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銀暈:包圍銀河系的龐大熾熱氣體

臺北天文館_96
・2012/10/03 ・1175字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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在最新研究中,天文學家利用美國的錢卓(Chandra X-ray Observatory)、歐洲的XMM-Newton和日本的朱雀號(Suzaku)等X射線觀測衛星的觀測資料,發現銀河系周圍氣體暈可從銀河系中心 向外延伸達數十萬光年遠,且氣體暈的總質量相當於銀河系所有恆星加起來的的總質量。如果能確認這個氣體暈的大小和質量,或許可以解決懸宕已久的銀河系「消失的重子(missing-baryon)」問題。

上圖是藝術家筆下想像的銀河系被為數龐大的熾熱氣體包圍成暈的景象,並在銀河系左下角繪製銀河系最大的兩個衛星星系—大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)和小麥哲倫星系(Small Magellanic Cloud,SMC)的相對位置。這張圖中繪製的龐大氣體暈的半徑高達300,000光年,不過它很可能延伸的更遠。

所謂的重子,是包含質子和中子在內的一種粒子總稱,宇宙中已知的各類原子質量有99.9%是由重子所組成。測量距離非常遙遠的星系及氣體暈的結果顯 示,當宇宙僅有數十億歲的時候,重子的質量和密度只有那些看不見的暗物質的1/6而已。在約100億年之後的現在,科學家對銀河系和鄰近星系中的恆星和氣體所做的重子統計顯示,至少有半數的重子下落不明。

Anjali Gupta等天文學家利用錢卓等X射線觀測衛星,測量銀暈的溫度、涵蓋範圍和質量等。其中,錢卓觀測到8個離銀河系數億光年遠的明亮X射線源,且觀測資料 還顯示這些遙遠X射線源所發出的X射線,有部分被鄰近銀河系區域內的氧離子吸收掉了。這些天文學家估計這個會吸收X射線的銀暈的溫度約在絕對溫度100 萬~250萬度之間,比太陽表面溫度還熱數百倍以上。

之前有其他研究結果顯示銀河系和其他星系被溫度介在絕對溫度10萬~100萬度之間的溫暖氣體(warm gas)包圍;也有研究顯示包圍銀河系和其他星系的氣體暈中也含有溫度超過100萬度、溫度比溫暖氣體高一些的熾熱氣體(hot gas)。而Gupta等人的最新研究提供證據,證明包圍銀河系的熾熱氣體暈的質量比溫暖氣體暈大許多。

Gupta表示:「我們已經知道銀河系周圍有氣體暈環繞,我們也知道這些氣體溫度有多高。但最大的問題是:這個氣體暈的範圍到底有多大?總質量到底有 多少?」從錢卓、XMM-newton和朱雀號觀測到氣體暈輻射出的X射線資料,Gupta等人估計氣體暈總質量很可能高達100億倍太陽質量以上,甚至 可能高達600億倍太陽質量。此外,由觀測資料估計所得的氣體暈範圍,可能從銀河系向外延伸達數億光年遠,或者甚至延伸進四周的本星系群星系周圍;無論是 前述哪一種涵蓋範圍,都顯示氣體暈的總質量非常龐大。估計氣體暈的關鍵因素包括氧相對於氫的含量,而氫是氣體暈的主要組成成分。

雖然Gupta等人的研究仍具有不確定性,但已是迄今有關銀河系消失重子其實藏在百萬度氣體暈中的最佳證據了。不過,這個氣體暈的密度非常低,所以如果其他星系周圍也有類似的氣體暈,很可能會因為密度過低而偵測不到。

資料來源:NASA’s Chandra Shows Milky Way is Surrounded by Halo of Hot Gas. NASA [September 24, 2012]

轉載自網路天文館

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臺北天文館_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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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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PanSci_96
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當你懂《重甲機神》角色名字的由來,你的物理也會跟著變好呢!|重甲科不科?01話
超中二物理宅_96
・2019/10/16 ・2935字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

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  • 文/施奇廷│東海大學應用物理系暨研究所 教授兼系主任

y編按:一日科宅,終生科宅。而身為終極科宅,只有科學家這個身份還不夠!當然要製作一部滿滿熱血的動畫啊!

