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從太空到南極,赫歇爾太空望遠鏡協助尋找最老的光。

臺北天文館_96
・2013/11/04 ・1006字 ・閱讀時間約 2 分鐘

Deflecting_light_from_the_Big_Bang_node_full_image借助南極望遠鏡和赫歇爾太空望遠鏡,天文學家首次觀測到大霹靂殘留輻射的微曲扭變,且相信這最新成果有助於更進一步了解宇宙的創始,揭開第一秒之謎。

面對這種極難捉摸的訊號,發現它的方法是去偵測宇宙第一道光在它抵達地球途中,經過星系團和暗物質所受到的偏折情形。暗物質是一種看不見的物質,唯有藉間接方式,從重力作用影響的結果去觀測,才能發現其存在。

新發現有助於定位未來新研究的方向,以尋找宇宙在暴脹期產生重力波的證據,隸屬於歐南太空組織(ESA)的Planck計畫對此重要結果一直寄予厚望。

CMB(宇宙微波背景輻射:Cosmic Microwave Background)是大霹靂殘留在天空中的輻射,也是宇宙僅只有38萬歲時留下的餘暉。138億年後的今天,看到的是,充滿在全天空中的電波,溫度都在絕對溫度2.7K左右。

這個2.7K的溫度裡有些微小波動,波動能顯出在宇宙早期時物質分布狀態的起伏變化,這些極渺小的溫度變化,約只有幾十萬分之一度而已,但能對應我們今天所看到已成長為星系或恆星在當初早期宇宙的幼芽狀貌。Planck曾在今年三月時公布一張目前最詳細的宇宙全天微波背景溫度變化圖。

但CMB的寶藏不僅如此,還有其他有待發掘,特別是其中一小部分受偏振的CMB,所謂偏振意思就和我們戴上偏光眼鏡時所看到的光類似,偏振有兩種很不相同的模式,E型和B型。

E型(E-modes)很早就在觀測中獲發現,2002年時地面望遠鏡就看到。不過,發現B型偏振才讓宇宙學者更欣喜,因為難度更高。

B型偏振的產生途徑有兩種。

途徑一是,偏振為行進在宇宙中的光加上了彎曲效果,不管星系或暗物質,都能偏折光,這也叫重力透鏡現象。

途徑二的產生機制,和宇宙急遽膨脹的暴脹期很有關聯,這暴脹(inflation)非常地迅速短暫,據信是發生在大霹靂後,不到一秒內。

最近有一篇最新的研究論文發表,是根據南極望遠鏡和赫歇爾太空站的觀測資料而取得,它展示出CMB受重力透鏡效應的B型偏振光,第一次從觀測中得出研究結果。

他們採用一種既聰明又獨特的測量方式,從地面上的南極望遠鏡(South Pole Telescope)取得大霹靂餘暉觀測資料,又得力於太空型望遠鏡赫歇爾(Herschel)從追蹤星系和暗物質導致重力透鏡效應而得的資料,研究人員並將這兩種資料結合,使得這項研究能讓最古老的光獲得最新解,也為開啟嶄新的宇宙學領域帶來良多啟示。(Lauren譯)

資料來源:Herschel helps find elusive signals from the early Universe

轉載自中研院天文網[2013.10.03]

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臺北天文館_96
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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域

CASE PRESS_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

參考資料

CASE PRESS_96
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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。
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