磁星形成之謎應該解開了吧！

• 文／林彥興｜清大天文所碩士生、EASY 天文地科團隊主編、全國大學天文社聯盟監事

本月初 ^[1]，「最靠近地球的黑洞」這個紀錄被刷新了！以天文學家 Kareem El-Badry 為首的團隊，利用蓋亞（Gaia）衛星極度精準的天體位置資料，加上多座望遠鏡聯合進行的徑向速度量測，成功確認了約 1550 光年外位於蛇夫座的一顆恆星，正與黑洞互相繞行，打破離地球最近的黑洞紀錄。

狩獵隱身巨獸的方法

人類搜尋黑洞已經有數十年的歷史。對於正在「進食」，也就是正在吸積物質的黑洞，由於其周遭的吸積盤和噴流等結構會在無線電、X 射線等多個波段發出強烈的電磁輻射，因此相對容易看到；但沒有在進食的黑洞，就要難找許多。

畢竟黑洞之所以被叫做黑洞，就是因為它本身幾乎不會發光。想要尋找這些「沉默」黑洞的方法，通常只能靠著黑洞的重力對其週遭的影響，間接推測黑洞的存在。

其中最常見的方法，就是尋找「繞著看不見的物體旋轉的恆星」。一般來說，恆星在天空中移動的軌跡應只受恆星的視差和自行影響，但如果恆星在與另一個大質量的天體互相繞行，比如我們的目標：沉默的黑洞，那恆星的軌跡就會受到黑洞影響。

因此觀測恆星的移動軌跡，是尋找沉默黑洞的重要方法之一。這個方法最著名的例子，就是 2020 年諾貝爾物理獎得主 Reinhard Genzel 與 Andrea Ghez 藉由長時間觀測銀河系中心的恆星運動（位置與徑向速度），從而確認了銀河系中心超大質量黑洞的存在。

但由於方法間接，用這類方式尋找黑洞時往往很難確定那個「看不見的物體」到底是不是黑洞。舉例來說，2020 年歐南天文台的天文學家宣布發現 HR 6819 是一個包含黑洞的三星系統，卻在更多更仔細的研究後遭到推翻。因此從恆星的運動來尋找「黑洞候選者」相對不難，但是想要消滅所有其他的可能性，「確定」黑洞的存在，就不是一件容易的事。

多方聯合｜鎖定真身

那麼，這次的新研究是怎麼「確定」黑洞的存在的呢？

第一步，天文學家們先把目標鎖定在「形跡詭異」的恆星。因為當一顆恆星與黑洞互相繞行時，恆星在天上的運行軌跡會因為黑洞的引力而有週期性的擺盪。所以，如果我們看到有個恆星的軌跡歪歪扭扭，這顆恆星很可能就是受到黑洞重力影響的候選者。

而目前，蓋亞衛星（Gaia）提供的天體位置資料是當之無愧的首選。蓋亞是歐洲太空總署（ESA）於 2013 年發射的太空望遠鏡，與著名的韋伯太空望遠鏡一樣運行在日地第二拉格朗日點。

但與十項全能的韋伯不同，蓋亞是「天體測量學 Astrometry」的專家，專門以微角秒等級的超高精確度測量天體的位置。每隔幾年，蓋亞團隊就會整理並公布他們的觀測結果，稱為資料發布（Data Release）。目前最新的「第三次資料發布 DR3」之中，就包含了超過 18 億顆天體的海量資料。

經過篩選，團隊發現一顆名為 Gaia DR3 4373465352415301632 的恆星看起來格外可疑。這是一顆視星等 13.77（大概比肉眼可見極限暗 1300 倍，但以天文學的角度來說算是相當亮）、與太陽十分相似的恆星，距離地球約 1550 光年。

找到可能的候選者後，團隊一方面翻閱過去觀測這顆恆星的歷史資料，另一方面也申請多座望遠鏡，進行了四個月的光譜觀測。同時使用從蓋亞衛星的位置（赤經、赤緯、視差）以及從光譜獲得的徑向速度資訊，團隊可以精確地計算出這顆恆星應當是正在繞行一個 9.6 倍太陽質量的天體運轉。

