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一隻磁場大怪獸的雙重人格

臺北天文館_96
・2012/07/27 ・929字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

「到底算是磁星還是脈衝星?」

引人好奇無限的這類品種稀有的恆星,現在總算打破了「唯一」的僵局,因為天文學家幫它找到了第2號成員。為了搜尋這類罕見恆星,天文觀測機構組成了一支陣容堅強的X射線波段特搜隊(詳見圖說敘述)。在這段用來公開其觀測結果的動畫中我們不難看出這顆恆星有何特別之處,為何吸引大家高度的關切。

磁星是大質量恆星燒完了所有的燃料,驚心動魄地藉由超新星爆發謝幕後,往內「塌縮」成為一個極強磁場的中子星。

這種星體通常會在X射線波段發出明亮而持久的輻射,也是宇宙中已知磁場最強者。

至於脈衝星,則通常是指磁場強度比磁星低很多的另一種中子星,因為在快速自旋下有規律地幅射出電波,行為上的表現就和「脈搏的跳動」一樣,有著很穩定的節拍,因而被稱為「脈衝星」。

被稱為脈衝星的這種星體所發出來的脈衝,是一種不停旋轉的輻射光束,從地球角度看時,它彷彿像是燈塔,正在以光束做360度的環形掃射。

最近被Swift找到的這顆星體,恐怕算是脈衝星和磁星這兩種星體的合體版,因為自旋的星體從骨架上看既像是脈衝星,但裡面藏著很強的磁場,又不能說它不像一顆磁星。

由於內部磁場和外部磁場強弱級別差了好幾倍,所以這讓它幾乎可以另外被視為一個獨立的級別,應該要稱之為「弱磁星」(low magnetic field magnetar)了。

從影片當中我們也可以看到,這顆恆星內部混亂的成因,其實來自於它糾結交錯的磁場線,當磁場線打開時,能量便以持續的X射線爆發的方式,從恆星殼的各個斷裂處獲得釋放。

目前為止,已知的弱磁場磁星,一共只有兩號人物,一號在2010年被發現,二號在2011年7月發現(Swift J1822.3-1606),NASA是透過Swift號太空望遠鏡偵測到這兩顆星體所釋放出來的短暫X射線爆。

包括XMM-牛頓X射線觀測衛星在內一共有5個觀測單位在2011年獲得Swift J1822.3-1606觀測通知,直到2012年4月,它的爆發活動開始衰退以前,這顆恆星的活動情形一直受各方嚴密監視。

這麼罕見的星星族類,現在既然增添了第二位成員,倒也提醒我們該換個角度思考了:或許這樣「表裡不一」的行為模式,在宇宙中根本不像我們原來所想地那麼不尋常!(Lauren 譯)

本篇由N. Rea et al.完成的論文標題為”A new low magnetic field magnetar: the 2011 outburst of Swift J1822.3-1606″,發表於Astrophysical Journal, vol. 754, 27, doi:10.1088/0004-637X/754/1/27.

資料來源:中研院天文網[2012.07.20]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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天文學家發現至今最年輕、威力相當於「一萬個螃蟹」的中子星
全國大學天文社聯盟
・2022/07/31 ・3383字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 文/語星葉

2018 年,在特大天線陣巡天計畫(VLA Sky Survey, VLASS)的資料中,一個來自遙遠星系的不尋常電波源,吸引了天文學家的注意。經過四年的觀察與分析,他們認為這個未知電波源,最可能是來自一個非常年輕且威力強大的中子星。

圖一、畫家筆下的脈衝星,中央黃色部分為脈衝星與周遭雲氣交互作用產生的脈衝星風星雲,外圍球對稱的絲狀結構則為超新星爆炸殘骸。圖/Melissa Weiss, NRAO/AUI/NSF

這個電波源在二十年前,在特大天線陣的第一個巡天計畫「FIRST」資料中尚不存在,代表這是個「瞬變天體(Transient)」,即在人類的時間尺度中,可觀察到明顯變化的天體——別忘了,人類的千年歷史,在宇宙時間尺度下都只是一瞬。

在當今望遠鏡技術的快速推進下,瞬變天體其實並不罕見。每天都有許多新的瞬變天體被望遠鏡捕捉。然而,至今仍有許多瞬變天體覆著未知的面紗,例如 21 世紀新發現、被稱作「快速電波爆(Fast radio burst, FRB,圖二)」的瞬變天體,便是今日天文物理學的熱門主題。

科學家對其極高光度、極短時距的成因和來源都還沒有定論。不過,這個新發現的電波源未來有望為我們帶來解答!

