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終於在太空中找到氧分子

臺北天文館_96
・2011/08/06 ・1615字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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赫歇爾太空大型望遠鏡和最先進的紅外探測器首度為我們證實了:在太空中也發現氧分子,這是在獵戶座恆星形成區中的新發現。

單一原子氧在太空中很常見,尤其在大質量恆星的周圍。但是氧分子,也就是構成我們所呼吸空氣約20%的氣體,過去一直和天文學家玩著捉迷藏,直到這回才現身。

赫歇爾計劃首席科學家,本篇論文的主要作者Paul Smith說:「氧氣這種氣體在1770年代時便已發現,但終於能肯定地說,這個非常簡單的分子,在太空裡真的存在,卻花了我們230年」,該團隊的最新 發現即將刊載於Astrophysical Journal。

幾十年來,天文學家為了搜尋難以捉摸的太空氧分子,用上了熱氣球搭載的偵測儀器,地面和太空望遠鏡。2007年,瑞典的奧丁望遠鏡對氧分子曾有過驚鴻一瞥,但再次確認卻一直沒消息。

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這次發現氧分子的Goldsmith和他的同事認為,氧氣是被鎖在水冰裡,被微小塵埃微粒包覆住。赫歇爾望遠鏡在獵戶座星雲探測到的氧,是冰顆粒受暖於星光後,釋放出水所形成。冰變成水,轉換成氧分子。

這次的發現可能可以說明太空中還有一些氧可能藏身何處,論文作者Goldsmith說:「這次,我們並沒有發現大量的氧分子,並且也還沒搞懂,這回觀測到氧分子的這個所在處,到底有何特別,所以,目前為止,宇宙還是對我們謹守著許多不透露的秘密。」

Goldsmith團隊計劃繼續往其他的恆星形成區去尋找氧分子。

氧在宇宙常見元素榜上排名第三。它的分子形式在太空中必然豐富,華府總部的赫歇爾計畫科學家表示,赫歇爾望遠鏡是探測這個未解之謎的有力工具,它是個 創新的工具,為天文學家提供了一個最佳指示器,能在一套新的不同波長中查看,究竟誰能洩露出氧分子訊跡何藏。(Lauren譯)

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下圖圖說:太空氧不再音訊渺茫


鄰近於獵戶座星雲的恆星形成中心,在一塊氣體塵埃密集區裡,赫歇爾望遠鏡發現了 – 氧分子。

天文學家終於在太空中找到了氧分子獨特的訊跡(signature),這種氧分子正是我們在地球上每天所呼吸空氣的組成成分之一。雖然在赫歇爾太空望 遠鏡的觀測中,仍未解答為什麼宇宙裡的氧分子一直如此罕見,不過這個最新觀測成果,倒是對於為甚麼過去一向以來,氧分子從不肯在宇宙裡現身,提供了一些線 索。

天文學家認為,可能是新生恆星溫熱了附近的冰微粒(icy grain),釋放出水,然後水轉換為氧。但至於為何在同一塊氣體塵埃雲裡的其他部分,卻並未檢測到氧分子呢?或許是因為那裏的氧仍被鎖在冰微粒裡。

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圖片的放大區裡顯示的是,氧分子在藝術家筆下的概念圖,其中,兩兩相連的球體表現的是:兩顆氧原子結合在一起變成一個氧分子。背景中的獵戶座星雲由NASA的史匹哲太空望遠鏡於紅外光波段中拍攝。


下圖圖說:獵戶座星雲裡的氧

圖中彎彎曲曲的線條,或者又稱為「譜線」,表現的是氧分子的訊跡,由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

  本圖說明了天文學家終於在太空裡發現了氧分子! 位置就在獵戶座星雲核心附近的恆星形成區中。早先已有人提出氧分子可能存在,但直到這次才藉由赫歇爾太空望遠鏡觀測獲得明確證實。圖中彎彎曲曲的線條,或 者又稱為「譜線」,表現的是氧分子的訊跡,由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

