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ALMA首篇科學觀測成果發現:環繞北落師門的行星質量遠小於原先認定

臺北天文館_96
・2012/05/01 ・1672字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

在天空中距離地球僅只有25光年,並且比太陽更亮20倍的北落師門(Fomalhaut)本身是個明顯易見的天體, 天候良好時,肉眼就可看到。但它的名氣有一部分更是來自於它的行星:Form b。在2008年時,就有學者透過哈柏望遠鏡觀測到這顆恆星的冰環內部似乎有一個移動的天體,不過Form b究竟是否存在,因為難以確認, 一度曾是天文學裡的暗啞之謎,一時無人能解。不過,ALMA的新觀測中已經開始為大家揭曉這個謎底。它證實:這個薄冰環無論內緣和外緣都是很銳利地突然切斷的。在數值模擬更進一步協助下,科學家認定:在環中的塵埃粒子其實是受到兩顆行星的重力牽制,被侷限在環中。兩顆行星中,一顆行星距離恆星是比環近,另一顆則比較遠。

模擬結果也得出行星質量的可能大小 –比火星略大,但不會比地球大很多倍,這讓天文學家跌破眼鏡,因為原先估得太大了~2008年時,哈柏望遠鏡觀測這顆內側行星時,曾以為這顆行星比土星還大,土星是太陽系中排名第二大的行星,不過後續的紅外線觀測,卻沒能找到這顆行星的影蹤。

如此一來,部分學者就質疑哈柏所看到的那顆行星其實根本不存在。並且哈柏在可見光波段所觀測到的極微小的粒子、因為被恆星的輻射向外推,使塵埃環結構變得有些模糊難辨。但ALMA是在(比可見光波)更長的波段裡進行觀測,它找到一些體積較大一點點的塵埃粒子 – 直徑約一毫米 – 並未受到母星的輻射而被推動,因此在ALMA的觀測下,就可以清楚顯示出盤的銳利邊緣及狀似「戒指」的環形結構,這可能是兩顆行星重力作用造成的結果。

曾獲頒Sagan Fellow獎的佛羅里達大學教授Aaron Boley表示:「結合ALMA觀測到的戒指環狀以及電腦模型得出的結果,我們能為任何靠近環結構附近的行星可能的質量大小和軌道很明確地訂出上下限。」Boley還進一步補充說:「我們認為這些行星的質量必然是非常小;否則行星應該已經把環狀結構破壞。」而正因行星的質量小,或許可以解釋為什麼先前的紅外線觀測裡看不到它。

同樣也來自佛羅里達大學的Matthew Payne表示,ALMA的研究顯示環狀結構寬度約為日地距離的16倍,厚度則只有寬度的1/7,「這個環也比先前所以為的更窄、更薄。」

Aaron Boley表示:「這個環距離母恆星有140AU,相較之下,在太陽系中,連冥王星距離太陽也只有40AU。運轉在距離恆星這麼遠的軌道上並且質量又這麼小,意味著這些行星,有可能是我們目前已知,繞行正常恆星的行星當中,溫度最低者。」

科學家進行北落師門觀測的時間是2011年9月左右,當時,66個天線碟還只完成了1/4。ALMA這座嶄新的望遠鏡,目前仍在施工中,明年全部完成時,完整系統將具有更強的觀測能力。即便是尚未完工,現在的ALMA也已經開始能為先前在毫米級觀測中困惑人的問題揭開朦朧面紗。

在ALMA協助下,天文學家獲得極有價值的證據,可明瞭這類行星系統如何形成和演化。本篇研究發現是ALMA進入公開觀測後階段(Phase 0)的第一篇科學論文發表。

附註:科學家第一次觀測到行星(或衛星)使塵埃環維持著鋒利邊緣的作用,是在1980年當Voyager 1飛抵土星時,它取得了土星環系統的細部圖像。以太陽系的天王星為例,其衛星:Cordelia 和 Ophelia也是「圈牧」著天王星的epsilon環,正和本次ALMA對北落師門(Fomalhaut)所觀測到的現象一樣,有著「環緣很銳利」的特色。這種會將行星環加以限制的衛星有個浪漫的名字:「牧羊衛星」。衛星或行星是藉由重力效應侷限住塵埃環。原因是在環內的行星繞行恆星的速度比環上的塵埃粒子還更快,它的重力為粒子增加能量,將它們向外推。在環外的行星,速度則比塵埃粒子慢,其重力減慢了粒子的能量,使它們略向內縮。(Lauren 譯)

該篇論文可參考:Constraining the Planetary System of Fomalhaut Using High-Resolution ALMA Observations.

