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都是星星惹的禍?—木星合土星─歲星犯填星

臺北天文館_96
・2021/03/08 ・6214字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 550 ・八年級
  • 本文轉載自臺北天文館,《臺北星空》第 99 期
  • 文/歐陽亮:天文愛好者,曾獲 2001 年尊親天文獎第二等一行獎,擔任 2009 全球天文年特展解說員

最近天空中有兩顆星總是靠得很近,上個月甚至快要貼在一起, 不小心抬頭看到的人也許會驚訝不已、開始猜想它們在暗示什麼?夢中情人快出現了嗎?於是趕緊低頭繼續滑手機,考慮要先上天文網站瞭解一下、還是直接到占星網站看看大師怎麼說?沒手機的古人看到的話,是否會湧起一陣莫名恐慌?

「星星可以預示人的命運」這種想法,早在四千年前的早期文明就已經開始萌芽,不管是東方還是西方,都曾經拿星星來占卜國家大事1,所以嚴格說來,占星真的改變過許多人的命運!不過這是因為統治者的想法如同悲劇「伊底帕斯王」一樣被占卜所左右,造成其決策影響了平民百姓,並非因為星象真的顯露了什麼天機。

這種神秘的國家級占星術雖然與常見的八字算命、紫微斗數或十二星座這些預測個人命運的命理學完全不同2,但也沒有像倪匡小說所描寫的那樣戲劇化:彼此相距遙遠的恆星竟可放出特殊細長星芒匯聚在一起、暗示地球某處即將滅亡。不過天象若能對君王做出預兆或警告,這對於一般人來說,已非常地驚心動魄、宛如宇宙怪譚了。正史還曾記載諸葛亮死前「有星赤而芒角,自東北西南流,投于亮營,三投再還,往大還小,俄而亮卒」,由於他的個人命運關係到國家危亡,所以這種描述也可視為同類型的占星術。

2020 年 12 月 21 日土星木星合於斗牛之間(古稱歲星犯填星)示意圖。圖/筆者繪

要運用星象來連結到人間與世道,必須有個天、人對應的規則或感應方法。用重力?電磁波?但古代沒有這些物理概念。不然用「氣」?還是外星生命的未知力量?其實都不是,古人只是簡單地用人間事物來為天上星星取名,再用它們類比到地上,天上發生異象後,就暗示著地面同名者的異動。

另外古人也用「分野」的方法來判斷異象所對應的地理範圍,找出哪裡會出代誌。把天空與地面配對的方式有很多種,包括用二十八宿、十二次、十二月、天干地支、北斗七星或五大行星,配上分封國名、州名3或山名4等(圖 2)。還有人整理出古今七種分野起源說法5,如唐代一行法師認為是由黃河與長江對應銀河而劃分的6。不過古人眼中的蠻夷之地就不夠格讓天象顯示7,因此,誰是正統就能用應驗地區來判斷8。然而隨著歷代版圖的擴張,這種對應也得隨之變化。於是,原本在明代仍屬海外地的台灣,到清朝時才擁有分野歸屬,但是不同時期的府志卻有不同看法9

圖 2:明末的塞爾登地圖(Selden map),圖中紅圈所記之星宿即該地之分野。台灣雖已被繪出,但當時屬海外地,尚無分野歸屬。圖/牛津大學博德利圖書館 Bodleian Libraries, University of Oxford

有趣的是,分野之說傳到日本後,為了能在當地實際應用,就被擅自改為他們自己的地名了10(圖3) 。另外,古印度也有類似的分野思想,不過他們是把二十八星宿對應到不同階級或不同職業的人11,其中甚至包括音樂家與小偷。

圖 3:蘇州石刻天文圖(左)與日本天文分野之圖(右,圖/日本國立天文台三鷹圖書室),比較兩者外緣可見中國地名被改爲日本古代國名,佐渡、加賀等地相當於現在的北陸地區。

這種占星術當然不可能真的「實用」,就像古天文裡最有名的「熒惑守心」事件一樣,天象只是被人拿來當做藉口進行想做的事。

編按:熒惑守心即火星(古稱熒惑)在心宿(二十八宿之一)發生「留」——由順行轉向逆行或逆行轉為順行的現象。

剛開始也許只是一次偶然玄奇的星象剛好與最近發生的事件時間相吻合(前後三年內都算應驗12),就被天文官記下來成為僵化的範例,但沒人關注日後是否每一次都應驗,也不曾把多次未應驗的加以排除。難怪古天文占辭在唐宋時期就開始流於龐雜且矛盾百出,更不用說其他許多牽強之處,諸如認錯星星、造假迎合、天文官筆誤、 歷代星官變化等。改朝換代時也常被附會出現過「五星聚」,但大多經不起科學回推驗證13。直到清代的《明史‧天文志》才寫道:「歷代史志凌犯多繫以事應,非附會即偶中爾…比事以觀,其有驗者,十無一二。」

