原住民祖先見過明亮的南方之星？傳說是真的，而且超過一萬年！

• 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。

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.

這個成語出自《莊子》秋水篇。戰國時，公孫龍自認學問、口才高人一等，可是聽到莊子的言論卻大惑不解。他的一位朋友說，是他眼界狹小，有如用管子看天，只能看到天空的一小部分，以為天空就這麼小。

後來「以管窺天」演變成一個成語，比喻見識淺薄狹窄。談到這裡，讓我們造兩個句吧。

沒讀幾本書，就說自己了解明史，猶如以管窺天，所知太有限了。

這篇討論新冠肺炎的論文，只是以管窺天，並沒看到問題的全貌。

成語「以管窺天」，常和「以蠡測海」並用。蠡，指用葫蘆做的瓢。用瓢測量海水，能測得完嗎？以蠡測海，也是比喻見識淺薄狹窄。

成語「以蠡測海」，純粹是個比喻，沒什麼科學意義。成語「以管窺天」則不然，原來用來窺天的「管」，是古人的天文觀測儀器啊！

古時沒有望遠鏡，只能用肉眼觀看星空。用肉眼觀測大範圍的天象尚能應付，觀測細微的天象就不敷需要了，所以古人想出一個辦法，用竹管的管孔來縮小觀測範圍，這種觀測天象的管子，特稱「窺管」。

窺管能「窺」出什麼呢？首先，能夠消除側光的影響，一些較暗的星，看起來就變亮了。小朋友可以做個實驗，用手握出個孔洞，湊近一隻眼睛，望向遠處目標，是不是看得更清楚了。

窺管除了可以增加亮度，還可以觀測星星的經度和緯度，這就得談談古代的天文觀測儀器渾儀。大約西元前 1 世紀，古人發明了渾儀。渾儀由 1 至 3 重的金屬環構成，外重是固定的，內重可以轉動，窺管嵌於其中。後來環數加多，構造變得複雜，但基本原理是一樣的。

自古以來，天文學家就假想「天」是個球體——天球，做為觀察星空的依據。假想中的天球，是以地球為中心、向外擴充的無限大球面。地球的南北極，向外擴充，就成為天球南北極；地球的赤道，向外擴充，就成為天球赤道。地球有經緯度，天球也有經緯度，稱為赤經、赤緯。

根據《隋書．天文志》，當時渾儀上的窺管，長 8 尺，有直徑 1 寸的圓孔。觀測時，轉動內層的環，將窺管導向某一星星，經過微調，根據環上的刻度，就可以定出這顆星星在天球上的座標，也就是它的經緯度。

• 謝承安／現就讀臺大物理系，因喜愛動畫《戀愛小行星》而喜好小行星
• 林彥興／現就讀清大天文所，努力在陰溝中仰望繁星

2016 年 9 月 8 日，歐西里斯探測器（OSIRIS-REx）由擎天神五號火箭發射升空，追隨著前輩們 ── 隼鳥號與隼鳥二號 ── 的腳步，前往近地小行星貝努（101955 Bennu），執行人類史上第三次的小行星取樣任務。

經過兩年多的飛行，歐西里斯號於 2018 年底成功抵達貝努，並在幾個月後成功採集樣本，預計在今年 9 月 24 號返回地球。透過採集小行星上的原始樣本，科學家將能夠推論 46 億年來太陽系的演變歷史，但除此之外，歐西里斯探測器也在環繞貝努的過程中進行了眾多觀測，也為小行星研究貢獻許多，現在就讓我們回顧歐西里斯號的浩瀚之旅！

歐西里斯基本介紹

要了解歐西里斯號的觀測目標，我們只需要把他的英文全名攤開來看：

Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer

翻譯作太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者。其縮寫歐西里斯，是埃及神話中的冥神。儘管你可能無法了解各個專有名詞，但在看過那麼長的名字後，應該也能知道歐西里斯探測器的任務可不僅是採集樣本而已。

歐西里斯號的目標是小行星 101955 號「貝努」。

這是一顆於 1999 年由林肯近地小行星研究小組（LINEAR）發現的近地小行星。之所以選擇貝努作為觀測目標，是因為貝努的軌道與地球十分接近，有撞擊地球的潛在風險，另一方面距離近，也可以讓探測器在較短的時間內抵達。

值得一提的是，「貝努」這個名字源自古埃及神話的神鳥，同時也是引領前往冥界的諸神之嚮導。同時，貝努小行星上的各式地形或是地點，也都是以不同神話中的鳥類來命名。

在發射後過了兩年，2018 年，歐西里斯號逐漸接近貝努，並以相機模組中的 8 吋望遠鏡（Polycam）不斷進行觀測，直至十二月成功抵達貝努。

而抵達後的第一項任務，就是詳細繪製全小行星的地圖，過去科學家曾經透過金石太陽系雷達來（GSSR）來探測貝努的模樣，但地面上的雷達雖然可以看到貝努的大致形狀，解析度卻仍不足以窺見小行星上詳細的地形起伏，也就無法事先決定採集樣本的地點但藉由探測器上攜帶的雷射測高儀（OSIRIS-REx Laser Altimeter, OLA），歐西里斯號得以透過發射雷射訊號與接收的時間差， 像是測量海底深度的聲納一樣，繪製全小行星的地形高度圖。另外其配載的高解析度相機（MapCam），也可以讓科學家一覽高解析度的貝努影像。

除了解地形以外，決定採樣地點時，另一項重要的考量是採樣地礦物或化學組成。正如同地球上各處的岩石化學組成不盡相同，不論是含水量、顆粒粗細程度以及有機物的有無，皆是採樣任務執行時需要考量的情況。於是，歐西里斯號使用了三種方法來探測小行星表面上的礦物。