圖二、2006 年,人類發現的第一個快速電波爆訊號。這個訊號時距僅 0.005 秒,強度卻是最小可偵測訊號的 100 倍(見右上角小圖)。不同頻率的訊號有顯著的位移,代表這個訊號來自銀河之外的遙遠星際。圖/Lorimer et al. 2007

天文學家認為,這次的未知電波源,最可能是來自一顆脈衝星(Pulsar,圖一)、甚至可能同時是一顆磁星(Magnetar,圖六),與周遭氣體交互作用所產生的星雲亮光。脈衝星和磁星都是中子星的一種,至於它們分別是什麼,以及為何會有這些不同的名稱,則要回顧一下中子星的發現史。

圖三、位於美國新墨西哥州的特大天線陣(Very Large Array, VLA)為一套擁有 27 支天線的電波望遠鏡。圖/NRAO/AUI/NSF

理論推演中子星、觀測發現脈衝星,證明中子星的存在

在 1933 年的美國物理年會上,也就是查兌克宣布發現中子後一年,兩個不相干的理論團隊雙雙提出,因恆星塌縮後反彈而形成的「超新星」爆發,會促使中心區域坍縮形成「中子星」,即體積極小、非常緻密,由中子擠在一起形成的天體。這無疑是一重大突破,在此之前,天文學界還不清楚超新星跟新星(Nova)是來自不同的物理機制,而「中子星」更是沒人提過的概念。

此後,超新星的概念快速普及,觀測上古往今來的超新星也如雨後春筍般被識別與發現。然而,中子星的概念,還要等到三十多年後脈衝星的發現,才被廣為接受。[3]

1967 年,一位年僅 24 歲的劍橋大學研究生約瑟琳.貝爾.伯奈爾(Jocelyn Bell Burnell,圖四)和她的指導教授安東尼.休伊什(Antony Hewish),在無線電望遠鏡資料中,發現了一種會以極短的週期快速閃爍的未知無線電波源,她們稱之為「脈衝星」。然而究竟是什麼原因產生這樣的訊號?他們沒有頭緒。

一開始,休伊什甚至認為可能是收到了來自遠方智慧生命的訊號,還暱稱為「小綠人(Little green man,20 世紀電影中外星人時常是綠色皮膚)」。因為他難以想像這樣短促而準確的週期性訊號,不是生命體、而是自然現象產生的。[4]

圖四、1967 年,時任劍橋大學研究生的約瑟琳眼尖地發現了週期性出現在電波影像的未知訊號。圖攝於當年 6 月。圖/Roger W Haworth

此時,被猜疑了三十多年的中子星概念再次登場,而且馬到成功,完美地解釋了這種短週期出現的電波訊號。原來脈衝星是高速旋轉的中子星,其高轉速及強磁場會在中子星的兩極產生高能帶電粒子,從而發射出無線電波波段的輻射。於是兩極的電波束便隨著中子星的高速自轉,如燈塔般週期性的指向地球,被電波望遠鏡所接收,這便是脈衝星的由來(見圖五)。電波脈衝星的自轉週期只有 0.1~10 秒,如此極端的物理性質,也只有中子星可以滿足了。

圖五、脈衝星的兩極高能帶電粒子會發射強電波束,隨著脈衝星高速自轉而規律地指向地球,被電波望遠鏡接收,此即脈衝星訊號的成因。

至於磁星,一種擁有超強磁場的中子星,其發現就更加戲劇性了。

發現磁星

1979 年是磁星粉墨登場的一年。時年 3 月 5 日,先是蘇聯的金星 11 號和 12 號兩顆人造衛星被不明的伽瑪射線給擊中,其搭載的光子計數器瞬間就被「打爆」,超越計數器所能計量的數額,接著這波伽瑪射線接連爆擊了 NASA 的繞太陽衛星和繞金星衛星的伽瑪射線接收器,而後通過地球(還好我們的地球大氣層會把伽瑪射線隔絕在外),襲擊數個繞地衛星後揚長而去。

當年天文學家接收到數個類似的伽瑪射線閃光,其中最亮的閃光(也就是 3 月 5 日那波)在 0.2 秒內釋放了相當於太陽燃燒 1000 年的能量!

