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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

ntucase_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 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?

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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>。

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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]

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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!

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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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ntucase_96
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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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量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

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萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

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理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

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黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

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一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

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就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

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根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

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事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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歐幾里得望遠鏡開工——目標是尋找暗物質證據!一起從科學家的角度欣賞這片夢幻光景!
PanSci_96
・2024/01/27 ・6276字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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14 億歐元天文望遠鏡拍出的照片,你看過了嗎?你看到現在這些照片,揭開了宇宙過去與現在、空間與時間所交織的祕密嗎?

今年 11 月 7 日,位在 L2 拉格朗日點的歐幾里得望遠鏡,終於傳回來它升空後的第一批照片。這 5 張照片不只展示了望遠鏡的強大性能,更讓我們窺見過去無法看到的,宇宙深處的幽美與奧秘。就讓我們一起透過這些獨特的照片,來一場探索宇宙的奇異之旅吧!

歐幾里得望遠鏡有什麼厲害之處?

今年 7 月 1 號升空的歐幾里得望遠鏡,任務是觀察宇宙大尺度結構,來研究暗物質與暗能量在宇宙中的分布與性質,讓我們進一步了解自己身處的這個宇宙。

去年七月,接棒哈伯望遠鏡任務的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡,傳回來了升空後的第一批相片,每張照片都美的震撼人心,也帶著我們從全新的視角,眺望遙遠的系外行星、恆星、星雲與早期宇宙。當時,我們製作了一集節目,和大家分享這批照片背後的重要意義。我們也提到,每個望遠鏡在完成校準以後,都會發布一批「開光照」,向外界傳達望遠鏡已經可以順利運作的好消息,同時也讓大家了解這台新望遠鏡身上,背負了哪些重要的使命與任務。

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而這次,新升空的歐幾里得望遠鏡也終於完成校正,傳回來不同於韋伯望遠鏡,從另一個視角看宇宙的開光照。先讓我們來了解一下歐幾里得望遠鏡。它的觀測波段是可見光到近紅外線波段,目標是觀測大範圍、不同遠近的宇宙天體。預計在 6 年的服役期間,建立完整清晰的宇宙 3D 立體圖像。只是,剛退役的哈伯太空望遠鏡,主要任務就是可見光波段的研究,去年剛任務正式開始的韋伯太空望遠鏡,則是紅外線波段的佼佼者。那歐幾里得望遠鏡有什麼突破之處嗎?這座花費 14 億歐元的望遠鏡當然有它獨到之處,它強大的地方在於,可以在更短時間內獲得更高解析度的照片,同時拍攝更大範圍的宇宙。比如哈伯太空望遠鏡需要好幾天觀測的天體,歐幾里得望遠鏡一個小時就可以搞定,而且解析度更高。

歐幾里得太空望遠鏡。圖/wikimedia

其實看它們的任務目標就能很快理解,現在在天空上的韋伯和歐幾里得,雖然有部分任務重疊。但韋伯更著重在尋找系外行星與觀察星系、恆星系統的演化。歐幾里得呢,則是將視野放大到整個宇宙,希望了解暗物質、暗能量在整個宇宙間扮演的角色。所以比起韋伯太空望遠鏡著重在拍攝小範圍、高解析度的天體照片,歐幾里得望遠鏡一開始的設計,就是要在短時間內掃描更大片的宇宙。因此,歐幾里得望遠鏡也確實成為建立宇宙 3D 立體圖像的最佳望遠鏡,定期的大範圍掃描天空,讓我們能一窺宇宙隨時間的演化動態。

那麼,就讓我們來欣賞歐幾里得望遠鏡的第一批照片吧!

歐幾里得望遠鏡第一批照片公開!