第一種方法是透過風化層 X 射線成像光譜儀（Regolith X-Ray Imaging Spectrometer, REXIS）來觀測 X 射線光譜。讀者或許會想，X 射線多用來觀測高能天體的輻射，像是黑洞、超新星爆發等事件，並且小行星本身也不會發出 X 射線，為何要攜帶這樣的探測儀器？

事實上，當元素吸收到宇宙射線或太陽所發出的 X 射線時，內層的電子會吸收能量並游離，而外層的電子便會向下躍遷，補上原本內層電子的位置，更外層電子又再補上外層電子的位置。在這一連串的過程中，便會發出 X 射線。而由於每個元素的能階都是獨一無二的，藉由觀測X射線的光譜，我們便能了解小行星上各處的元素豐度。

這樣的分析方式被稱作 X 射線螢光分析（X-ray fluorescence, XRF），是一種非破壞性的元素鑑定方式，地質考察、考古甚至是博物館文物鑑定都常利用此方式進行探測。

另外，歐西里斯號上還配戴可見光與紅外線分光儀（OVIRS），也能夠獲取小行星可見光與紅外線波段的光譜來辨別來辨別礦物或是有機物的種類。並且由於不同礦物的熱導率差異，歐西里斯還可以藉由熱輻射光譜儀（OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer, OTES）掃描全小行星的熱輻射地圖來了解礦物與化學豐度。

熱輻射儀也可以更進一步用於研究小行星上的熱量傳輸問題。當小行星吸收太陽光後將以輻射的方式將能量釋放時，其光壓會給予小行星一個微小的作用力。在經年累月的作用下，便會對其軌道產生改變，此現象稱之為亞爾科夫斯基效應（Yarkovsky effect）。

由於亞爾科夫斯基效應的強弱會受到小行星的反照率、表面材質甚至是地形而影響，如果對小行星不夠了解，那預測小行星軌道的難度將大幅提升。因此歐西里斯號的近距離探測，對精準預測貝努的軌道非常重要。

樣本採集：歐西里斯與貝努的零距離接觸

在近兩年的搜集數據後，歐西里斯號便開始執行此次任務的最終目標：採集樣本。

一開始，科學家們有四個候選地點：夜鷺（Nightingale），此處位於年輕的隕石坑上，且具有最細顆粒的礦物；翠鳥（Kingfisher）為新的隕石坑並具有豐富的含水量；魚鷹（Osprey）具有較低反照率的岩石樣本；鷸（Sandpiper）位於兩個隕石坑之間，可能含有水合礦物。

在科學家掙扎的選擇後，最終決定在名為「夜鷺」的地點進行採樣。因為此處較年輕的地質特性，能夠讓我們採集到貝努更原始的樣本，以此探討貝努在太陽系闖蕩時所遺留的痕跡，再加上較細的礦物也能讓執行任務時能有較高的成功率。至於其他候選地點，只能說後會有期了。

2020年10月20號，歐西里斯號伸出他的機器手臂，名為 Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism（TAGSAM），顧名思義便是碰一下小行星表面後便離開。其運作原理，是在碰觸到小行星表面時釋放加壓氮氣產生爆炸，再搜集飛散出來的碎屑樣本。

說起來雖然簡單，但降落在微小重力的且未知內部構造的小行星上其實非常困難，科學家們需要考量到所有可能影響的作用力，甚至是太陽光所造成的輻射壓都必須考慮進去。

現在，想像你是個科學家，坐在任務的控制室中，透過相機模組中的 SamCam，望著歐西里斯號逐漸靠近小行星，3，2，1⋯⋯，碰！（狀聲詞，事實上，太空中是沒有聲音的。）

採集任務看似十分成功，歐西里斯號將 TAGSAM 的頂端放入樣品返回艙（Sample Return Capsule, SRC）中，SRC 也使用了眾多隔板將散落在太空中的碎屑放入其中，兩天後，歐西里斯號回傳了樣本採集艙的影像，確認歐西里斯號已搜集足夠的樣本，但此時卻發現了些意外，由於採集的樣本太大顆，艙門無法完全緊閉，導致有部分樣本散逸至太空中，還好這不影響任務的完成，算是有驚無險。

2021 年 4 月 7 日，歐西里斯號展開他的最後一次飛越任務，此次他以超近距離（約 3.5 公里）觀測「夜鷺」在採集後的模樣，可以清楚看見採樣任務前後的區別，中心區域產生了一個深度超過45公分的凹痕！ 周圍的岩石也因此錯位。

過去天文學家們透過眾多觀測數據推論，大多數的小行星比起堅硬的石頭，更像是散亂的碎石堆。後來科學家們也透過此次採樣任務確認貝努表面並非像是地殼般的堅硬固體，而比較像是流體般，才產生如此大的凹痕。

在做完惜別任務後，2021 年 5 月 10 號，歐西里斯號啟動了他的主引擎，開始返回地球的旅程。預計在今（2023）年 9 月 24 號，裝載著貝努樣本的樣本返回艙將與歐西里斯號脫離，並以秒速 12 公里的高速衝入地球大氣層，並著陸於猶他州的沙漠中，由研究人員回收後取出樣本進行更近一步的分析。

然而歐西里斯號的旅程仍尚未結束。

接下來它將在 2029 年對另一個有潛在撞擊地球風險的小行星 99942 阿波菲斯（APophis）進行觀測。就讓我們歡迎冥神與他所攜帶的樣本歸來，以及期待未來科學上的重大發現吧！

延伸閱讀

• 夜空中的守望者－ 望遠鏡如何保衛地球? – 科學月刊Science Monthly
• What Would Happen If Asteroid Bennu Hit Earth?
• NASA’s OSIRIS REx Mission Ends Up With More Than It Expected