這些閃光還具有週期性,在約一週內反覆出現並逐漸消失,有的甚至幾個月或幾年後還會再度出現。經過數十年的研究,如今天文學家認為這些訊號同樣來自中子星,但這類中子星的磁場比一般中子星強上數百到數萬倍,因此被冠以「磁星」之名。

圖六、繪筆下的磁星。圖/ESO/L. Calçada

威力相當於「一萬個螃蟹」的脈衝星風星雲

回到正題,天文學家分析 2018 年特大天線陣接收到的新電波源後發現,這個電波源來自約 4 億光年遠的一個矮星系,且坐落在許多大質量恆星之間,因此極可能是大質量恆星爆發後的殘骸。

超新星爆發之際,剛形成的中子星擁有超強磁場、極高速的自旋,但仍被爆炸所拋出的恆星碎片層層包裹而不可見。需待這層外殼緩緩擴張、物質密度降低以後,中子星所發出的光才得以「撥雲見日」,進入我們眼中。

與此同時,中子星強烈的磁場會拉扯外圍的帶電粒子,使其高速撞擊周遭星際物質,從而發出強烈的電磁輻射、形成圍繞中子星的明亮星雲,稱之為脈衝星風星雲(Pulsar wind nebula, PWN)。最有名的脈衝星風星雲——蟹狀星雲(Crab nebula,圖七)距離我們僅數千光年,因此我們對它有深入的觀察。

根據分析,這個電波源隨時間的光度變化和已知的脈衝星風星雲相似,因此研究人員認為最有可能的解釋,便是一個前所未見的超明亮脈衝星風星雲。

圖七、蟹狀星雲中心的中子星(圖片中央的橘紅色亮星)及周圍的脈衝星風星雲。藍色為錢卓望遠鏡拍攝的 X 射線、紅色為哈伯望遠鏡捕捉的可見光。圖/NASA

這個 20 年內便突破超新星爆炸煙塵的脈衝星,不僅是人類已知年紀最輕的中子星,更是一個威力強大的中子星。其發出的 X 光強度高達「一萬螃蟹」——不是筆者亂用,「螃蟹(Crab)」真的是一個天文學單位!

就像天文學家也常用「太陽質量」作為天體質量的單位,或是用「天文單位」衡量距離,一個「螃蟹」指的是一個蟹狀星雲發出的 X 射線強度。一個天體發出的 X 射線有幾個螃蟹,就是其亮度是蟹狀星雲幾倍的意思。之所以選擇蟹狀星雲作為標準,是因為在這個領域,它實在太近、太經典了。

言歸正傳,天文學家認為這顆脈衝星不僅是隻超級螃蟹,可能還是顆磁星——其磁場是人類目前所能製造的最強磁場的數億倍!由於磁星被認為可能是快速電波爆的來源,因此可以預期接下來這個年輕的候選磁星,將被天文學家們用望遠鏡細細關照,於其中能探究多少蛛絲馬跡,又有多少新發現尚待挖掘,讓我們引頸期待。

參考資料

  1. Astronomers Find Evidence for Most Powerful Pulsar in Distant Galaxy – National Radio Astronomy Observatory
  2. Dong, Dillon ; Hallinan, Gregg (2022). arXiv e-prints. 
  3. Baade and Zwicky: “Super-novae,” neutron stars, and cosmic rays
  4. Cosmic Search Vol. 1, No. 1 – Little Green Men, White Dwarfs or Pulsars?
  5. Kouveliotou, C.; Duncan, R. C.; Thompson, C. (February 2003). “Magnetars“. Scientific American.
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2020 重要天文事件回顧
臺北天文館_96
・2021/03/01 ・4340字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

塵埃可能是參宿四變暗的罪魁禍首

參宿四是全天第九亮星,也是獵戶座第二亮星。圖/轉自《臺北星空》

去年年底,天文學家發現參宿四的亮度異常降低,這現象還被某些人解釋為這顆紅超巨星已幾乎沒有核燃料,即將發生超新星爆炸。不過,華盛頓大學和羅威爾天文台的天文學家認為,參宿四更可能只是正在發生其他紅超巨星也會發生的事情:拋出的外層大氣遮住了一些往地球的光線。

