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來自星星的你,都教授你到底來自哪顆星?

果殼網_96
・2014/02/18 ・3883字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

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《來自星星的你》中風流倜儻英俊瀟灑無敵帥氣的男主角到底來自哪個星星?看天文學家怎麼來解讀熱門韓劇。

作者:靠天吃飯的徒弟

全智賢牽手盜賊聯盟中合作過的金秀賢演出的電視劇《來自星星的你》最近火的不能再火。

教授身份大解密

外星人都敏俊(金秀賢飾)教授在地球上生活了四百年,服過24次兵役,見證了韓國房地產業的發展,從事過醫療、金融、法律等各種高端洋氣的行業,還做過捕快。哈佛大學畢業,有學位收集癮和古董收集癖,熱愛打麻將和釣魚,非常有錢。當然在看過教授大人的臉和擁有八塊腹肌的美好肉體之後(都教授第一集就洗過澡了),那些就都不重要了。

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雖然有專業粉絲質疑過,李氏朝鮮時代實施從母法,教授想混跡民間頗為不易。但是想想,教授作為一個有超能力的外星人,弄張假身份證是多麼容易簡單的事。於是參與討論的妹子們都釋然了,改歡欣地討論教授大人歷經二戰、韓戰硝煙是怎麼把那些古董字畫一樣樣的保存下來的。並且感嘆都教授選擇人員複雜流通迅速的漢城生活,真是大隱隱於市啊。

昨天晚上教授大雪紛飛中暫停時間的一吻,令廣大女觀眾虐心致死,網路上不少女生振臂高呼非君不嫁。嫁人好歹要知根知底,那麼英俊帥氣多金又有超能力的都教授到底是哪裡來的呢?

在第一集裡,教授這樣說:

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我們首先忽略字幕組彗星的誤會,認為都教授的家鄉如他自己所說,是一顆氣候、環境與地球差不多的行星。因為行星本身不發光只是反射恆星的光,所以普通光學觀測對於太陽系外行星可以說毫!無!辦!法!也就是說,所有我們能看到的星圖上閃閃發光小星星的都是恆星。所以,都敏俊xi,您標出來的那顆也是恆星。當然,很有可能教授標出來的是他所在行星繞轉的恆星。那麼真的有編號 kmt184.05 的恆星嗎?

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星星的編號,自有體系

德國天文學家約翰·拜耳(Johann Bayer,1572-1625)於1603年在他的星圖《測天圖》(Uranometria)中,首先有系統的為許多亮星命名, 以一個希臘字母像是α、 β、γ、等等做前導,後面伴隨著拉丁文所有格的星座名稱。拜耳命名恆星1564顆。

例如,中國傳統星宿命名法中的畢宿五命名為金牛座α,它的意思就是在金牛座排序為第一顆的恆星。單一個星座可能包含50顆甚至更多的恆星,但是希臘字母只有24個,當這些字母用完之後,開始使用小寫的拉丁字母:因此便會有船底座s和半人馬座d等名稱。在星星數量極多的星座內,最終使用到大寫的拉丁字母,像是天蠍座G和船帆座N。拜耳使用的最後一個大寫字母是Q。

基本上每個星座中排名較前的恆星都是亮星,比如近年來拉動暑假消費的牛郎星(天鷹座α)和織女星(天琴座α)。原因無他,觀測手段有限,亮的更容易被觀測到,但並不意味著拜耳是以亮度排列恆星名稱。

隨著人類觀測水準提高,越來越多的恆星被發現,拜耳命名法名稱數量有限的問題催生出了新的恆星命名法──弗蘭斯蒂德(John Flamsteed,1646-1719,英國天文學家)命名法。該方法與拜耳類似,除了以數字取代希臘字母外,每顆恆星還是以數字和拉丁文所有格的星座名稱結合在一起。但實際上,弗氏編號只涵蓋到在大不列顛可以看見的星星,因此偏向南天的星座都沒有弗氏編號。於沒有佛蘭斯蒂德命名法的南天肉眼可見恆星,古德(Benjamin Apthorp Gould,1824-1896,美國天文學家)命名法由於相對星表目錄編號的名稱更為直觀而仍然在使用,是的,這是第三種恆星命名法。比如,南天的球狀星團杜鵑座47的編號來自約翰·波得(Johann Elert Bode,1747-1826,德國天文學家);鄰近的波江座82不是弗蘭斯蒂德命名法而是古德命名法的編號。

