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史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二)

EASY天文地科小站_96
・2021/10/07 ・3106字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 作者/陳子翔|師大地球科學系| EASY 天文地科團隊創辦者

作為 NASA 最新一代旗艦級太空望遠鏡,詹姆士.韋伯望遠鏡在性能上當然必須是太空望遠鏡中的佼佼者。然而,工程師與科學家要如何設計韋伯望遠鏡,才能讓它擁有強大的觀測能力呢?這個問題深究起來相當複雜,不過大方向卻出乎意料的簡單,那就是:「越大越好」。

如何衡量望遠鏡的觀測能力

在說明望遠鏡為什麼越大越好前,讓我們先想想,要如何衡量一部望遠鏡的觀測性能好不好呢?一般來說,望遠鏡最重要的兩項性能指標,就是它的「解析力」和「集光力」。

解析力可說就代表望遠鏡的「視力」。解析力越好的望遠鏡,能拍出天體更多的細節,或是說分辨出解析力較差的望遠鏡無法分辨出來,兩顆非常接近的星星。就像是做視力檢查時,當無法看清楚視力檢查表上某一排的「E」到底指向何處時,其實就代表自己眼睛的「極限解析力」已經無法解析出那一排的「E」囉!而天文學家,當然會希望望遠鏡的「視力」超級好呀!

而集光力則可以衡量望遠鏡蒐集星光(來自天體的電磁波)的效率。平時我們用手機拍照時,通常只需要幾百分之一秒的曝光,就能夠拍清楚日常生活周遭的景像。但由於宇宙中的天體往往非常黯淡,要蒐集這些天體的資料,進行學術研究的天文學家對一個目標的曝光時間,經常都是好幾個小時起跳。有時甚至需要超過一星期的曝光時間呢!

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可以想像在這樣的情況下,一部望遠鏡的集光效率,是非常重要的一件事。如果你的望遠鏡的集光力是別人的四倍,那別人要花一個月才能拍攝到的目標,你只需要一個禮拜就可以完成。多出來的這些時間,就可以拿去拍攝更多目標,或是對同一個目標拍攝更長的時間,以研究更多黯淡的細節。

Hubble Ultra Deep Field
哈伯極深空,曝光時間大約是11.3天。圖/NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

大口徑,真香!


解析力與集光力是望遠鏡最重要的性能指標,而且它們都與同一個因子息息相關,那就是望遠鏡的「口徑」,即望遠鏡主鏡的直徑大小。

若假設望遠鏡主鏡是完整的圓形,那解析力與口徑是成正比的,而集光力則是與口徑的平方成正比。例如一個口徑兩米的望遠鏡,相比其他條件都相同,但口徑只有一米的望遠鏡,其極限解析力就會高兩倍,集光力則會高四倍。說到這裡相信大家應該就能明白,為什麼天文望遠鏡基本上就是「口徑越大越好」了。

口徑長達 6.5 公尺,這樣塞得進火箭嗎?

既然大口徑這麼棒,那韋伯作為最新的旗艦太空望遠鏡,直上太空望遠鏡史上最大口徑,似乎是再合理不過的事了!

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韋伯望遠鏡的口徑是 6.5 公尺,比起前輩哈伯太空望遠鏡的 2.4 公尺大超過 2.5 倍。當初哈伯望遠鏡的鏡片口徑之所以會設計成 2.4 公尺,一大原因是如果口徑再更大,就塞不進太空梭的貨艙了。那麼問題來了,韋伯太空望遠鏡的口徑大小能一次升級那麼多,難道是因為發射韋伯的火箭,比起當時的太空梭還要大很多嗎?

哈伯望遠鏡與韋伯望遠鏡主鏡大小比較。圖/NASA

答案是否定的。事實上,世界上目前沒有任何一款火箭,能夠裝下一面直徑 6.5 公尺的鏡片!而且若是要為了發射韋伯而專門設計一款新火箭,那計畫的預算和進度一定會大大提升和延後,完全得不償失。不過,山不轉路轉,路不轉人轉,也許火箭不可能為了望遠鏡改變,但我們也許可以換個角度想,讓望遠鏡適應火箭呀!

