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雙星形成理論的重大進展!

臺北天文館_96
・2014/01/20 ・1002字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

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天文學家利用甫完成升級的「顏斯基特大天線陣列」(Karl G. Jansky Very Large Array),在一對非常年輕的原恆星周圍,發現之前沒有見到的伴星。先前對雙星如何形成有許多種可能的解釋,但這項發現強烈支持環星盤分裂形成雙星的模型。
天文學家已經知道在類似太陽的恆星中,約有半數是雙星或多星系統,但對其形成方式仍爭論不休。
「唯一能解決爭論的方法,就是觀測非常年輕的恆星系統,捕捉它們形成的瞬間。」美國國家電波天文台(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)的John Tobin表示,「這也是我們為何選擇此觀測目標的原因,我們從此得到非常寶貴的新線索。」
這些新線索支持雙星系統的形成機制,是由圍繞年輕恆星的盤狀氣體與塵埃,形成另一顆圍繞原本恆星的新恆星。仍從周遭環境收集物質的恆星會形成這樣的盤狀構造,還會在與盤面垂直方向形成噴流,將物質快速的推出。
當Tobin和國際團隊的天文學家研究距離地球約1000光年,被氣體包覆的年輕恆星時,他們發現有兩顆恆星在垂直噴流方向-也就是原本恆星盤該在的地方-有之前未曾發現的伴星存在。其中一個恆星系統,在兩顆年輕的恆星旁都能清楚看到環星盤的存在。
「這相當吻合伴星是由於環星盤分裂所形成的理論模型,其他可能的理論並不需要這種觀測結果來解釋。」Tobin表示。
新的觀測讓環星盤分裂理論的證據更加周全,在2006年,另一組特大天線陣列的觀測團隊發現一對互繞的年輕恆星,這兩個恆星各自擁有環星盤,且環星盤的方向在同一個平面上。2012年,Tobin和他的團隊,在恆星形成早期的原恆星階段發現一個很大的環星盤,這顯示在恆星形成的早期,環星盤就已經存在-這對環星盤分裂形成雙星的理論來說是必須的。
美國國家電波天文台和伊利諾大學的Leslie Looney表示:「我們的新發現加上之前的觀測資料,讓環星盤分裂成為解釋密近多星系統形成的最佳模型。」
美國國家電波天文台的Claire Chandler說,一項2012年完成、耗時十年的特大天線陣列升級計畫,增加了天線陣列的敏感度,才促成這項發現。
新的功能對特大天線陣列40-50 GHz的高頻帶特別有用,這是年輕恆星環星盤中塵埃會發出的無線電波頻率。
 Tobin、Chandler和Looney是來自美國、墨西哥和荷蘭的研究團隊的成員,他們的發現發表在《天文物理期刊》(the Astrophysical Journal)。
資料來源:New Studies Give Strong Boost to Binary-Star Formation Theory. NRAO [December 31, 2013]
本文轉載自網路天文網
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哈伯太空望遠鏡發射升空│科學史上的今天:4/24
張瑞棋_96
・2015/04/24 ・1053字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

1990 年的今天,哈伯太空望遠鏡在歷經波折後終於發射升空,由發現號太空梭安置在 559 公里高的軌道。肩負著天文學家的殷切期盼,開始以前所未有的視野向宇宙深處搜尋。

將望遠鏡置放於太空的好處顯而易見:

星光不會受大氣干擾,又能觀測到容易被大氣層吸收的紅外線與紫外線波段。

因此早在 1946 年天文學家史匹哲(Lyman Spitzer)就倡議發射太空望遠鏡。美國在六○年代先發射了幾次小型的觀測衛星,發現成效不錯而決定打造一個直徑 3 米的反射式望遠鏡,預計在 1979 年由太空梭載上太空。

然而預算遭到國會全數刪除,所幸在科學家們發動宣傳尋求民眾支持下,這個差點胎死腹中的計劃最後終於在刪減一半預算下過關。雖然歐洲太空總署也願意奧援部分資金,但鏡片口徑仍不得不縮減為 2.4 米,發射日期也延到 1983 年。此時望遠鏡才正式命名為哈伯,以紀念發現宇宙膨脹的天文學家哈伯(Edwin Hubble)。