第一張照片,像是在宇宙這張巨大的黑布上,撒下大小珍珠。它是一張距離地球 2.4 億光年,英仙座星系團的影像照。

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宇宙中有許多星系團,英仙座星系團就是其中之一,裡面包含超過 1000 個星系,是宇宙中最大的結構之一。除此之外,這張照片不僅清楚拍下了星系團,如果將照片放大來看,還會發現背景中有許多過去難以看到的星系,數量超過 10 萬個,最遠的甚至達 100 億光年。為什麼第一批照片要選擇拍攝星系團呢?因為研究星系團能幫助我們了解宇宙大尺度結構,進一步推算暗物質與暗能量的比例。

宇宙中的星系分佈其實是不均勻的,有些地方有許多星系,有些區域則幾乎沒有。整個宇宙中天體的分布看起來就像是一張巨網。可是,為什麼宇宙的大尺度結構是網狀的呢?天文學家認為宇宙大爆炸之後,物質在宇宙中的分佈會有些微的不均勻。當宇宙逐漸冷卻,氣體物質密度較高的地方會因為重力吸引而塌縮。但因為溫度很高,高溫產生的巨大壓力又讓氣體團反彈回來,就像擠壓一個壓力球一樣。來回震盪的過程中氣體會像聲波朝四面八方傳遞出去,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。最後整個宇宙就像下毛毛雨時的池塘,形成由許多漣漪交織的網狀結構,波腹的地方氣體密度較高,變成星系高度聚集的區域,我們稱為星系團。其他地方氣體密度低,形成的星系數量較少,就像是宇宙間的孔洞。

而根據宇宙學家計算,要形成星系團、宇宙網(cosmic web)這類的宇宙大尺度結構,只靠已知物質提供的重力是不夠的,很可能還有許多我們還不了解的物質參與其中,也就是暗物質。這張照片不僅能幫助科學家研究宇宙大尺度結構,更彰顯歐幾里得望遠鏡的重要任務之一,就是幫助科學家深入了解暗物質的分佈與本質。

第二張照片是螺旋星系 IC342,離地球只有 1100 萬光年,算是離地球很近的星系,但由於它被明亮的銀河系盤面擋住了,觀測的難度非常高。歐幾里得望遠鏡利用近紅外線儀器穿透塵埃進行觀察,並移除許多銀河系中的恆星光芒,最後才形成這張極高解析度的照片,展現了它觀測隱藏星系的實力。

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IC342。圖/Judy Schmidt

這個螺旋星系在天空中的大小相當於一個滿月那麼大,要一次觀測這樣大範圍的天空,同時保有超高解析度,目前只有歐幾里得望遠鏡才辦得到。由於螺旋星系 IC342 和銀河系很像,觀察它的演化有助於科學家理解銀河系的形成過程。未來歐幾里得望遠鏡也會觀測更多隱藏星系和遙遠的天體,繪製出它們的 3D 分佈圖。

第三張照片是不規則星系 NGC 6822。雖然跟 IC342、銀河系一樣也是星系,但形狀不是螺旋而是不規則的。

透過光譜分析,我們知道這個星系中的重元素含量很低。重元素是透過大質量恆星核融合所產生的,重元素含量少表示星系裡的恆星才剛形成,也就是一個很早期、相對年輕的星系。科學家認為,在宇宙早期星系剛開始演化時,大部分的星系就長得像這樣,質量小、形狀也不太規則。之後這些小星系會因為重力吸引其他星系,彼此相撞、融合成更大的星系,逐漸產生旋轉的結構,形成像銀河系這樣的大質量螺旋星系。所以藉由觀測這些早期星系,可以幫助科學家了解星系的形成過程。

另外,照片中一顆顆藍色的圓形區域,是球狀星團。球狀星團中的星星都是由同一團氣體產生,是宇宙最早形成的天體之一,有些甚至比星系本身還早。透過觀測這些球狀星團的運動,能協助我們更了解這個星系的形成史。

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球狀星團大部分分佈在星系的外圍,以很慢的速度繞行星系,可能要好幾年才能觀察到要它們的運動。那科學家要怎麼知道這些星團是如何移動的呢?凡走過必留下痕跡,其中一種方式就是觀察到它們與星系本身互動所留下的痕跡。在歐幾里得望遠鏡傳回來的第四張照片中,就呈現了這些細節。第四張照片是球狀星團 NGC 6397,一個繞行銀河系的球狀星團。

當星團經過星系中的高密度區域,比如暗物質集中區、旋臂或星系盤面,星團中的星星會受到不同強度的重力吸引,使得星星彼此遠離,這個力量稱為潮汐力。顧名思義與潮汐的產生是相同的原理,由於地球各處受到太陽與月亮的重力總和不相同,在重力較強的地方海水受拉伸而漲潮,重力較弱的地方就會退潮。同樣道理,球狀星團在靠近星系中心的一側受重力較強,遠離星系的一側則較弱,球狀星團因而被拉伸,形成一條由星星組成的尾巴,稱為潮汐尾。