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星雲成了解謎的鑰匙

實際上,kmt184.05 不是國際天文學界認可的恆星編號。所以,我們無法判斷都教授到底從哪裡來的。不過,這並不代表我們對教授家鄉的探索就此終止,回顧教授給出的那張星圖,我們可以驚喜的看到日本人民的老朋友──光之星雲M78,根據主創設定,那是奧特曼出生的地方。這就意味著,不是,當然不是去問奧特曼就行……這就意味著,我們可以在專業天文軟件上以M78為參考位置找到教授星,並標示出它的位置。實際上,大部分天文光學觀測就是從試拍並根據證認星圖尋找目標星開始的。

借用拜耳《測天圖》來教大家在夜空中找到教授星。教授星位於全天最好找的星座——獵戶座,就在腰帶左上。
借用拜耳《測天圖》來教大家在夜空中找到教授星。教授星位於全天最好找的星座——獵戶座,就在腰帶左上。

下面是一張 60’×60′ 大小的星空圖,這裡的「′」是角分,代表以地心為原點對應空間位置的張角。圖中標出的就是真實星空認證圖中的教授星。赤經05:45:28.56,赤緯-00:14:47.9。

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繼續放大這張圖,我們驚喜的發現,教授星並非一顆恆星而是一對雙星。

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這一對恆星最早出現在HD星表中,編號為HD290865。亨利·德雷伯星表(The Henry Draper Catalogue),縮寫為HD,是哈佛大學天文台編纂的世界上第一個收錄恆星光譜的大型星表,涵蓋了全天最暗達到9等的恆星(大部分分佈在北天)。編號沒有按照之前命名法的先例,而直接採用HD+數字為恆星命名。HD星表的第一部分發佈於1918年-1924年,發布了編號為1-225300號的恆星,然後在1937-1949年發布了第225301-359083號恆星,對照教授星的編號,屬於補充發布的第二部分。而後,很有可能隨著觀測水平提高,這一對雙星被分辨開,於是在2010年發布的UCAC3星表中這對雙星被標註為3UC180-026979和3UC180-026980。UCAC3的全稱是《美國海軍天文台CCD天體照相星表第三版》(The Third US Naval Observatory CCD Astrograph Catalog),此星表收錄了全天100,766,420顆恆星的數據。

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直到最近,智利歐南天文台的科學家們才宣稱他們找到一顆圍繞兩顆恆星旋轉的巨大天體。如果教授星真的是一個雙星系統,那就意味著教授的行星上將會有兩個太陽升起。

雙星系統從構成上來說分為兩種,光學雙星和物理雙星。光學雙星只是兩顆星在地球上觀測時看起來很接近,但是彼此之間沒有物理關係。實際上這樣的光學雙星可能互相距離非常遠,超過幾十萬光年。另一種就是物理雙星,這是真正自成物理系統的雙星系統。物理雙星因為其特質又分為目視雙星,觀測中能清晰分辨兩顆星相的雙星系統;分光雙星,距離很近,軌道傾角較大,所以只能依靠光譜譜線的周期性多普勒位移來判定的雙星系統;和食變雙星,這種雙星系統兩顆星在運動時互相遮擋,只能通過測光的周期性變化判定。

天文學家哈雷(沒錯就是命名哈雷彗星的那口牛人),早在1718年就發現了天狼星的自行。從此科學界開始意識到,我們所認為的“恆星”其實並不是完全不動。恆星的位置會相對某一個固定的春分點的赤經赤緯隨時間平均變化,這就是恆星自行。1834年科學家發現天狼星的自行不是直線而呈波浪起伏。到了1862年,在天狼星軌道附近找到了天狼星8.64等的伴星,遠遠暗於天狼星本身-1.47等。這兩顆星的質量分別為2.28個太陽質量和0.98個太陽質量,體積卻相差很遠。是的,天狼星的伴星,天狼星雙星系統的另一顆恆星,最終被證實為人類發現的第一顆白矮星。