圖片說明:來自ALMA的一張新照片讓我們更清楚看到環繞在北落師門周圍的塵埃環。位在圖片正中央的北落師門(Fomalhaut),是一顆明亮恆星,天候良好時,肉眼就可看到。藍色的部份是早先由哈柏望遠鏡所拍攝的照片,ALMA取得的圖像是右半部橘色的部份,在ALMA的協助下,天文學家對於這個距離地球相當近的行星系統有了重大而具突破性的認識,並且能更明瞭這類行星系統的形成和演化。目前ALMA只觀測了這個塵埃環的局部。

資料來源:中研院天文網[2012.04.20]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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被吸進黑洞會怎樣?黑洞和一般的洞,哪裡不一樣?——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/24 ・2414字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

如果我被吸進黑洞會怎麼樣?

很多人似乎都有這個疑問。

如果路上突然出現一個黑洞,會發生什麼事?圖/天下文化提供

「進入黑洞後會發生什麼事呢?」在許多科學書籍中都有提到,也是我們聽眾和讀者經常提出的問題。但是為什麼大家對這問題特別有興趣呢?難道公園裡處處都是黑洞?或是有人計畫在黑洞附近野餐,但又擔心放任他們的孩子在旁邊跑來跑去會發生問題?

可能不是。這個問題的吸睛度與實際上會不會發生無關,而是源自我們對迷人太空物體的基本好奇心。眾人皆知,黑洞是神祕莫測的奇怪空間區域,是時空結構中與宇宙實體完全脫節的「空洞」,任何東西都無法逃脫。

不過,掉入黑洞是什麼感覺呢?一定會死嗎?和掉進普通洞裡的感覺有什麼不同?你會在洞內發現宇宙深處的祕密,還是看到時空在你的眼皮子底下伸展開來?在黑洞裡面,眼睛(或大腦)能正常發揮功能嗎?

只有一種方法可以找到答案,那就是跳進黑洞。所以抓起你的野餐墊,和你的孩子說聲再見(也許是永別),然後牢牢抓緊,因為我們即將深入黑洞公園展開終極冒險。

讓我們跳進黑洞尋找答案吧!圖/天下文化提供

接近黑洞

當你接近黑洞時,注意到的第一件事可能是,黑洞確實看起來就像「黑色的洞」。黑洞是絕對黑色,本身完全不發射或反射光線,任何擊中黑洞的光都會被困在裡面。所以當你觀察黑洞時,眼睛看不到任何光子,大腦會將其解釋為黑色。

黑洞也是個不折不扣的洞。你可以將黑洞視為空間球體,任何進入黑洞的東西都會永遠留在裡面。這是因為已經留在黑洞內的東西所造成的重力效應:質量在黑洞中被壓縮得十分密集,進而產生巨大的重力影響。

為什麼?因為離有質量的東西愈近,重力愈強,而質量被壓縮代表你可以十分靠近質量中心。質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例,地球質量大約與一公分寬(大約一個彈珠大小)的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣,都是 1g。

如果你與黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣。圖/天下文化提供

但是當你分別接近兩者中心時,會發生截然不同的狀況。當你愈靠近地球中心點,愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你,把你平均的往各個方向拉。相反的,當你離黑洞愈近,感受到的重力愈大,因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。這就是黑洞強大的威力,超緊緻質量對周圍事物立即產生巨大影響。

當你離地球中心越近,就越感受不到重力,但當你離黑洞中心愈近,感受到的重力卻越大。圖/天下文化提供

真正緊緻的質量會在自身周圍產生極大重力,並且在一定距離處,把空間扭曲到連光都無法逃脫(請記住,重力不僅會拉動物體,還會扭曲空間)。光不能逃脫的臨界點稱為「事件視界」,在「某種程度」上,事件視界定義了黑洞從何處開始,以此距離為半徑的黑色球體則稱為黑洞。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。如果你把地球壓縮得足夠小,會得到一個彈珠大小的黑洞,因為在大約一公分距離內,光再也無法逃脫。但是如果你再壓縮更多質量,黑洞半徑就會更大。例如,你把太陽壓縮變小,空間扭曲程度更高,事件視界更遠,大約發生在距離中心點三公里處,因此黑洞寬度約六公里。質量愈大,黑洞愈大。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。圖/天下文化提供

