)資料來源│陳科榮
這幅作品是把兩個不同的模擬結合在一起,外層是超新星爆炸的結構,裡面是宇宙的結構。納須彌於芥子,把一個很大的結構容納到一個非常小的尺度。陳科榮認為宇宙就是這樣:「一沙一世界,一花一天堂。」(點圖放大)
資料來源│陳科榮

另一方面,陳科榮認為,能夠當科學家是得到一種「優待」,可以做自己喜歡的事,又有薪水過活;在研究上,自己就是自己的「老闆」,是個自由的工作。

相對地,科學家也有許多義務,不僅要做好研究,對人類知識做出貢獻,也有一些社會責任:將知識傳承下去,教育下一代。陳科榮回到臺灣之後即身體力行,在中研院成立了「爆炸小組」,帶領學生一起做研究,希望幫助學生,並且讓研究環境變得更好。

陳科榮與「爆炸小組」的快樂小夥伴。
照片來源│陳科榮臉書

延伸閱讀

本著作由研之有物製作,原文為《電腦裡的小宇宙,重現絢麗的恆星爆炸!專訪陳科榮》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

科學月刊_96
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