望遠鏡裡的天狼星雙星系統,左側那個小圓點就是天狼星的伴星,一顆體積相當於地球,質量接近太陽的白矮星。
望遠鏡裡的天狼星雙星系統,左側那個小圓點就是天狼星的伴星,一顆體積相當於地球,質量接近太陽的白矮星。

那麼,教授星真的是一個令人興奮的目視雙星系統嗎?教授的母星上真的有兩個太陽升起落下嗎?我們查閱了《736對目視雙星曆表和視軌道總表》,遺憾的是,教授星並未收錄其中,教授圈出來的只是一對光學雙星,它倆只是看起來近而已。

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到此,我覺得都教授本人,深感於他對部分地球女性的巨大影響力,基於自我保護的原則給出了錯誤的編號和含糊的標記,以避免發瘋的觀眾朋友對該星球上的無辜群眾造成不必要的生活困擾。人類現在對系外類地行星的探索才剛起步不久,測量手段有限。一些系外行星是在凌恆星(就是從地球和恆星間飛過)時,擋住恆星,引起恆星光譜變化被發現的。以這種方式被發現的系外行星多為氣態行星,體積足夠大。更多的,天體測量學家們嘗試通過在太​​空中架設高精度望遠鏡,測量恆星因行星繞轉的擾動而引起的自行變化來發現類地行星。

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總之,以現階段人類的科技水準,想要騷擾到都敏俊教授的同胞,幾乎是絕無任何可能的。但是,該行星所在星系大概隨著人類觀測水準進步可能大大增加地球占星事業的複雜程度。

離我們最近的類地行星遠在12光年以外,其氣候條件與地球也相去甚遠,外星人都教授的家更是遠的雲深不知處。於是都教授,與其耗費時間在漫長的星際旅行中,不如,留下來陪著這些花痴的女觀眾,一起慢慢的變老吧。

最後,有觀眾指出,教授本人其實是北韓間諜……這個,好吧,這個解釋其實也相當合理!!

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參考文獻:

  1. The Henry Draper Extension Charts: A catalogue of accurate positions, proper motions, magnitudes and spectral types of 86933 stars[J]. Nesterov VV; Kuzmin AV; Ashimbaeva NT; Volchkov AA; Roeser S.; Bastian U.
  2. The Orbit of Visual Binary ADS4396=A2657[J]. RRde Freitas Mourao.; OCTravares.; MRNunes.
  3. 天文學導論[R]. 黃克瓊.;胡中為.;陳再載璋.;
  4. Planets,Stars,And Galaxies[R]. SJInlis
  5. 736對目視雙星曆表和視軌道總表[R]. 閻林山.; 儲宗元.; 潘大钑.
  6. Transit Probabilities for Stars with Stellar Inclination constrains[J]. TGBeatty.; Sara.Seager.
  7. 2013年中國天文學大會天體力學與天體測量分會場STEP報告
  8. 拜耳命名法
  9. 佛蘭斯蒂德命名法
  10. 古德命名法
  11. http://ultra.wikia.com/wiki/Ultraman_Wiki

轉載自果殼網

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「哈佛最優秀的人」卻被迫低頭:塞西莉亞·佩恩未被承認的天文革命——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/20 ・4176字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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世人接受新觀念分為三個階段:

  A. 胡說八道

  B. 早就有人想過了

  C. 我們一直都是這樣想

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──佛萊德.霍伊爾,轉述雷蒙.利托頓(Raymond Lyttleton)說法

滿懷熱情的劍橋叛逆者:佩恩如何走上科學之路

一九二三年春天,二十一歲、身材高䠷的劍橋大學學生塞西莉亞.佩恩(Cecilia Payne)開始對未來感到惶恐。她熱愛天文學研究,夢想能走上研究道路,長期筆記自己成為科學家之後想研究的課題。但在校最後一年,她意識到面前可能是個死胡同。