透過觀測潮汐尾,就可以了解球狀星團,乃至星系的演化過程。如果沒有潮汐尾,也可能代表有暗物質暈阻止外層恆星逃脫,能幫助我們進一步了解暗物質在星系當中的分佈。但要瞭解潮汐尾的形成過程,必須有星團中每顆星星的移動資料,也就是需要同時進行大範圍、短時間、高精度的觀測。而歐幾里得望遠鏡的優勢此時就能充分發揮,它可以一次拍攝整個球狀星團,而且只須一小時就可以得到這張高解析度的照片,連裡面的很暗的星星也看的一清二楚。只要每隔一段時間拍攝一張照片,就可以製作成動畫,了解星團中星體的運動軌跡。

最後,我們來介紹最後一張照片。它看起來最為夢幻,猶如一張宇宙中以繁星點綴的絲綢。它是距離地球約 1375 光年的馬頭星雲,也是離我們最近,正在形成新生恆星的區域。在星雲的上方(照片之外),有一顆明亮的恆星:獵戶座 sigma 星,這顆星輻射出的紫外光激發了位在馬頭後方的星雲,形成明亮、宛若薄紗的區域。組成馬頭的暗星雲氣體則因為溫度較低,只有些微的熱輻射,形成較為黯淡的前景,並稍微遮掩背後的明亮星雲。前後星雲層層堆疊,就像一幅宇宙給我們的水彩畫。更進一步,藉由歐幾里得望遠鏡高解析度的照片,科學家得以從中看到更多類木星、棕矮星、嬰兒恆星等,協助科學家了解星雲中的恆星形成過程。

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圖/wikimedia

對了,在我們介紹韋伯望遠鏡時有提到過,這些宇宙照通常不是它可見光波段下,真正我們肉眼所見的樣貌。而是選定特定波長後透過顏色校正,甚至將不同波段的照片疊合,才得到的結果。也就是說,選則不同的電磁波波段,或是採取不同的調色方式,得到的照片都會有不同風味。

所以如果你覺得這張淡麗的馬頭星雲不滿意,也有這張,特別強化氫元素的紅色光譜與氧元素藍色光譜後,成為一張猶如滅世風格,帶有點詭譎濾鏡的另一種美照,是不是跟剛才的氛圍完全不一樣呢?

馬頭星雲。圖/wikimedia

順帶一提,對我來說,一樣是星雲照片,韋伯望遠鏡校色出來的照片還是覺得比較好看。例如之前介紹過的,韋伯望遠鏡開光照之一的船底座星雲。還有原本是望遠鏡大前輩哈伯代表作,後來韋伯又重新翻拍的創世之柱,都更令人讚嘆不已,對比與彩度都高上許多,給人一種正在仰望廣闊宇宙的壯烈感。

韋伯望遠鏡所拍攝的船底座星雲。圖/wikimedia
創生之柱,左哈伯、右韋伯。圖/PanSci YouTube

我們更了解這個宇宙了嗎?

我們對於宇宙的瞭解還太少,目前宇宙中的已知物質,包括元素週期表上的所有原子,根據計算只佔宇宙質能的 5%,剩下的估計都是暗物質與和能量。

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但宇宙的奧秘就像一張複雜的拼圖,每拼上一小塊,都會給我們一些線索,猜測周圍的拼圖可能會是什麼。當拼的夠多,我們終有一天能得知宇宙整體的圖畫長什麼樣貌。恆星形成、星系演化方式、暗物質、暗能量等等,都各自是一塊塊重要的拼圖,唯有了解它們才能逐步得知暗物質與暗能量的奧秘。

舉例來說,暗物質所提供的重力在星系形成中扮演重要角色,目前最被科學界接受的冷暗物質(cold dark matter)模型,假設暗物質是由質量很大的粒子所組成,透過重力吸引聚集成許多小塊,小塊暗物質再彼此融合成更大的暗物質團塊,質量足夠大的團塊就可以吸引夠多的氣體,形成早期星系,之後再彼此融合成為更大的螺旋或橢圓星系。但透過數值模擬,科學家發現這個模型有些問題。理論上來說應該要有數百到數千個小衛星星系,繞行像銀河系這麼大的螺旋星系旋轉。但是天文學家實際上只觀測到約十個小星系繞行銀河系,這是著名的衛星遺失問題(Missing satellite problem)。

