2

11
3

文字

分享

2
11
3

來認識「躺著自轉」的天王星!——太陽系內唯二的冰巨行星

ntucase_96
・2021/10/31 ・2771字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中,它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」,天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星:天王星、海王星沒有。終於,研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5,是一顆非常暗的星,幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到,只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

航海家 2 號於 1986 年拍攝的天王星。圖/維基百科

正式的發現、命名者是英國的威廉.赫雪爾(William Herschel)。一開始猜測是個彗星,後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他,依照零售物價指數(Retail Prices Index)來推算的話,相當於現今一年一百萬台幣的薪水 [2]

這筆薪資顯然相當優渥,本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」(Georgium Sidus)。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外,當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名,突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰.波德(Johann Bode)的建議定案為「Uranus」,這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯(Caelus)」,是「薩圖恩(Saturn,即土星)」的爸爸;是「朱比特(Jupitar,即木星)」的祖父;更是「馬爾斯(Mars即火星)」的曾祖父。

因此在希臘羅馬神話當中,天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的,要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星,在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年,天王星更慢,要 84 年!因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了,以至於早期先民即使看到了天王星,也認為它是一顆恆星。

航海家 2 號(Voyager 2)即將跟隨它的前輩航海家 1 號(Voyager 1)離開太陽圈(Heliosphere)了。圖/NASA[3]

與其它的行星比起來,天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射,飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號(Voyager 2)。這台探測器從地球出發,觀測了木星、土星、天王星、海王星之後,繼續一路向外飛,現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作,只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時,在將近 35 小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面,有著一個非常奇特的性質:「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上,以地球為例子,地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話,地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺,而天王星則是電風扇的扇葉。

太陽系各顆行星的自轉方向及轉軸,大多數的行星都像陀螺一樣、自轉平面與公轉一致,但是天王星卻是躺著的。圖/NASA[4]

天王星上的 X 光訊號!

太陽系的行星成員當中,除了地球以外,水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號,甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前,行星當中就只剩下兩顆冰巨行星:天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近,研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)」的觀測數據,研究團隊量測到了天王星上的 X 光,研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊:太空物理學(JGR: Space Physics)》當中 [5]

圖/NASA [1]

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在,累積了非常多的觀測資料,有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦,對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月,只有三次對天王星的觀測:2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)。圖/NASA [1]

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光,一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源,即便天王星離太陽這麼遠,太陽所發出來的X光到了天王星以後,被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的,過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是,天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能,一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說,天王星和土星一樣,周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候,就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」,當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後,也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在,它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉,讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆,由於距離遙遠,都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像,使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料:

  1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
  2. Measuring Worth
  3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
  4. WASP Planets
  5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
  6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus
文章難易度
所有討論 2
ntucase_96
30 篇文章 ・ 748 位粉絲
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。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

文章難易度

0

5
1

文字

分享

0
5
1
喂?喂?你有聽到嗎?去除訊號死角怎麼這麼難!——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/14 ・2371字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

不斷掉入收訊黑洞

在德國高速列車 ICE 上從柏林(Berlin)打電話到科隆(Köln):「喂?喂??(快速地查看了一下手機)……我快到柏林了,可能很快就會經過了……喂?……你剛離開(把手機貼在耳朵上)……喂?……(聲音變大了)……列車停靠下一站的時候我再打給你,好嗎?」

雖然高速列車 ICE 上接聽手機的專用區域已經加裝了增強手機收訊的強波器,但這種狀況仍然不斷發生,讓人覺得這段車程有夠累人,尤其是擔心斷訊時,還會不自覺地加大聲量。大聲說話當然沒用,但我們還是會這樣。讓人在全國各地都能接聽手機到有什麼難的呢?為什麼在某些地區,我們每隔幾公里就會掉進收訊黑洞,要怎麼改善這種狀況呢?