為了能觀測到紫外線波段,哈伯鏡面的精密度必須達 10 奈米。負責研磨拋光鏡子的廠商低估了其困難度,結果進度一直延後,預算也不斷追加,最後終於一切就緒時,發射日期只能排到到 1986 年 10 月。不料當年一月的挑戰者號太空梭在空中爆炸解體,所有太空梭任務必須中止,靜待調查。直到 1990 年的今天,哈伯太空望遠鏡才終於成功升空送上軌道。

但災難還沒結束。當天文學家興奮地收到哈伯傳回來的照片時,卻赫然發現影像是模糊的!原來是廠商拋光鏡面時所用的校正儀器有問題,哈伯成了近視眼。幸而鏡子整體的精密度符合規格,只要替哈伯戴上一副「眼鏡」就能將誤差校正回來。也幸而當初就設計將哈伯放在太空梭可以往返的低軌道,所以才能事後補救。

1993 年底,奮進號太空梭前往安裝更換,哈伯終於能傳回清晰的天體圖像。之後幾年又陸續為哈伯進行了幾次升級與維修(電影《地心引力》中的主角就是進行這樣的任務),直到 2009 年 NASA 宣布這第五次的維護任務會是最後一次,也就是說哈伯在未來幾年就會壽終正寢。

在太空運行二十餘年的哈伯太空望遠鏡就像隻忠實的老狗,不斷傳回宇宙深處壯觀絢麗的影像。它幫我們更精確地定出宇宙年齡、發現宇宙在加速膨脹、尋找系外行星,也讓我們目睹了跨越時空的星際奇觀,包括早期宇宙的樣貌、恆星的誕生與死亡、在星系中心吞噬物質的巨型黑洞。雖然有更多更新的太空望遠鏡將取代哈伯,然而我們將永遠記得是它最先讓身處宇宙一隅的我們眼界大開,得以一窺宇宙之神祕莊嚴。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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眾望遠鏡轉播175年前一場大爆炸的回光
臺北天文館_96
・2012/02/21 ・1722字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

太空望遠鏡研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)Armin Rest等天文學家利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)觀察船底座Eta(Eta Carinae)雙星系統約在175年前一場劇烈爆炸事件的回光(light echo)。這項研究,將有助於天文學家瞭解關於大質量恆星超新星爆炸的一些細節。Rest表示:任何目前已知的船底座Eta爆發事件,都是從「目睹」的歷史紀錄而來;但利用現代科學儀器,一年一年追蹤這些回光如何變化,卻可以知道在爆發事件這麼多年之後,直接瞭解爆發的本質。

這場被稱為「大爆發(Great Eruption)」的超新星爆炸事件於西元1837年首度被觀測到,而且一直到1858年都還可以看到爆炸的餘光。但當時的天文學家沒有如現代般的精密儀器,無法正確地記錄這場猛爆性天文事件。由於爆發當時所發出的光是向四面八方散開,現代天文學家何其幸運,其中一部分爆發當時所發出的光,被離船底座Eta星有段距離的塵埃雲氣反射後間接傳遞到地球。由於回光走的路徑比爆發後直衝地球而來的光還長許多,因此延宕了175年才抵達地球。天文學家詳細分析這個回光,可以從中瞭解這個巨獸級大質量恆星毀滅瞬間的狀況,或許可幫助天文學家修正關於超新星爆炸的理論模型。

船底座Eta位在南天的船底座方向,距離地球約7,500光年,兩星總質量高達140倍太陽質量左右,是銀河系中最大、最亮的恆星系統之一。不過這對雙星卻是以這個大爆發事件著稱,因為這場1837年的爆發事件是曾觀測到過類似事件規模最大的。1837年爆發後約20年的期間,船底座Eta流失約20個太陽質量的物質,成為當時全天第二亮的恆星。有一部向外流失的物質在恆星周圍形成一對巨大的物質瓣(lobe)。

以天文尺度而言,船底座Eta算是離地球相當近的恆星系統,因此天文學家已經啟用包括哈柏太空望遠鏡在內的各式望遠鏡觀察船底Eta。除了哈柏之外,Rest等人還結合了地面望遠鏡的可見光和光譜觀測資料來進行研究;雖然光譜觀測並不是新鮮事,但之前都僅針對超新星本身,Rest等人的研究則是首度利用光譜分析船底Eta的回光,可由此獲得超新星爆炸像外拋出物質的「指紋」,如溫度和速度等。