其實,黑洞的大小並沒有理論限制。在太空中我們已探測到的黑洞寬度,最小約有二十公里,最大可達數百億公里。實際上,黑洞形成的限制只有周圍環繞物質的多寡,以及所允許的形成時間。

當你接近黑洞時,可能會注意到的第二件事是,黑洞通常不孤單寂寞。有時你會看到周圍東西掉進黑洞。或者更準確的說,你會看到東西在黑洞周圍旋轉等待落入。

這種東西稱為「吸積盤」,是由氣體、塵埃和其他物質組成。這些物質沒有被直接吸入黑洞,而是在軌道上盤旋等待、螺旋進入黑洞。這景象對於小黑洞而言,可能不是那麼令人印象深刻,但如果是超大質量黑洞,確實值得一看。氣體和塵埃以超高速度飛來飛去,產生非常強烈的純粹摩擦力,導致物質被撕裂,釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。這些類恆星(或稱類星體)的亮度,有時比單個星系中所有恆星的亮度總和還要高數千倍。

超大質量黑洞能釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。圖/天下文化提供

幸運的是,並不是所有黑洞,甚至是超大質量黑洞,都會形成類星體(或耀星體,就此而言,像是吃了類固醇的類星體)。大多數時候,吸積盤並沒有合適的東西或條件來創造如此戲劇化的場景。這也算是一樁美事,否則的話,你一靠近活動劇烈的類星體,可能會讓你在瞥見黑洞之前就氣化了。希望你選擇落入的黑洞周圍有個漂亮的、相對平靜的吸積盤,讓你有機會接近並好好欣賞。

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 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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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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在天空中距離地球僅只有25光年,並且比太陽更亮20倍的北落師門(Fomalhaut)本身是個明顯易見的天體, 天候良好時,肉眼就可看到。但它的名氣有一部分更是來自於它的行星:Form b。在2008年時,就有學者透過哈柏望遠鏡觀測到這顆恆星的冰環內部似乎有一個移動的天體,不過Form b究竟是否存在,因為難以確認, 一度曾是天文學裡的暗啞之謎,一時無人能解。不過,ALMA的新觀測中已經開始為大家揭曉這個謎底。它證實:這個薄冰環無論內緣和外緣都是很銳利地突然切斷的。在數值模擬更進一步協助下,科學家認定:在環中的塵埃粒子其實是受到兩顆行星的重力牽制,被侷限在環中。兩顆行星中,一顆行星距離恆星是比環近,另一顆則比較遠。

模擬結果也得出行星質量的可能大小 –比火星略大,但不會比地球大很多倍,這讓天文學家跌破眼鏡,因為原先估得太大了~2008年時,哈柏望遠鏡觀測這顆內側行星時,曾以為這顆行星比土星還大,土星是太陽系中排名第二大的行星,不過後續的紅外線觀測,卻沒能找到這顆行星的影蹤。

如此一來,部分學者就質疑哈柏所看到的那顆行星其實根本不存在。並且哈柏在可見光波段所觀測到的極微小的粒子、因為被恆星的輻射向外推,使塵埃環結構變得有些模糊難辨。但ALMA是在(比可見光波)更長的波段裡進行觀測,它找到一些體積較大一點點的塵埃粒子 – 直徑約一毫米 – 並未受到母星的輻射而被推動,因此在ALMA的觀測下,就可以清楚顯示出盤的銳利邊緣及狀似「戒指」的環形結構,這可能是兩顆行星重力作用造成的結果。

曾獲頒Sagan Fellow獎的佛羅里達大學教授Aaron Boley表示:「結合ALMA觀測到的戒指環狀以及電腦模型得出的結果,我們能為任何靠近環結構附近的行星可能的質量大小和軌道很明確地訂出上下限。」Boley還進一步補充說:「我們認為這些行星的質量必然是非常小;否則行星應該已經把環狀結構破壞。」而正因行星的質量小,或許可以解釋為什麼先前的紅外線觀測裡看不到它。

同樣也來自佛羅里達大學的Matthew Payne表示,ALMA的研究顯示環狀結構寬度約為日地距離的16倍,厚度則只有寬度的1/7,「這個環也比先前所以為的更窄、更薄。」