我們對這個議題的興趣是在德國下巴伐利亞地區(Niederbayern)某場研討會上被引出來的,已經忘了會議主題是什麼,不過休息時間發生的事我們還是記得很清楚。

有一群人跳起來興奮地揮舞雙手,跑來跑去開心極了,直到有人喊了一聲:「有了!」然後所有人衝到他旁邊擠在一起,像是在小孩生日派對上玩搶椅子遊戲,不過這群人想要的不是椅子,而是更珍貴的東西:手機訊號

每次自由活動時間或晚上到山上散步,只剩「德國電信」(Deutsche Telekom)的通訊用戶手機還有訊號時,會讓人心情變得更煩躁。

走來走去,卻到處都沒有訊號。 圖/GIPHY

前文中提到的每個人似乎都有個故事好說。德國的通訊網絡就像一塊充滿孔洞的乳酪,似乎到處都有訊號死角。在國際行動網路報告權威機構「打開訊號」公司(Opensignal)的一項研究中,調查了用戶使用手機通訊的體驗,德國在 100 個國家中,排行第 50 名,落後於印尼和位於中亞的吉爾吉斯坦共和國(Kyrgyzstan)。

鄉下地方的訊號特別不穩,但柏林中部地區也是,顯然這裡有個 4G 黑洞。據傳有位部長說自己不會在車上與外國同僚講電話,因為要是一直斷訊,那就太尷尬了。

現在還不清楚這個問題到底影響有多大,因為「死角」沒有科學定義。是有些路上沒訊號就算嗎?還是要整個地區都沒有呢?那麼「德國電信」的用戶有訊號,但「沃達豐」(Vodafone)電信公司的用戶沒訊號的地區,又怎麼算呢?

不過有一點很清楚,在德國光用手機講電話就不順暢了,更別說上網。畢竟,我們不只希望打電話時不斷訊,還想要開視訊會議,理想狀況下,啟動自動駕駛的汽車應該要能透過網路聯繫其他自動駕駛的汽車才對。這在技術上可行嗎?

訊號的傳輸暗藏著物理技巧

看看打電話時會發生什麼事。當你打電話給某人時,你的手機會發出電磁波,它們會在空中散開尋找下一個輸電桿,「基地臺」就是聚集這種接收手機訊號輸電桿的小區域。當我們從柏林搭火車到科隆時,主掌手機訊號傳輸的基地臺會從這個移到另一個。你的手機訊號會透過定向無線電(Directional Radio)或電纜轉發給在辦公室同事、在家的孩子,或者你是一名政治家,訊號會轉發給你外國的部長級同僚。

我們家孩子曾經試圖尋找這種天線,他們尋找時,腦中想的是必須安裝在屋子某處的那種典型細天線,或是俗稱小耳朵的碟型衛星訊號接收器。不過手機天線不是長那樣,它更像是一根連著整串怪異灰色長方形盒子的粗壯金屬棒,這種形狀是特意配合天線必須為長條形所塑造的,其中暗含著物理技巧。每個盒子裡接連安放著幾個同款發射器,如果只用到一個發射器,訊號會向各個方向均勻發散,也就是向上、向下和向左右周圍,有點像是發光的燈泡。但大家通常不想要向上和向下的訊號,尤其是住家就在發射下方時。

圖/商周出版

工程師會面臨一個問題:要如何控制訊號盡可能向前發射,而非朝其他方向發散?以燈泡為例,是用燈罩來解決燈光散射的問題,只讓光線投射到需要的方向。無線電天線很難做到這一點,但有一種簡單卻讓人激賞的物理方法可以控制發射方向:讓幾個發射器彼此發射無線電波,以便互相控制。

這就是基地臺上的無線電天線桿會重疊裝載數個天線的原因,這樣它們發射出來的無線電波就會交疊。如果將這些天線對齊,與地面平行的橫向電波會增強,波峰和波谷則弱化或甚至相互抵消,並以這種方式將訊號傳輸至發射器另一端的目的地。在沒有山脈、樹木、或房子等任何障礙物的情形下,這種平行於地面傳播的方式,可以將訊號傳送到很遠的地方,至少在德國離岸 30 公里的地方通常都還能講電話。

