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嗝很大的波霎

臺北天文館_96
・2012/08/17 ・3261字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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宇宙中有一種高級的燈塔,叫做脈衝星(波霎)。它是質地緊密的中子星,以旋轉軸為中心每秒多次快速旋轉,朝太空幅射出電波和伽馬射線。最近,馬克斯-普朗克太空物理學研究所巧妙運用數據分析法,從費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope,以下簡稱”Fermi” 望遠鏡)的資料庫中撈出一個非常特殊的伽瑪射線脈衝星。這顆名叫J1838 – 0537的脈衝星很年輕,在電波頻段無訊號,它在受觀測期間曾發出一次很強的頻率突變(glitch),這是有史以來在「只幅射出伽瑪射線」這類罕見的脈衝星當中所觀測到的最強的一次頻率突變。

只幅射出伽瑪射線的「純」伽瑪射線脈衝星,由於在天空中的位置、自旋週期的長短、本身隨時間經過所發生的變化等各種未知情況和因素使然,讓想辨識它的天文研究人員經歷到困難重重,只能由Fermi望遠鏡的巡天觀測的原始資料來判斷脈衝星在天空中的大約位置,像在一片漆黑的汪洋大海中檢查前述特性各種組態,花掉很驚人而大量的計算時間。然而在此之前,要想推估出伽瑪射線光子是在何時抵達探測器的隱性規律,這卻是唯一的途徑。

遇上這種費時的計算需求,就連高效能的電腦也很快就山窮水盡,因此,研究員念頭一轉,動用到當初設計用來處理「重力波」資料分析的演算法,藉以協助實現Fermi資料搜尋。新的演算法經過優化(optimize)處理,有了它的協助,很多先前掉失的訊號因此就又被找了回來。2011年11月,「愛因斯坦研究所」團隊(Albert Einstein Institute,簡稱AEI)就一口氣公佈了達9個之多的伽瑪射線脈衝星,全都是因為使用經過優化的演算法才找到的「漏網之魚」。現在這種方法再次幫助該團隊取得重大發現。

新發現的脈衝星位置在靠近盾牌座方向,按天球座標命名,名叫J1838-0537。年齡5千歲,是很年輕的脈衝星。每秒約自旋7次。研究人員在發現它之後,很驚訝的又發現,這顆脈衝星是在2009年以前才看得到的,2009年之後它就突然消失了。

經過很複雜的對比分析後,研究團隊得知,原來J1838-0537這顆脈衝星並未真的消失,只不過,在經過「頻率突變」(glitch)後,它的轉速比先前快了3,800萬分之一秒,這是個微小到幾乎可以忽略的變化,但是以伽瑪射線脈衝星而言,這卻已經是他們曾經量測到的最大一次頻率突變。並且這個突變還有一些後續的影響。

研究人員表示,「如果忽略不計這個突然冒出來的頻率突變,8小時後,我們的計算將完全丟失脈衝星的自旋,Fermi上所裝載的探測器將無法確知伽瑪射線光子抵達的自旋相位為何,中子星的所謂「閃爍」效應也將因而消失。」不過,要是研究人員的計算裡,將頻率突變考慮進去,並且修正自旋的變化值,這顆脈衝星就能再次從觀測數據中現出蹤影了。

頻率突變從許多年輕脈衝星身上都可觀測得到,但確切原因不明。天文學家認為發生在中子星地殼上的「星震」,或發生在恆星內部超流體與地殼間的相互作用可能可以為這個現象提供一個好的解釋。研究人員表示,這次偵測到的這個強大的脈衝星glitch(頻率突變),將有助於他們更了解這些極緻密天體的內部結構。

在從Fermi的數據資料中取得上述發現後,研究人員隨後又將一座位於美國維吉尼亞州的綠堤電波望遠鏡指向了這個伽瑪射線脈衝星所在的位置。在近2小時觀察,並進一步分析了早先一次一個小時的觀測結果之後,發現在電波頻段內並未顯示任何有規律性的脈動輻射,因此他們確認,J1838 – 0537是一顆罕見的「純」伽瑪射線脈衝星。