讓我們來看看正史是怎樣描述木星的:「歲星所在,國不可伐,可以伐人14」,這簡直就像獲得雅典娜的保佑或得到通關外掛一樣。那麼最近發生的木星接近土星在古天文裡象徵什麼意義呢?《史記‧天官書》說:「木星與土合,為內亂,饑」(圖 4)。但現代這個國際化的世界裡,內亂與饑荒隨時都在某一國發生,分野也未曾對應到全球各地,所以我們已經無法再把亂源牽扯到星星頭上了。

圖 4:《史記.天官書》所載的土木合占辭。圖/中國哲學書電子化計劃

這一次極為特別的木星合土星在 2020 年 12 月 21 日最接近,相距僅 6.5 角分左右,是月亮的五分之一、北斗「開陽雙星」的一半而已!視力好的人才能在 21 日黃昏看出那是兩顆星黏在一起,且亮度達負 2 等與 0.6 等,遠高於開陽雙星的 2 等與 4 等。這兩個互有特色的行星相聚,形成一個相當有意思的畫面:兩顆大星星各自帶領一群衛星小嘍囉擠在一個狹窄區域裡。相信已有許多人拍下這樣難得的大合照吧?

為何是歲星犯填星,而不是填星犯歲星?

這次的木星合土星在古代如何稱呼?通常,一個運動中或新出現的天體逼近另一個天體時被古人稱為「犯」15需相距一度之內16否則僅能稱之為合木星在古代被命名為「歲星」之時應該就已經知道它週期約十二年,而且跑得比土星快,所以這次的超近密合可稱為「歲星犯填星(或鎮星)」。但是木星一定比土星快嗎?在木星順逆行轉換的前後幾天(稱為留或守),若此時土星剛好在附近移動,不就像龜兔賽跑的烏龜一樣快?真的只用行走遲疾來判斷誰主動犯誰嗎?還是會採用亮度來決定?

查閱古籍所有木星與土星相犯的十多筆資料裡,大多是寫為「歲星犯填星」17,但也有三筆「填星犯歲星」、「鎮星犯歲星」的記錄,但歸納起來,其發生時間都相同,故僅一筆。這個例外就是「光熙元年(306年)九月己亥,填星守房、心,又犯歲星18」,但實際上木星此時並不在附近,火星則離土星二度多,有可能是因簡稱謄寫轉換到正史時誤認火為木。另外,記載兩星「相犯」的記錄也很少19。然而《舊五代史》竟然有奇特的「歲星犯月」20,當時木星距月球表面僅 17 角分,後來還形成月掩木星,但已落入地平線下看不到。木星在視覺上移動速度不可能比月球快,所以這個正史裡唯一的「歲星犯月」應該是寫反了。同樣地,唯一的填星犯歲星也可能是為了接續前一句「守房、心」而顛倒其主從關係21

上一次土木兩星這麼近的超級密合是 1623 年,而 800 年前(1226 年)距離更近到 3 角分以內!雖然彼此衛星們都快要混合在一起了,不過史書卻只寫「寶慶二年正月壬午,太白與歲星、填星合於女」,沒有記下這兩星幾乎快變成一顆星的情形,也許是因天候或其他因素讓天文官沒有觀測到這次特殊天象。

至於木星與其他三行星的凌犯記錄則皆為歲星被犯,因此可排除以「亮度」做為犯的準則。雖然《開元占經》裡也有相反的「歲星犯太白」等占辭22,但是正史上從未出現過這些記錄23

如果從現代天文學角度來看,木星處於順行轉逆行的「留」時(圖 5 之 A 位置),此時地木土三星位置幾乎連成一直線,呈現狹長三角形,土星若在木星西方,則應在逆行遠離木星;若位於其東方且距離也夠近時,則可能已轉逆行且比木星稍快。例如西元 828 年 11 月 21 到 25 日,土星跑了 2.2 角分並向木星接近,而木星只跑了 1 角分,兩星距離約半度(圖 5 上)。但是當月的 5 日到 21 日則明顯是木星順行衝向土星, 21 日之後才變成土星反過來追逐。

圖 5:木星留前後幾天,其附近的土星速度可高於木星。上圖:西元 828 年,下圖:西元 710 年,背景為 2020 年 12 月 21 日。圖/Stellarium 模擬圖