而這麼科宅的計畫,泛科學怎能缺席!不只電影要看,更要讓我們一起來好好吐槽聊聊《重甲機神》裡的那些科學與不科學!這次就讓我們來看看,身為科宅,到底該怎麼幫角色取名字吧(無誤)XD

source: FlyingV 平台

當《重甲機神 Baryon》的企劃決定了之後,馬上就要開始為故事裡面的角色、機械、地點取名字了⋯⋯實際上並不是這樣。

一開始討論劇情大綱的時候,都還是以「主角機」、「男主」、「女主」、「男二」、「博士」、「基地」⋯⋯這種普通名詞來進行,因為要為這麼多人事地物取名字真的是一件很傷腦筋的事情啊!所以大家第一個動作都是先逃避現實。

不過真的開始進行製作之後,就無法迴避了。首先當然是「片名=超級機器人的名字」啦!既然我們走的是像「無敵鐵金剛」的「超級系」,而不是像「鋼彈」的「寫實系」路線,講究的當然就是「威力與氣勢」了!

而且因為是海洋及海底的故事,所以需要「厚重的裝甲」(耐壓殼)抵抗水壓;再來是「巨大機器人」這種意象,影射了「人依照自己的形象創造了機械神」,「人憑藉著科技的力量逆天行事」的意涵,所以是「有著厚重裝甲的機械之神」,因此「重甲機神」這個名字就浮現了!

當然啦,我們也不會否認是向「超獸機神」、「魔裝機神」這些名作致敬啦!

能「變形合體」是阿宅的終極夢想:Baryon 的命名由來

決定了中文名字之後,接下來就是英文了。「巨大機器人魂」發作完,當然就輪到「物理魂」爆發了,既然有「重」這個字,當然就是用「Baryon」(重子)囉!

物理學是研究「物質的基本組成」與「物質之間的交互作用」的科學,目前的物理學已經知道的基本粒子包括「夸克」、「輕子」、「規範玻色子」與「希格斯玻色子」這幾個種類。

我們日常看到的各種物質,都是由原子組成的,原子又由電子(輕子的一種)以及質子、中子所構成的原子核組成,質子與中子都是有三個夸克透過「膠子」(一種規範玻色子)傳遞的強交互作用力「黏」在一起。

凡是由三個夸克結合而成的粒子都是「重子」。重子的質量比輕子大很多(看名字就知道),也就是說,我們目前看到的大部分的物質,質量幾乎都來自重子。

組成質子與中子的 up 跟 down 是第一代;第二代則是 charm 與 strange;第三代 bottom 與 top,它們一度被部分人稱為 beauty 跟 truth。圖/wikipedia

其實會用「Baryon」這個名字還有一個原因,「無敵鐵金剛」固然經典,但是講到超級機器人,能夠「變形合體」,才是阿宅們究極的夢想啊!所以重甲機神一開始的設定是「三機合體」的機器人,這三部合體前的機械就稱為「真夸克」(Truth)、「魅夸克」(Charm),以及「奇夸克」(Strange),分別由男、女主角以及第二男主角駕駛。

目前夸克一共有六種,分成三代。組成質子與中子的 up 跟 down 是第一代;第二代則是 charm 與 strange;第三代 bottom 與 top,它們一度被部分人稱為 beauty 跟 truth,不過可能大部分的物理學家覺得這兩個名字太過浮誇,所以採用了比較平實的名字。

但是我們要用的話,當然要用浮誇版的「Truth」啦!至於女主角本來應該用相對於「Truth」,同一代的「Beauty」,不過比較起來「Charm」似乎在語感上更勝一籌,所以在懂得粒子物理的人眼中,採用「Charm」的女主角跟採用同屬第二代的「Strange」夸克的第二男主角反而被「送作堆」了。