雖然在電波波段無訊號顯示,觀測結果卻與主要觀測一些從太空深處幅射出極高能量伽瑪射線的H.E.S.S. 的觀測結果明顯重疊。(H.E.S.S. 是High Energy Stereoscopic System:高能立體系統的簡寫),在與H.E.S.S.天文學家攜手合作的一次搜查中,曾在新發現的脈衝星附近,偵測到輻射源的延伸,但仍未能澄清其性質。

這顆脈衝星的發現表示H.E.S.S.所偵測到的伽瑪射線源為一「脈衝星風星雲」。星雲是由以近光速的速度運動的粒子所產生的,它在脈衝星極強的磁場中獲得加速。由於目前脈衝星的確切位置已知,所以H.E.S.S.未來可以考慮在這個星區裡進行一些更精確的測量。

目前為止,愛因斯坦研究所的ATLAS集叢已協助發現了10顆前所未知的伽瑪射線脈衝星,目前研究團隊還動員了更多計算力加入他們的行列。自2011年8月以來,Einstein @ Home計劃已為伽瑪射線巡天搜索計畫貢獻了很大的分散式計算力,甚至比ATLAS集叢的計算能力還高10倍,該研究所的研究員Bruce Allen認為未來在Fermi資料中「找到更不尋常的伽瑪射線脈衝星」的機會為「非常樂觀」。目前他們已將搜索目標擴大,其中之一是,能發現旋轉得更快速、週期在毫秒範圍內的伽瑪射線脈衝星。(Lauren譯)


關於本篇文章中出現的幾個名詞

脈衝星(Pulsar): 是一種因超新星爆發而產生的緊密中子星,強磁場使它們幅射出電波和伽瑪射線,持續快速地自旋。有宇宙中的燈塔之稱。如果掃射出的輻射方向是朝向地球,這顆中子星看起來就會像一顆脈衝星。並非所有脈衝星都會有訊號同時出現在一種以上的波段中。有時偵測到的是電波脈衝星,因為只有電波訊號。有時後只週期性地偵測到伽瑪射線光子,那它就是伽瑪射線脈衝星。為什麼脈衝星有不同種類?最有可能的原因就是,中子星極強磁場所形成的發射區是朝向不同的方向。

令脈衝星更蒙神秘者還不僅止於此而已,在脈衝星年輕時期,它的旋轉持續卻不規律,譬如突如其來的「頻率突變」會對它的規律性造成干擾。只有5%的脈衝星具有這種頻率突變的現象。當頻率突變發生時,中子星旋轉會突然變快,隨之緩慢減速、於數週後回歸到舊的自旋週期。造成這種現象的原因還不清楚,不過精確的測量到這些頻率突變,必能幫助我們更多認識這種緻密的天體。

目前為止,天文學家大多是在電波波段中發現到脈衝星,如今因為Fermi望遠鏡的緣故,發現到的伽瑪射線脈衝星數量也越來越多。Fermi衛星從2008年開始在伽瑪射線波段透過大面積伽瑪射線望遠鏡(LAT: Large Area Telescope)觀測宇宙,發現了數以百計的新伽瑪射線發射源,其中許多都是前所未知的新脈衝星。


資料分析Data analysis:

對重力波探測器所取得的資料從事分析時,科學家必須倚賴非常有效率的演算法和高階運算能力,為什麼重力波的資料分析工作這麼特別?因為如果以目前的測量精確度來說的話,重力波訊號的強度幾乎和背景雜訊差不多,很微弱。

在LIGO-Virgo科學合作計畫(簡稱LVC)中,德英兩國合作的GEO600偵測儀也是合作項目的一部份,所有偵測所得的資料都會共同存檔,以供後續分析使用。單是一份資料檔案的大小就有500TB,總共有好幾份是儲存在多個不同的電腦集叢。偵測器網路一開始運轉時,每1秒鐘都會多產生出1MB的資料。

資料分析有好幾步驟,首先是在大面積的天空中巡天掃瞄、取得訊號,當某一方向出現特殊訊號時,再透過特殊運算法進一步以較窄而密的搜尋網格仔細探索該區,這意味著要花更多的運算時間。如果訊號得到證實,科學家們就會繼續分析時間特徵,例如,檢查它是否可以被分配到一個特定的脈衝星的週期。AEI研究所的科學家已修改演算法使它可用來搜尋一些重力波的持續來源,並且還成功地用它來尋找存在於Fermi數據中的伽瑪射線脈衝星。