雖然這個回光比超新星爆發本身晚了175年才抵達地球,但帶給天文學家的驚喜卻不下於超新星爆炸當時。船底Eta是所謂的亮藍變星(Luminous Blue Variable,LBV),這類恆星質量很大、非常明亮,週期性地發生爆發。這個紊亂的恆星系統的行為,和其他類似的恆星系統不大相同。例如:從船底Eta中心區向外流出物質的溫度高達絕對溫度5,000K,比其他類似的爆發恆星的流出物質溫度還低得多。對付這個恆星怪胎,Rest等人得回頭檢視相關的理論模型,看看到底是什麼樣的變動因素造成現在觀測到的這種奇特狀況。

Rest等人其實是比較2010年和2011年利用美國光學天文臺(U.S. National Optical Astronomy Observatory)位在智利托洛洛山的泛美天文臺(Cerro Tololo Inter-American Observatory,CTIO)4米Blanco望遠鏡所拍攝的可見光影像,從而發現船底Eta的回光。後來他們另從亞利桑納大學(University of Arizona)天文學家Nathan Smith處得到2003的CTIO觀測系列觀測資料,對分析這場大爆炸事件的工作更如虎添翼般。

這個回光比超新星爆炸本身的光還暗很多,但僅一年相隔就可以看出它的位置有變動,不過這個位置變動並不是同一束光真的在這些塵埃間移動,而是與船底Eta不同距離、不同方向的塵埃反射回光的時間也不同,與看起來好像是同一道光、或是一般超新星爆炸的震波向外傳遞過程中激發周邊物質的光隨震波移動而向外擴張的狀況不一樣。

而利用卡內基研究所(Carnegie Institution)麥哲倫望遠鏡(Magellan)和智利坎帕斯山天文臺(Las Campanas Observatory)du Pont望遠鏡所做的光譜觀測,Rest等人不僅獲得物質流的溫度,還估算出超新星爆炸向外拋射的物質移動速度高達每小時70萬公里,與理論模型預測相符。

此外,這群天文學家利用位在澳洲塞丁泉(Siding Spring)Las Cumbre天文臺的福克斯南座望遠鏡(Global Telescope Network’s Faulkes Telescope South)監測回光的強度變化,再與1800年代天文學家所做的那20年持續可見的超新星爆炸亮光逐漸變亮而後逐漸變暗的觀測繪圖比較,發現這場爆發事件在1843年時亮度達到最亮的趨勢是相同的。

這些天文學家將持續追蹤監測船底Eta的回光變化,並預測在未來6個月間,船底Eta回光的亮度應該會接近1844年時看到的亮度。如果持續監測到能捕捉到所有方向傳回的爆發回光,那麼屆時或許可以獲得這場大爆發事件的整體狀況。

資料來源:Astronomers Watch Delayed Broadcast of a Powerful Stellar Eruption[2012.02.15]

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反斥重力是暗能量的替代品(上)
only-perception
・2012/02/10 ・1717字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

當科學家們在 1998 年發現宇宙正以加速中的速率膨脹時,暗能量能解釋這種觀測結果的可能性引發了關注。但在理解暗能量實際上是什麼時,卻沒有多大進展,因此對某些科學家來說,這個想法反到成了一種問題而非解答。其中一位物理學家,義大利 Pino Torinese,National Institute for Astrophysics (INAF) 的 Massimo Villata(他將暗能量描述成「embarrassing(令人尷尬的、令人為難的)」)表示,這個概念對標準宇宙論而言是一種特例元素(ad hoc element,特設元素),而且缺乏任何物理意義。 Villata 是尋求宇宙加速擴張新解釋的眾多科學家之一,那涉及反斥重力(repulsive gravity)的某些形態。在此例中,反斥重力可能根源於隱藏在空洞(void,譯註:天文學裡宇宙絲狀結構的空無之處)中的反物質。