這麼大的質量，卻幾乎不發出任何光，黑洞幾乎是唯一可能的解釋。

但以現有的觀測資料，天文學家仍不能確定它到底是一顆黑洞，還是有兩顆黑洞以相當近地軌道互相繞行，然後恆星再以較大的軌道繞著兩顆黑洞運轉。但無論是一顆或兩顆，Gaia BH1 都刷新了離地球最近黑洞的紀錄，距離僅有 1550 光年，比上一個紀錄保持人（LMXB A0620-00）要近了三倍。從銀河系的尺度來看，這幾乎可說是就在自家後院。

更多黑洞就在前方

最後讓我們來聊聊，找到「離地球最近的黑洞」有什麼意義呢？

「離地球最近的黑洞」這個紀錄本身是沒有太多意義的。雖然說從銀河系的尺度來說，1550 光年幾乎可說是自家後院，但是這顆黑洞並不會對太陽系、地球或是大家的日常生活產生任何影響。既然如此，為什麼天文學家還會努力尋找這些黑洞呢？

其中一大原因，是因為尋找這些與恆星互相繞行的黑洞，可以幫助天文學家了解恆星演化的過程。在銀河系漫長的演化歷史中，曾有數不清的恆星誕生又死亡。我們看不到這些已經死亡的恆星，但可以藉由這次研究的方法，去尋找這些大質量恆星死亡後留下的黑洞 ^[2]，從而推測雙星過去是如何演化，留下的遺骸才會是如今看到的樣子。

除了 Gaia BH1，天文學家也在持續研究 Gaia DR3 之中其他「形跡可疑」的恆星／黑洞雙星候選系統。而隨著蓋亞衛星的持續觀測，更多這類黑洞候選者將會越來越多。研究這些系統，將幫助天文學家進一步了解雙星系統演化的奧秘。

註解

[1] 嚴格來說，論文九月中就已經出現在 arXiv 上了。

[2] 嚴格來說，恆星質量黑洞（stellar mass black hole）是大質量恆星的遺骸。超大質量黑洞（supermassive black hole）就不一定了。

延伸閱讀

1. El-Badry, K., Rix, H. W., Quataert, E., Howard, A. W., Isaacson, H., Fuller, J., … & Wojno, J. (2022). A Sun-like star orbiting a black hole. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 518(1), 1057-1085.
2. [2209.06833] A Sun-like star orbiting a black hole
3. Astronomers Discover Closest Black Hole to Earth | Center for Astrophysics
4. The Dormant Stellar-Mass Black Hole that Actually Is | astrobites
5. Astronomers find a sun-like star orbiting a nearby black hole
6. 狩獵隱身巨獸：天文學家發現沉默的恆星質量黑洞？ – PanSci 泛科學
7. 「最靠近地球的黑洞」其實不是黑洞
8. 人們抬頭所遙望的星空是恆定不變嗎？ – 科學月刊Science Monthly

• 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。

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！

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。

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。

• 延伸閱讀：宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星 – PanSci泛科學

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]

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。

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。

• 延伸閱讀：磁星形成之謎應該解開了吧！ – PanSci泛科學

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。

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.

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯｜歐柏昇、美術編輯｜林洵安

宇宙也有麥田圈？重力如何害遠方星系「面目扭曲」，宛如魔戒？磁星會吹熱泡泡，研究員用電腦畫浮世繪？中央研究院天文及天文物理研究所參與中研院「開放博物館」，研究員們拿出壓箱底的天文美照與研究成果，促成「星海巡奇」線上展覽，滑鼠輕輕一點，即可穿越千萬光年的異世界，飽覽令人腦洞大開的天文奇景！

宇宙也有麥田圈？！

地球上的麥田圈還懸而未決，想不到太空中也有！？下面美麗神秘的「宇宙麥田圈」，其實是行星系統誕生之前的模樣──原行星盤。

兩張美照皆是由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）望遠鏡，解析原行星盤「金牛座 HL 」所得的細緻結構。這是人類首度拍攝到這麼年輕的原行星盤高解析度影像，可一窺行星形成的秘辛！

