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小型行星不見得一定要在富金屬星旁才能形成

臺北天文館_96
・2012/06/20 ・785字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

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一般認為類似地球這樣的小型行星絕大部分都得在如鐵或矽等金屬元素含量豐富的恆星周圍形成。但根據哥本哈根大學(University of Copenhagen)Lars A. Buchhave等人的最新研究結果顯示:小型行星可在銀河系各種金屬豐度的環境中形成,不見得一定得依附金屬豐度高的恆星,換言之,銀河系中的小型行星分佈極廣。

Buchhave等人藉由地面望遠鏡和克卜勒太空望遠鏡的觀測資料,研究150多顆恆星所擁有的226顆比海王星還小的系外行星,分析它們的組成成分,嘗試尋找小型行星是否像氣體巨行星一樣需要在特殊環境中形成。結果發現,即使在金屬豐度僅約太陽的25%的恆星周圍,都可以形成這類小型行星,這意味著:小型行星不需要再金屬豐度高的特殊環境中形成。

天文學家稱氫與氦以外的所有其他元素為「金屬元素(metal)」或「重元素」。金屬豐度(metallicity)則定義為恆星所含有的重元素含量,重元素含量比太陽多的,便稱為「富金屬星(metal-rich star)」,反之比太陽低的稱為「貧金屬星(metal-poor star)」。

行星都是在新恆星周圍的氣體塵埃盤中誕生。類似地球的行星幾乎全部是由像鐵、氧、矽和鎂等元素所組成;恆星金屬豐度反映了氣體塵埃盤的金屬元素含量。天文學家曾提出理論:若氣體塵埃盤中的金屬豐度比較高,則形成行星的效率較高;這點可在公轉週期很短的氣體巨行星基本上都與富金屬星有關這個現象上得到印證。

然而,從克卜勒等望遠鏡的資料看來:與氣體巨行星不同,小一點的行星與恆星金屬豐度並沒有很強的相關性。直徑約比地球大4倍左右的海王星級系外行星,所處環境的金屬含量相差很大,從貧金屬星到富金屬星均可,連一般科學家認為不太可能的地方,都能有這類超級地球的存在。或許正如侏羅紀公園電影中所說的:「自然總會找到自己的出口。」

資料來源:Small Planets Don’t Need ‘Heavy Metal’ Stars to Form[2012.06.13]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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謎樣的「超快自旋小行星」——什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?
科技大觀園_96
・2021/12/23 ・2604字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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超快自旋小行星的自旋週期小於兩小時。圖/沈佩泠繪

科學家相信,一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成,這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星,這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快,如果自旋速度超過一個極限,整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期 2 小時的極限,因為超過這個極限,小行星就會瓦解。 

圖中的黑點是一般小行星,圖中虛線是 2 小時的自旋週期,藍色圓點是超快自旋小行星,它們的自旋週期比一般小行星快,短於 2 小時。圖/章展誥提供

「凡事都有例外」,這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002 年,科學家發現一顆特別的小行星,它的長度大約 700 公尺,自旋週期只有半小時!這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑,是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?瓦礫堆模型不適用了嗎?還有其他更多的超快自旋小行星嗎?這些問題就成了章展誥的研究主題。

如何量測小行星的自旋週期?

小行星本身不發光,只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形,當太陽照射到面積最大那一側,小行星看起來最亮;當太陽照射面積最小那一側,小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。 

從小行星的亮度變化可以推算出它的自旋週期。圖/沈佩泠繪

章展誥於 2011 年取得中央大學天文所博士學位,當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究,後來轉跟隨葉永烜教授,與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型,自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星,章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠(Palomar Transient Factory)的 1.2 公尺廣視野望遠鏡,進行大量小行星自旋週期的測量。2014 年春季,他發現一顆疑似超快自旋小行星,這顆小行星的亮度相當暗,無法確定它是不是真的轉得很快,就像聽音樂時,音量很低,很難聽清楚是哪一首歌;這時如果你有一對大象般巨大的耳朵,就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號,章展誥需要大口徑的望遠鏡,進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。 

加州理工學院帕洛馬瞬變工廠的執行地——帕洛馬天文台。圖/Wikipedia

當時他正在加州理工學院訪問,便與加州理工學院的合作者使用他們的 5 公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認,結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現,證實了 2002 年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單,超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗,章展誥心中除了喜悅還有震撼,原來美國一流名校是這樣做研究的!取得 5 公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易,資源如此豐富,做研究自然得心應手。

除了轉得快,與其他小行星有什麼不同?

