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波霎PSR J0357+3205和它神秘的尾巴

臺北天文館_96
・2011/07/25 ・1060字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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波霎(pulsar,或稱為脈衝星)是自轉非常快速的中子星。最近有天文學家利用錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)觀測編號為PSR J0357+3205(縮寫為PSR J0357)的波霎,結果發現這個波霎居然有個很長、在X射線波段很明亮的尾巴。科學家認為這個X射線尾可能是來自波霎風(pulsar wind)中的高能粒子,繞著磁力線運動所發出的輻射而形成的,但它的性質又與其他波霎的X射線尾有些許不同,因此真實的成因尚待確定。

上方影像是錢卓的X射線影像(藍色)和數位巡天計畫(Digitized Sky Survey,DSS)的可見光影像(黃色)合成的。PSR J0357位在影像中尾巴偏向右上方的端點處;至於尾巴左下角的兩個明亮X射線源,應該是在銀河系以外、與波霎和尾巴都無關的背景天體。

PSR J0357最初是在2009年由費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma Ray Space Telescope)發現,位在英仙座方向。天文學家估計這個天體距離地球約1,630光年,成為波霎的年齡僅約50萬年,對波霎這類天體而言,大概處在中年左右。如果這條尾巴與波霎距離差不多,那麼它的長度大約有4.2光年這麼遠,相當於從太陽延伸到離太陽系最近的恆星—半人馬座Alpha(南門二)的 距離;這將使得它成為最長的X射線尾之一,這種X射線尾通常與所謂的「自轉驅動波霎(rotation-powered pulsar)」有關,這種波霎的動力通常來自轉速度逐漸減慢而損失的能量。(註:有些波霎的動力來自強磁場,有些則來自物質落入中子星的過程)

之前曾有一種X射線尾的解釋,認為:當波霎以超音速在太空中高速運動而時會形成弓形震波(bow-shock),使粒子被掃到波霎後方,與周圍環境中 的氣體交互作用而發出X射線,形成X射線尾。不過,這種弓形震波的解釋法,對PSR J0357而言可能對,也可能不對。理由之一,是費米資料顯示PSR J0357自轉逐漸減慢所損失的能量很少。這個自轉能量損失的現象相當重要,因為這種自轉能量會轉為輻射能,驅使波霎粒子向外流出而形成波霎風,這麼一來便限制了波霎風粒子能獲取的能量強度,應該不可能產生像錢卓觀測到這樣強的X射線尾。

這種解釋方式的另一個挑戰是:其他具有弓形震波的波霎,其X射線輻射是環繞波霎周圍,而非像PSR J0357一樣呈現單向尾狀。此外,這個X射線尾最明亮的部分是直接遠離波霎,這個外型也與其他具弓形震波的波霎不同。

雖然目前對這個X射線尾的成因沒那麼有把握,不過天文學家希望未來能繼續利用錢卓觀測來檢驗這個弓形震波的解釋;換言之,如果波霎移動方向與這個X射線尾相反,那麼這個弓形震波的概念或許就是正確的。

資料來源:PSR J0357+3205: A Pulsar and its Mysterious Tail [2011.07.13]

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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天文學家發現至今最年輕、威力相當於「一萬個螃蟹」的中子星
全國大學天文社聯盟
・2022/07/31 ・3383字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 文/語星葉

2018 年,在特大天線陣巡天計畫(VLA Sky Survey, VLASS)的資料中,一個來自遙遠星系的不尋常電波源,吸引了天文學家的注意。經過四年的觀察與分析,他們認為這個未知電波源,最可能是來自一個非常年輕且威力強大的中子星。

圖一、畫家筆下的脈衝星,中央黃色部分為脈衝星與周遭雲氣交互作用產生的脈衝星風星雲,外圍球對稱的絲狀結構則為超新星爆炸殘骸。圖/Melissa Weiss, NRAO/AUI/NSF

