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順利升空只是開始!韋伯太空望遠鏡升空後「必須完美」的 29 天旅程

楊燿綸_96
・2021/12/29 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者/楊燿綸|美國維吉尼亞大學天文系博士後研究員
  • 作者/張珮綺|自由撰稿人

“ trois, deux, unités, top ” ​

美東時間 12 月 25 日的清晨,亞利安五號火箭在任務指揮官 Jean-Luc Voyer 的倒數下點火。 ​

歷經 20年、100 億美元設計建造,即將成為世界上最大的太空望遠鏡 — 詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)緩緩升空,揭開人類對宇宙了解的下一個篇章。​

繼哈伯之後,次世代太空望遠鏡

​韋伯太空望遠鏡提供了前所未有的觀測能力,讓我們可以看到宇宙大爆炸之後的初代星系、橫跨宇宙時間的星系演化、系外行星的大氣組成、以及恆星行星形成的過程。​​​不同於哈伯太空望遠鏡以及大部分在地表的望遠鏡,韋伯太空望遠鏡主要觀測紅外光。

史無前例的望遠鏡設計,史上最高靈敏度

由於任何有溫度的物體(包括望遠鏡本身)都會放出紅外光,為了提高觀測的靈敏度,望遠鏡必須越低溫越好。 因此韋伯太空望遠鏡攜帶了各種「冷卻設備」,以及五層如隔熱紙一般薄、如網球場一樣大的「遮陽膜」。 ​ 

望遠鏡的位置也是一大關鍵,需要放在長期背向太陽、距離地表 150 萬公里的軌道中,讓韋伯太空望遠鏡可以繞行在太陽與地球重力影響的一個穩定點 L2。​相較之下,哈伯太空望遠鏡則是距離地表 545 公里。

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

韋伯太空望遠鏡主鏡的直徑是 6.5 公尺,哈伯太空望遠鏡為 2.4 公尺,另外一個去年退役的紅外光太空望遠鏡 史匹哲(Spitzer) 的主鏡只有 0.85 公尺。望遠鏡的鏡面越大,能夠收集到的光也越多,讓望遠鏡更靈敏。​韋伯太空望遠鏡的靈敏度比現有的望遠鏡高 50 – 100 倍,空間解析度在中紅外光也提升了 2.5 到 7 倍。​

太空工程大躍進

​工程技術層面,這次的任務需要挑戰把一座網球場大小的望遠鏡發射到太空中。目前載貨空間最大的火箭亞利安五號(Ariane 5)只能容納約 5 公尺大小。 因此,韋伯太空望遠鏡必須要像「摺紙」一樣,折成可以放入火箭的大小,進到太空中以後再展開。 ​這是太空工程的極大挑戰, 韋伯太空望遠鏡的展開的過程必須要「萬無一失」。

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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

必須完美的 29 天旅程

從發射開始,韋伯太空望遠鏡要經歷長達 29 天的旅程,到達 L2 並展開到可以運行的樣貌。 有幾個時間點特別關鍵:​

⏱ 發射後 27 分鐘:韋伯太空望遠鏡脫離發射的火箭,脫離後望遠鏡就要靠自己了!​
⏱ 發射後 33 分鐘:展開太陽能板讓韋伯太空望遠鏡有電可用​
⏱ 發射後 12.5 小時:第一次的軌道修正(也是最關鍵一次), 韋伯太空望遠鏡要用攜帶的燃料推進到前往 L2 的軌道​
⏱ 發射後 5-8 天:展開五層網球場大小的遮陽膜。展開的過程中有 107 個機關必須要同時啟動去鋪開這五層遮陽膜,任何一個機關失敗,韋伯太空望遠鏡就沒有辦法進行原定的科學任務了​
⏱ 發射後 10 天:放下第二反射鏡​
⏱ 發射後 13 天:展開主要反射鏡。這時候韋伯太空望遠鏡就完全展開了!​
⏱ 發射後 29 天:進行最後的軌道修正進入 L2​

​這段旅程中有超過 300 個「必須成功的步驟」!當韋伯太空望遠鏡到達 L2 後,科學任務就正式展開!儀器團隊會先花幾個月校正各項儀器,確保韋伯太空望遠鏡一切如設計般的運作,發射後六個月「觀測任務」將會正式展開。​

主要研究方向

韋伯太空望遠鏡的設計可以用來進行各種的觀測計畫,包含前所未見的觀測計畫,大幅地推進我們對於宇宙的了解。​

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  1. 了解宇宙誕生的過程:高靈敏度的紅外光觀測可以看到大爆炸之後初代的星系。​
  2. 了解星系的演化:觀測宇宙不同時期的星系,像是暗物質對於星系的影響等等。​
  3. 也許會知道哪些行星是否適合人類居住:在紅外光可以看到很多不同分子(像是二氧化碳、水、甲烷等)獨特的光譜,透過韋伯太空望遠鏡我們可以量測系外行星的大氣組成。​
  4. 恆星與行星形成的過程:恆星與行星剛形成時多半環繞著塵埃組成的雲氣,有點像是我們常看到的雲霧,擋住了視線。而紅外光觀測可以看透這些雲氣。​

相關連結:

延伸閱讀:

  1. 出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡 31 年來的維修升級史 – PanSci 泛科學
  2. 天文學未來 10 年的 3 大目標:探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告 – PanSci 泛科學
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楊燿綸_96
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天文物理學家,目前於美國維吉尼亞大學天文系擔任博士後研究員,期待扮演天文學家跟大眾的翻譯蒟蒻,讓大家能更了解我們的宇宙。本身研究專注於透過紅外光、遠紅外光及無線電波觀測,了解恆星及行星長大的過程,也特別關注恆星誕生時伴隨的化學演變。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584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

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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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參考資料

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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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  • 〈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.
科學月刊_96
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