赫歇爾太空望遠鏡上的遠紅外線外差儀器,一部分是由NASA的JPL(噴氣推進實驗室,位於加州帕薩迪納)所開發的,這次,它被用來將獵戶座星雲一塊 特定區域所發出來的光線,在次毫米波中將它進一步又拆分成好幾個不同的波長(如圖,270, 390和 620 micron: 微米)。天文學家使用這種叫做光譜圖的圖形來表達這些訊息,也呈現出分子所特有,像人類有「指紋」一樣的特徵。譬如,這次以氧分子為例來說,他們辨識出三 個氧分子所具有的獨特指紋,參見如頻譜圖所示。三線條呈現出不同的波長範圍,屬於氧分子訊跡的又以粉紅色加以標示。獵戶座星雲是由NASA的史匹哲太空望 遠鏡於紅外光波段中拍攝。圖片來源: ESA/NASA/JPL-Caltech

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資料來源:轉載自中研院天文網

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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糖、香料,還有一切美好事物?轟!人體組成了——《完全圖解 元素與週期表》
PanSci_96
・2019/12/09 ・2192字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

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身體的組成,元素都知道

你體重的大約 65% 是由氧(O)所構成。體重 60 公斤的人,竟然有將近 40 公斤是氧原子的重量。下方插圖是表示組成人體的元素的內容(質量比例)。

組成人體的元素的內容(質量比例),人體的主要材料有 6 種元素。圖/人人出版提供

人體的 70% 左右是水(H2O),而氧是水的構成要素。構成身體的蛋白質和核酸(DNA 等)也需用到氧。此外,肺所攝取的氧會溶於血液中,供應給全身的細胞。

第 2 名之後依序為碳(C)、氫(H)、氮(N)等等。這些元素也是蛋白質以及核酸等製造人體的物質的材料。接下來的鈣(Ca)是骨骼的成分, 磷(P)主要做為製造核酸的成分。以上這些前 6 名的元素,占有體重的 98.5%。構成人體的元素,和構成地球的元素一樣,追本溯源,都是在宇宙空間或恆星裡面誕生的元素。

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人體也含有鐵(Fe)、鋅(Zn)等金屬。而且已知某些特定金屬是維持人體正常機能不可或缺的必需元素(請參照下表)。例如鐵,成人的體內含有大約 5 公克,主要用於製造血紅素(hemoglobin,血紅蛋白),這是一種在紅血球中負責與氧結合的蛋白質。眾所周知,如果鐵含量不足,輸送氧的能力會下降,導致貧血。

表格為包括微量元素在內的更詳細內容。依據含量的多寡分成多量、少量、微量、超微量等幾類。表格中以藍色字體書寫的是人體的必需元素。由表可知,有些元素雖然數量極微,卻是人體不可或缺的必需元素。

分類 元素名稱
(藍色為必需元素)
比例 體重 60 公斤中所含的量
多量元素 65% 39公斤
18% 11公斤
10% 6.0公斤
3% 1.8公斤
1.5% 900公克
1% 600公克
少量元素 0.25% 150公克
0.2% 120公克
0.15% 90公克
0.15% 90公克
0.05% 30公克
微量元素 5.1公克
2.6公克
1.7公克
1.7公克
0.27公克
0.27公克
0.17公克
0.10公克
86毫克
68毫克
超微量元素 51毫克
43毫克
17毫克
15毫克
11毫克
10毫克
9.4毫克
8.6毫克
8.6毫克
8.6毫克
1.7公克
1.7毫克
1.3公克
0.17公克
  • 註:1 mg = 0.001 g
  • 含量較多的前 6 名元素,占有體重的 98% 以上。人體含有各式各樣的元素,但其中有 23 種元素,如果欠缺的話會引發某種障礙,稱為必需元素。

人體內也有金屬存在?!

金屬元素是人體所必需的,這件事是在 1745 年第一次獲得確認。義大利醫師門吉尼(Vincenzo enghini)發現燃燒血液剩餘的灰燼可被磁鐵吸引,因而第一次注意到人的體內有金屬存在。

此外,汞(Hg)和砷(As)這類攝取太多會有害的元素,其實在人體裡面也含有微量(體重 60 公斤之中,就含有數毫克~數十毫克的程度)。這些元素到目前為止還沒有發現它們是人體所必需(承擔某種機能)的證據,但也有學者認為它們是必需的。

元素在體內如何被運用?