天文學家在二月進行的觀測數據中,發現參宿四表面平均溫度比 2004 年的測量低了 50 至 100 度,這個結果使他們更加確定其答案必為星際塵埃,若是對流胞上升至表面冷卻的話,那降幅會更為明顯。

科學家宣稱在隕石中發現了外星蛋白質

血石素的結構。圖/arXiv

繼默奇森隕石發現胺基酸以來,在 1990 年的一塊隕石中,隱藏了更具突破性的進展,蛋白質一般是由多個胺基酸組成的,同時也是地球上幾乎所有生物體中的必要組成成分,從細胞核膜到遺傳物質 DNA 都有蛋白質的身影。在這被稱為「Acfer 086」的隕石所含有的蛋白質,被稱為血石素 (Hemolithin) ,是一種新的命名,旨在描述其具有一半血紅素 (Hemoglobin) 及一半卵磷脂 (Lecithin) 的分子結構,科學家發現的這種新蛋白質,成分中含有鐵和鋰,且氘與氫的比例與地球上的不同,基本上可以確認絕非地球上的物質。儘管研究團隊認為這是最有可能的解釋,但是他們也指出其發現的複合性分子可能不是蛋白質,而只是一種聚合物,所以現在下結論仍為之過早,但是種種跡象顯示「它」是蛋白質的機率相當高。

宇宙最早的物質可能潛藏於中子星的核心

藝術家對於中子星剖面的想像圖。圖/轉自《臺北星空》

中子星是恆星死亡後的核心塌縮而形成,中子星的質量上限約在兩個太陽質量,更大的質量將會形成黑洞,然而最近天文學家發現了少數超過這個上限的中子星。

研究團隊計算了中子星物質的狀態方程式,計算的結果描述了中子星的可能結構。結合最近 LIGO 和 VIRGO 的重力波觀測結果,更進一步揭露了許多中子星內部的訊息。根據他們的研究,這些死亡恆星的中心可能可以找到由夸克形成的核心,其含量甚至可能佔核心組成的一半以上,未來更多的中子星觀測資料將可提升或改善這項研究結果的正確性。

銀河系中也許有至少 36 個外星高等智慧文明存在

除非人類能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則無法與任何外星文明聯絡。圖/轉自《臺北星空》

繼德瑞克方程式後,人類就一直持續在搜尋地外高等智慧文明,但長時間以來一無所獲,新的研究認為該方程式的後面幾項參數,不確定值太多,使得整個方程式的實用性降低,研究人員建立了一套新的參數及計算標準,稱為天文生物學哥白尼極限,在六種嚴格的限制條件下,得到的外星文明數量約為 36個。

若將此 36 個外星文明平均打散在銀河系中,可以得到每個文明的平均距離至少有 17,000 光年,而人類自有無線電訊號以來,也才 125 年,亦即最遠的傳播僅達125 光年,此外,無線電波在傳遞過程中也會逐漸變弱,因此,除非我們能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則我們仍無法與任何外星文明聯絡。

首次發現奇怪的冥府行星

冥府行星示意圖。圖/轉自《臺北星空》

天文學家發現一顆非常奇怪的系外行星 TOI-849b ,它位於 730 光年遠,母恆星TOI-849 與太陽非常相似。 TOI-849b 僅比海王星小一點,但質量卻是海王星的兩倍多,因此密度與地球差不多!如此高密度顯示它是岩質行星,但大小卻遠高於岩質行星的上限。這意味著它可能是非常罕見的冥府行星(Chthonia),即是大氣層已被剝離的氣體行星核心。

天文學家認為這種極靠近恆星的氣體行星,會被高熱剝離大氣,如 Gliese 3470 b 被觀測正以高速失去其大氣層。但這不足以解決 TOI-849b 大氣全部損失的原因,還有大天體碰撞等事件的可能性。另一可能原因是 TOI-849b 開始形成氣體行星時,沒有足夠的物質成為大氣。又或者是它在行星系統演化後期時形成,抑或是在原行星盤的間隙中形成的,使得沒有足夠的材料來增加大氣。研究小組計劃將繼續觀測,以確定 TOI-849b 是否還剩下任何大氣。