Einstein@Home:這個計畫號召全球網民自願地將家用或辦公室電腦加入雲端計算,用雲端的威力來處理分析大量天文觀測數據。目前已經有32萬人參與。自2005年以來, Einstein @ Home一直在幫忙LVC科學合作計劃尋找重力波資料。

從2009年3月開始,Einstein@Home開始參與幫忙波多黎各的阿雷西博天文台和澳大利亞的Parkes天文台在觀測資料中尋找電波脈衝星,第一顆由Einstein@Home計劃找到的電波脈衝星於2010年8月找到,之後這個全球電腦網路系統又找到了40個新的電波脈衝星,2011年8月起協助Fermi衛星搜尋伽瑪射線脈衝星,「毫秒脈衝星」這種只在伽瑪射線波段能找得到的脈衝星也名列在它的搜尋目標之中。


圖1: 伽瑪射線脈衝星是一種結構緊密的中子星,在其極強的磁場中,帶電粒子被加速到相對論性速度(註:「相對論性速度」指的是運動速度與光速相近)。圖中可看得出在此過程中產生的伽瑪射線輻射區域(紫色),遠超過了中子星表面以外很遠的地方。從磁極發射出來的電波(綠色)呈錐形。又因為自旋環掃所經過的區域正好與地球視線方向一致,所以對一名地球上的觀測者來說,看來,脈衝星就像是定期在天空中閃爍著光芒的一座宇宙燈塔。

動畫來源http://www.nasa.gov/mov/600703main_07_Pablo_Pulsar_Animation.mov, Credits: NASA/Fermi/Cruz de Wilde


資料來源:中研院天文網[2012.08.09]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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運動聽音樂,讓你越動越活躍!
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・2022/08/15 ・2255字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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你有過邊聽音樂邊跑步的經驗嗎?讓我們先來看一段動畫,再開始今天的主題!動畫裡的主角阿辰有個熱愛跑步的阿公,他想要挑戰路跑,於是向阿辰下戰帖,想看誰可以先跑完四圈操場。沒想到,原本落後的阿辰,戴上耳機後,竟然逆轉局勢,贏得了比賽。這究竟是什麼魔法?為什麼音樂能讓阿辰瞬間變成飛毛腿呢?

「音樂關鍵字(Unlocking Music)」EP2:奔跑吧!阿公(Go, Grandpa, Go!)。影/YouTube

日常生活中的音樂與運動

2014 年,美國音樂潮牌 Sol Republic 調查 1,000 位民眾使用耳機的習慣,有 62% 的民眾表示「一整天沒有聽音樂,比一整天沒有社交活動」更糟,另外也有 40% 的民眾表示,如果沒有搭配音樂,他們想要運動、鍛鍊身體的欲望就會大幅降低。

在臺灣,如果你曾經踏進健身房或運動中心,想必聽過從喇叭傳出來的快節奏音樂,或是看過不少人戴著耳機跑步、舉重、騎飛輪。如果你在學校或熱鬧的商圈看過街舞表演,通常也都是選用節奏明快的流行歌。可是,為什麼音樂和運動有關呢?一邊運動,一邊聽音樂,真的對我們有幫助嗎?如果有,背後的科學原理又是什麼?

聲音如何穿越耳朵、抵達大腦?

想知道為什麼音樂和運動有關,就得先瞭解聲音如何穿越耳朵、抵達大腦。

從生理構造來看,我們的耳朵可分為三部分:外耳、中耳和內耳。外耳負責將接收到的聲波傳入中耳。中耳有「耳膜」和「聽小骨」,能夠增強聲波,將聲波轉換成內耳能夠解讀的訊號。內耳有「耳蝸」和「前庭系統」,分別掌管聽覺和平衡感。這兩個結構會在末端合體,成為「前庭耳蝸神經」,也就是 12 對腦神經中的第 8 對,可以將聲音訊號直接送進大腦。

