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天文學家改寫哈柏星系分類音叉圖

臺北天文館_96
・2011/06/29 ・1349字 ・閱讀時間約 2 分鐘
風行了70多年的哈柏星系分類音叉圖(tuning fork diagram)恐將改觀。

由英國牛津大學Michele Cappellari領軍,來自歐洲與北美地區的25位天文學家組成的ATLAS3D巡天計畫團隊,利用位在加納利群島(Canary Islands)拉帕瑪天文台(La Palma)4.2米威廉‧赫歇爾望遠鏡(William Herschel Telescope)上的SAURON光譜儀,觀測並分析鄰近宇宙裡260個星系中的恆星運動,總共花了40個晴夜,才將他們挑選的260個星系全部觀測完成。

經過4年多的奮鬥後,Cappellari等人發現許多原本在哈柏星系分類圖中被分類為橢圓星系(elliptical galaxies)或透鏡狀星系(lenticular galaxies)的早型星系(early-type galaxies),其實應該是與螺旋星系並行的一個分支,這讓原本像是「音叉狀」的哈柏星系分類圖,變成「齒梳狀(comb-like)」,只有少部分確實為橢圓形的星系留在原處,但長度已減短許多,變成是梳子的握柄。這個結果衝擊到星系形成與演化的相關研究,但也給了天文學家一個新的研究線索。

愛德溫‧哈柏(Edwin Hubble)於1936年根據星系的外型予以分類成橢圓星系、螺旋星系(spiral)和棒旋星系(barred-spiral),橢圓星系是與螺旋星系截然不同的星系類型,而棒旋星系則視為螺旋星系的分支,並認為其中有演化上的先後關係,排列後的圖案如同音叉,因此稱為哈柏音叉圖,或稱為哈柏序列;另外還有外型不規則的星系,則未列在此圖中。螺旋星系中的恆星與氣體分佈呈現出明顯的扁盤狀和旋臂特徵,星系自轉速度較快;橢圓星系則缺乏氣體,整個星系像是橄欖球般的橢球體,星系自轉不明顯,通常呈現非軸對稱的外型。

然而,這種僅依靠可見光影像的分類方式並不可靠,尤其是那些薄盤(thin disk)盤面正面對著地球的螺旋星系,和比較圓、但側向地球的橢球狀星系,實在很難分辨。天文學家對於早型星系中是否藏有盤狀結構的問題爭議了數十年之久,這個問題最終僅能依靠星系中的恆星運動狀況來解決;因為薄盤中的恆星繞星系質心公轉的速度,會比圓一點的橢圓星系還快許多,所以從恆星運動狀況就可以決定橢圓星系中是否隱藏有盤面系統。然而這種觀測非常複雜,且需要長時間累積觀測才能得到所需的資料,因此一直到現在,天文學家才有能力進行這項研究。

Maps of the observed velocity of the stars in the volume-limited sample of 260 early-type galaxies of the ATLAS3D survey. Red/blue colours indicate stars moving away/towards us respectively. Fast rotating and disk-like galaxies are characterized by two large and symmetric red/blue peaks at the two sides of the centre. This figure shows that this class of objects constitutes the vast majority of the sample 左圖是Atlas3D巡天計畫觀測的星系恆星運動速度圖。紅色顯示恆星正在遠離我們,藍色則顯示正在接近我們。快速自轉且類似扁盤狀的星系,其星系中心兩側的紅色與藍色色調會明顯不對稱。

ATLAS3D計畫的新研究結果顯示:橢圓星系和螺旋星系之間的關係比之前認為的還更加密切;超過66%的早型星系並非是橢圓星系或透鏡狀星系,它們其實類似螺旋星系,具有盤面結構,只是星系中的氣體和塵埃比一般「正常的」螺旋星系少得多了。只有少數早型星系的自轉真的很慢,可能是真的橢圓星系。如果這項研究屬實,那麼哈柏音叉圖對星系結構的描述可是錯了很久呢!

相關論文發表在英國皇家天文學會月刊(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,MNRAS)中。

資料來源:2011.06.20, KLC

  1. http://www.astron.nl/about-astron/press-public/news/atlas3d-project-replacing-handle-hubbles-tuning-fork/atlas3d-project
  2. http://www.ox.ac.uk/media/news_stories/2011/110620.html
  3. http://www-astro.physics.ox.ac.uk/atlas3d/

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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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