智利沙漠上的 ALMA 望遠鏡，運用了「天文干涉技術」，一共有 66 座天線可以協同工作，且天線之間距離夠遠，才得以拍出原行星盤的細緻結構。在此以前，前一代望遠鏡對於這些年輕的原行星盤，只能看見平滑的盤面，沒有明顯的起伏，直到 ALMA 啟用才有重大突破。

原行星環：行星形成現場

說了半天，「麥田圈」盤面的環與間隙究竟是誰的傑作？「目前最熱門的解釋，是間隙中有行星正在形成。」中研院天文所顏士韋助研究員主持金牛座 HL 的氣體分布研究，他解釋：原行星盤上有很多氣體和塵埃，部份的氣體和塵埃會逐漸聚集成行星。這些行星一邊長大、一邊在盤子內繞著原恆星轉，過程中行星的重力會把沿路的東西推開，形成一圈圈的間隙。

為什麼重力會「推開」物體？因為盤上的物質進行克卜勒運動──內圈跑得快、外圈跑得慢。原行星會吸引比它內圈的物質，這些物質被拖慢速度，結果往更內圈跑；另一方面，原行星也會吸引外圈的物質，這些物質反而被拉快速度，往更外圈跑。原行星就這樣「推開」周圍物質，「清出」一條軌道，形成了明顯的間隙。

一開始，天文學家先觀測到塵埃分布的「麥田圈」影像，但如果氣體分布是平滑沒有間隙的，「環與間隙」可能只是來自塵埃性質差異。所幸，顏士韋團隊之後確認金牛座 HL 的氣體分布也有環與間隙，支持「行星形成」的假說。

他們還從縫隙的寬度與深度推算出：間隙中正在形成的行星大約是木星質量。研究人員據此推測，行星形成的時間點比預期還要早，像木星這類的巨行星，可能在恆星還沒完全「誕生」，就已經趕進度地成形囉！

磁星熱泡泡：太空版浮世繪

日本畫家耐心一筆一劃勾勒浮世繪，中研院天文所陳科榮助研究員用電腦模擬的「磁星熱泡泡」，是他獨創的太空版浮世繪。

故事要從頭說起！近年來，天文學家發現一種很特殊的超新星，可以比一般超新星亮 100 倍，稱為「超亮超新星（superluminous supernova）」。理論天文學家不斷苦思：為什麼這些超新星會這麼亮？

有些學者提出「磁星（magnetar）」理論來解釋：超新星爆炸經常伴隨著中子星的形成，有的中子星轉得非常快，轉速高達每秒 1000 圈，因為其磁場強度高達地球的 1000 兆倍，稱為「磁星」。

而磁星的磁力線就像是綁在星球外的繩子，在快速旋轉下被攪動，會以輻射的形式把中子星的轉動動能傳遞出去。根據目前模型，發射出去的輻射能量只要超過磁星轉動動能的 5%，就能產生比一般超新星 100 倍亮度，形成超亮超新星。

陳科榮從 2015 年就投入磁星驅動超新星的模擬研究，展示其爆炸過程，立刻面臨一個巨大的難題：在此之前的研究都是一維度模型，也就是假設「磁星驅動超新星的流體分佈」是球對稱，所有方向的變化都一樣。但真實過程當然沒有這麼簡單，磁星的輻射壓力會突然把物質劇烈地往外推，形成流體力學的不穩定結構，就像是把墨水滴在水裡，可見多變複雜的結構。但一維模型的結果就像剷雪，只能將大量物質擠在非常小的區域，無法判讀箇中細節。陳科榮比喻：

一維模型就是只有一個車道，車子都擠在同一個車道，不能超車；二、三維就像有兩、三個車道，才能模擬真實流體不穩定現象。

陳科榮又舉例，在葛飾北齋著名的浮世繪《神奈川沖浪裡》，海浪的尾端有許多破碎的複雜結構，真實的流體即是如此複雜，而這幅畫還只是偏向二維結構。三維流體的紊流更複雜，只有達文西這樣的天才，可以將其生動地描繪出來。

