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在汽油檔和柴油檔間切換的黑洞

臺北天文館_96
・2012/06/28 ・1319字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

黑洞是一具極強大且有效率的引擎,一邊吞吃物質,一邊將所進食物質的能量歸還給宇宙。當黑洞吸引了物質進入,另一方面它也啟動了一個輻射出密集的X射線的機制,並供應著噴流的動能。不過,似乎卻並非每個黑洞都以同樣方式進行進食和能量釋出。這件事情教天文學家頗感困惑;最近,荷蘭天文研究團隊研究兩個活躍黑洞後找到了一些證據並提出一種新看法,他們嘗試為這個問題提出這麼一個解答:就像汽車引擎的換檔機制一樣,或許每顆黑洞也都是在兩種模式當中來去切換。

黑洞的噴流,從中央向外爆發出速度逼近光速的強力物質流,它就像燈塔發出的強力聚光燈光束,也能夠對週遭環境演化帶來重大影響。譬如星系中央超大質量黑洞的噴流,能夠在一個星系群中吹出巨大的泡泡並加熱星系群中的氣體。

黑洞噴流還有另一類大手筆製作,就是大家也不太陌生的哈尼天體(Hanny’s Voorwerp)。在該地區中的氣體在被鄰近星系的黑洞噴流束擊中後,新恆星開始形成。諸如此類的現象表達出一個訊息:了解黑洞如何製造和傳遞其能量實在有其重要性,不過到目前為止其中已知的訊息仍充滿著不確定,這種情形直到最近才有所改觀。

要明瞭黑洞這個引擎運作的方式,必須先能解釋黑洞釋放的X射線和黑洞的噴流兩者之間具有怎樣的關連性,這一點,直到2003年時,才因有了實際的觀測而較為明朗。在發現兩者間具有關連性的頭一年所見的現象,似乎顯示所有的黑洞都以同樣的模式進食和運作,不過很快地,「怪胎」開始出現。一些特別不尋常的例子出現了,它們似乎仍然遵循著「能量經由X射線釋放轉換噴流」的規則,但是它們在進和出的比例上,卻和「模範寶寶」型黑洞之間似乎存在著差異。後來又發現到這種怪胎的數量竟是越來越多,看來似乎是「有兩種黑洞」:一種是燒汽油的引擎,而另一種則是燒柴油的引擎,所以運作模式才不盡相同。

多年來天文學家都在努力,希望合理化這兩類黑洞族群間所呈現的不同特性,但成績不太好。最近Michael Coriat等人的研究成果總算向前跨了一大步。他們發現,同一顆黑洞,似乎會在兩種高低效能模式當中做切換,亮度也會不同。這意思是黑洞未必按照兩種不同的引擎來做分類,反倒是,每顆黑洞都可遵循兩套規則,時而柴油,時而汽油,就好像在高、低檔上做切換一樣。

現在,兩位來自荷蘭SRON 太空研究所的研究員Peter Jonker 和他的博士後學生Eva Ratti同樣也對這個謎體的解開做出重要貢獻。他們使用錢卓太空望遠鏡做X射線的觀測,又用位於新墨西哥州的Extended VLA做電波觀測,觀測目標是,兩個黑洞系統的完整瘋狂進食過程。Eva Ratti 發表評論說:「無獨有偶地,我們所觀測的這兩顆黑洞也是會換檔的黑洞,這表示會換檔並非單一一個特別的黑洞所獨具的特性。事實上,我們的研究結果認為換檔現象應該在所有黑洞中都相當普遍。同時我們也發現,在這三個黑洞系統中發生換檔的時機,都同樣是在一個固定的X射線亮度範圍內」

上述最新研究成果對解釋黑洞的引擎功能,以及黑洞對於其週遭環境的演化影響等相關理論模型,是相當有意思的發現。相關論文獲刊於皇家天文學會月刊(MNRAS)。(Lauren譯)

資料來源:中研院天文網[2012.06.15]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3032字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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