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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

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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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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