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大麥哲倫星系觸發,銀河系部分結構的反應運動

臺北天文館_96
・2021/02/22 ・3126字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 608 ・十年級
  • 本文轉載自臺北天文館,《臺北星空》第 99 期
  • 文/美國夏威夷大學天文研究所 泛星計畫博士後研究員|林建爭
  • 校稿/美國夏威夷 專案文物修復師|王品方

來自愛丁堡大學的天文學家 Michael S .Petersen 與 Jorge Peñarrubia 近期在自然 (Nature) 期刊中,針對銀河系與大麥哲倫星系 (The Large Magellanic Cloud) 的交互運動,有了新的發現。這份最新的研究指出受到大麥哲倫星系重力場的影響,銀河盤面發生偏移,透過測量銀暈(銀河系的主要部分向外延伸,大致成球形的結構)上不同類型恆星的運動,發現銀河盤面正朝著大麥哲倫星系過往的軌跡方向移動,這個觀測結果與數值模擬的模型相符。

銀河系最大的衛星星系——大麥哲倫星系

大麥哲倫星系是銀河系最大的衛星星系,其質量超過銀河系的十分之一,近期觀測發現,它正以高達每秒 327 公里的速度從銀河系旁通過,離銀河系中心距離僅約 16 萬光年(註:銀河半徑約 5 萬光年),是最接近銀河系的。這樣規模的衛星星系在如此近的距離下高速經過銀河系帶來重力場的變化,使銀河盤面相對於質量中心產生偏移,然而銀暈與盤面受到衛星星系重力牽引的影響不同,位於銀暈越外圍的恆星需要較長的時間尺度才能將重力場的變化反應在運動軌跡上。

當一個外力突然進入一穩定旋轉的慣性系統,如同用手去觸碰正在旋轉的陀螺會使它產生偏移,銀河盤面因大麥哲倫重力場影響而會發生偏移且朝某一方向移動,銀暈的運動軌跡也會出現變化以維持動態平衡,這個銀暈因受盤面偏移而產生的運動改變稱作反應運動 (reflex motion)。

銀暈模擬圖。圖/Wikipedia

其實反應運動的測量在恆星尺度上也被拿來當作尋找系外行星的工具之一,如圖 1 所示,反應運動主要與系統中質點的質量比有關,舉例來說,一個質量越大的行星繞著母恆星旋轉,母恆星的反應運動越大(繞系統質心的旋轉半徑越大);因此,天文學家們可藉由觀測恆星的反應運動來發現周圍的未知行星,隨著觀測技術的進步,可以偵測到的自行運動越來越小,距離量測也越趨準確,未來藉由反應運動的測量將有機會發現更小質量的系外行星。

圖1. 系外行星系統。母恆星受到系外行星重力場影響而有些微偏移質量中心的圓周運動,紅色圈是母恆星的軌道,藍色圈是系外行星軌道,此系外行星系統質量中心在正中央。由於系外行星與母恆星亮度對比太大不易直接觀測,因此藉由精確測量母恆星的反應運動,可以間接推測此系統是否有行星的存在。模擬動畫/Movie of a star’s reflex motion
圖2. 銀河系與大麥哲倫星系交互運動模擬截圖。紅色是大麥哲倫星系及其軌跡,藍色是銀河系盤面受到大麥哲倫星系重力場影響的軌跡,銀河系盤面正朝大麥哲倫星系過去的移動軌跡移動。圖/The Milky Way in disequilibrium | Nature Portfolio Astronomy Community

那如何藉由反應運動的測量來分析銀河盤面與大麥哲倫星系的交互運動呢?天文學家 Petersen 等人利用銀暈上的 K 型巨星 (K Giants)、藍水平分支星 (Blue Horizontal Branchs) 和衛星星系來分析銀河盤面的移動速度。這三個分類中,資料樣本數量龐大的亮星來源 K 型巨星,擁有較精確的自行運動測量數值,有助於將盤面移動速度限縮在較小的範圍內,如圖 3 紅色區域所示。