圖/商周出版

現在我們當然想要找到自己的無線電天線桿,下一個天線桿可能在住家公寓附近的什麼地方呢?我們在去商店購物的路上和散步的路途中朝上張望,看起來可能很像個傻子。我們懷疑天線在住家西邊,因為位居東邊的客廳訊號總是最差。一開始,我們什麼也沒找到,所以上網搜尋最近的手機基地臺。終於找到了!在德國聯邦網路局(Bundesnetzagentur)的網站上,可以準確看到基地臺分布情況(我們對分布圖的詳細程度感到非常驚訝)。

在這個網站,不僅可以看到通常安裝在大型建築物上的大型天線位置,還有其他小型基地臺(Small Cell),這些小型基地臺安裝的是較小的天線,通常位於人潮眾多的地方,例如展覽廳或市中心。結合 Google 街景地圖,就可以輕鬆查看負責你手機訊號的基地臺所在位置。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

商周出版_96
110 篇文章 ・ 343 位粉絲
閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

2

11
3

文字

分享

2
11
3
來認識「躺著自轉」的天王星!——太陽系內唯二的冰巨行星
ntucase_96
・2021/10/31 ・2771字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中,它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」,天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星:天王星、海王星沒有。終於,研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5,是一顆非常暗的星,幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到,只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

航海家 2 號於 1986 年拍攝的天王星。圖/維基百科

正式的發現、命名者是英國的威廉.赫雪爾(William Herschel)。一開始猜測是個彗星,後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他,依照零售物價指數(Retail Prices Index)來推算的話,相當於現今一年一百萬台幣的薪水 [2]

這筆薪資顯然相當優渥,本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」(Georgium Sidus)。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外,當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名,突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰.波德(Johann Bode)的建議定案為「Uranus」,這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯(Caelus)」,是「薩圖恩(Saturn,即土星)」的爸爸;是「朱比特(Jupitar,即木星)」的祖父;更是「馬爾斯(Mars即火星)」的曾祖父。

因此在希臘羅馬神話當中,天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的,要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星,在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年,天王星更慢,要 84 年!因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了,以至於早期先民即使看到了天王星,也認為它是一顆恆星。

航海家 2 號(Voyager 2)即將跟隨它的前輩航海家 1 號(Voyager 1)離開太陽圈(Heliosphere)了。圖/NASA[3]

與其它的行星比起來,天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射,飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號(Voyager 2)。這台探測器從地球出發,觀測了木星、土星、天王星、海王星之後,繼續一路向外飛,現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作,只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時,在將近 35 小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面,有著一個非常奇特的性質:「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上,以地球為例子,地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話,地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺,而天王星則是電風扇的扇葉。

太陽系各顆行星的自轉方向及轉軸,大多數的行星都像陀螺一樣、自轉平面與公轉一致,但是天王星卻是躺著的。圖/NASA[4]

天王星上的 X 光訊號!

太陽系的行星成員當中,除了地球以外,水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號,甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前,行星當中就只剩下兩顆冰巨行星:天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近,研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)」的觀測數據,研究團隊量測到了天王星上的 X 光,研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊:太空物理學(JGR: Space Physics)》當中 [5]

圖/NASA [1]

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在,累積了非常多的觀測資料,有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦,對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月,只有三次對天王星的觀測:2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)。圖/NASA [1]

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光,一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源,即便天王星離太陽這麼遠,太陽所發出來的X光到了天王星以後,被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的,過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是,天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能,一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說,天王星和土星一樣,周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候,就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」,當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後,也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在,它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉,讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆,由於距離遙遠,都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像,使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料:

  1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
  2. Measuring Worth
  3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
  4. WASP Planets
  5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
  6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus
文章難易度
所有討論 2
ntucase_96
30 篇文章 ・ 748 位粉絲
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。

0

5
3

文字

分享

0
5
3
解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

EASY天文地科小站_96
21 篇文章 ・ 829 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事