因此科學家又提出更多暗物質模型,比如與冷暗物質相對的熱暗物質(warm dark matter)模型,可以透過熱運動所產生的壓力抵銷重力,使得小暗物質團塊變得不穩定,從而解釋為何小星系的數量這麼少。除了熱暗物質以外,還有眾多的暗物質模型。但要證明哪個模型是正確的,就需要更多觀測數據與星系演化的模擬結果進行比較,才能得到答案。

不過看過歐幾里得望遠鏡傳回來的第一批照片,並了解其中代表的重要意義,就能充分感受到我們離解開這個謎團又更近了一步。還沒完,預計於 2027 年升空的羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope),與歐幾里得望遠鏡相同,都肩負研究暗能量與暗物質的重要任務。兩座望遠鏡將一同一個從可見光,一個從紅外線波段觀察大範圍宇宙,期待能為科學家帶來寶貴的數據,解開這盤旋好幾十年的謎團。

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秋季星空中一抹光亮:北落師門殘屑盤的觀測史——《科學月刊》
科學月刊_96
・2024/01/19 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 謝承安/ EASY 天文地科團隊成員,因喜愛動畫《戀愛中的小行星》開始研究小行星,現就讀臺大物理系。
  • 林彥興/清大天文所碩士, EASY 天文地科團隊總編輯,努力在陰溝中仰望繁星。
  • Take Home Message
    • 殘屑盤是恆星周遭的盤狀結構,由於北落師門殘屑盤離地球僅 25 光年,數十年來天文學家時常會藉由觀測它以了解殘屑盤的特性。
    • 去(2023)年韋伯望遠鏡的觀測結果與過去不同,顯示北落師門殘屑盤其實分成多個部分,更讓他們相信北落師門中有多個行星環繞。
    • 韋伯望遠鏡提供的影像還揭露許多來源未知的構造及現象,例如內側殘屑盤與內側裂縫等,都有待繼續探索。

北落師門(Fomalhaut)又稱南魚座 α 星,是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月,以美國亞利桑那大學(University of Arizona)天文學家加斯帕(András Gáspár)為首的研究團隊在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上發表,他們藉由詹姆士.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST,簡稱韋伯望遠鏡),在北落師門周圍殘屑盤(debris disk)中首次發現了「系外小行星帶」的存在。韋伯望遠鏡拍下美麗的照片,也瞬間席捲各大科學與科普媒體的版面(圖一)。

圖一:韋伯望遠鏡在波長約 25 微米(μm)的中紅外線拍攝的北落師門影像,首次呈現北落師門殘屑盤中的三層結構。(NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

天文學家選擇北落師門作為目標並非偶然。半個世紀以來,北落師門一直是天文學家研究殘屑盤時的首選目標之一。韋伯望遠鏡的新影像為我們帶來什麼新發現?過去與現在的觀測方式又有什麼差異?本文將帶著大家一起回顧北落師門殘屑盤的觀測史。

行星相互碰撞後的殘屑盤

殘屑盤是環繞在恆星周遭,由顆粒大小不一的塵埃所組成的盤狀結構。如果讀者們聽過行星形成的故事,也知道行星是從恆星四周、由氣體與塵埃組成的「原行星盤」(protoplanetary disk)中誕生,那你或許會認為殘屑盤可能就是行星形成後剩下的塵埃。但實際上並非如此,在恆星形成初期的數百萬年間,原行星盤中的氣體和塵埃會被恆星吸積或是吸收恆星輻射的能量後蒸發,同時也會聚集成小型天體或行星,這些原因都會使原行星盤消散。而殘屑盤則是由盤面上的小行星等天體們互相碰撞後,產生的第二代塵埃組成(圖二)。

圖二:殘屑盤想像圖(NASA/JPL-Caltech)