那時代的英國,如她這般具備聰明才智的女性充其量只是當上女子學校的教師或校長。「彷彿腳下裂開一條深淵,」後來佩恩在自傳這樣比喻:「對我而言,當女教師是『比死亡還糟糕的命運』。」所幸悲慘命運沒有降臨在她身上,儘管面臨種種困難,佩恩仍舊在科學上做出突破,為二十世紀科學的轉捩點奠定基礎:她發現人體所有元素(除了氫)最初如何形成。

佩恩對科學的興趣萌芽於六歲,那年一顆流星給她留下深刻印象。十歲時,她在天主教學校做實驗測試禱告的力量,為一半考試的成績祈禱、另一半則不做祈禱。事後發現成績沒有差別時,她轉而肯定理性的力量,對科學的興趣於此扎根。至於宗教,佩恩後來相信一位論14

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虔誠女校長對佩恩說學習科學是「糟蹋她的天賦」。學校合唱團指揮古斯塔夫.霍爾斯特(Gustav Holst)雖然當時默默無聞但之後會創作《行星組曲》,他則鼓勵佩恩走音樂這條路。

但佩恩有自己的想法:她拿到劍橋大學獎學金,準備攻讀植物學。然而適逢第一次世界大戰之後物理學風起雲湧的時期,佩恩正好聽了天文學家亞瑟.愛丁頓那場劃時代講座,得知太陽引力場能夠扭曲光線路徑,而且一切符合愛因斯坦的預測。佩恩大受震撼,人生再次拐了個彎。她後來寫道:「我的世界天旋地轉,感覺差點神經休克。」那瞬間她徹底愛上物理學,所以隔天就去「面對校方」,申請從植物學系轉到物理學系。回家以後她幾乎逐字逐句默寫講座內容,為此三天沒怎麼睡。

天文學家亞瑟.愛丁頓的講座改變了佩恩的志向,讓她的人生轉了彎。圖 / unsplash

劍橋卡文迪什實驗室的氣氛像是帶著電。發現電子的湯木生、發明雲室的威爾遜都在這裡,但最耀眼的常駐明星是發現原子核的傳奇人物拉塞福。對佩恩來說美中不足的是拉塞福不喜歡課堂有女性參與。儘管當時年輕女性不再需要年長者時時監護,但仍要求座位與男性分開。因此每次進入講堂,佩恩作為唯一女性必須單獨坐在最前排,而拉塞福更是刻意每堂課都以「各位女士先生」這句話開場。佩恩在自傳中回憶:「男生聽到教授意有所指總是很捧場,歡聲雷動之外還會老派地跺腳,每次上課我都想挖個洞鑽進去。」[38]

星星的祕密:她用光譜解開宇宙的指紋

她很快投靠愛丁頓。愛丁頓理解她的熱忱,也比拉塞福更加包容,允許她參與研究團隊。同時佩恩還接觸到最新領域量子物理學,帶她入門的正是理論發現者之一尼爾斯.波耳(Niels Bohr)。即便如此,在學最後一年她又發現面前是死路,因為劍橋大學根本不允許女性獲得高等學位。(不授予文憑,也無法獲邀參加畢業典禮。)險阻重重,但她堅持不懈、動用一些關係,終於爭取到哈佛天文臺的女性研究員資格,能在臺長哈洛.沙普利指導下工作。

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天文臺位於麻薩諸塞州劍橋市距離校園大約一英里的小山上,特點是願意僱用女性,因為前任臺長愛德華.皮克林(Edward Pickering)發現她們除了勤奮聰明還能大幅降低預算壓力。在一次史無前例的星體清點作業中,皮克林僱用超過八十位女性處理大量圖片,最終數量高達五十萬份。有些人將這群女性稱為「皮克林的計算機」,但更常見的諢名是「皮克林的後宮」。

一開始沙普利也期望佩恩幫忙利用照片來對星體進行分類和編目,但她才第一個獨立研究就急於解決劍橋教授提出的大哉問。當時人類對宇宙的理解有個顯而易見的盲點:星星是由什麼構成的?

