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史匹哲太空望遠鏡發現可能比地球小的系外行星

臺北天文館・2012/07/26 ・1174字・閱讀時間約 2 分鐘・SR值 525 ・七年級

美國中佛羅里達大學（University of Central Florida）Kevin Stevenson等人透過史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）的觀測資料，偵測到一顆體積可能僅約地球2/3大的系外行星（exoplanet）。這顆系外行星候選者編號為UCF-1.01，距離地球約33光年，若經證實確實為系外行星，那麼這將是比地球小的系外行星中最接近太陽系的。

系外行星指的是太陽系以外、環繞其他恆星公轉的行星。迄今已知的系外行星中，僅有少數小於地球。史匹哲太空望遠鏡透過凌日法（transit）研究過數個已知的系外行星，不過UCF-1.01卻是這架太空望遠鏡首度自行發現的系外行星；這項發現讓史匹哲太空望遠鏡的觀測角色更近一層，未來將可協助發現可能適合居住的地球級行星。

UCF-1.01的發現其實在是個意外。Stevenson等人原本利用史匹哲太空望遠鏡正在研究海王星級的系外行星GJ 436b，這顆已知的系外行星環繞GJ 436這顆紅矮星公轉。從史匹哲觀測資料，Stevenson等人注意到這顆恆星在紅外波段的星光略微下降，但這個星光亮度下降的現象並非是GJ 436b造成的。他們重新檢視之前的GJ 436觀測資料，發現這種亮度些微下降的現象是週期性的，顯示GJ 436應該擁有GJ 436b以外的另一顆行星。

這項利用凌日法尋找系外行星的技術，用得最徹底的就是克卜勒太空望遠鏡（Kepler space telescop）。凌日法的優勢就是可在系外行星行經恆星前方、造成星光亮度下降的過程與時間點來估算這顆系外行星的大小和與母星的距離等基本特性。在UCF-1.01案例中，它的大小直徑約8,400公里，相當於地球直徑（約12800公里）的三分之二；UCF-1.01公轉軌道離GJ 436很近，大約僅有地月距離的7倍（地球到月球平均距離約為384400公里），繞GJ 436公轉一周僅需1.4地球日，這麼靠近母恆星的後果，使得UCF-1.01的表面溫度接近攝氏600度。

如果這個被幾乎烤焦的系外行星曾經一度擁有大氣層，也早就被蒸發殆盡了。所以，這顆系外行星現在的模樣，應該類似水星，是個佈滿坑洞、早已沒了地質活動的死寂星球。甚至，如此高溫烤灼之下，這顆行星的表面已經呈現融化狀態，換言之，整個行星表面覆滿了熾熱的岩漿。

除了UCF-1.01之外，Stevenson等人還懷疑GJ 436可能有第三顆行星，UCF-1.02；這些科學家估計GJ 436這兩顆新發現的系外行星，質量僅約地球的三分之一而已。史匹哲可能已經各自觀測到這兩顆系外行星好幾次，但是即使最靈敏的儀器都還是無法測量它們的精確質量。要證實它們確實為系外行星，確認質量這點很重要，如果沒有確認它們的質量，則僅能稱為「系外行星候選者」。

克卜勒太空望遠鏡已經發現約1,800顆恆星確定有或可能有行星系統，不過僅確定其中3顆系外行星比地球小，而在這3顆中則僅有一顆比UCF-1.01和UCF-1.02小，相當於火星大小（直徑約為地球的57%）。因此，史匹哲的這項發現，顯示史匹哲用以發現火星大小的系外行星不是問題。雖然史匹哲已在太空中工作9年之久，卻仍能開發新而重要的研究領域，相當難得。

資料來源：Spitzer Finds Possible Exoplanet Smaller Than Earth[2012.07.18]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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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地「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。）

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]

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]