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LB-1 雙星系統的神秘伴星到底是什麼?一顆失落黑洞的論戰

活躍星系核_96
・2020/05/19 ・4066字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 515 ・六年級
  • 文/陳明堂│中央研究院天文所及天文物理研究所研究員,兼天文所夏威夷運轉副所長。

在過去的幾個月中,關於一顆黑洞存在與否的問題,在天文學界引發一場熱烈的科學論戰。

論戰的起源來自去年 (2019) 11 月底,《自然》雜誌刊登的一篇關於發現黑洞的論文。那是由中國天文學家領導的國際科學團隊發表的研究成果。他們宣稱找到一顆非常特別的黑洞。特別的地方在於這個黑洞的質量:相當於 70 個太陽。

對專門研究「星體黑洞」(Stellar Black Hole ,或稱恆星黑洞)的科學家而言,質量大於 10 個太陽的黑洞就算是很罕見了。因此,找到一顆 70 個太陽質量的恆星黑洞,會是個空前的發現,而且可能改寫重要的黑洞和星球形成理論。因此這個成果登上了《自然》科學雜誌中,並且引起國際天文界的注意。

藝術家所繪雙星系統星球黑洞示意圖。主要根據甚大望遠鏡(Very Large Telescope)與錢卓拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)針對另一雙星系統的觀察。圖\wikipedia Credit:ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

這次成果的觀測資料主要來自於中國的「郭守敬望遠鏡」,搭配西班牙的 Gran 望遠鏡和夏威夷的凱克望遠鏡。郭守敬望遠鏡 (英文名: Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope ,簡稱 LAMOST) 是一座由中國主導建造的光學望遠鏡。主鏡的直徑 4 公尺,望遠鏡位在北京西北邊約 115 公里,海拔九百多公尺的興隆觀測站。 這座望遠鏡是十年前完成的。這一次的空前發現,對這一座觀測環境並不是太理想的國家級望遠鏡,是一件轟動中國科學界的大事。

某些恆星的末路:恆星黑洞

以目前我們對於恆星演化的理解,當星球把所有的燃料用光的時候,那時候它們再也沒有能量維持向外的壓力,而它本身的重力將會把所有的質量往內擠壓。如果星球的質量足夠大的話,它的重力可以大到把自己一直往內塌縮,一直縮到「事件視界」的範圍內。從這個過程產生的黑洞,我們稱之為恆星黑洞,或是「星體黑洞」。

並不是所有星球的演化都會產生黑洞的;像我們的太陽,它的質量還不足夠大到能形成黑洞程度,當它燃料用盡時會變成「白矮星」。而比太陽大一些的星體,會變成「中子星」。

當一顆巨大的恆星耗盡燃料時,它會坍塌並爆炸成超新星。圖\NASA 資料庫

比太陽大 10 倍以上的星體才會變成「黑洞」!這類型的恆星會最終爆炸成為「超新星」,爆炸的過程會把一些星體的質量往外拋出,成為星際物質;同時,還會有往內的壓力,擠壓原本就非常緻密的星核,由此形成黑洞。形成的黑洞質量大約是太陽的數倍到二、三十倍。三十倍太陽質量以上的黑洞,它們成因就比較複雜了,如果環境不對(像是我們的銀河系), 就可能無法成型。

天文學家對大質量黑洞(幾百個太陽質量以上)的成因了解有限,目前沒有一致的定論。最近的一個研究,發現最靠近我們的星體黑洞,距離地球大約有 1,000 光年,質量是 4 個太陽。

一個具有 4 個太陽質量的黑洞,它的直徑比台北的大安區略大;而 70 個太陽質量的黑洞的直徑大約就像台北市那麼大。在浩瀚無垠的宇宙中,這是一個再微小不過的範圍。除非是在我們太陽系附近,不然以目前的儀器,我們無法直接觀測到如此小的星體。

找尋星體黑洞主要靠間接的量測,常見的方法有二:一是觀察黑洞周遭恆星軌道的變動,二是尋找黑洞吸積盤物質因快速摩擦而釋放出的各種電磁波(可見光、紅外光、無線電波、 X 射線等)。

中國團隊宣稱: LB-1 雙星系統有個 70 個太陽質量的黑洞!