聽小骨(綠色)、耳蝸(粉紅色)與前庭耳蝸神經(藍色)。圖/iStock

擅長平衡、喜歡打節拍的前庭系統

說到平衡感,那就和運動有關了!前庭系統的功能就是穩定身體,讓我們走路時不易跌倒、運動時能保持平衡,眼睛追蹤移動物體時,也不至於暈頭轉向。這些都要歸功於前庭系統裡頭的「半規管」和「耳石」,前者感知旋轉,後者感知重力與加速度。

如果我們一邊跑步一邊聽音樂,讓節奏規律的低頻重拍經由前庭系統刺激大腦,就能讓大腦誤以為是雙腳落地的低頻聲響。如此一來,大腦就會透過前庭系統發送訊號給肌肉,幫助腳步保持規律。換句話說,如果音樂節奏與步伐速度相近,跑起來就能更輕鬆;反之,如果換成節奏較慢的音樂,前庭系統就會讓我們不自覺放慢腳步,導致運動效果不佳。

研究顯示,聽音樂運動「效果十分顯著」

早在 1911 年,美國統計學家艾爾斯(Leonard Ayres)就發現,如果賽道旁有樂隊演奏,自行車選手踩踏板的速度也會隨之加快。[1] 2012 年,英國雪菲爾哈倫大學(Sheffield Hallam University)的研究進一步證明,相較於踩踏速度沒有和音樂節拍同步的選手來說,同步選手的耗氧量減少 7%,意思就是比較不容易疲累或缺氧。由此可見,音樂就像身體的節拍器,可以穩住運動節奏,減少體力耗損。[2]

2017 年,印度幾所大學的醫學院教授共同研究音樂對青少年運動表現的影響。這些教授找來 50 位年齡介於 19 到 25 歲的學生,讓他們連續 10 個早晨在跑步機上運動,速度不限,累了就可以停下來。研究數據顯示,在沒有播放任何音樂時,男性的平均運動時間約為 26 分鐘,女性則是 18 分鐘;相較之下,當他們聆聽各自喜歡的音樂時,男性的平均運動時間可以達到 42 分鐘,女性則是 31 分鐘,前後有非常明顯的落差。[3]

音樂能夠顯著延長青少年的慢跑時間。圖/IJPPP

2020 年,美國桑福德大學(Samford University)的研究也顯示,只要在暖身時,聆聽喜歡的音樂,就可以提高臥推槓鈴的表現。雖然臥推速度幾乎沒有差異,如圖(a),可是臥推次數明顯增加。根據圖(b)的數據,如果聆聽不喜歡的音樂(NON-PREF),平均只能推 11.1 下,經過兩分鐘休息後,只能再推 8.0 下;但如果聆聽喜歡的音樂(PREF),平均可以推 13.5 下,經過兩分鐘休息後,也可以再推 9.4 下,可見聽音樂運動的效果確實非常顯著。[4] 

研究顯示,只要在暖身時,聆聽喜歡的音樂,就可以提高臥推槓鈴的表現。圖/JFMK

註解

參考資料

  1. Sound Over Pounds: Survey Finds Two Out Of Three People Cut Their Workout Short Or Ditch It Completely Without Headphones
  2. 認識耳朵 – 歡迎光臨林口長庚耳鼻喉部
  3. Let’s Get Physical: The Psychology of Effective Workout Music
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同樣都是「中央 DO」,為什麼我們能聽出是哪種樂器的聲音?
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・2022/08/15 ・1966字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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平時,在學校和補習班時,如果朋友從背後呼喊你的名字,你通常不需要回頭,就可以知道是誰的聲音;而在聆聽音樂時,即使各種樂器的聲音混雜在一起,還是可以聽出如鋼琴、吉他、爵士鼓等不同樂器的音色。可是,為什麼我們能分辨出不同的人聲和樂器呢?想知道答案,就得先認識基音和泛音!

首先,讓我們看一段動畫。在這段動畫裡,主角阿棋出生在醫生世家,卻想成為一位厲害的電吉他手。他不斷練習、上台表演,也邀請家人一同前來欣賞搖滾樂演出。可是,阿棋的二哥聽完表演後,卻只覺得電吉他很吵。

「音樂關鍵字(Unlocking Music)」EP8:Rock Me 搖滾夢想。影/YouTube

基音與泛音

不管是鋼琴、吉他、爵士鼓,還是人聲,只要振動頻率相同,就能發出相同的音高,比如中央 DO 的頻率是 261.6Hz,也就是說,只要聲音每秒來回振動 261.6 次,就能準確發出中央 DO 的音高。但仔細想想,如果音高都一樣,所有聲音聽起來不就都一樣嗎?