這些塵埃發光的機制主要有兩種。第一,塵埃本身可以散射來自母恆星的星光,從而讓天文學家能在可見光與近紅外波段看到它們。第二,塵埃在吸收來自恆星的星光之後,以熱輻射的形式將這些能量重新釋放。由於恆星的光強度與距離成平方反比,愈靠近恆星,塵埃的溫度就愈高,因此發出的輻射以近紅外線為主;反之,愈是遠離恆星,塵埃的溫度就愈低,發出的光就以中遠紅外線為主。

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觀測目標:北落師門

北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。

● 哈伯的觀測

2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。

圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)

● ALMA 的觀測

ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。

圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)

● 韋伯望遠鏡的觀測

最後則要來看去年韋伯望遠鏡所使用中紅外線儀(mid-infrared instrument, MIRI)拍攝的影像(圖五)。與之前的觀測不同,這次的影像顯示北落師門的殘屑盤其實分成幾個部分:

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圖五:韋伯望遠鏡在 25 微米波段觀測到的北落師門殘屑盤。(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

首先,哈伯望遠鏡與 ALMA 之前就已觀測到的塵埃環,它的半徑約 136~150 天文單位(AU)、寬約 20~25 AU,而溫度則落在約 50~60 K,與太陽系的古柏帶(Kuiper belt)十分相似,因此被稱為「類古柏帶環」(KBA ring)。雖然在觀測上的溫度相似,但其實此塵埃環與北落師門的距離是古柏帶到太陽的四倍;不過北落師門光度約為太陽的 16 倍,根據前述提及的平方反比關係,才導致兩者的溫度相近。此外,在更外層名為「暈」(halo)的黯淡結構則對應古柏帶外圍天體密度較低的區域。

再來,韋伯望遠鏡還發現了更多未解的謎團:內側殘屑盤(inner disk)與中間環(intermediate ring)。其實早在本次韋伯望遠鏡的觀測之前,天文學家就已經從北落師門的光譜推測,北落師門的殘屑盤中除了存在前面提過的類古柏帶環之外,應該還有另一批更靠近恆星、溫度更高的塵埃,溫度與大小對應太陽系中的環狀小行星帶。但當韋伯望遠鏡實際觀測後,卻發現與太陽系的環狀小行星帶相比,北落師門有著相當瀰散的內側殘屑盤。為什麼會有這樣的不同呢?目前天文學家也不清楚,仍待進一步研究。

最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。

此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。

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另一方面,天文學家也藉由數值模擬發現,如果僅考慮來自北落師門的重力影響,類古柏帶環應該要比觀測到的更寬才對。因此他們推測,很可能在類古柏帶環內外兩側有兩顆行星,像控制羊群的牧羊犬一樣以自身的重力限制塵埃移動,才產生了這麼細的塵埃環。

● 更多的殘屑盤觀測

北落師門雖然是一顆年齡僅4.4億年的年輕恆星,卻已經是一個擁有殘屑盤、形成行星的成熟恆星系統。而來自韋伯望遠鏡的最新觀測結果,無疑讓天文學家更深入地認識殘屑盤中複雜的結構,也更令他們相信北落師門系統中有多個行星環繞。

不過,北落師門系統仍舊有許多未解之謎。例如為什麼太陽系有著環狀的小行星帶,北落師門卻是瀰散的內側殘屑盤?在無數的恆星中,究竟是太陽系還是北落師門的殘屑盤構造比較常見?殘屑盤中是否有行星存在?如果有,在北落師門的演化歷史中又扮演著怎樣的角色呢?這些問題都有待更多的觀測與理論模擬來解答。

在北落師門之後,觀測團隊預計將韋伯望遠鏡指向天琴座的織女星(α Lyr, Vega),以及位於波江座的天苑四(ε Eri),兩者都是離地球非常近且擁有殘屑盤的恆星。其中織女星的溫度與質量比北落師門更大,而天苑四的質量與溫度雖然比太陽小,卻有強烈的磁場活動。藉由觀測不同系統中殘屑盤的性質差異,並與太陽系進行對比,不僅能更加認識殘屑盤的起源、與行星的交互作用,更能理解我們自己的恆星系中,數百萬顆的太陽系小天體從何而來。

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JWST 原始資料的處理過程影片介紹,非常值得一看!

  • 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

延伸閱讀

  1. Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
  2. MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
  3. Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.
科學月刊_96
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