這個電波源在二十年前,在特大天線陣的第一個巡天計畫「FIRST」資料中尚不存在,代表這是個「瞬變天體(Transient)」,即在人類的時間尺度中,可觀察到明顯變化的天體——別忘了,人類的千年歷史,在宇宙時間尺度下都只是一瞬。

在當今望遠鏡技術的快速推進下,瞬變天體其實並不罕見。每天都有許多新的瞬變天體被望遠鏡捕捉。然而,至今仍有許多瞬變天體覆著未知的面紗,例如 21 世紀新發現、被稱作「快速電波爆(Fast radio burst, FRB,圖二)」的瞬變天體,便是今日天文物理學的熱門主題。

科學家對其極高光度、極短時距的成因和來源都還沒有定論。不過,這個新發現的電波源未來有望為我們帶來解答!

圖二、2006 年,人類發現的第一個快速電波爆訊號。這個訊號時距僅 0.005 秒,強度卻是最小可偵測訊號的 100 倍(見右上角小圖)。不同頻率的訊號有顯著的位移,代表這個訊號來自銀河之外的遙遠星際。圖/Lorimer et al. 2007

天文學家認為,這次的未知電波源,最可能是來自一顆脈衝星(Pulsar,圖一)、甚至可能同時是一顆磁星(Magnetar,圖六),與周遭氣體交互作用所產生的星雲亮光。脈衝星和磁星都是中子星的一種,至於它們分別是什麼,以及為何會有這些不同的名稱,則要回顧一下中子星的發現史。

圖三、位於美國新墨西哥州的特大天線陣(Very Large Array, VLA)為一套擁有 27 支天線的電波望遠鏡。圖/NRAO/AUI/NSF

理論推演中子星、觀測發現脈衝星,證明中子星的存在

在 1933 年的美國物理年會上,也就是查兌克宣布發現中子後一年,兩個不相干的理論團隊雙雙提出,因恆星塌縮後反彈而形成的「超新星」爆發,會促使中心區域坍縮形成「中子星」,即體積極小、非常緻密,由中子擠在一起形成的天體。這無疑是一重大突破,在此之前,天文學界還不清楚超新星跟新星(Nova)是來自不同的物理機制,而「中子星」更是沒人提過的概念。

此後,超新星的概念快速普及,觀測上古往今來的超新星也如雨後春筍般被識別與發現。然而,中子星的概念,還要等到三十多年後脈衝星的發現,才被廣為接受。[3]

1967 年,一位年僅 24 歲的劍橋大學研究生約瑟琳.貝爾.伯奈爾(Jocelyn Bell Burnell,圖四)和她的指導教授安東尼.休伊什(Antony Hewish),在無線電望遠鏡資料中,發現了一種會以極短的週期快速閃爍的未知無線電波源,她們稱之為「脈衝星」。然而究竟是什麼原因產生這樣的訊號?他們沒有頭緒。

一開始,休伊什甚至認為可能是收到了來自遠方智慧生命的訊號,還暱稱為「小綠人(Little green man,20 世紀電影中外星人時常是綠色皮膚)」。因為他難以想像這樣短促而準確的週期性訊號,不是生命體、而是自然現象產生的。[4]

圖四、1967 年,時任劍橋大學研究生的約瑟琳眼尖地發現了週期性出現在電波影像的未知訊號。圖攝於當年 6 月。圖/Roger W Haworth

此時,被猜疑了三十多年的中子星概念再次登場,而且馬到成功,完美地解釋了這種短週期出現的電波訊號。原來脈衝星是高速旋轉的中子星,其高轉速及強磁場會在中子星的兩極產生高能帶電粒子,從而發射出無線電波波段的輻射。於是兩極的電波束便隨著中子星的高速自轉,如燈塔般週期性的指向地球,被電波望遠鏡所接收,這便是脈衝星的由來(見圖五)。電波脈衝星的自轉週期只有 0.1~10 秒,如此極端的物理性質,也只有中子星可以滿足了。