沒錯!所以當我們聽見一個音,其實是聽見了很多不同頻率疊加而成的聲音,只是我們的大腦習慣將這些聲音理解成一個音。換句話說,當我們聽見樂器發出 DO 的音高,其實是同時聽見了代表音高的 「基音」261.6Hz,還有代表音色的「泛音」,也就是頻率 261.6Hz 以外的聲音。

想進一步瞭解基音和泛音,就得從一根弦的振動開始說起。

一根弦的振動

首先,讓我們來看看一根弦有幾種振動模式。當我們撥動琴弦彈奏一顆音,在最簡單的情況下產生的振動會呈現如圖一 1×f 的波形。假設這顆音是中央 DO,那麼這個波形就會每秒來回振動 261.6 次。

然而,一條弦並不會只有一種振動模式,有可能是圖中 2×f 的波形。在這種情況下,頻率就會變成兩倍,也就是每秒來回振動 2×261.6 次,變成高八度的中央 DO。除此之外,振動方式也有可能是圖中 3×f 或 4×f 的波形,變成高一個完全八度再加一個完全五度,或兩個八度的中央 DO。

按照相同的邏輯,一根弦可以有 n 種振動模式,產生 n×f 的波形和 n 種八度音高。

一根弦的振動模式。圖/Wikipedia

現在,我們知道了振動模式、波形和音高之間的關係,可是實際上,弦的振動模式非常複雜,是所有振動模式混合而成。因此,在彈奏中央 DO 時,琴弦除了產生 261.6Hz 的頻率,同時也會產生 2×261.6Hz、3×261.6Hz、4×261.6Hz,以及所有整數倍頻率的聲音,而最低頻率的聲音(261.6Hz)就是「基音」,也就是大腦所認知的音高,其餘頻率則統稱為「泛音」,主要影響聲音的音色。

以小提琴和鋼琴為例,即使彈奏同一顆音,波形仍然不同,就是因為不同樂器發出的泛音強弱不同,改變了我們聽見的音色。這就是我們能夠分辨不同樂器聲音的原因。

小提琴和鋼琴的波形不同,是因為泛音(音色)不同。圖/馬爺爺

聲譜圖

現在,試試用一聲讀出注音「ㄚ、ㄝ、ㄧ、ㄛ、ㄨ、ㄩ」,你就會發現,即使音高一樣,卻還是能聽出差別,原因就在於它們的泛音(音色)不同。透過電腦軟體,我們可以將人聲轉換成「聲譜圖」,進一步解析泛音的區別,如圖三。

圖三的縱軸是頻率,橫軸是時間。水平線條是聲音能量的強度,顏色越深表示能量越強、聲音越大。每個音各有泛音較強以及較弱的頻率範圍,比如「ㄚ」在 500 至 700Hz 左右的泛音線顏色很深,表示聲音較強,但「ㄧ」和「ㄩ」就相對微弱,構成獨特的音色。

「ㄚ、ㄝ、ㄧ、ㄛ、ㄨ、ㄩ」的聲譜圖。圖/科學發展

日常生活中的泛音

從上述說明,我們發現不只是樂器,就連人聲有不同的音色,也同樣是因為泛音不同。最後,讓我們回到文章開頭,看看阿棋的二哥為什麼覺得電吉他很吵。

影片提到,搖滾樂表演的電吉他音色,之所以聽起來很特別,正是因為電吉他手善用推弦技巧,增加泛音的「雜質」。假設基音頻率為 1,那麼除了整數倍頻率的泛音以外,推弦後可能會出現 1.9、2.1 等非整數倍頻率的雜質,讓搖滾樂聽起來雖吵,卻也更有靈魂、更有渲染力!

參考資料

  1. 音樂與泛音
  2. 一次搞懂「泛音列」!
  3. Harmonic series (music) – Wikipedia
  4. 馬爺爺 23:漫談聲音
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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
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・2022/07/31 ・3383字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 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.