Aaron Boley表示:「這個環距離母恆星有140AU,相較之下,在太陽系中,連冥王星距離太陽也只有40AU。運轉在距離恆星這麼遠的軌道上並且質量又這麼小,意味著這些行星,有可能是我們目前已知,繞行正常恆星的行星當中,溫度最低者。」

科學家進行北落師門觀測的時間是2011年9月左右,當時,66個天線碟還只完成了1/4。ALMA這座嶄新的望遠鏡,目前仍在施工中,明年全部完成時,完整系統將具有更強的觀測能力。即便是尚未完工,現在的ALMA也已經開始能為先前在毫米級觀測中困惑人的問題揭開朦朧面紗。

在ALMA協助下,天文學家獲得極有價值的證據,可明瞭這類行星系統如何形成和演化。本篇研究發現是ALMA進入公開觀測後階段(Phase 0)的第一篇科學論文發表。

附註:科學家第一次觀測到行星(或衛星)使塵埃環維持著鋒利邊緣的作用,是在1980年當Voyager 1飛抵土星時,它取得了土星環系統的細部圖像。以太陽系的天王星為例,其衛星:Cordelia 和 Ophelia也是「圈牧」著天王星的epsilon環,正和本次ALMA對北落師門(Fomalhaut)所觀測到的現象一樣,有著「環緣很銳利」的特色。這種會將行星環加以限制的衛星有個浪漫的名字:「牧羊衛星」。衛星或行星是藉由重力效應侷限住塵埃環。原因是在環內的行星繞行恆星的速度比環上的塵埃粒子還更快,它的重力為粒子增加能量,將它們向外推。在環外的行星,速度則比塵埃粒子慢,其重力減慢了粒子的能量,使它們略向內縮。(Lauren 譯)

該篇論文可參考:Constraining the Planetary System of Fomalhaut Using High-Resolution ALMA Observations.

圖片說明:來自ALMA的一張新照片讓我們更清楚看到環繞在北落師門周圍的塵埃環。位在圖片正中央的北落師門(Fomalhaut),是一顆明亮恆星,天候良好時,肉眼就可看到。藍色的部份是早先由哈柏望遠鏡所拍攝的照片,ALMA取得的圖像是右半部橘色的部份,在ALMA的協助下,天文學家對於這個距離地球相當近的行星系統有了重大而具突破性的認識,並且能更明瞭這類行星系統的形成和演化。目前ALMA只觀測了這個塵埃環的局部。

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沒有「引力」,只有「時空扭曲」——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/04/30 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

廣義相對論的基本

廣義相對論,簡單地說就是兩點。

  • 第一,一個有質量的物質,會彎曲它周圍的時空。這是「物質告訴時空如何彎曲」。
  • 第二,在不受外力的情況下,一個物體總是沿著時空中的測地線運動。這是「時空告訴物質如何運動」。

這裡根本沒有引力的事,根本不需要引力。

這個畫面是這樣的。你可以將時空想像成一張彈簧床,本來彈簧床是平的,往上面放幾顆球,彈簧床上有球的地方周圍就變成彎曲的了——這幾顆球,彎曲了各自周圍的時空。

地球為什麼繞著太陽轉?牛頓認為那是因為太陽對地球有引力。但是廣義相對論認為,地球根本不知道太陽在哪裡,只是太陽把時空彎曲得比較厲害,地球是根據自己所在時空的測地線運動而已。就好像彈簧床上的小球可以繞著大球滾動,而你知道大球並沒有吸引小球,那只是因為彈簧床上大球的周圍有凹陷。

廣義相對論認為,地球根本不知道太陽在哪裡,只是太陽把時空彎曲得比較厲害,地球是根據自己所在時空的測地線運動而已。

同樣的時空,每個物體的速度不一樣,它們遵循的測地線也不一樣。有的物體會直接掉向太陽,有的會繞著太陽做橢圓運動,有的與太陽擦肩而過,這些都只不過是物體在沿著自己的測地線運動而已。

同一個時空不同的物體,測地線也不一樣。

當然,每個有質量的物體在彎曲時空當中運動的同時,也是在彎曲著自己周圍的時空,只是彎曲的程度不同。時空的形狀由這些物質共同決定,而所有物質都會沿著自己周圍時空的測地線運動。