因為超快自旋小行星的相關研究成果,在 2017 年 4 月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」(Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017)上,國際天文學會(IAU)宣布將編號 10679 的小行星命名為 Chankaochang——章展誥小行星。到 2020 年 3 月為止,已知的超快自旋小行星一共有 26 顆,其中的 23 顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星,章展誥還進一步研究它們的組成和分佈,比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠,天文學家要如何研究小行星的組成呢?假設建築工地裡有三種建材,分別是磚頭、水泥和大理石,如果它們放在手碰不到的距離,要如何分辨?你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質,紅色是磚頭,灰色是水泥,白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法,他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現,這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間,這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎?它們比較靠近火星或木星?章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別,與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快,它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解,目前仍是未解之謎,期待未來章展誥能夠解開謎團,告訴我們答案。 

章展誥目前是中央大學天文所的助理研究學者。圖/章展誥提供

從星團到小行星 章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系,修過普通天文學後,覺得天文容易上手,後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生,開始他的天文研究之路。當時的時空背景,大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班,章展誥覺得天文比較親近,所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所,繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後,章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈,紅色精靈是一種高空閃電現象,他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈,這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後,章展誥曾經到科技業工作,後來覺得不同部門之間,對解決問題方式存在很大的差異,因此在一年後離開企業界,回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理,工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗,讓他可以幫助學弟解決研究上的問題,這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在 2006 年,他進入中央大學天文所博士班就讀,研究銀河系;博士後一直到現在,則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星,章展誥跨足天文、太空多個研究領域,至於未來,且讓我們拭目以待!

科技大觀園_96
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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?
EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2764字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會不會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大。這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

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EASY天文地科小站_96
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地球差點被「城市殺手」小行星撞上,天文學家都驚呆了……嗎?
活躍星系核_96
・2019/10/23 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

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編譯/ Fisher Wang

「七月底時,地球差點被小行星『城市殺手』撞上」這個說法雖然可以成功引起人們注意,但有點太誇大了。

那麼到底發生了什麼事呢?

2019年7月26號星期四早上,有一塊巨大的岩石從地球上飛過嗎?是的。

天文學家是不是幾乎沒有發現到它?不太對。

那結論是小行星真的差點撞到地球嗎?

呃,這次的小行星的確是靠得滿近的。這顆在 2019 年 7 月 25 號星期四接近地球,引起許多矚目的小行星被命名為 2019OK,直徑估計為 57 到 130 公尺,並以每小時 55,000 英里的速度移動。

當小行星 2019OK 通過地球附近時,只距離我們的地球不到 73,000 公里,等於只隔了 0.05 顆太陽!看起來好像很遠,但在偌大的宇宙中,這樣的距離算是非常接近了,就連月球都離地球將近 384,400 公里,我們通常不會希望一顆又大又髒、上面不知道帶著什麼外星生物的岩石比我們自己的衛星更靠近我們。

隨著隕石來到的外星生物示意圖。(誤)圖/imdb

不過,真實的小行星撞地球這樣的事情倒也不是太新鮮。早在 2013 年就曾經有一顆流星悄悄衝向地球,並在俄羅斯車里雅賓斯克(Chelyabinsk)上空離地 70 公里到 30 公里之間陸續發生三次爆炸,爆炸產生的衝擊波擊碎了四周的玻璃,間接導致將近 1,500 人受傷。車里雅賓斯克的這顆犯案流星直徑大概只有 20 公尺,比 2019OK 小得多。除此之外,在 2019OK 擦過地球前一陣子,才有一顆大概汽車大小的小行星 2019MO 在 6 月22日來到地球,並且在波多黎各以南幾百公里爆炸成一顆壯觀的火球。神秘的是,車里雅賓斯克的這顆犯案流星和 2019OK 居然都躲過了天文學家的設備,並對地球進行了太過突然的拜訪。

澳洲蒙納許大學(Monash University)天文學副教授麥可·布朗(Michael Brown)在《The Conversation》(起源於澳洲的非營利媒體,與研究機構合作傳播民眾科普知識。)對於本次 2019OK 就表示:「這表示這類型的小行星都有潛在危險,應該要事先警告。即使這顆小行星沒有對地球造成危害,也不代表其他顆不會。」

這些小行星我們的距離如此近,又沒有天文學家事先發現──聽起來很像一個很可怕的科學疏忽。

小行星撞地球,難道天文學家們不用負責警告嗎?