圖五、脈衝星的兩極高能帶電粒子會發射強電波束,隨著脈衝星高速自轉而規律地指向地球,被電波望遠鏡接收,此即脈衝星訊號的成因。

至於磁星,一種擁有超強磁場的中子星,其發現就更加戲劇性了。

發現磁星

1979 年是磁星粉墨登場的一年。時年 3 月 5 日,先是蘇聯的金星 11 號和 12 號兩顆人造衛星被不明的伽瑪射線給擊中,其搭載的光子計數器瞬間就被「打爆」,超越計數器所能計量的數額,接著這波伽瑪射線接連爆擊了 NASA 的繞太陽衛星和繞金星衛星的伽瑪射線接收器,而後通過地球(還好我們的地球大氣層會把伽瑪射線隔絕在外),襲擊數個繞地衛星後揚長而去。

當年天文學家接收到數個類似的伽瑪射線閃光,其中最亮的閃光(也就是 3 月 5 日那波)在 0.2 秒內釋放了相當於太陽燃燒 1000 年的能量!

這些閃光還具有週期性,在約一週內反覆出現並逐漸消失,有的甚至幾個月或幾年後還會再度出現。經過數十年的研究,如今天文學家認為這些訊號同樣來自中子星,但這類中子星的磁場比一般中子星強上數百到數萬倍,因此被冠以「磁星」之名。

圖六、繪筆下的磁星。圖/ESO/L. Calçada

威力相當於「一萬個螃蟹」的脈衝星風星雲

回到正題,天文學家分析 2018 年特大天線陣接收到的新電波源後發現,這個電波源來自約 4 億光年遠的一個矮星系,且坐落在許多大質量恆星之間,因此極可能是大質量恆星爆發後的殘骸。

超新星爆發之際,剛形成的中子星擁有超強磁場、極高速的自旋,但仍被爆炸所拋出的恆星碎片層層包裹而不可見。需待這層外殼緩緩擴張、物質密度降低以後,中子星所發出的光才得以「撥雲見日」,進入我們眼中。

與此同時,中子星強烈的磁場會拉扯外圍的帶電粒子,使其高速撞擊周遭星際物質,從而發出強烈的電磁輻射、形成圍繞中子星的明亮星雲,稱之為脈衝星風星雲(Pulsar wind nebula, PWN)。最有名的脈衝星風星雲——蟹狀星雲(Crab nebula,圖七)距離我們僅數千光年,因此我們對它有深入的觀察。

根據分析,這個電波源隨時間的光度變化和已知的脈衝星風星雲相似,因此研究人員認為最有可能的解釋,便是一個前所未見的超明亮脈衝星風星雲。

圖七、蟹狀星雲中心的中子星(圖片中央的橘紅色亮星)及周圍的脈衝星風星雲。藍色為錢卓望遠鏡拍攝的 X 射線、紅色為哈伯望遠鏡捕捉的可見光。圖/NASA

這個 20 年內便突破超新星爆炸煙塵的脈衝星,不僅是人類已知年紀最輕的中子星,更是一個威力強大的中子星。其發出的 X 光強度高達「一萬螃蟹」——不是筆者亂用,「螃蟹(Crab)」真的是一個天文學單位!

就像天文學家也常用「太陽質量」作為天體質量的單位,或是用「天文單位」衡量距離,一個「螃蟹」指的是一個蟹狀星雲發出的 X 射線強度。一個天體發出的 X 射線有幾個螃蟹,就是其亮度是蟹狀星雲幾倍的意思。之所以選擇蟹狀星雲作為標準,是因為在這個領域,它實在太近、太經典了。

言歸正傳,天文學家認為這顆脈衝星不僅是隻超級螃蟹,可能還是顆磁星——其磁場是人類目前所能製造的最強磁場的數億倍!由於磁星被認為可能是快速電波爆的來源,因此可以預期接下來這個年輕的候選磁星,將被天文學家們用望遠鏡細細關照,於其中能探究多少蛛絲馬跡,又有多少新發現尚待挖掘,讓我們引頸期待。