圖3. 銀河系盤面運動方向投影圖。陰影輪廓由淺至深分別表示 67%、90%和 95%銀河盤面運動方向的機率,不同顏色表示不同星體推估出來的機率分佈,淺灰色是綜合統計結果、紅色是 K 型巨星 (K Giants)、藍色是藍水平分支星 (Blue Horizontal Branchs)、橘色是衛星星系 (Satellites)。黑白背景是 Pan-STARRS DR1 和 Gaia DR2 的RR天琴變星的密度分佈圖。LMC是大麥哲倫星系,周圍兩個質量較小的衛星星系分別是:小麥哲倫星系 (SMC) 和人馬座矮星系 (Sgr) ,白色虛線表示大麥哲倫星系過去的運動軌跡。圖/Detection of the Milky Way reflex motion due to the Large Magellanic Cloud infall

綜合分析三類不同來源恆星的觀測資料後,Petersen 等人發現目前銀河盤面正以相對於外圍銀暈(離銀河中心 13-39 萬光年範圍)約每秒 32 公里的速度,朝向大麥哲倫星系早期通過銀河系的軌跡方向移動,而不是朝向大麥哲倫星系當前的位置移動,如圖 2 的模擬圖以及圖 3 觀測資料的結果所示。這樣的現象主要是因為大麥哲倫星系移動的速度太快,使得銀河盤面在重力牽引導致的位移上發生延遲,這個觀測結果與數值模擬銀河系與大麥哲倫星系的交互運動模型一致。

Petersen等人透過六項恆星參數的測量,包含有距離 (heliocentric distances)、銀河座標 (Galactocentric coordinates)、自行運動 (proper motion) 與視向速度 (line-of-sight velocities),估算出銀暈上恆星的反應運動;這個觀測結果說明了在模擬銀河系的動態模型時,大麥哲倫星系接近銀河系時所帶來的重力擾動是不可忽略的。此外,在觀測銀暈上的恆星時所使用的參考座標系,也必須針對銀河盤面產生的反應運動進行校正。

研究人員更進一步地利用貝氏擬合 (Bayesian-fitting) 的技術(註:將模型參數看成隨機變量,利用馬可夫鍊蒙地卡羅法來估算出模型參數的一種統計解法)來測試目前銀河系與大麥哲倫星系的數值模型,發現從銀河系現有的反應運動所對應到的是一個較大質量的大麥哲倫星系,這個結果暗示著大麥哲倫星系在接近時可能伴隨著帶有暗物質的星系暈。他們認為未來光譜觀測的巡天計畫與 Gaia 資料的公開,將有助於更精確的模擬大麥哲倫星系通過銀河系時的軌跡,甚至有機會進一步了解暗物質在銀河系與大麥哲倫星系中的分佈與結構。

更加精準的測量數據 揭開星系間的奧秘

這項研究結果也指出,我們不能單純的將銀河系當是做一個動態平衡系統。觀測者需要校正重力擾動對盤面質心位移所產生的非慣性效應;儘管我們目前已針對太陽的反應運動進行校正,但銀河盤面與其他星系的動力學研究,如大麥哲倫星系造成銀河系的反應運動,仍不可忽略。

總和來說,這份研究探討了位於銀暈外圍(半徑大於 13 萬光年)的恆星運動因銀河盤面位移而產生反應運動,位於較小半徑內,反應運動的程度幾乎可以忽略。此外,這份研究也指出,受到銀河系和大麥哲倫星系相互重力牽引的影響,這兩星系間的系統位能也隨著時間變化,若我們能更了解這部分動態的能量轉移,許多問題將有望被一一解開,例如大麥哲倫星系的接近軌跡與暗物質如何影響其路徑?大麥哲倫會在接近銀河系時因潮汐力而流失其暗物質嗎?這些暗物質又會往何處去呢?

隨著近期 Gaia 資料的公開,在自行運動上有更大範圍且準確的測量,綜合一些大型望遠鏡的光譜巡天計畫,例如 LAMOST、4MOST 及 VLT-MOONS,銀暈上恆星的視向速度測量資料將會更加準確,也有助於我們了解大麥哲倫星系接近銀河系的軌跡與其潮汐碎片 (tidal debries) 的位置。於此,在接下來的幾十年中,我們將有機會一揭銀河系與星系周圍動態運動的神秘面紗。

大小麥哲倫星系。圖/林建爭

原文及參考資料

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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。