當時的人們還不知道,星星是由什麼構成的。圖 / unsplash

科學家已經掌握部分答案。除了拍攝恆星,哈佛天文學家還會記錄玻璃底片上的光譜。光譜提供線索,可以判斷星星含有何種元素。星體發出的光包含各種顏色,但元素周期表中每個元素會吸收一組特定波長。換句話說,飄浮在星體大氣層的元素原子會在星光到達地球前吸收特定波長的光。天文學家觀察星體光譜的水平面會發現波長缺失部分出現細黑線,從這些黑線就能推測出光線被什麼元素吸收了。可以說感光玻璃板留下了指紋光譜、宇宙條碼,結論是星星含有許多地球上能找到的元素,例如鐵、氧、矽、氫。

隨之而來的問題是光譜模式有異常,想要詮釋並不容易。儘管玻璃底片能告訴科學家星星包含什麼元素,卻無法有效判斷各元素的份量。

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星星的祕密:她用光譜解開宇宙的指紋

儘管如此,天文學家卻認為自己已經知道答案是恆星和行星必定由相同物質構成。當時許多人認為行星是另一顆恆星經過時從太陽拉出大團熱氣體之後凝固而成,因此地球與太陽必然成分相近。就連恆星研究龍頭亨利.諾里斯.羅素也信心滿滿,他相信太陽就像地球有個巨大鐵核心,如果將地球地殼加熱到太陽的溫度就會散發出幾乎一模一樣的光譜。

這正是佩恩想研究的問題。她意圖藉由底片確認恆星中各種元素的比例,並提議採納最新的前沿理論:遠在加爾各答的傑出天體物理學家梅納德.薩哈(Meghnad Saha)指出新的量子力學理論中,電子只能在特定軌道圍繞原子核旋轉,能量越高就必須離原子核越遠。據此出發,薩哈認為恆星溫度各有不同,即使原子是相同元素,其中電子也很可能處於不同路徑(若是最高溫的恆星,原子還可能直接失去電子)。這些變化導致相同原子會吸收光線中的不同波長組合,混淆人類對星星光譜的理解。

工程浩大,但佩恩不畏挑戰,將薩哈方程式應用於哈佛的龐大底片館藏。哈佛天文臺也只有她具備足夠的量子理論知識能完成這項工作。[40]

佩恩辦公室位於紅磚大樓三樓,裡頭堆滿了底片。她不舍晝夜努力分析,數萬筆恆星光譜看得人眼花繚亂。底片至今仍保存在同一棟大樓,只是外面護膜泛黃了。曾經接受佩恩指導的天文學家歐文.金杰里奇(Owen Gingerich)拿了一張給我看過,上面的黑色帶狀紋路每條約四分之一英寸寬(約零點六公分),裡頭交織亮度不一的模糊細線,必須拿放大鏡才能判讀。「單純這樣看想必一頭霧水,」金杰里奇解釋:「但其實有一套辨識的系統,只要日復一日觀察就能跟它們變成朋友。」我盯著那些線條直呼不可思議。

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天文臺臺長沙普利偶爾在夜裡經過那間辦公室,發現佩恩邊抽菸邊端詳底片,絞盡腦汁在模糊線條裡辨認出模式、與計算結果做對照。她自己也寫下:「我日以繼夜研究,時常處在疲憊崩潰的邊緣。」研究計畫從幾個月延長到將近一年,期間只能以「霧裡看花」形容,但皇天不負苦心人,佩恩運用薩哈方程式之後得到出乎意料的結果。

論文初稿中她大膽宣稱:儘管大家相信恆星與地球成分應該相同,但事實並非如此。恆星中幾乎沒有地球上最常見的元素如鐵、矽、氧、鋁。反之,每顆恆星有百分之九十八是氫和氦,而且太陽的氫比地球多一百萬倍。

太奇怪了,與她在劍橋所學不符,也與老師們對地球形成的理解不一致。「佩恩小姐?你很勇敢」,物理學家艾爾弗雷德.福勒(Alfred Fowler)這樣對她說。沙普利臺長很得意地將佩恩的論文草稿寄給自己以前的指導教授、普林斯頓大學著名天文學家亨利.諾里斯.羅素。

