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Abell 2744：潘朵拉星系團

臺北天文館・2011/07/03 ・1319字・閱讀時間約 2 分鐘・SR值 559 ・八年級

天文學家首度同時在同一幅畫面中捕捉到4組正在合併中的星系團。這個被天文學家戲稱為「潘朵拉星系團（Pandora’s Cluster）」的Abell 2744，位在玉夫座方向，距離約35億光年遠，含有各種奇怪結構，是到目前為止天文學家所觀測到的所有星系團中，最複雜、星系合併撞擊最劇烈者之一，其中某些撞擊所產生的現象更是前所未見。

利用錢卓X射線觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）觀測到的X射線資料以紅色顯示，呈現溫度高達數百萬度的氣體分佈狀況。藍色部分則是哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）、歐南天文台（ESO）超大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）、日本昴望遠鏡（Subaru）的觀測資料，顯示總質量分佈狀況，絕大部分質量來自神秘的暗物質（dark matter）。此外，HST和VLT的可見光資料則顯示出星系團中各成員星系。

其中，圖中紅色標示出各局部區域裡熾熱氣體最集中的地方，而藍色圓圈則標示出所有物質質量分佈最集中的地方。而星系團的「核心（core）」區域，發射X射線的熾熱氣體可見呈現如同「子彈形」結構，核心位置恰好位在熾熱氣體和暗物質之間；這樣的分野，肇因於其中一場撞擊事件發生時所產生的衝擊波，讓熾熱氣體雲裡的帶電粒子速度減緩而發出X射線，但暗物質卻不會受到這樣的影響而直接通過衝擊波，因此幾乎沒有任何X射線輻射。

而在西北區（圖中標示NW的區域），熾熱氣體和暗物質間的分野更明顯。但令人驚訝地，熾熱氣體居然比這些絕大部分是暗物質的黑暗團塊還近了500,000光年，科學家猜測可能是早先的重力交互作用過程中，將這些氣體向前甩出的結果。在北區（標示N的區域）和西區（標示W的區域），又可見到另外兩個熾熱氣體和暗物質分離的例子；其中西區中熾熱氣體和暗物質分離的距離，是目前所有觀測到類似現象中最大的。

整個潘朵拉星系團因而變成：有的地方含有大量熾熱氣體，有的地方有大量暗物質卻沒有星系和熾熱氣體，有的地方則有暗物質與星系但沒有熾熱氣體（顯然是撞擊過程中，氣體被剝奪走了）等等，相當複雜。

天文學家們追蹤觀測這場長達3億5000萬年撞擊事件的細節，結果發現至少有4個從不同的方向來的不同星系團牽涉在其中。為了瞭解Abell 2744複雜的撞擊歷史，天文學家設法將Abell 2744中三種型態的物質分佈位置詳細繪製出來，如右上圖：其中，雖然星系很明亮，但它們僅佔了Abell 2744總質量的5%以下；熾熱氣體僅能在X射線影像中見到，約佔了20%左右；而剩下的75%是完全不可見的暗物質。

暗物質是種奇怪的物質，不會發出輻射，也不會吸收或反射其他天體的光，只有從與其他天體或物質的重力交互作用得知它們的存在與數量多寡。為了定出這些神秘物質的確切位置，這些天文學家藉助所謂的「重力透鏡（gravitational lensing）」方式進行測量：遙遠星系的光穿過暗物質最集中的區域時，會受到暗物質重力的影響而偏折，讓遙遠星系的可見光影像變形；仔細測量並繪製這些星系影像變形的狀況，就可建構出暗物質質量集中的地點。

星系團是宇宙中，有重力束縛的最大天體結構，因此是研究宇宙學的最佳工具。這些天文學家希望未來能更深入瞭解Abell 2744的成長過程，並藉此瞭解暗物質的性質。

資料來源：2011.06.22, KLC

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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CASE PRESS ・2021/10/22 ・3032字・閱讀時間約 6 分鐘

撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

圖二：造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間，縱軸可以看成亮度。圖片來源：ThomasK Vbg^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

圖四：造父變星的週光關係。縱軸為平均光度，橫軸是週期。光度愈大，週期就愈久。圖片來源：NASA ^[11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

圖五：M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源：NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team ^[1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]