這次中國的科學團隊觀測的目標是一個叫做 LB-1 的星體。在視覺上,它在望遠鏡中只看到單一個光點,看不出什麼特別的。但是從它發出的光譜,天文學家判斷該系統是一組雙星系統。兩顆互相環繞的星體,其中之一是顆發出可見光的普通恆星;另一顆伴星似乎沒有訊號。根據 LB-1 光譜的分析,天文學家知道發光的恆星的大致的組成成份,並根據目前的恆星演化理論,了解該星體的物理狀況:像是溫度、大小、年齡等等。至於它的神秘伴星,由於以往的觀測看不到它的訊號,過去一般認為它若不是中子星,就是黑洞。

小知識:對於雙星系統的估測

天文學家有一套估算這種雙星體的旋轉週期、相對質量、軌道形狀的技術。這個技術源自於 17 世紀的克普勒 (Kepler) 先生發現的定律,一直沿用到現在。雖然在視覺上,我們無法直接看到 LB-1 的雙星運動,現代的天文學家還是可以透過量測它的可見光光譜的變動,得知雙星的旋轉週期。
恆星的燃燒靠著是氫原子融合,而一堆火熱的氫原子聚在一起就會發出某些氫原子特有的光。我們知道一顆靜止不動的恆星,這些特定的光會出現在在光譜的固定頻率上。但是如果這顆恆星是繞著另外一顆星體打轉,那麼這些特定的光譜線,就會在原本的固定點,左右變動著。這就是所謂的都普勒光譜效應:當恆星是朝著地球過來,光譜線的頻率就會增加;反之,則是降低。

藝術家所繪天蠍座AR雙星系統示意圖,此雙星系由白矮星和紅矮星組成。By M. Garlick/University of Warwick/ESO – CC BY 4.0

中國團隊就是靠著分析 LB-1 發出的光譜變動,宣稱它的神秘伴星是一顆黑洞,而且其質量高達前所未見的 70 個太陽。

中國團隊的發表中認定,LB-1 是一個距離我們 1  萬 4 千光年的的雙星系統。 它包含一顆 8 個太陽質量的恆星,和一顆 70 個太陽質量的黑洞。 另外,靠近黑洞的周遭圍繞著一環盤狀的氣態雲,這個氣態環跟隨著黑洞,與主星以大約 80 天的週期互相圍繞著。黑洞不會發出訊號,但是靠近它的氣態雲會發光,並且發射出氫原子的特殊譜線,稱為 H-alpha 譜線。透過觀測這條光譜線的頻率變動,科學家們可以推測雙星體的旋轉週期、相對質量、軌道形狀等物理參數。

根據目前的星體演化模型,如此大質量的黑洞不可能在銀河系這般的星系中形成的。這是銀河系中星體的普遍成份,造成大質量的恆星在它們演化末期,跳過了重力崩塌的過程,而將所有物質全部向外炸開,灰飛煙滅。所以也不會有黑洞這塊墓碑留下來。

70 個太陽質量的星體黑洞出現在我們的銀河系中,這個空前的發現如果被證實的話,對已知的天文理論具有革命性的結果。因此,這顆黑洞的質量特別引起世界各地的天文學家的注意。

分析錯了嗎?各國質疑聲浪紛紛出現

該篇《自然》論文發表後,不到十日,天文界出現質疑的聲浪。三篇反駁性的論文,分別來自美國、紐西蘭-英國-澳洲、比利時三地的團隊,一致性的質疑中國團隊的詮釋光譜資料的正確性。並且提出各自的分析方法,從同樣的觀測資料,導出不同的結論。

他們的結論沒有排除 LB-1 的伴星是一顆黑洞的可能。但是如果答案是肯定的話,它應該是一顆「正常」的星體黑洞,質量小於 20 個太陽。美國團隊的文章登上今年 (2020) 一月的英國的皇家天文會月報中。

中國團隊資料處理方式遭受到反駁者的強烈質疑。他們一致的指出中國的團隊在資料分析處理中,除了專注在 H-alpha 放射譜線,應該要考慮源自於主恆星的 H-alpha 吸收譜線。從反對者的數值模擬中,說明了把主恆星的吸收譜線排除後, H-alpha 放射譜線應該是來自於一個靜止的發射源。換句話說, H-alpha 光譜發射線並不可能是從黑洞附近發出的,因此跟黑洞的軌道運動沒有直接的物理關係。它的來源更像是環繞在雙星外圍的雲氣所產生的,所以不會產生都普勒效應。

除了這點以外,反對者的分析也認為 LB-1 主星的質量不會超過 5 個太陽,而且 LB-1 距離太陽約 7 千光年,只有中國團隊認定的一半距離。

比利時團隊新觀測資料:伴星是 Be 型恆星啦!

比利時的團隊更是把這個議題提升了一個層次。就在過去的幾個月,他們利用西班牙的 Mercator 望遠鏡,觀測 LB-1。從該望遠鏡獲得的更清晰、同時也更高解析率的光譜資料。從這些新的觀測資料結果,加上中國團隊的資料,他們提出新的證據顯示 LB-1 的伴星不是一個 70 個 太陽質量的黑洞;這顆伴星甚至不是黑洞,而是一顆在天文學中被稱為 Be 型的恆星。

Be 星是會發射出氫原子光譜線的 B 型恆星,傳統天文學用恆星的光譜來分類星體。 B 星是溫度頗高的藍白色星,在銀河系中並不罕見。天文學家可以從恆星的光譜資料辨認出哪些星體是 Be 星。由於比利時的團隊獲得的新的光譜資料在解析率和訊號品質都比之前精確細微,因此研究團隊能夠從原本以為只是主星的光譜資料中,分辨出隱藏其中的伴星光譜。

赫羅圖以恆星亮度(絕對星等)與恆星顏色作軸,從左邊高溫藍白星到右邊低溫紅星。上方及標示各類恆星的分類,其中 Be 星即為圖中分類 B 的恆星。圖\wikipedia

根據研究團隊的分析,這一顆伴星自轉的速度相當的快,致使觀測到的光譜訊號變得難以辨認;它的光譜又跟主星的光譜混合,讓天文學家以為這個伴星是個不出聲響的緻密星體(黑洞,中子星之類)。

今年 (2020) 四月 29 號 的 《自然》刊登了比利時團隊的研究結果。同一期也刊登了中國團隊對新結果的評論。在評論中,他們表示對新研究的一些分析方法,還是保持著存疑的態度,然而並沒有提出論證反駁 LB-1 新的觀測結論。

在這場論戰中,中國的隊在重新檢視資料後,依舊認為 LB-1 伴星是一個介於 23 – 65 太陽質量的黑洞。這已經是比原先宣稱的質量小了許多。中國團隊倒是同意一點: LB-1 的光譜所代表的訊息,的確是比他們原先設想的更加複雜。

LB-1 的伴星到底是不是黑洞呢?如果中國團隊的結論是正確的,那麼要如何解釋反駁者提出的疑點呢?現代科學研究的過程就是如此。任何的新發現都必須攤在陽光下接受檢視,重複驗證,再三確定,才會產生接近事實的科學成果。

目前看來,比利時團隊的分析方法是相當充分的。他們分析了之前中國團隊和他們新取得的觀測資料,包含了過去 4 年 LB-1 的動力資料。從這些資料產生的結論,並沒有違背目前科學家對雙星系統的理論假設。所以看來,這一顆 70 個太陽質量的黑洞的說法,在經過一連串的小心求證後, 已經離事實越來越遠了,成為一顆失落的黑洞了。

參考資料

  1. Liu, J., Zhang, H., Howard, A.W. et al. A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements. Nature 575, 618–621 (2019).
  2. Kareem El-Badry, Eliot Quataert, Not so fast: LB-1 is unlikely to contain a 70 M⊙ black hole, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 493, Issue 1, March 2020, Pages L22–L27.
  3. Eldridge, J. J., Stanway, E. R., Breivik, K., et al. Weighing in on black hole binaries with BPASS: LB-1 does not contain a 70M⊙ black hole. 2019, arXiv e-prints, arXiv:1912.03599
  4. Abdul-Masih, M., Banyard, G., Bodensteiner, J. et al. On the signature of a 70-solar-mass black hole in LB-1. Nature 580, E11–E15 (2020).

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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


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

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