想像一下,如果你有一筆錢,想要買輛腳踏車,讓你未來可以開車帶著腳踏車出遊,卻發現自己車子的後車廂裝不下一般的腳踏車時,你會怎麼辦呢?相信這時後,比起直接購買一台新的大車,選擇折疊式腳踏車會是更合理的選項。而設計 JWST 的工程師們也是採取這樣的策略,將整部韋伯望遠鏡設計成「折疊式」的,從主鏡、次鏡支架到遮陽帆等等機構,都可以收起來降低體積,讓韋伯望遠鏡能夠塞進空間相當有限的火箭整流罩中,並於發射到太空之後,再一步步自動展開成可以運作的狀態。

圖:摺疊裝入亞利安五號火箭整流罩中的韋伯望遠鏡。圖/ArianeSpace, NASA, ESA

韋伯望遠鏡的特殊設計

韋伯望遠鏡最明顯的特徵,就是由 18 面六邊形金色鏡片所組合而成,直徑 6.5 公尺的巨大主反射鏡。與哈伯望遠鏡不同的是,它並沒有鏡筒的構造,而是直接將望遠鏡的主鏡與次鏡露在外面,以支架的方式維持結構。而這樣的設計其實在地球上的大型天文台相當常見。

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在無塵室中的韋伯望遠鏡主鏡,此時次鏡是摺疊的狀態。圖/NASA

來自宇宙中天體的光線會透過主鏡與次鏡反射,進入主鏡位於中央的黑色錐狀構造。這個構造中設有一些鏡片組,會進一步將光線導至後方的相機和光譜儀。韋伯望遠鏡設有多個不同的相機與光譜儀,並各自有適合的觀測目標,提供各領域的天文學家重要的研究資料。

而巨大的主鏡下方,一層一層的銀色 「帆布」則是韋伯望遠鏡的遮陽帆。它能夠為望遠鏡擋下來自太陽、地球與月球的光線與熱輻射,讓望遠鏡能夠處在既黑暗又低溫的優良觀測環境中。

根據科學家的估算,當韋伯望遠鏡在太空中運作時,它的遮陽帆的面光側溫度可達到約攝氏 110 度,但望遠鏡所處在的背光面,則能維持攝氏零下 210 度左右的低溫。溫度越低,觀測儀器所受到的熱雜訊影響就越少。這樣低溫的環境,對紅外線望遠鏡至關重要。

韋伯望遠鏡的遮陽帆將望遠鏡分為面光側和背光側兩個部分,而望遠鏡的本體長期都會處在黑暗且低溫的背光側。圖/ NASA

遮陽帆的背光側提供了望遠鏡與相機所需,黑暗又低溫的運作環境,但並不是所有的設備都需要這樣的條件。比如提供電力的太陽能板,就需要的是充足的陽光才能運作。同時,也有一些設備是本身就會發熱的,例如維持軌道穩定用的小型火箭引擎與燃料,控制望遠鏡指向的反應輪等等。這些設備也都設置於遮陽帆的面光側,如此一來遮陽帆也能順便隔絕這些設備產生的熱,避免干擾望遠鏡的觀測。韋伯望遠鏡上不同設備的配置位置可說各取所需,相當有巧思。

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韋伯望遠鏡的面光側,設有太陽能板、通訊天線、火箭引擎等等設備。圖/ NASA

如本系列文章上集:《為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?》所介紹,將紅外線望遠鏡送上太空能帶來許多的好處與研究潛力,然而設計並打造出這樣的科學儀器絕非容易的事。詹姆士.韋伯太空望遠鏡可說就是集結了頂尖科學、工程與技術,以及許多人共同努力的結晶,也期待將來它能帶來豐碩的觀測資料與成果。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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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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最後問問大家,在這批照片中,你最喜歡的是哪一張呢?

  1. 英仙座星系團,大尺度的宇宙圖像,原來長這樣。
  2. 螺旋星系 IC342,我們的鄰居竟然這麼漂亮,這麼具有螺旋力。
  3. 馬頭星雲,有層次感的星雲照,真的令人目不暇給。
  4. 更多你喜歡的照片,或希望我們來介紹的天文照片,分享給我們吧!