若木星位在逆行轉順行的「留」(圖 5 之 B 位置),也會出現類似現象,例如西元710 年 3 月 9 到 12 日,木星只移動 0.3 角分而土星向木星移動了 2 角分(圖 5下)。

但是天文官會每天測量行星精確位置來確認誰犯誰嗎?木星每天移動頂多 0.2 度左右,小於宋元之際測量誤差24、並約略等於清代觀測誤差25 ;土星在上述兩例中雖然較木星快,但三、四天才移動 2 角分,古人根本無法察覺。因此,木星除了留的前後,移動都遠比土星明顯,視覺上視為木犯土的機會較大。

綜合起來,古代凌犯記錄很可能只是依照木星比土星快的印象,直接記為歲星犯填星,並不是根據速度實測。至於 2020 年 12 月 21 日兩星皆處於順行,木星明顯跑得比土星快,依然是歲星犯填星。

除此之外,填星犯某星的記錄也遠少於某星犯填星, 明史稿與明實錄裡的「填星犯太白」到了正史中則被改為「太白犯填星」26,因此可以確定快慢印象應是凌犯的判斷標準。至於其他三個跑得快的行星是怎樣互犯的,就是另一個問題了,以後再談27

除了行星與月球掩犯之外,彗星、流星、新星甚至極光也都被古人用來當做占卜的工具。這種學問在以前私下偷學還會被政府處罰,現在想學的話雖然不用再冒如此風險,只是也沒幾個人會信了。

占星術曾被認為阻礙了現代天文學發展,不過近年來則出現天文學是被占星學哺育長大的說法28。在分野的體系裡就可以看到,天上星宿與地上州國都必須劃有明確的界線才能實際運用,而度量界線極可能促進了天文數量化的技術29

倪匡曾在小說中寫過「天文學家用望遠鏡觀察星星,就像在一公里之外觀察一個美女想去了解她一樣,同樣是不可能的事」。如此說來,古代占星術就像是用直覺或瞎猜,現代天文學則是使用推論與計算,依據那位美女的行為與造型來推斷她的氣質或個性。這就是現在天文學家在做的浪漫的事吧?

附註:

  1. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,遼寧教育出版社, 2005,頁4、 22。
  2. 科學史專家江曉原教授將前者命名為軍國星占學(Judicial Astrology),後者命名為生辰星占學(Horoscope Astrology),詳見江曉原《天學真原》,遼寧教育出版社, 2004,頁 177。
  3. 陳遵媯《中國天文學史》第二冊,明文書局,1985,頁 177 ~ 178。
  4. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,頁 223、 225。
  5. 李勇〈對中國古代恆星分野和分野式盤研究〉,《自然科學史研究》, 1992,頁 22 ~ 31 。
  6. 《新唐書》卷三十一天文志:「觀兩河之象,與雲漢之所始終,而分野可知矣。」
  7. 《乙巳占》卷第三:或人問曰「…分野獨擅於中華,星次不沾於荒服。至於蠻夷…豈容變化應驗全無?」淳風答之曰:「華夏者,道德、禮樂、忠信之秀氣也。彼四夷者…豈得與中夏皆同日而言哉?…四夷宗中國之驗也。」
  8. 《三國志》卷四十三:魏明帝問權:「天下鼎立,當以何地為正?」權對曰:「當以天文為正。往者熒惑守心而文皇帝崩,吳、蜀二主平安,此其徵也。」
  9. 明史天文志:「福建布政司所屬皆牛、女分」。台灣府首任知府蔣毓英之《臺灣府志》:「臺灣,遠隔大海,番彝荒島,不入職方,分野之辨,未有定指…按考臺灣地勢,極於南而迤於東;計其道里,當在女、虛之交」。高拱乾《臺灣府志》:「臺自破荒以來,不載版圖、不登太史,星野分屬,何從而辨?然臺係於閩,星野宜從閩」。《重修臺灣府志》與《續修臺灣府志》:「臺灣,禹貢揚州之域;天文牛、女分野」。 欽定授時通考:「臺灣府,古海外地,牛、女分野」。
  10. 潘鼐《中國恆星觀測史》,上海學林出版社,2009,頁 514。
  11. 周利群〈虎耳譬喻經梵文精校本早期印度星占史料〉,《中國科技史雜誌》 2018 年 01 期,頁 107 ~ 108。
  12. 江曉原〈天意與人情:星占文化之前世今生〉 ,《新視線》, 2013 年第 5 期。
  13. 江曉原《12宮與28宿:世界歷史上的星占學》,頁267。
  14. 《漢書》卷二十六.天文志。
  15. 劉次沅《明實錄天象記錄輯校》,三秦出版社, 2019,前言頁 2。
  16. 劉次沅《對中國古代月掩犯資料的統計分析》,自然科學史研究第 11 卷第 4 期, 1992,頁 300。但是歷代的凌犯定義其實不太統一,唐瞿曇悉達《開元占經》卷六十四分野略例寫道:「石氏曰:『五星入度,經過宿星,光耀犯之,為犯。』郗萌曰:『五星所犯,木火土水同度,去之七寸,為犯;太白一尺(相當於一度)以內,為犯。』韋昭曰:『自下往觸之,為犯。』…甘氏曰:『在下犯上,為陵。』石氏曰:『在上犯下,為陵。』…甘氏曰:『在下相侵為貫,在傍為刺。』郗萌曰:『直至為抵。星相觸而止,為觸。』甘氏曰:『相切為磨。』石氏曰:『相至為磨。』甘氏曰:『去之寸為靡。星相滅為抵。』」可見有多種形容兩星接近的說法,只是除了「犯」之外的記錄極少。劉次沅《諸史天象記錄考證》(中華書局, 2015,前言頁 11、頁 106)認為2度亦略可稱犯,少數犯的記錄甚至達 5 度(前言頁 17)。 《清史稿》 則定「兩星相距三分以內為凌,月與星相距十七分以內為凌,俱以相距一度以內為犯,相襲為掩。」
  17. 記錄包括《宋書》與《晉書》的天文志:咸安二年(372 年) 正月(相距不到 3 角分)、義熙七年(411 年)七月(相距將近一度)、 《魏書》天象志一之四:太和十五年(491 年)三月(約 17 角分)、《新唐書》卷三十三:大和三年(829 年)四月(約 16 角分)、《元史》卷四十八:至元二十二年(1285 年)十二月(約 11 角分)、《清史稿》康熙二十一年(1682 年)九月(不到 16 角分,隔年正月與四月也一樣近但無記載)、乾隆七年(1742 年)八月(約半度)、乾隆四十七年(1782 年)十月(約 45 角分)。以天文模擬軟體Stellarium觀察以上 8 次記錄,皆為木星移動較土星快。
  18. 同一記錄載於三處: 《宋書》卷二十四‧天文志二、 《晉書》卷十二‧志第二天文中、 《文獻通考》卷二百九十三下‧象緯考。同一月份也有熒惑守心記錄,但用天文模擬軟體來看,火星只是順行穿過心宿並未停留與逆行。
  19. 只有《乾象通鑑》五緯鎮星論:鎮星歲星相犯以及《魏書》天象志一之四「木、土相犯」,但天文軟體顯示兩星距離超過 6 度。
  20. 《舊五代史》卷一百三十九:開平二年(908 年)正月。
  21. 其實歷史記錄經常出錯,劉次沅《諸史天象記錄考證》已全面彙集相關資料,但 306 年這一筆並未載入,另外諸如宋書永嘉三年正月「熒惑犯紫微」這類明顯錯誤(因火星不可能接近恆顯圈)亦未提及。
  22. 另外亦有「填星干木星、 歲星干金星、 歲星干辰星、 歲星干熒惑」,其中「干」是干擾冒犯之意,但容易與「位于某宿」的「于」混淆。正史只有周書卷七「熒惑干房」用過此字,對照前文「大象元年(579 年) 熒惑掩房北頭第一星」(兩星相距不到 4 角分,幾近重合),可知干應是幾近於掩的意思。
  23. 但周邊國家的史書或占書如越南(歲星犯太白,兩星相距超過 3 度)、日本(天文要錄:歲星犯辰星)、高麗(歲星犯辰星、歲星犯熒惑,但歲星速度皆較慢)卻有這類記載。
  24. 潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 246、 287、 297、380。
  25. 伊世同《中西對照恆星圖表1950》,科學出版社, 1981,頁 189。
  26. 1434 年,兩星相距約 13 角分。
  27. 明初的《天元玉曆祥異賦》就記載了五星互犯的各種可能,其中水金火三星互犯的實際記錄散見於正史中,但無辰星犯熒惑;而熒惑犯辰星的記錄在實際上卻皆為水星較快(包括《宋書》義熙三年六月、《晉書》義熙五年四月與六月),為何如此有待考證。
  28. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,頁 8。
  29. 陳遵媯《中國天文學史》第二冊,頁 184。

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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。