天文學家在本超星系團旁發現了新的長城結構

紅色區塊屬於南極長城。圖/轉自《臺北星空》

宇宙的結構並不是由隨機分佈的星系所組成,而是互纏互繞、具有藕斷絲連的特性,受到萬有引力的影響,較為靠近的星系組合成一個星系群或星系團,或隸屬於一個超星系團,這些藕斷絲連的網狀結構,又被稱為大尺度纖維狀結構,其中最大的一條被稱為武仙-北冕座長城,全長跨越 97 億光年,是目前已知最巨大的結構。新發現的纖維狀結構橫跨南極天空,至少長達 13.7 億光年,發現者將其命名為「南極長城」(South Pole Wall) ,而且南極長城的特別之處在於它離銀河系非常近,簡直就像是在我們的後院而已,僅有5億光年遠,(我們所在的結構稱為拉尼亞凱亞超星系團,直徑達5.2億光年,所以5億光年確實就像是後院的存在)換句話說,它是離我們最近的長城結構。

迄今為止質量最大的合併事件證實了中介質量黑洞的存在

一對黑洞的合併產生新重力波的觀測事件,證實了中介質量黑洞的存在。圖/轉自《臺北星空》

在 70 億光年外,一對碰撞的黑洞產生了新的重力波,在 2019 年 5 月 21 日由 LIGO 和 VIRGO 雙重認證得知,這次的重力波事件是黑洞天文學中最受囑目的發現之一,因為該天體質量介於恆星級黑洞及超大質量黑洞之間,正是天文學家急欲尋找的中介質量黑洞,且我科技部及清華大學研究團隊亦參與其中。本次的重力波訊號與往常的訊號相比非常短,但經過艱困的比對分析後,科學家得知這是分別由 66 倍太陽質量及 85 倍太陽質量的黑洞合併而成,產物為一個約 142 倍太陽質量的黑洞,這是自發現重力波以來迄今為止最大質量的重力波源。

中介質量黑洞是黑洞系列的一個謎團,我們常發現的是恆星質量黑洞及超大質量黑洞,但是藉由重力波的觀測, GW190521 成為對於中介質量黑洞的第一次決定性的直接觀測。超大質量黑洞的形成過程仍是個謎,長久以來,科學家不清楚它們是由恆星大量坍縮聚集而成,抑或是透過一種尚未被發現的方式產生的,所以科學家一直在尋找中介質量黑洞,來填補介於兩者差異甚大的質量空隙,如今,科學家終於有證據可以證明中介質量黑洞確實存在。

歐西里斯號成功登陸貝努收集樣本

OSIRIS-REx 收集樣本示意圖。圖/轉自《臺北星空》

OSIRIS-REx 任務耗資 8 億美元,在 2016 年 9 月發射, 2018 年 12 月 3 日抵達500 公尺大的貝努近地小行星。經過一年多環繞研究後,團隊選擇了一個名為夜鶯(Nightingale)的小隕石坑為降落地點,因為該點表面物質的顆粒較細,且相對新鮮沒經過長期暴露於太空環境而變質。但夜鶯周圍也充滿危險,其中包括要經過一個兩層樓高,綽號厄運山(Mt. Doom)的巨石,而隕石坑內也有其他障礙物,因此太空船的目標是一個寬 8 公尺相對平坦無石塊的區域, OSIRIS-Rex 任務距離達3億公里之遙,相當不容易。臺灣本地時間 10 月 21 日 6 時 12 分歐西里斯號(OSIRISRex)號降落到近地小行星貝努(Bennu)表面,目標是從貝努表面收集至少 60 克的灰塵和碎石,預計 2023 年 9 月 24 日將樣品送回地球,以研究太陽系的起源與生命相關有機物和水的來源。中間還有一段插曲:一些岩石碎塊阻擋導致收集器無法完全閉合,使得在探測器的三公尺機械手臂末端的收集器內的小行星表面碎片樣本,一直在緩慢漏失到太空中,好在後來已經克服此狀況,且收集來的樣本也遠高於當初設定的最低目標。