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韋伯太空望遠鏡運作滿週年,它看到了什麼?
PanSci_96
・2023/09/02 ・3306字 ・閱讀時間約 6 分鐘

古老星系中發現有機分子?我們離第三類接觸還有多遠?

韋伯正式展開拍攝任務已經屆滿週年,最近也傳回來許多過去難以拍攝到的照片。六月初,天文學家在《自然》期刊上發表了這張照片,在藍色核心外,環繞著一圈橘黃色的光環。

這是一個星系規模的甜甜圈?這是一個傳送門?還是外星文明的戴森環?

——都不是!其實,這是一個含有有機物多環芳香烴的古老星系,其名為 SPT0418-47。因為名字很長,以下我們就簡稱為 SPT0418 吧!

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這個觀測結果有什麼特殊意義?這代表我們發現外星生命了嗎?

SPT0418 是怎麼被拍到的?扭曲時空的重力透鏡!

一年前,在韋伯望遠鏡傳回第一組令人震撼的照片時,我們製作了兩期節目來介紹韋伯望遠鏡,和它在天文觀測史上跨時代的重要意義。在那之後,也有不少泛糰敲碗,希望我們可以再繼續介紹韋伯望遠鏡的後續發展。

這次在週年前夕公開的這張 SPT0418 照片,是一張標標準準因為重力透鏡而形成的美麗照片。「重力透鏡 Gravitational Lensing」這個概念,相信有在關注天文物理的泛糰們,應該都有聽過。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,星系與星系團的龐大質量會扭曲它們周圍的時空,就像一面星系尺度的超級放大鏡一樣,可以在光線通過時改變它們的走向,從而扭曲背景星系的影像。而如果背景星系與前方的前景星系剛好前後對齊的話,重力透鏡效應還能將背景星系扭曲成美麗的環型,這個環型被稱為「愛因斯坦環 Einstein Ring」。

背景星系從黑洞後面經過時的重力透鏡效應模擬影像。圖/Wikimedia

乍聽之下,重力透鏡會扭曲背景星系影像,好像會干擾觀察,是個缺點。但實際上重力透鏡在扭曲影像的同時,也會聚焦背景星系發出的光,從而讓背景星系變得更加明亮而容易觀測,讓天文學家可以看到更遠或更暗的天體。因此雖然扭曲的影像會增加分析上的麻煩,但天文學家其實非常喜歡觀測這些受重力透鏡效應影響的天體們。甚至會專門安排觀測計畫,拍攝這些受重力透鏡效應影響的區域。這次的主角 SPT0418,正是韋伯太空望遠鏡針對重力透鏡效應開展的「TEMPLATES 」觀測計畫的其中一個觀察對象。

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SPT0418 是一個位於時鐘座(Horologium)方向,距離地球約 123 億光年遠的古老星系。最早在南極望遠鏡(SPT)的觀測資料中被發現,並在後續以阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 ALMA 進行的觀測中,確認了它是一個富含大量塵埃,而且正在以每年約 350 個太陽質量的超高速率生成恆星的星系。

在我們與 SPT0418 之間,還存在著一個前景星系。正是這個前景星系的質量扭曲了周圍的時空,像一片巨大的放大鏡一樣將背後的 SPT0418 扭成了漂亮的愛因斯坦環。

當觀察者、前景星系和背景星系在同一直線上時,就可以透過重力透鏡效應觀測到愛因斯坦環。圖/PanSci YouTube

在這張經過調色的照片中,中間的藍色部分就是前景星系,旁邊的橘色環則是因為重力透鏡而扭曲的 SPT0418 。得益於這個重力透鏡,SPT0418 的影像被增亮了三十倍以上,非常適合讓天文學家一窺早期宇宙中星系的狀態,因此被選為韋伯的觀測目標。

韋伯望遠鏡藉由重力透鏡效應拍攝到的扭曲的古老星系 SPT0418-47。圖/J. Spilker/S. Doyle, NASA, ESA, CSA

那麼,這次的觀測又有什麼重要意義呢?

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多環芳香烴是什麼?看見它代表什麼意義?