哈佛大學最優秀的人也被迫低頭

羅素回信以高度讚揚夾帶了強烈警語:他認為佩恩的主張,也就是星星幾乎完全由氫和氦組成,「顯然是不可能的」。否定這種說法的理由很充分,其中之一在於他們為何認為太陽中含有大量的鐵。太陽光譜中代表鐵的線條比其他元素更多,而且許多隕石也由鐵構成、地球的核心同樣充滿鐵。在羅素看來,種種現象指向任何天體都含有大量的鐵。

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一邊是研究所學生,另一邊在學界已經聲譽卓著,佩恩自然接受了對方觀點,或者應該說她感覺自己不得不從,回憶時提到:「年輕科學家有沒有前途就看對方一句話。」於是她在論文加上一句前提,表示這部分結論「幾乎肯定不真實」。據佩恩的女兒告訴作家唐納文.摩爾(Donovan Moore),她一生都為這個決定感到遺憾,因為不出幾年量子理論進步了、其他人也透過其他方法得出同樣結論,羅素又回頭肯定了佩恩的發現。

後來很長一段時間裡,大家認為她寫出了天文學史上最傑出的博士論文。著名天文學家愛德溫.哈伯稱她為「哈佛大學最優秀的人(man)」。即便如此,佩恩在哈佛大學內部升遷卻花了很長時間,講座有非常多年沒被列入哈佛的課程目錄。原因出在校長勞倫斯.羅威爾(Lawrence Lowell)強烈排斥女性進入教職一事,還發誓有生之年絕不錄用,所以拖到一九五六年,羅威爾去世非常久以後,佩恩才終於當上教授。

她的發現改變人類對恆星運作的理解。確定恆星主要由氫和氦組成,研究人員得以解決另一個長期未解的謎團:星星以什麼作為燃料?他們發現恆星內部壓力極大,單質子的氫原子融合形成雙質子的氦原子時會釋放能量,太陽就以這種方式產生光和熱。也由於佩恩的貢獻與對恆星的新知識,學界終於有機會揭開重元素誕生的祕密,答案就在星星裡。

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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秋季星空中一抹光亮:北落師門殘屑盤的觀測史——《科學月刊》
科學月刊_96
・2024/01/19 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 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)。

圖一:韋伯望遠鏡在波長約 25 微米(μm)的中紅外線拍攝的北落師門影像,首次呈現北落師門殘屑盤中的三層結構。(NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

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)。

圖二:殘屑盤想像圖(NASA/JPL-Caltech)

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。

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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。

圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)

● 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。

圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)

● 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:

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圖五:韋伯望遠鏡在 25 微米波段觀測到的北落師門殘屑盤。(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

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。

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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。

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  • 〈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.
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今天的星座運勢是……不宜相信占星術?——《數盲、詐騙與偽科學》
大牌出版.出版大牌_96
・2024/01/07 ・2000字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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占星術的背後

占星術是極普遍的偽科學,書店架上塞滿了談占星的書,而且幾乎每一份報紙都會發布每日星座運勢。蓋洛普(Gallup)1986 年發布的一項調查報告指出,52% 的美國青少年相信星座,而各行各業中,認同占星學中某些亙古流傳說法的人,也多到讓人難過。我說讓人難過,是因為如果那些人相信占星師和占星術,當你進一步思考他們還可能相信哪些人事物,會讓人不寒而慄。一旦那些人手握大權(比方說雷根總統)、卻根據這類信念行事,特別可怕。

占星術主張,人出生那一刻的各星球牽引力,會影響一個人的個性。但這個論點很難讓人接受,理由有二:(一)占星學完全沒有提到這種牽引(或是其他)力道,到底要透過哪一種生理或神經生理機制運作,更別說解釋了;(二)負責接生的產科醫師施加的牽引力,遠高於各個星球。請記住,一件物體對於身體(比方說,新生兒)施加的牽引力,和物體的質量成正比,但和物體與身體的距離平方成反比。這是否代表比較胖的產科醫師接生的寶寶,會有一組人格特質;比較瘦的產科醫師接生的寶寶,會有另一種不同的人格特質?