阿雷西博望遠鏡的輝煌與終結

曾完成多項偉大天文學研究的阿雷西博天文臺,因結構損壞而除役。圖/轉自《臺北星空》

該望遠鏡於 1963 年落成啟用,阿雷西博天文臺開始運作之後,做出的科學貢獻不勝枚舉。 1964 年天文學家藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSRB0531+21,自轉週期33毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。 1974 年,天文學家法蘭克德瑞克及卡爾薩根設計了知名的阿雷西博訊息,內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。 1989 年趁著小行星(4769)Castalia 經過,阿雷西博望遠鏡首次利用其功能描繪出小行星的 3D 圖像,迄今已研究過數百個近地小行星。今年的 12 月 1 日的一聲巨響,支撐平台的纜線應聲斷裂,整個接收平台、900 噸重的心臟與一個纜線塔硬生生撞入下方的碟型天線。雖然造成多大破壞還在評估,但照片與影片仍然震驚所有人,阿雷西博望遠鏡結束其 57 年傳奇的一生

嫦娥五號返回艙帶回月壤, 40 年以來的新鮮貨

中國嫦娥五號於去年年底返航,完成人類 40 年來首次收集月球樣本的任務。圖/轉自《臺北星空》

歷經 23 天的飛行,攜帶著月壤的中國嫦娥五號返回艙於 12 月 17 日凌晨 1 時 59 分安全返回地球,這是 40 年來首次收集月球樣本的任務。其返回艙在中國北部內蒙古四子王旗著陸場著陸。內蒙古地區夜間達攝氏零下 30 度,對於地面工作人員的準備是一大考驗。

嫦娥五號於 12 月 1 日登陸月球,並於兩天後開始返航,中國航天局也在月球上,升起了中國五星旗幟。此次任務是自 1976 年蘇聯「月球 24 號」任務以來的首次嘗試,使中國成為繼美國和蘇聯之後,第三個從月球上取回樣本的國家。飛船的任務是在「風暴洋」的區域收集兩公斤 (4.5磅) 的物質,該區域是一片廣闊的、此前尚未被探索過的熔岩平原。

中國的科學家們希望藉由採集回來的樣本了解月球的起源、形成以及月球表面的火山活動,並期望在 2022 年以前建立一個載人太空站,並最終將中國人送往月球。

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麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景
研之有物│中央研究院_96
・2020/08/29 ・4351字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐柏昇、美術編輯|林洵安

宇宙也有麥田圈?重力如何害遠方星系「面目扭曲」,宛如魔戒?磁星會吹熱泡泡,研究員用電腦畫浮世繪?中央研究院天文及天文物理研究所參與中研院「開放博物館」,研究員們拿出壓箱底的天文美照與研究成果,促成「星海巡奇」線上展覽,滑鼠輕輕一點,即可穿越千萬光年的異世界,飽覽令人腦洞大開的天文奇景!

宇宙也有麥田圈?!

地球上的麥田圈還懸而未決,想不到太空中也有!?下面美麗神秘的「宇宙麥田圈」,其實是行星系統誕生之前的模樣──原行星盤。

兩張美照皆是由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)望遠鏡,解析原行星盤「金牛座 HL 」所得的細緻結構。這是人類首度拍攝到這麼年輕的原行星盤高解析度影像,可一窺行星形成的秘辛!

這張是拍攝連續光譜,得到金牛座 HL 原行星盤的塵埃分布,清楚呈現環與間隙的構造。
圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

這張照片是拍攝分子譜線,得到金牛座 HL 原行星盤的氣體分布,同樣有環與間隙。
圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yen et al.

智利沙漠上的 ALMA 望遠鏡,運用了「天文干涉技術」,一共有 66 座天線可以協同工作,且天線之間距離夠遠,才得以拍出原行星盤的細緻結構。在此以前,前一代望遠鏡對於這些年輕的原行星盤,只能看見平滑的盤面,沒有明顯的起伏,直到 ALMA 啟用才有重大突破。

阿塔卡瑪大型毫米波天線陣中的一些無線電望遠鏡,運用了「天文干涉技術」。若要用單一望遠鏡看清楚原行星盤,望遠鏡必須非常巨大,技術上很困難。因此天文學家先建造幾個「比較小」的望遠鏡,彼此相隔遙遠,再將它們的觀測資料一起分析,效果等同一台巨大望遠鏡,這就是「天文干涉技術」 。
圖/維基百科

原行星環:行星形成現場

說了半天,「麥田圈」盤面的環與間隙究竟是誰的傑作?「目前最熱門的解釋,是間隙中有行星正在形成。」中研院天文所顏士韋助研究員主持金牛座 HL 的氣體分布研究,他解釋:原行星盤上有很多氣體和塵埃,部份的氣體和塵埃會逐漸聚集成行星。這些行星一邊長大、一邊在盤子內繞著原恆星轉,過程中行星的重力會把沿路的東西推開,形成一圈圈的間隙。

