為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一）

人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎？

隨著火箭成本降低，人人都能把衛星丟上太空，現在，當你晚上抬頭看天空，你看到的星星可能不是星星，而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星，可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂，更可怕的是，這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星，在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心，人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲，天空永遠被自己封閉。 終於，有人提出清理太空垃圾的方法了，但這些方法真的可行嗎？

現在的太空垃圾有多少？

最大的太空垃圾可能是整節火箭！

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西，都會成為太空垃圾，最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭，例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭，有許多至今還在宇宙遊蕩，每一個都像公車一樣大。而小東西，則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西，或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片，最小可能只有數毫米，小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡，只要缺乏妥善的管理和追蹤，就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

為什麼說太空垃圾真的很危險？

為了不被地心引力拉入大氣，墜向地球，在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動，包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道（Low Earth Orbit），以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動，是地表音速的 20 倍。也就是說，太空上的車禍可嚴重多了，來自不同方向或不同傾角的物體，可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了，只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是，大小在 10 公分以下的物體，大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼，我們的頭上有多少太空垃圾呢？

根據歐洲太空總署 ESA 的資料，目前軌道上有 6800 個運作中的衛星，相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體，大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個，介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

在這些太空垃圾中，大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後，一起留在太空的第二節推進火箭，小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件？

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年，銥衛星公司運作中的通訊衛星，重量 700 公斤的 iridium 33，和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251，在 789 公里的高空，兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上，化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

NASA 估計，這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片，雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀，但直到到 2023 年 2 月的統計，大約還有一半，也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題？

太空垃圾又多又危險，真的有辦法清除嗎？

2023 年三月，NASA 發表一篇研究，整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本，包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道，或是直接物理性撞擊改變軌道，還有透過捕捉垃圾，直接在太空將垃圾循環利用，作為燃料或其他用途的再利用等方法。

清理不同大小的物體，要用的方法跟產生的效益也不同，因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾，例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益，恩，所謂的效益，就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢？

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層（re-entry），簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具，透過剩餘的推進燃料，順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金，但在移除 30 年後所帶來的效益，將會超過花費的成本，非常划算。

至於小型太空垃圾，主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道，將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中，單純以使用效率來說，設置在太空所需要的能量較低，但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議，主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用，例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話，清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益，比移除大型垃圾能更快回收成本。

方法有了，但我們真的能讓太空再次乾淨嗎？

太空垃圾問題有解嗎？

現在的太空有多擁擠？

如果把歷史發射資料整理出來，會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升，2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星，到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星，想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本，也能夠發射更多的中小型衛星，像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空，例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾，我們清理垃圾的速度又不夠快，還有可能發生凱斯勒現象（Kessler syndrome），也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應，造成更多撞擊和更多碎片，讓不可控的太空垃圾快速增加，直到新的火箭與衛星都難以穿越，我們將無法前往太空，被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

治標也要治本，我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎？

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》，簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則，其中和人造衛星有關的原則主要有三個：

1. 國家責任原則：各國應對其航太活動承擔國際責任，不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
2. 對空間物體的管轄權和控制權原則：射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
3. 外空物體登記原則：凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說，雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計，但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說，分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫，以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格，至於要如何避免在太空發生碰撞，是發射單位要自己負起責任，公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

不過對於衛星任務結束後的處置，FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統，可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道，進到所謂的死亡軌道（Graveyard Orbit），而通常在申請發射衛星時，也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年，衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫，將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力，只離開原本的軌道 120 公里，FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰，對於太空垃圾的管制具有重大的意義，代表著對太空垃圾危害性的重視，也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

清除太空垃圾能有商業價值？

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡，如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少，受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣，我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」，如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾，則必須提高費率。相對的，如果一家公司提供清理太空垃圾的服務，則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

另外，雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出，但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施，或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制，沒想到吧，人類要成為跨行星文明的第一步，竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來，要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化，太空垃圾的危害並不那麼可怕，大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開，因此短時間內也還不會有明顯的感受，但如果你是需要觀測的天文學家，可能就覺得垃圾好礙眼了。

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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。

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。

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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• 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）。

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）。

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。

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。

● 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。

● 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：

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。

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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• 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
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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.