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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域

CASE PRESS_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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