考慮我們的觀眾群中,粒子物理專家應該不多(吧?),所以還是以「語感」作為命名的優先考量。

包辦陸、海、空:男女主角命名由來

然後三個主要角色的名字,以海為家,因劇情需要經常得怒吼的男主角就叫「雷鳴海」。

男主角雷鳴海。

身為偶像歌手,擁有天籟歌聲的女主角則是「苗天音」。

女主角苗天音。

第二男主角是個「出生於英國的前美國空軍飛行員」,加上要向「蓋特機器人」的「陸、海、空」三機合體致敬,所以就把「全世界試飛過最多飛機、在航空母艦起降最多次的世界紀錄保持人,英國傳奇飛行員 Eric Brown」加上英國的名門飛機製造商「Westland Aircraft」合起來,叫做「Eric Westland」好了!

第二男主角 Eric Westland。

附帶一提,Westland 出品最有名的是活躍於 1950 年代的泛用艦載攻擊機「Wyvern」(飛龍),這個代號也使用於押井守導演的名作「機動警察」電影版第二集中,「疑似叛變」的日本空軍 F-16J 戰鬥機,所以本片出現的 F-35 戰機,自然就是叫做「Wyvern」囉!

不過雖然機器人以及主角的名字想了這麼多,可是很不幸的,「三機合體」這個設定被取消了,因為這會讓作畫複雜度與製作成本大幅增加,只好忍痛放棄!

不只如此,一開始「由各種物理研究儀器拼裝而成的機器人」也因為機械設定與作畫的難度太高而做罷,改成探勘海底資源的作業機器人「重甲機兵」以及對抗侵略者的戰鬥用超級機器人「重甲機神」,不管哪一個,都是「一開始就是個機器人的機器人」!

再會了!我們的「物理儀器拼裝機器人」!

還好至少「重甲機神 Baryon」這個名字就這樣定下來了,三個主角也沒有特別要改名的理由,維持「陸海空」三人組。

創造重甲機神的博士:命名「司空」、「弦」來自「物理語感」

接著是兩位物理系老師的代言人,製造出重甲機神的瘋狂博士,取名為「司空弦」!「司空」字面上可以引申解釋成「掌管宇宙的物理定律」之意,「弦」則是影射目前試圖統一解釋所有物理現象的「弦論」(string theory),當然,本片中並沒有碰觸到任何跟弦論有關的物理學,純粹只是「語感」很物理!

另一方面,阿宅們大概也猜得到,是在向「無敵鐵金剛」中的「光子力研究所」所長「弓弦之助」致敬。

瘋狂博士司空弦。

最後是重甲機神的家,為人類開拓海洋新邊境的海底都市。決定這個海底基地的名字花的時間連一秒鐘都不到就達成共識,當然是叫「鸚鵡螺」啦!鸚鵡螺是存活在地球上已經數億年,有「活化石」之稱,是古生物學家與演化學家眼中的寶物。

因此,法國科幻小說先驅凡爾納,在他的經典名著「海底兩萬哩」中的超先進潛艇,就命名為「鸚鵡螺號」。之後美國海軍第一艘服役的核子潛艦,也以此命名。目前在太平洋巴布亞新幾內亞海域水面下 1600 公尺,執行人類第一個深海採礦計畫「Solwara 1」的公司,名字就叫做「鸚鵡螺礦業」……

海底都市「鸚鵡螺」的設計圖。

嫌老氣又誇張?這種文字的魔力中二中年才懂得

在創作的過程中,「命名」其實是一個相當奇妙的作業。「名字」只是一個代號,不管名字怎麼取,故事都不會改變,但是「語感」還是有可能會微妙的影響閱聽者看這個故事時的感受,這就是文字的魔力吧!

此外,趁著為角色命名時,可以任意加入自己的各種惡趣味與執念,也算是創作者的特權。至於本片陸續公開情報之後,不時有聽到這樣的抱怨:「雷鳴海、司空弦什麼的,也太老氣又誇張了吧!」由於創作者是幾個中二中年,想出來的名字會有這種感覺也是剛好而已,還請各位多多包涵啊!

超中二物理宅_96
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