這次的拍攝結果不能完全說是意外,因為在這個研究中,韋伯的目標非常明確,就是要尋找古老星系中的多環芳香烴。

在天文學上,多環芳香烴通常指兩個以上的苯環所組成的有機化合物的統稱,人們一般以它的簡稱「PAH」來稱呼它。

發現有機分子,難道這代表有生命存在於古老星系中嗎?其實不能這麼快下定論。

因為 PAH 廣泛存在於各式各樣的星系中,與其他由碳和矽組成的塵埃顆粒,同屬於星際塵埃的一部分。甚至在彗星、小行星、隕石中,都能發現各式各樣的 PAH。目前認為,宇宙中可能有超過 20% 的碳原子,都是以 PAH 的方式存在,只是環數不盡相同。

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圖中右側的黑色暗帶為星際塵埃。圖/NASA, ESA, and the LEGUS team

所以,雖然科學家認為,宇宙中的生命誕生,可能與這些這些遍布其中的有機分子有關。但發現 PAH,不能直接與發現生命劃上等號。

過去數十年的天文觀測結果也顯示,PAH 確實廣泛存在於星系之中,但是天文學家對於這些分子究竟如何形成?又是什麼時候形成的?目前還沒有共識。因此迫切需要更多觀測,例如這次的目標 SPT0418 是個距離我們非常遙遠的古老星系,對於研究宇宙早期星系以及 PAH 的起源就很有幫助。

觀察 PAH 的困難及韋伯望遠鏡的重大突破

然而,要觀察 PAH 卻不太容易。原因是這些 PAH 發出的光,波長主要都集中在幾微米到十幾微米的近紅外與中紅外線波段。這個波段的光線受到大氣層的吸收非常嚴重,幾乎無法從地面觀測,因此過去我們很難取得相關數據。想要尋找 PAH 的蹤跡,勢必得使用紅外線太空望遠鏡才行。

這時,就是韋伯大展身手的時候了。比起同樣專注於紅外光譜的前輩史匹哲太空望遠鏡,韋伯的鏡片直徑大了超過七倍,集光面積更是大了將近六十倍,這不僅讓韋伯能夠拍攝遠比史匹哲更清晰的影像,更可以在更短的時間內拍攝到更暗的目標。

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得益於韋伯強大的觀測能力,在這個研究中它僅僅對著 SPT0418 曝光了不到一個小時的時間,就在 3.3 微米的波段找到了清晰的 PAH 發射譜線,確認了PAH的存在的同時,也打破了觀測到最遠的 PAH 訊號的紀錄。

此外天文學家也發現,韋伯所拍攝到的 SPT0418 與前幾年使用 ALMA 觀測到的影像並不全然相同。

由於觀測波段不同,不同的望遠鏡拍攝同一天體的亮部分布會產生差異。圖/PanSci Youtube

由於韋伯拍攝的是 PAH 發出的近紅外光,而 ALMA 拍攝到的則是毫米尺寸的大顆粒塵埃所發出的遠紅外線,因此這可能代表 SPT0418 這個星系的不同部分,有著不同的塵埃組成。為甚麼會這樣呢?天文學家目前也沒有肯定的答案,需要更多的觀測來進一步釐清。

任務還在繼續!TEMPLATES 計畫持續追蹤 PAH 足跡

韋伯對 SPT0418 拍攝的照片,不僅打破了人類探測過離太陽系最遠的 PAH 訊號紀錄,更展示了在重力透鏡加韋伯的攜手合作下,能大幅拓展人類觀測遙遠星系的能力。除了 SPT0418 之外,天文學家還預計觀測另外三個被重力透鏡放大的星系,尋找並研究其中 PAH 的足跡,以解開星系與星際塵埃的演化之謎。

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韋伯望遠鏡的「TEMPLATES 」計畫預計觀測四個被重力透鏡效應放大的天體。圖/JWST ERS Program TEMPLATES

雖然還有許多未解之謎,但韋伯傳回來的每張相片,都能讓我們能更了解這個宇宙一點點。最後想問問大家,韋伯望遠鏡正式展開拍攝工作屆滿一年,你最喜歡,或最希望我們繼續來講解的照片是哪一張呢?

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