為什麼重力會「推開」物體?因為盤上的物質進行克卜勒運動──內圈跑得快、外圈跑得慢。原行星會吸引比它內圈的物質,這些物質被拖慢速度,結果往更內圈跑;另一方面,原行星也會吸引外圈的物質,這些物質反而被拉快速度,往更外圈跑。原行星就這樣「推開」周圍物質,「清出」一條軌道,形成了明顯的間隙。

一開始,天文學家先觀測到塵埃分布的「麥田圈」影像,但如果氣體分布是平滑沒有間隙的,「環與間隙」可能只是來自塵埃性質差異。所幸,顏士韋團隊之後確認金牛座 HL 的氣體分布也有環與間隙,支持「行星形成」的假說。

他們還從縫隙的寬度與深度推算出:間隙中正在形成的行星大約是木星質量。研究人員據此推測,行星形成的時間點比預期還要早,像木星這類的巨行星,可能在恆星還沒完全「誕生」,就已經趕進度地成形囉!

磁星熱泡泡:太空版浮世繪

日本畫家耐心一筆一劃勾勒浮世繪,中研院天文所陳科榮助研究員用電腦模擬的「磁星熱泡泡」,是他獨創的太空版浮世繪。

故事要從頭說起!近年來,天文學家發現一種很特殊的超新星,可以比一般超新星亮 100 倍,稱為「超亮超新星(superluminous supernova)」。理論天文學家不斷苦思:為什麼這些超新星會這麼亮?

有些學者提出「磁星(magnetar)」理論來解釋:超新星爆炸經常伴隨著中子星的形成,有的中子星轉得非常快,轉速高達每秒 1000 圈,因為其磁場強度高達地球的 1000 兆倍,稱為「磁星」。

而磁星的磁力線就像是綁在星球外的繩子,在快速旋轉下被攪動,會以輻射的形式把中子星的轉動動能傳遞出去。根據目前模型,發射出去的輻射能量只要超過磁星轉動動能的 5%,就能產生比一般超新星 100 倍亮度,形成超亮超新星。

陳科榮以超級電腦模擬磁星驅動超新星爆炸的過程,上圖為將磁星一切為二的三維模型。
圖/中研院天文所 陳科榮

陳科榮從 2015 年就投入磁星驅動超新星的模擬研究,展示其爆炸過程,立刻面臨一個巨大的難題:在此之前的研究都是一維度模型,也就是假設「磁星驅動超新星的流體分佈」是球對稱,所有方向的變化都一樣。但真實過程當然沒有這麼簡單,磁星的輻射壓力會突然把物質劇烈地往外推,形成流體力學的不穩定結構,就像是把墨水滴在水裡,可見多變複雜的結構。但一維模型的結果就像剷雪,只能將大量物質擠在非常小的區域,無法判讀箇中細節。陳科榮比喻:

一維模型就是只有一個車道,車子都擠在同一個車道,不能超車;二、三維就像有兩、三個車道,才能模擬真實流體不穩定現象。

陳科榮又舉例,在葛飾北齋著名的浮世繪《神奈川沖浪裡》,海浪的尾端有許多破碎的複雜結構,真實的流體即是如此複雜,而這幅畫還只是偏向二維結構。三維流體的紊流更複雜,只有達文西這樣的天才,可以將其生動地描繪出來。

從葛飾北齋浮世繪的海浪畫面(上),以及達文西繪製的紊流細節(下),可看見真實流體的結構有多複雜。
圖/維基百科

三維的紊流具有很多複雜、不均勻的結構,磁星造成的熱泡泡也是如此!所謂的「磁星熱泡泡」,就是磁星這個強大的能量來源「吹出」的泡泡,就像滾水冒泡泡一般。每層泡泡有很多細微結構,一、二維的模擬皆無法呈現和解釋。但這些細微的紊流結構不可忽視,它可是會影響磁星能量傳輸,進而影響超亮超新星的觀測性質。陳科榮以超級電腦模擬出的磁星熱泡泡,乃史上首度對磁星熱泡泡做出三維的模擬,同時具備精密度和大尺度:全貌相當太陽系,細節小如台北市,可謂獨步全球!