主要的元素在體內如何被運用。前6名元素是用來做為製造身體的蛋白質、核酸(DNA)、骨骼等的材料。此外,鈉及鉀等金屬材料則溶於體液中,發揮酸度的調節、細胞間的訊息傳送等功能。

主要的元素在體內如何被運用。(點圖放大)圖/人人出版提供

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  • 水(H2O):占體重的70%左右。以充滿於細胞間的體液或血液的形態,溶解氧等氣體、糖等營養成分、各種離子。
  • 丙胺酸(C3H7NO2):丙胺酸(alanine)是胺基酸的一種。蛋白質是由丙胺酸等 20 種胺基酸串連在一起而構成。在半胱氨酸(cysteine)這種胺基酸裡面含有硫。
  • 葡萄糖(C6H12O6):葡萄糖是糖的一種,以血糖形態溶於血液中,做為主要的能源使用。
  • DNA:在所有細胞的細胞核裡面,以遺傳基因的形態存在。DNA 由碳、氮、氧、氫、磷等 5 種原子構成。由於氫的數量很多,為了避免妨礙觀察,在上方的插圖中省略不畫。
  • 鈣(Ca):存在於體內的鈣之中,90% 以和磷結合的形態存在,做為製造骨骼的材料。
  • 鈉(Na):主要以鈉離子(Na+)的形態存在於體液中,用於酸度及離子濃度的調整等。
  • 鉀(K):主要以鉀離子(K+)的形態存在於細胞內,具有促進細胞代謝等的機能。
  • 氯(Cl):主要以氯化物離子(Cl)的形態,存在於細胞內及體液中,具有調整離子濃度等等的功用。
  • 鎂(Mg):約有 6 成存在於骨骼中,約有 4 成存在於肌肉等處。

——本文選自《完全圖解 元素與週期表:解讀美麗的週期表與全部118種元素!》,2019 年 9 月,人人出版

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氧,會讓判斷有沒有外星生物變成一場瞎忙嗎?
臺北天文館_96
・2013/10/29 ・1016字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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800px-artist27s_concept_of_gliese_876_b_jjy0501

最新研究指出,系外行星的大氣即便有豐富的氧-卻未必見得都是生物造成的現象-反倒有可能只是恆星輻射的紫外線組合過於特別而導致的。

地球大氣中本不該有單體氧存在。但是,還好有光合生物出場,在距今大約22億至24億年前,單體氧的豐度開始增加,直到今天它都還在(為此,大家都該感恩)。

許多天文生物學家相當樂見在系外行星上也出現的是相同情形 – 尤其那些以M型矮星為母恆星的系外行星 – M型矮星周圍的系外行星向來是這類搜索的首選標的,在我們的銀河系裡,這類恆星數量特別豐富,壽命長而穩定,溫度涼爽,黯淡不亮,質量較低,這幾大特徵,讓發現這類恆星附近的行星相對變得容易。

善於計算宇宙中一些機率問題的天文學家最近掐指運算,發現,在這種M矮星附近找到類地行星的機率高達近50%,並且如果大氣裡含氧,那就更暗示「生物活性」的活躍啦。

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可不是。但未必盡然。

由中國國家天文台田丰教授主導的國際團隊,近日在一場行星科學會議中發表最新報告,提供一種想法說明了位於M型矮星適居區內的行星,「可能有很多單體氧,但其實完全沒有生命現象」,田教授團隊認為這種假陽性的機率頗高。

這關鍵要看母恆星所發出能量如何。今年稍早,科羅拉多大學一支團隊(Kevin France主導),用哈柏太空望遠鏡對6個M型矮星做研究,光球區雖不太亮,這些M型矮星輻射出大量紫外線。飆出相當於太陽等級的遠紫外輻射,但是近紫外輻射卻不到太陽的0.1%。

UV_flux_plot_M-Dwarfs

田丰說,遠近紫外線兩者比例的強烈懸殊,讓這些系外行星大氣化合物的組合也大不相同。意思是,遠紫外光子可以分解二氧化碳並產生氧原子,氧分子(O2),甚至臭氧(O3),在和氫發生反應後,產生其他副產品包括H2O2和HO2(注意:不是H2O)。但倘若近紫外光子的數量遠遠不足,將會導致重組成CO2反應作用也無法維持太久,而最終,氧濃度會變高。

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以光譜儀檢測氧氣不難,設計製造未來的太空飛行器以執行系外行星大氣偵測任務是指日可待。不過,會不會到頭來,含有氧的這項條件對其實根本不存在的生物活性反而造成誤判呢?雖不至於,但田丰教授提醒的是,我們得學個功課,恐怕該先對紫外線的環境好好地摸熟,再號稱系外行星上「有生命存在」。(Lauren譯)

資料來源:Is Oxygen a False Positive for Alien Life?