三維的紊流具有很多複雜、不均勻的結構，磁星造成的熱泡泡也是如此！所謂的「磁星熱泡泡」，就是磁星這個強大的能量來源「吹出」的泡泡，就像滾水冒泡泡一般。每層泡泡有很多細微結構，一、二維的模擬皆無法呈現和解釋。但這些細微的紊流結構不可忽視，它可是會影響磁星能量傳輸，進而影響超亮超新星的觀測性質。陳科榮以超級電腦模擬出的磁星熱泡泡，乃史上首度對磁星熱泡泡做出三維的模擬，同時具備精密度和大尺度：全貌相當太陽系，細節小如台北市，可謂獨步全球！

宇宙魔戒：愛因斯坦環

這枚宛如宇宙版魔戒的「愛因斯坦環」，其實是某顆巨大黑洞造成的！中研院天文所團隊藉著分析愛因斯坦環影像，進一步推算出這顆黑洞的質量。

松下聰樹解釋，重力可讓光線彎曲，宇宙中如果有個大質量的東西（例如：黑洞）擺在光源前面，它的重力可以成為折射背景光的透鏡，改變我們看到的影像，這個原理稱為「重力透鏡」，是愛因斯坦環的主要成因。

松下聰樹以一個高腳酒杯和一張紙，巧妙解釋這個神秘的天文現象。他在白紙上畫了一個紅點，周圍不規則的塗上藍色。接著把酒杯放在圖案上，如果酒杯中心正對著紅點，那我們透過酒杯底座（扮演透鏡），可以看到藍色的環帶中間，顯現出一個完整清晰的紅圈。如果酒杯中心稍微偏離紅點，則會看到兩個或四點構造，散落在不對稱的藍色圓弧之中。讀者不妨自己在家做實驗！

這次展出的 SDP.81 重力透鏡系統之中，背景星系有很亮的核心，就像是實驗中的紅點；附近還有瀰漫的物質，就像是周圍的藍色區塊。松下聰樹說，假如背景星系是個只有核心的點光源，只會看到四個紅點。但是圖中還可看到較微弱的弧狀結構，代表還有其他瀰漫的物質在周圍。

用影像「秤出」黑洞有多重？

中研院天文所的團隊利用愛因斯坦環的影像，成功計算出中間的透鏡星系為一個黑洞，至少有 3 億倍太陽質量。

松下聰樹解釋，如果透鏡星系的質量夠大，嚴重扭曲背景星系的星光，地球上的觀測者只會在兩側看到增強的成像，看不見正中央背景星系的影像。這就好比，在酒杯的成像中只看到外圍的弧狀範圍，看不到原來中央的紅點。而在 SDP.81 系統中的確如此，無法看到背景星系的原始影像，這表示黑洞夠重，可藉此推知黑洞質量的下限。

此外，愛因斯坦環還能推知背景星系的影像。背景星系遙遠而黯淡，但經過透鏡星系有放大的效果，運用電腦計算可還原出極高解析度的影像。

除了以上精彩內容，本次展覽還有「微旋臂 暗度陳倉？」展示呂浩宇研究的大質量恆星團旋臂，「完美螺旋的分岔」則是金孝宣的飛馬座 LL 雙星系統中螺旋分岔，「塵埃間隙發現旋臂： 暗示行星正在形成」展現湯雅雯研究的御夫座 AB 星美照，「漢堡，啤酒，雙頭槍」為李景輝所發現胚胎恆星在吸食「塵埃漢堡」的案發現場……更多讓你腦洞大開天文美照，快進入「星海巡奇」線上展覽一飽眼福吧！

延伸閱讀

• • 開放博物館
  • 顏士韋個人網頁
  • 陳科榮個人網頁
  • 松下聰樹個人網頁

本文轉載自中央研究院研之有物，原文為麥田圈、浮世繪、至尊魔戒？！「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景，泛科學為宣傳推廣執行單位