陳科榮以電腦模擬的磁星熱泡泡,不但可見大尺度範圍,也可見許多複雜的精細結構。
圖/中研院天文所 陳科榮

宇宙魔戒:愛因斯坦環

這枚宛如宇宙版魔戒的「愛因斯坦環」,其實是某顆巨大黑洞造成的!中研院天文所團隊藉著分析愛因斯坦環影像,進一步推算出這顆黑洞的質量。

SDP.81 愛因斯坦環。這是地球、40 億光年外之 A 星系、120 億光年外之 B 星系,三個天體同時在一直線上,因為位置剛好加上 A 星系的巨大重力所造成的奇景。
圖/ ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF

松下聰樹解釋,重力可讓光線彎曲,宇宙中如果有個大質量的東西(例如:黑洞)擺在光源前面,它的重力可以成為折射背景光的透鏡,改變我們看到的影像,這個原理稱為「重力透鏡」,是愛因斯坦環的主要成因。

何謂重力透鏡效應?由左到右分別是:地球(觀測者)、大質量星體(如黑洞)、遠方的星系。當三者在一直線上,遠方星系的光通過大質量天體附近,光線會因強大重力而彎曲(白色箭頭),就像透鏡彎曲了光線,地球上的觀測者就會「看見」變形的星系影像。
圖/NASA

松下聰樹以一個高腳酒杯和一張紙,巧妙解釋這個神秘的天文現象。他在白紙上畫了一個紅點,周圍不規則的塗上藍色。接著把酒杯放在圖案上,如果酒杯中心正對著紅點,那我們透過酒杯底座(扮演透鏡),可以看到藍色的環帶中間,顯現出一個完整清晰的紅圈。如果酒杯中心稍微偏離紅點,則會看到兩個或四點構造,散落在不對稱的藍色圓弧之中。讀者不妨自己在家做實驗!

可以在家按照操作步驟試試!
攝/林洵安

這次展出的 SDP.81 重力透鏡系統之中,背景星系有很亮的核心,就像是實驗中的紅點;附近還有瀰漫的物質,就像是周圍的藍色區塊。松下聰樹說,假如背景星系是個只有核心的點光源,只會看到四個紅點。但是圖中還可看到較微弱的弧狀結構,代表還有其他瀰漫的物質在周圍。

SDP.81「愛因斯坦環」的 ALMA 影像,數個紅點來自星系核心緻密區域。
圖/黃活生、蘇游瑄、松下聰樹(2015)

用影像「秤出」黑洞有多重?

中研院天文所的團隊利用愛因斯坦環的影像,成功計算出中間的透鏡星系為一個黑洞,至少有 3 億倍太陽質量。

松下聰樹解釋,如果透鏡星系的質量夠大,嚴重扭曲背景星系的星光,地球上的觀測者只會在兩側看到增強的成像,看不見正中央背景星系的影像。這就好比,在酒杯的成像中只看到外圍的弧狀範圍,看不到原來中央的紅點。而在 SDP.81 系統中的確如此,無法看到背景星系的原始影像,這表示黑洞夠重,可藉此推知黑洞質量的下限。

此外,愛因斯坦環還能推知背景星系的影像。背景星系遙遠而黯淡,但經過透鏡星系有放大的效果,運用電腦計算可還原出極高解析度的影像。

天文學家從 ALMA 影像(中)重建出背景星系的樣貌(右),目睹 120 億光年外的異世界。透鏡星系是橢圓星系,通常不會發出電波,所以在 ALMA 的波段可以不受透鏡星系干擾,清楚分辨來自背景星系的光。再加上 ALMA 有夠好的解析度和靈敏度,才能看清楚愛因斯坦環,並執行以上的計算。
圖/ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

除了以上精彩內容,本次展覽還有「微旋臂 暗度陳倉?」展示呂浩宇研究的大質量恆星團旋臂,「完美螺旋的分岔」則是金孝宣的飛馬座 LL 雙星系統中螺旋分岔,「塵埃間隙發現旋臂: 暗示行星正在形成」展現湯雅雯研究的御夫座 AB 星美照,「漢堡,啤酒,雙頭槍」為李景輝所發現胚胎恆星在吸食「塵埃漢堡」的案發現場……更多讓你腦洞大開天文美照,快進入「星海巡奇」線上展覽一飽眼福吧!

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景,泛科學為宣傳推廣執行單位

研之有物│中央研究院_96
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