用彈簧床打比方是不得已而為之,物質彎曲時空並不是如同小球在彈簧床上往下「壓」的結果,而是自然地彎曲周圍所有方向上的時空,所造成的結果。而且請注意,被彎曲的不僅僅是空間,還有時間,只是這部分,我們留到後面的章節再細說。

在這裡,我還要澄清一點。你也許會有這樣的疑問:既然高速運動物體的質量會增加,那多出來的質量是不是也會彎曲空間呢?答案是不會。廣義相對論裡說的「物質彎曲了空間」,可以理解成是物質的「靜止質量」在彎曲空間,靜止質量是所有座標系都同意的不變數。時空的內在幾何形狀是絕對的,但是時空在不同的座標系中被看成了不同的樣子。

廣義相對論就是這麼簡單。

自然運動狀態

愛因斯坦再一次看破了紅塵。什麼是引力?可以說根本沒有引力,有的只是時空的彎曲。

或者也可以說,所謂引力,就是在大尺度下才能看出來的、時空的彎曲。鯨魚的身體是曲線型的,但是如果近距離看,它身上每個地方都近似一塊很平的小平面。局部的測地線就是很直很直的直線,這就是為什麼我們上一章說「局部沒有引力」。

如果近看鯨魚,會覺得只是一塊平面(?)圖/envato elements

講到這裡,我們要重新定義「自然運動狀態」這個概念。所謂自然運動,就是在沒有任何外力干擾的情況下,一個物體自由自在的狀態。

亞里斯多德(Aristotle)認為自然的運動狀態是靜止。這符合我們的生活經驗——沒有外力干擾的東西好像都是靜止不動的。

後來,伽利略和牛頓說這不對,力並不是讓物體運動的原因,力其實是改變物體運動狀態的原因。一個物體在光滑的平面上滑動,如果沒有任何摩擦力干擾,它就會一直這樣運動下去。所以等速直線運動和靜止沒有差別,它們都是自然運動。

貓咪推了球之後,如果沒有任何摩擦力,球就會永無止盡的運動下去。圖/envato elements

而現在,愛因斯坦表示,一切沿著測地線的運動,都是自然運動。

可以想像太空中有一個周圍非常空曠、沒有任何星體的地方,這裡的時空是平直的,測地線是完美的直線,所以物體沿著測地線運動,正好就是等速直線運動。

如果時空是彎曲的,太空人就會繞著地球轉,而失控的電梯就會直接掉下去,這兩個運動看似不同,但其實都是自由落體運動,它們謹守本分地沿著自己的測地線運動。所以它們雖然有加速度,仍然是自然運動。

自由落體運動、等速直線運動,以及靜止,它們沒有本質上的差別。你在一個封閉的實驗室裡不管做什麼實驗,都沒有辦法區分它們。愛因斯坦表示它們是同一回事,都是沿著測地線運動,都是自然運動。

反過來說,你站在地面不動,站一會兒就累了,這其實是一種不自然的運動。你本來想沿著測地線往下掉,可是地板阻止了你。想要體驗真正的自由,你應該做自由落體運動。

都怪地板阻止了我們自由落體!(⋯⋯?)圖/envato elements

為什麼引力質量正好等於慣性質量,為什麼一輕一重兩個鐵球會同時著地?現在,廣義相對論給這個巧合提供了一個解釋——因為只要質量沒有大到能與地球相提並論、足以顯著影響周圍時空的形狀的程度,測地線就只和物體的初始速度有關,與質量無關!

回頭再看上一章中講的兩個想像實驗。不管你是在加速的火箭上,還是站在地面不動,都有一個外力在阻止你沿著測地線走,所以它們是一樣的。

無論是在地球附近自由落體,還是在太空中空曠、沒有任何星體的地方做等速直線運動,都是沿著該地測地線的自然運動,所以它們也是一樣的。

無論是在地球附近自由落體,還是在太空中空曠的地方做等速直線運動,都是沿著該地測地線的自然運動。圖/envato elements

只要你接受時空尺寸是相對的,你就能接受狹義相對論;只要你接受時空可以彎曲,你就能接受廣義相對論。接受了時空的這兩個性質,光速為什麼不變、慣性質量為什麼等於引力質量、引力到底是不是真實的存在⋯⋯這些問題就不用再糾結了。

所以,相對論是個簡單理論,它只是相當深刻;其實我覺得廣義相對論比狹義相對論還容易理解,它只是美麗非常。

也許下次看見鯨魚的時候,你可以想起廣義相對論。

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遠流出版_96
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