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正轉可,反轉也行,雙向兼容

臺北天文館_96
・2011/07/16 ・528字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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這張螺旋星系NGC 7479圖像是在可見光和近紅外線波段拍攝所得,緊緊纏繞的旋臂以逆時鐘方向,呈「倒S」型旋轉。但在電波波段,另有一暱稱為「螺旋槳」星系的NGC 7479彎曲的噴流輻射,旋轉方向卻正與星系旋臂上恆星和塵埃的方向相反。在該星系,正轉亦可反轉也行,雙向兼容。

天文學家認為,像NGC 7479電波噴流這樣怪怪的開倒車轉法,應是肇因於它和另一個星系之間的合併事件。

恆星形成由星系碰撞引爆開始,圖像上看到NGC 7479的確正發生著星爆活動。不過,雖然旋臂和盤面上可見到許多明亮、年輕的恆星,圖中所出現三顆閃亮的星點,其實只是「前景」道具而已 – 它們因所在位置剛好在NGC 7479和哈柏望遠鏡的照相機之間,被鏡頭捕獲,純屬巧合。

星系本身這一塊略微拉長、模糊的光很容易辨識,用中階望遠鏡就可以看的到,但旋臂部份便需要更大型望遠鏡,並且要在較暗的環境中才看得到。

本張圖像是由哈柏太空望遠鏡先進巡天(ACS)寬景相機拍攝而得的圖像疊加而成,黃光濾鏡(F555W)所得為藍色影像,近紅外線(F814W)波段得紅色影像。兩組各曝光520秒,影像寬幅達27角秒。(Lauren 譯)

資料來源:中研院天文網 [2011.07.11]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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天文學家發現巨大的超級螺旋星系
臺北天文館_96
・2016/04/04 ・1318字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

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文/張桂蘭

美國加州理工學院(California Institute of Technology)天文物理學家 Patrick Ogle 等人在宇宙荒野發現一種新型的星系野獸,其規模與亮度睨視宇宙所有的星系,因此 Ogle 等人暱稱其為「超級螺旋星系(super spirals)」。

超級螺旋星系因為外觀與一般典型螺旋星系類似,因此一直沒有被單獨提出討論研究過。天文學家利用 NASA 的 NASA/IPAC 河外星系資料庫(NASA/IPAC Extragalactic Database, NED)進行研究,結果發現這些原本以為是鄰近銀河系的螺旋星系們,其實都是離我們非常遠、非常龐大的螺旋星系。由於已知的超級螺旋星系數量非常稀少,雖然揭發了它們的存在,但它們由何而來仍是個謎。

NED 為線上資料庫,其中包含 1 億多個星系的訊息,乃彙整了星系演化探索者號(Galaxy Evolution Explorer)的紫外觀測、史龍數位巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)的可見光觀測,和2微米全天巡天觀測計畫(Two Micron All-Sky Survey,2MASS)、史匹哲太空望遠鏡(Spitzer)與廣角紅外巡天觀測衛星(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE)的紅外觀測資料。

圖中是其中3個超級螺旋星系,由左至右分別為:2MASX J08542169+0449308、2MASX J16014061+2718161 和 SDSS J094700.08+254045.7。其中 2MASX J08542169+0449308 和 2MASX J16014061+2718161 擁有雙核心,SDSS J094700.08+254045.7 則是最大、最亮的已知超級螺旋星系之一,其螺旋狀的旋臂長達320,000 光年,是銀河系旋臂的 3 倍以上。

Ogle 等人在 NED 資料庫搜尋最亮星系的過程中,原本以為龐大而成熟的橢圓星系(ellipticals)會佔據他們搜尋結果的最大宗,但結果卻讓他們相當意外。在離地球約 35 億光年的範圍內約有 80 萬個星系,其中有 53 個最亮星系有著螺旋外觀,而非原本他們設想的橢圓外觀。Ogle 等人再度檢測這些螺旋星系的距離,結果發現沒有一個是在鄰近宇宙中,最近的一個甚至在 12 億光年外。他們確信這些星系的距離訊息應該無誤,那麼這些螺旋特性就顯得怪異而突出。

超級螺旋星系的亮度比我們的銀河系還亮 8~14 倍,質量則為銀河系的 10 倍左右,滿佈恆星的銀盤直徑是銀河系的 2~4 倍,其中最大的超級螺旋星系的銀盤直徑可達 440,000光年,比我們銀河系的 100,000 光年大了 4.4 倍。超級螺旋星系也會發出大量紫外和紅外輻射,這通常代表著星系內的新恆星誕生率極高,估計是銀河系的 30 倍左右。

根據現行天文物理理論,螺旋星系受限於它們的大小和造星能力,應該無法達到上述這些「功績」。螺旋星系是經由重力捕捉來自星系際空間中的新鮮低溫氣體以成長茁壯,它們的質量會因氣體衝入星系得太快而達到上限,這是因為這些一頭衝入星系的氣體會被加熱,導致無法收縮聚集而形成新恆星,即天文學家所謂的「抑制過程(quenching process)」。然而,超級螺旋星系顯然沒發生這樣的抑制過程,所以才會長成龐然大物。

Ogle等人找出的最亮星系中的 53 個螺旋星系,其中有 4 個或許能給出超級螺旋星系來源的重要線索。這 4 個超級螺旋星系含有 2 個星系核,與典型星系只有一個星系核的狀況不同。雙核心的存在,顯然是兩個星系合併在一起的結果。理論上來說,兩個螺旋星系合併後應該是會形成一個橢圓星系;可是,Ogle 等人推測若螺旋星系合併發生時,牽涉到的是兩個富含氣體的螺旋星系,最後當一切歸於平靜時,這滿當的氣體會安頓至一個新形成的、比原來螺旋星系還大的星系盤,然後很快的就形成了我們現今所見的超級螺旋星系。也因此,超級螺旋星系的發現,顯示了我們對那些質量最大的星系如何形成和演化的觀點,必須要徹底改變才行。

資料來源:http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6149, 2016.03.17, KLC

本文轉載自網路天文館

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這張螺旋星系NGC 7479圖像是在可見光和近紅外線波段拍攝所得,緊緊纏繞的旋臂以逆時鐘方向,呈「倒S」型旋轉。但在電波波段,另有一暱稱為「螺旋槳」星系的NGC 7479彎曲的噴流輻射,旋轉方向卻正與星系旋臂上恆星和塵埃的方向相反。在該星系,正轉亦可反轉也行,雙向兼容。

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