首先,雖然曾經發生一些令人遺憾的事件,但其實「小行星撞地球」沒有聽起來的那麼嚴重。我們當然可以因為 SIZE 就說 2019OK 是一顆「城市殺手」,畢竟一顆這麼大的石頭如果撞到城市的話,的確是有可能毀了一個城市。不過,根據專家說法,一顆直徑 57 公尺的小行星(相當於 2019OK 預估大小的最小值),1000 年中只有可能撞到地球一次;而直徑 130 公尺的小行星(相當於 2019OK 預估大小的最大值)更是20000 年才有可能撞到地球一次。並且,以一個「可以毀了一座城市」的潛力而言,2019OK 還是小 case。

亞利桑那州的巴林傑隕石坑,直徑1200公尺,深170公尺。圖/pixabay

除此之外,為什麼地球上沒有出現很多關於小行星撞地球、毀了地球家園的恐怖故事?因為岩石在穿過大氣層時會逐漸破碎,在天上引起爆炸燃燒殆盡比在你家後院留下隕石坑的可能性大多了。而且,地球上有 70% 都是海洋,剩餘 30% 的陸地上大部分也都很空曠。在這樣的狀況下,要有一顆石頭向地球迎面而來,並且它要夠大顆到可以穿越大氣層,還要剛好撞到人口稠密的城市地區,還要夠大顆到可以對城市帶來損害,這個機率實在是小到不行。

新墨西哥大學地球和行星科學兼任教授馬克·博斯洛 (Mark Boslough) 最近才跟美國 Gizmodo 雜誌(一個報導消費性電子產品的網站)的記者萊恩‧曼德爾巴 (Ryan F. Mandelbaum) 說道,「如果要去討論小行星撞到某個東西的後果,那可能很嚴重。但我們在講的是有潛力毀滅城市的殺手耶?要影響要大到可以消滅整個大陸地甚至導致某種文明崩潰,這個機率真的是太低了,所以我們也不會花太多時間擔心這種事。」

先不提會不會毀滅城市,為什麼沒有人發現?

好吧,即使「城市殺手」事實上不太可能毀滅城市,但它靠得這麼近,總是有機會造成一些損害吧?天文學家為什麼沒有早點發現它?

其實這樣講並不正確,巴西跟美國的研究機構都在 2019OK 經過地球的前幾天就發現了這件事,但因為 2019OK 的軌道出現不可解的變化,導致它從望遠鏡中消失,才讓天文學家們一直到它近距離接觸的前幾個小時才告訴大家。

2019OK 從太陽的方向過來,這讓地球上的望遠鏡很難從強光中看到它。這樣當然不是一個理想狀況,只是天空中其實有很多一般人意想不到的奇怪東西,這些東西也不會帶來立即性的傷害。有些東西也會從天文學家眼皮底下逃跑,但沒辦法,這就是科學研究的現況。

太陽。圖/Wikimedia Commons

不過大家也不用太擔心,NASA 監測了 90% 靠近地球軌道、直徑超過半公里的小行星,並且一直都在追蹤這些小行星的動向,天文學家們會在它們往地球衝過來的時候發出警告。目前還不知道除了撤離某些直接受影響區域之外,還能有什麼其他的處理方式,天文學家們正在努力想出還有什麼更好的方法。

NASA 表示,目前小行星撞擊是唯一一個可能被預防的自然災害,他們目前正在透過「雙小行星重定向測試計劃」(Double Asteroid Redirection Test; DART) 研究各種讓小行星轉彎的方法,希望最快可以在 2021 年推出這種媲美復仇者聯盟能力的技術。

布朗教授表示,「要是可以更早發現,我們就能有比破壞小行星有更多的選擇,因為破壞小行星會導致其分裂成更多碎塊,造成其他無法預知的災害。」由此可見,解決方案比起用力把石頭踢開,應該更接近溫柔地推開它。不過,說到底,一個大到可以殺死恐龍的大石頭也不太可能不知不覺地出現,所以大家可以不用太擔心外太空岩石撞地球導致人類三天內毀滅。(然後需要派布魯斯威利帶隊去把它炸掉)

發現它、面對它、處理它

雖然我們不應該假裝有城市差點被 2019OK 毀滅(事實上也的確不是),但這個故事提醒了我們,人類對太空所知還是太少。因此許多專家都提到,我們應該更注重調查周圍的星際環境,並且透過研究這些麻煩的小行星,找出要是真的出現大到足以產生威脅的小行星,我們該做些什麼。

透過超新星自動化調查程序(All Sky Automated Survey for SuperNovae, ASAS-SN,是一個主要用以搜索新的超新星與其它天文現象的自動程序,它在北半球和南半球都有 20 個機器人望遠鏡,每天會掃描一次整個天空。)發現 2019OK 的天文學家,俄亥俄州立大學教授克里斯•斯坦尼克(Kris Stanek)表示,「我想,這就是機率遊戲吧。因為它可能幾千年內都不會發生,我們就不會去思考怎麼保險。但是即使我是個好司機,我還是會買車險啊。因為你知道:我們永遠無法預料會發生什麼事。我雖然不是和平主義者,但我覺得人類至少花了數十億美元在不必要的需求或是傷害其他人上,這些錢應該拿來開發這些監測系統,至少我們有機會提早發現太空中那些可能對地球造成威脅的神秘東西,然後想辦法面對。」

本文編譯自 We were not almost killed by an asteroid this week

參考資料

活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia