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星焰發功,轟擊系外行星

臺北天文館_96
・2012/07/20 ・1307字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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巴黎天文物理研究所(Paris Institute of Astrophysics,IAP)Alain Lecavelier des Etangs等人,利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)和史威福太空望遠鏡(Swift)觀測資料,捕捉到一顆系外行星的大氣層劇烈變化的現象。這些天文學家認為這顆系外行星大氣層的劇烈改變,肇因於其母恆星發生了劇烈的星焰(stellar flare)爆發。

這些天文學家估計:這次星焰的威力大約是X級太陽閃焰的300萬倍左右,由於太過劇烈,致使這顆系外行星的大氣在星焰威力下,以每秒1,000公噸以上的速率流失到太空中。這個觀測結果,讓科學家得以進一步瞭解活躍恆星所爆發的閃焰與其氣體巨行星的大氣層之間,會有什麼樣的交互作用。

母星HD 189733A位在夏季大三角附近的狐狸座方向,鄰近著名的啞鈴星雲(Dumbbell Nebula),距離地球約63光年,是雙星系統中的其中一顆子星,質量僅約太陽的80%而已,亮度約8等,以一般望遠鏡即可觀測到,是個相當不錯的觀察目標,而且這顆恆星具有類似太陽黑子的星斑,會隨恆星自轉而影響這顆恆星的亮度。

這顆系外行星編號為HD 189733b,是顆類似木星的氣體巨行星(gas giant),體積比木星大14%,質量也比木星大一些距離其母恆星僅約480萬公里,相當於地球到太陽平均距離的1/30而已,因此環繞母星一圈僅需2.2天。這顆系外行星是個典型的「熱木星(hot Jupiter)」,距離其母星很近的氣體巨行星,因此極易受到母恆星的活動影響。哈柏先前的其他研究顯示這顆行星的大氣層相當深,但被母恆星烤得很燙,估計高達攝氏1,030度左右。

由於從地球上觀察,HD 189733b會週期性地從其母恆星前方通過,即所謂的「凌日」現象,天文學家可趁機研究這顆行星的大氣層的週邊環境。在Lecavelier des Etangs等人的先前同樣利用哈柏資料所做的研究顯示:HD 189733b上層大氣中的氫氣正在不斷向太空中逸散,一去不復返。這個發現,使HD 189733b成為當時第2顆所謂的「蒸發中的行星」。以天文尺度而言,這個行星系統距離地球很近,因此對天文學家而言,有利於研究系外行星大氣蒸發的細節。

天文學家對於這顆行星的大氣蒸發現象仔細觀察研究多年,不過在2001年之前都是單純地藉由凌日現象來研究行星大氣性質(請參考天文新知2007-07-13 直冒水蒸汽的系外行星)。直到2011年9月,天文學家驚訝地發現哈柏觀測到HD 189733b有股羽狀氣流以約時速480,000公里的速度向外流,相當於每秒損失1,000公噸的氣體。

後來,天文學家又發現:史威福衛星上的X射線望遠鏡( X-ray Telescope,XRT)剛好在2011年9月7日、哈柏預定觀測HD 189733b凌日現象的8小時之前,監測到HD 189733A爆發一次強烈閃焰,本次閃焰的使HD 189733A的X射線波段亮度陡增3.6倍。由於這顆系外行星相當靠近它的母恆星,使得這顆恆星被這次爆發拋出的強烈X射線直接衝擊,其強烈程度,約相當於當太陽爆發X級、最強烈的太陽閃焰時衝撞到地球的威力的300萬倍,如果地球增受HD 189733b的相同事件,那麼就是地球末日來臨了。左圖為XRT於2011年9月13-14日拍攝的X射線影像,影像中央的就是HD 189733A,於此影像中可見其X射線輻射仍然很強。

資料來源:2012.06.28

  1. http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2012/28jun_alienflare/
  2. http://www.nasa.gov/topics/universe/features/exoplanet-atmosphere.html

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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銀河系中心的超大質量黑洞,中研院揭曉「人馬座 A 星」的神秘面紗!
PanSci_96
・2022/05/13 ・4664字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  •  文/泛科學編輯部(曹盛威、郭令鈞、雷雅淇、侯郁家、劉品萱)

你看過黑洞嗎?不論有沒有,你都可以再靠近一點!這張就是黑洞近照:

首張銀河系中心黑洞照片。圖 / EHT Collaboration

還記得 2019 年 4 月拍攝到的第一張黑洞照片嗎?那是來自 5500 萬光年以外的 M87 星系。三年後的現在,也就是臺灣時間 2022 年 5 月 12 日晚間,「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」舉辦全球記者會,公布人類史上第二張黑洞照片。

第二張黑洞照片主角的所在地,你一定很熟悉,因為它跟我們一樣都位在「銀河系」——沒錯,銀河系中心的超大質量黑洞首次亮相啦!這張轟動全球的照片為什麼如此振奮人心呢?一切都要從「銀河系中心」開始說起。

在帕瑞納天文台(Paranal Observatory)的夜空中觀賞到的銀河系中心。圖/維基百科

我們怎麼知道銀河系中心有黑洞?

銀河系的中心到底有什麼呢?整個 20 世紀,科學家都在猜測這個問題的答案。

1933 年,美國貝爾實驗室的工程師央斯基(Karl G. Jansky)在解決背景雜訊干擾無線電通訊的過程中,意外發現最強烈的干擾源是來自人馬座方向的無線電短波,而這個方向正好指向銀河系中心。後來,這個無線電波源的位置就被稱為「人馬座 A」。這是人類第一次使用可見光以外的電磁波段觀測銀河,從此開啟了無線電天文學的發展。

二戰結束後,各國紛紛投入無線電天文學的領域。1970 到 1980 年代,隨著科技不斷進步,天文學家發現人馬座 A 是由多重結構所組成。

1974 年,巴利克(Bruce Balick)和布朗(Robert Brown)使用更精巧的電波望遠鏡,發現人馬座 A 的某特定區域釋放出明亮且緻密的無線電波,由於此特定區域是人馬座 A 最活躍的地方,因此以原子激發態—— *(唸作 Star 或「星」)來表示,將其命名為人馬座 A 星(Sagittarius A*)。

以波長 90 公分的無線電波,拍攝人馬座 A 區域的照片。圖/維基百科

不知表面攝氏千萬度是何許天體也

根據不同波長的電波與射線得到的觀測結果,銀河系中心簡直是「金光閃閃、瑞氣千條」,各個波段的電磁波應有盡有!其中,最耐人尋味的是 X 射線。為什麼呢?

根據黑體輻射原理(Black-body radiation),如果一個物體主要發出的是 X 射線,那它的表面溫度估計超過攝氏 1000 萬度;相較於我們的太陽,主要發出的是可見光,表面溫度約為攝氏 5500 度。

天啊!這個「攝氏 1000 萬度以上」的天體究竟是何方神聖?

1960 年代,天文學家姑且把這些未知天體稱為「類星體(Quasar)」。一開始推測類星體可能是黑洞、中子星、脈衝星、超新星等等,而目前主流學界認為「類星體就是黑洞」

在黑洞的吸積盤上,高速繞行的物質會因劇烈的摩擦、碰撞,而產生高溫與磁場,並且激發強烈的電磁輻射。因此,天文學家認為,銀河中心強烈 X 射線的來源可能是黑洞。

電磁波的波長與性質。圖/維基百科

另外一種觀測黑洞的方式是長時間紀錄恆星的軌道。如果發現這些恆星正在繞著看不見的天體運行,這個天體就有可能是個黑洞。

2020 年的諾貝爾物理學獎得主是德國科學家根策爾(Reinhard Genzel)和美國科學家吉茲(Andrea Ghez)。他們透過當時世界上最大的光學望遠鏡,花了 30 年監看銀河系中心,追蹤附近恆星的軌道運動,發現人馬座 A 星附近,有很多恆星快速地環繞運行。

地球的運行速度最快只有每秒 30 公里,但在人馬座 A 星附近,有一顆稱為「S2」的恆星,最快甚至能以每秒 7000 公里的速度運行!從 S2 的完整軌道與速度來計算,人馬座 A 星的質量相當於 400 萬個太陽,半徑卻只有太陽的 17 倍。這樣極端的密度指向了一種可能性,那就是超大質量黑洞

所以啦,早在 1990 到 2000 年代,「銀河系中心有個超大質量黑洞」就成了整個天文界乃至全世界都有的共識。

環繞人馬座 A 星公轉的恆星 S2 的完整軌跡觀測結果。圖/2020 諾貝爾物理學奬官網

至於超大質量黑洞是怎麼來的,目前還是個謎。

一般認為黑洞是恆星死亡後的產物,但根據觀測,這些超大質量黑洞在宇宙大爆炸後的七億年就存在了。矛盾的是,那時的宇宙可以說是處在幼兒階段,重力還在吸引星雲聚集,成形的恆星屈指可數,完全無法解釋為何會有恆星死亡變成黑洞。這也成了世界各地的天文學家爭相研究的謎團。

有圖有真相,人馬座 A 星有照片嗎?

這不就來了嗎?2022 年 5 月 12 號,事件視界望遠鏡(EHT)公佈了人馬座 A 星的影像,請大家掌聲鼓勵!就讓我們來解讀這個最新的黑洞寫真吧!

解密銀河系中心的神祕天體:超大質量黑洞「人馬座 A 星」。圖/EHT Collaboration

由於黑洞本身不發光,我們要觀測的是黑洞周圍的光線被吃掉的範圍,也就是黑洞中央黑色區域的大小。不過,黑洞本身的尺寸其實比中心那塊陰影區域更小!

首先,「黑洞本身的尺寸」正確來說是「事件視界」的大小。事件視界的半徑即為「史瓦西半徑(Schwarzschild radius)」,只要知道黑洞質量就能推算出來,像人馬座 A 星的史瓦西半徑是 1200 萬公里。

當光行經事件視界外圍,也會沿著因重力而扭曲的空間彎折,最終被吸進黑洞,成了我們看不見的那塊圓形陰影,而「黑洞吃掉的影像範圍」(或稱為「陰影」)指的就是除了事件視界本身以外,還有多少範圍是全然的黑暗。

根據廣義相對論,「陰影」的半徑是史瓦西半徑的 2.6 倍。

陰影的半徑是史瓦西半徑的 2.6 倍。圖/Veritasium

包傑夫(Geoffrey Bower)是中研院天文所的資深天文學家,同時也是 EHT 計畫的成員。他在記者會上表示,「這次公布的影像捕捉到被強大的黑洞重力所扭曲的光線,而亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論」。

EHT 如何捕捉黑洞影像?

天文影像的解析度將整個天空分成 180 度,每度有 60 角分,每角分有 60 角秒,每角秒分成 1000 毫角秒,每毫角秒再分成 1000 微角秒。以黑洞成像而言,人馬座 A 星與 M87 黑洞的陰影尺寸分別是 50 微角秒和 42 微角秒。

因此,從地球觀測這兩個黑洞的難度相當高,可以想像成從地球看月球上的一顆橘子,需要直徑非常大,甚至等同地球直徑大小的望遠鏡才能辦到。所以,EHT 真的在宇宙中建造了和跟地球一樣大的……(不要瞎掰好嗎!)

EHT 使用了特長基線干涉(VLBI)這項技術。簡單來說,就是透過結合兩座或多座無線電望遠鏡的觀測資料,重組出宛如單一望遠鏡的觀測結果。望遠鏡彼此之間的距離越大,組合出的解析度越好!根據中研院天文所郭駿毅博士的形容,EHT 的解析度銳利到足以從臺北看見東京的一粒沙

EHT(綠線)與 GMVA(黃線)之望遠鏡陣列分布。圖/維基百科

那為何不是先拍到距離我們比較近的人馬座 A 星,而是先公布 M87 的影像呢?其實,在 2017 年時,EHT 就同時觀測 M87 星系和銀河系中心的超大質量黑洞。人馬座 A 星雖然離地球較近,約 27,000 光年,但質量較小,難以觀測。

美國斯圖爾德天文台(Steward Observatory)的 EHT 科學家陳志均解釋,黑洞附近的氣體移動速度接近光速,加上人馬座 A 星比 M87 黑洞小 2,000 倍,周圍的軌道也更小,其造成的氣體擾動導致影像變化速度過快,「就像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」,必須使用更複雜的成像技術,才能取得足夠清晰的照片。

也因為這樣的速度差異,這次銀河系中心黑洞的照片才會跟 M87 長得不一樣,形成有三個亮點的圖片。不過,這些明暗差異並不是都卜勒效應造成的。師大物理系助理教授卜宏毅表示,只要拍攝物體移動過快,就會留下殘影。然而,這並不影響我們解析黑洞半徑。

這次並沒有明確觀測到噴流。科學家對於銀河系中心黑洞是否存在噴流,目前仍有待商榷。

特長基線干涉技術支援科學家黃智威表示,這次的黑洞圖像也替未來的黑洞觀測打下良好的基礎。目前,學界將「超大質量」定義為 100 萬倍到 10 億倍太陽質量的數量級,估計 M87 約為 35 至 66 億太陽質量,而這次的銀河系黑洞為 400 萬太陽質量。

也就是說,目前觀測到唯二有清晰影像的黑洞,正好就是超大質量黑洞的最小值與最大值,而這兩張影像所呈現的特徵有許多相似之處,比如皆具有黑洞剪影及光環。如果連極端值都具有這些特徵,那麼理論上,其他大小的黑洞也都會有。

另外,黑洞也扮演著孕育恆星的重要角色。只要能夠深入了解黑洞的結構,想必也能更加深刻地了解銀河系的歷史。

天文所紀柏特(Britton Jeter)博士將拍攝人馬座 A 星的過程描述為「將一部電影濃縮成為一張影像」。這整個過程費時 5 年,有賴美國、加拿大、歐洲及臺灣的努力,利用世界各地的超級電腦運算龐大的觀測資料,再經由多次模擬、調校,才得以成像,讓我們能夠親眼看到這個「潛伏在銀河系中心的巨獸」。

臺灣在黑洞計畫中扮演的角色

這次公布的黑洞影像,由全球各地 8 座望遠鏡共同完成,其中有 3 座和臺灣淵源匪淺,分別是由中研院參與建造或負責運轉的「次毫米波陣列(SMA)」、「馬克斯威次毫米波望遠鏡(JCMT)」,以及「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)」。

觀測銀河系中心黑洞的 8 座天文望遠鏡,其中 3 座由臺灣支援建造或運作。表/中央研究院新聞稿

從 2017 年黑洞計畫啟動以來,中研院天文所就參與其中,合作夥伴包括國立中山大學、國立臺灣師範大學、國家中山科學研究院。從觀測、分析數據到成像,尤其在疫情之下,能夠持續投入,並且有如此卓越的成果,實屬不易。

未來展望

目前,EHT 團隊正在分析 2018 與 2021 年的觀測資料。除了上表 8 座天文望遠鏡以外,這些觀測活動還有格陵蘭望遠鏡(Greenland Telescope)與另外兩個望遠鏡參與,想必可以讓我們更清楚地看到 M87 和人馬座 A 星的黑洞影像。未來,團隊也期許能夠透過更高頻率的觀測,一窺更小的黑洞。

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