轉載自中研院天文網[2013.10.08]
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終於在太空中找到氧分子
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赫歇爾太空大型望遠鏡和最先進的紅外探測器首度為我們證實了:在太空中也發現氧分子,這是在獵戶座恆星形成區中的新發現。

單一原子氧在太空中很常見,尤其在大質量恆星的周圍。但是氧分子,也就是構成我們所呼吸空氣約20%的氣體,過去一直和天文學家玩著捉迷藏,直到這回才現身。

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幾十年來,天文學家為了搜尋難以捉摸的太空氧分子,用上了熱氣球搭載的偵測儀器,地面和太空望遠鏡。2007年,瑞典的奧丁望遠鏡對氧分子曾有過驚鴻一瞥,但再次確認卻一直沒消息。

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這次的發現可能可以說明太空中還有一些氧可能藏身何處,論文作者Goldsmith說:「這次,我們並沒有發現大量的氧分子,並且也還沒搞懂,這回觀測到氧分子的這個所在處,到底有何特別,所以,目前為止,宇宙還是對我們謹守著許多不透露的秘密。」

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氧在宇宙常見元素榜上排名第三。它的分子形式在太空中必然豐富,華府總部的赫歇爾計畫科學家表示,赫歇爾望遠鏡是探測這個未解之謎的有力工具,它是個 創新的工具,為天文學家提供了一個最佳指示器,能在一套新的不同波長中查看,究竟誰能洩露出氧分子訊跡何藏。(Lauren譯)

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鄰近於獵戶座星雲的恆星形成中心,在一塊氣體塵埃密集區裡,赫歇爾望遠鏡發現了 – 氧分子。

天文學家終於在太空中找到了氧分子獨特的訊跡(signature),這種氧分子正是我們在地球上每天所呼吸空氣的組成成分之一。雖然在赫歇爾太空望 遠鏡的觀測中,仍未解答為什麼宇宙裡的氧分子一直如此罕見,不過這個最新觀測成果,倒是對於為甚麼過去一向以來,氧分子從不肯在宇宙裡現身,提供了一些線 索。

天文學家認為,可能是新生恆星溫熱了附近的冰微粒(icy grain),釋放出水,然後水轉換為氧。但至於為何在同一塊氣體塵埃雲裡的其他部分,卻並未檢測到氧分子呢?或許是因為那裏的氧仍被鎖在冰微粒裡。

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下圖圖說:獵戶座星雲裡的氧

圖中彎彎曲曲的線條,或者又稱為「譜線」,表現的是氧分子的訊跡,由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

  本圖說明了天文學家終於在太空裡發現了氧分子! 位置就在獵戶座星雲核心附近的恆星形成區中。早先已有人提出氧分子可能存在,但直到這次才藉由赫歇爾太空望遠鏡觀測獲得明確證實。圖中彎彎曲曲的線條,或 者又稱為「譜線」,表現的是氧分子的訊跡,由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

赫歇爾太空望遠鏡上的遠紅外線外差儀器,一部分是由NASA的JPL(噴氣推進實驗室,位於加州帕薩迪納)所開發的,這次,它被用來將獵戶座星雲一塊 特定區域所發出來的光線,在次毫米波中將它進一步又拆分成好幾個不同的波長(如圖,270, 390和 620 micron: 微米)。天文學家使用這種叫做光譜圖的圖形來表達這些訊息,也呈現出分子所特有,像人類有「指紋」一樣的特徵。譬如,這次以氧分子為例來說,他們辨識出三 個氧分子所具有的獨特指紋,參見如頻譜圖所示。三線條呈現出不同的波長範圍,屬於氧分子訊跡的又以粉紅色加以標示。獵戶座星雲是由NASA的史匹哲太空望 遠鏡於紅外光波段中拍攝。圖片來源: ESA/NASA/JPL-Caltech

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