占星理論中有很多缺陷,但數盲視而不見。他們不太關心運作的機制,也不太想去比較數值大小。話說回來,即使沒有清晰明瞭的理論基礎,但如果占星術有用、有實務證據撐腰,還是應該獲得尊重。只可惜,一個人的出生日期,與標準人格測驗的得分之間,沒有任何相關性。

圖/envato

一直以來,都有人找占星師做相關的實驗(最近是加州大學的蕭恩.卡爾森﹝Shawn Carlson﹞)。研究人員會給占星師看三個匿名的人格特質側寫,其中一個是當事人的。當事人提供所有占星要用到的數據(透過問卷,而非面對面),占星師必須從人格特質側寫中挑出哪一份是當事人。實驗中總共有 116 位當事人,而負責檢驗的是歐洲與美國 30 位最頂尖(由同業判定)的占星師。實驗結果如下:占星師約有三分之一的機率,可以挑出正確的當事人人格特質側寫,也就是說,和隨機猜測沒什麼區別。

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凱斯西儲大學(Case Western Reserve Univer sity)物理學家約翰.馬蓋文(John McGervey)檢視《美國科學名人錄》(American Men of Science)上,超過 1 萬 6,000 位科學家,以及《美國政治名人錄》(Who’s Who in American Politics)上,超過 6,000 位政治人物的出生日期,發現他們的星座是隨機且均勻分布在十二個月中。密西根州立大學(Mi chi gan State University)的伯納德.西弗曼(Bernard Silver-man)取得密西根州 3,000 對夫婦的紀錄,發現他們的星座和占星師預測相配的星座之間,沒有相關性。

那麼,為何這麼多人相信占星之說?一個明顯的理由是:在通常語焉不詳的占星預言中,人們會去讀他們想讀到的一切,然後為預言添加根本不存在的真實性。他們也比較可能記得有成真的「預言」,過度看重巧合,忽略其他。其他理由還包括,占星術的歷史悠久(當然,人祭﹝ritual murder﹞和獻祭也同樣古老)。或是因為,它原理很簡單、但操作起來有一定的複雜度,會讓人感到安心。或者是,堅稱這個月能不能墜入愛河和天上的浩瀚星海有關,很能寬慰人心。

圖/envato

我猜,此外還有最後一個理由,那就是在一對一諮詢期間,占星師會從臉部表情、儀態、肢體語言等等,尋找和人格特質有關的線索。我們來看看知名的案例:聰明的漢斯(Clever Hans)。漢斯看來是一匹會算數的馬,牠的訓練師會擲骰子,問牠骰子上面的點數是多少。而漢斯會用馬蹄踏出正確答案,然後停住,旁觀者都大為驚異。但人們看不出來的是,訓練師原先都站定不動,等到馬兒敲到正確的次數,會有意無意地動了一下,就是這樣的反應讓漢斯停了下來。所以,不是這匹馬知道答案,牠只是反映了訓練師知道答案。人常無意間在占星師面前扮演訓練師的角色,占星師就像漢斯一樣,反映出客戶的需求。

美國天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan)就說過,要破解占星術以及更廣義的偽科學,最好的辦法就是真正的科學。真正科學的奇妙之處也同樣神奇,不過多了一項優點:這些奇妙之處很可能是真有其事。說到底,偽科學之所以成為偽科學,並不是因為得出的結論稀奇古怪。畢竟,運氣好猜中、機緣巧合、奇特的假說,甚至是一開始的誤信,都在科學上扮演過一定角色。偽科學失當,是因為其結論經不起檢驗,以及無法和其他經過檢驗的主張之間,建立起一致的關係。我很難想像,像演員莎莉.麥克琳(Shirley MacLaine,按:麥克琳是推動新時代運動的先驅)這些人會因為證據不足、或有更好的替代解釋,就去否定通靈等超自然現象。

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——本書摘自《數盲、詐騙與偽科學》,2023 年 11 月,大牌出版,未經同意請勿轉載。

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大牌出版.出版大牌_96
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