“宇宙空洞(尤其是附近的 Local Void,譯註:位於處女座超星團內)在觀測上眾所周知,而且在我們宇宙的組成中構成了最龐大的結構,” Villata 表示。”問題在於,它們是否真的空無一物或包含會排斥的反物質。”

在 Villata 的論文中,那很快要被發表在 Astrophysics and Space Science 期刊中,他指出反物質可能被藏匿在這些廣大的空洞中,因相互重力排斥而與物質分開。如同他先前的解釋,物質與反物質間的重力排斥是廣義相對論的預測之一。在這種情況下,物質具有正重(力)荷(positive gravitational charge),而反物質則有(假想的)負重荷。結果,物質與反物質在(各自的)重力上都是自我吸引(self-attractive)而非排斥。事實上,物質與反物質之間的重力排斥可能相當強大,Villata 算出,那可能是宇宙加速膨脹的原因,且排除暗能量與可能的暗物質的需求。

這種形態的反斥重力甚至在理論上都能解釋某些連暗能量(甚至在理論上)也無法解釋的觀測。最近,科學家觀測到一種異常的「Local Sheet」運動,這部份的宇宙包含銀河系與鄰近星系,那有別於宇宙其他部份,擁有自己獨特的速度。天文學家已確認三種造就 Local Sheet 速度的分量(components):一是由於眾所周知的、來自鄰近稠密的處女座星系團的吸力;第二種分量(雖然它的起源仍不清楚)被認為是由於半人馬座星系團的吸引力;而第三種分量則是天文學家所謂的「局部速度異常(local velocity anomaly)」,因為那並沒有指向任何特定結構。

根據 Villata 表示,不像前二種分量是吸引力,第三種分量可以是排斥力。為了支持這種可能性,他提到 Leo Spur 星系,那位於 Local Sheet 與吸引區之間,顯然是造成這種運動的其餘部份。 Villata 指出,第三種分量的來源也許是在相對的地方,排擠 Local Sheet 而非吸引它。他算出,一堆合理的、位於特定空洞中的反物質,可以解釋反斥重力機制所造成的局部速度異常。

在這種方式下,反物質表現如同我們本區鄰近區域中的暗能量。在大尺度下,眾多反物質空洞能驅使宇宙的擴張而不需要暗能量,甚至可能也不需要爆炸性的大霹靂(這意味著循環的宇宙)。該理論也暗示,我們活在一個物質與反物質等量的宇宙中,一如標準理論的預期。對 Villata 而言,這些結果使得反斥重力成為誘人的暗能量替代品。

“暗能量被認為均勻地瀰漫,故它能(在形式上,而非物理上)解釋整體的加速,” Villata 表示。”但它既不能解釋 Local Sheet 上的強烈排斥效應,也不能解釋 Local Void 的極端虛無,以及我們外星系鄰近地區的數種其他特性,不過這裡所提出來的、反物質在 Local Void 的「暗衝擊(dark repulsor)」,能解釋這些所有的事,而且在全宇宙的層次上(所有的宇宙空洞都藏有反物質),可在不需要暗能量與有趣的初始爆發的情況下,解釋整體的加速擴張(以及其他宇宙特色)。”

Villata 希望這些想法能夠經由實驗來檢驗,雖然這樣的檢驗會很困難。

“某些人也許會認為我對「廣義相對論預測的反重力」的分析並不正確或適當,” 他補充。”在此例中,更進一步的、決定性的檢驗,我的最新論文裡有提到:反重力透鏡效應(antigravitational lensing effect)。原則上,如果我們有一套良好的、位於空洞之後的 3D 星系星團測繪,那麼要分析在視線周圍的它們,在形狀上是否受到擠壓則會相對容易。這樣的擠壓意味著它們與介於中間的空洞裡,大量密集的反物質排成一列。”

但問題是,這裡有另一種併發的效應,那在徑向方向上強烈扭曲星系的分佈,由於這種奇特的運動,也影響了紅位移的測量:上帝的手指效應(the finger-of-god effect),那沿著視線伸展星系團的形狀。所以那非常難以區別:一個因為這種效應而被嚴重伸展的星系團是否會更進一步被反重力透鏡所稀釋。”

資料來源:PHYSORG:Repulsive gravity as an alternative to dark energy (Part 1: In voids)[January 31, 2012]

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D