參考資料

  1. Astronomers Find Evidence for Most Powerful Pulsar in Distant Galaxy – National Radio Astronomy Observatory
  2. Dong, Dillon ; Hallinan, Gregg (2022). arXiv e-prints. 
  3. Baade and Zwicky: “Super-novae,” neutron stars, and cosmic rays
  4. Cosmic Search Vol. 1, No. 1 – Little Green Men, White Dwarfs or Pulsars?
  5. Kouveliotou, C.; Duncan, R. C.; Thompson, C. (February 2003). “Magnetars“. Scientific American.
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英仙座流星雨要怎麼看?
htlee
・2020/08/11 ・1038字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

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看英仙座流星雨需要做哪些準備呢?什麼時間、地點最適合呢?

飛過獵戶座附近的流星。攝影李昫岱

什麼時間?

根據國際流星組織的資料,英仙座流星雨發生的時間從 7 月 13 日到 8 月 26 日,將近一個半月的時間,這段時間都可以看見英仙座流星雨。不過英仙座流星雨的極大期則是 8 月 13 日前後幾天,觀測條件好的地方,每小時最多可看見大約一百顆的英仙座流星!

流星雨幾乎都是下半夜才會進入高峰,這時流星雨的輻射點較高,可以看見從輻射點向四面八方輻射的流星。

什麼地點?

看流星雨其實不需要到高山上人擠人,找一個空曠、光害較少的地方就可以。

什麼設備?

眼睛最適合用來觀看流星雨,看流星雨不需要任何望遠鏡或昂貴的設備,不過一些簡單裝備可以讓你欣賞流星雨更輕鬆。

抬頭看流星,時間久了脖子就會痠痛,帶一把躺椅會讓你舒服很多。也可以帶睡袋或在地上鋪毯子,直接躺在上面觀看流星。

夏天的夜晚,蚊子還是很多,防蚊的東西不能少。記得要多帶衣服,尤其是前往高山看流星雨,入夜後會變冷。

觀看流星時,要注意觀星禮節。沒有必要的燈要關閉,手電筒或手機的燈要往地上照,不要把燈光往人照。如果附近有人在拍攝流星雨,更要注意燈光,不要影響拍照的天文同好。

往哪個方向看?

流星會出現在哪裡?這是無法預測的,唯一知道的是,英仙座流星雨的流星都是從英仙座的頭頂附近輻射出來的,流星會出現在天空中的任何角落。

怎麼拍?

用手機相機或一般數位相機拍流星雨,難度相當高,建議使用數位單眼相機比較可行。

單眼相機要架在穩固的三腳架上,廣角鏡頭拍攝的範圍較大,捕抓到流星的機會較高。盡量把光圈開到最大,鏡頭進來的光愈多,就能拍到愈暗的流星。另外,把相機 iso 值提高到 1000 以上,這樣可以拍到較暗的流星,不過 iso 愈大,拍起來的影像雜訊也愈多,試試不同的 iso 值,看看影像中雜訊的狀況。

把相機改為手動對焦,再把焦距調到無限遠,或對準一顆亮星,把影像中亮星大小調到最小。曝光的經驗值是 20mm 鏡頭約 10 秒,35mm 鏡頭約 6 秒,這樣影像中的星點會是圓的,不會拖出長線。

不要忙著拍照而忘了親身感受流星雨,用電子快門線設定每幾秒拍一張後,就讓相機自己去拍攝,回到家後再檢視拍照的結果。如果拍到流星,記得分享流星的美麗照片!

祝 流星滿天,觀星愉快

延伸閱讀:英仙座流星雨怎麼來的?

本文轉載自作者部落格「屋頂上的天文學家」,原文為〈英仙座流星雨要怎麼看?

htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

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波霎PSR J0357+3205和它神秘的尾巴
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