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銀河系應是由內向外形成

臺北天文館_96
・2014/01/28 ・1746字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

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銀河 photo credit: slworking2@ flickr
銀河 photo credit: slworking2@ flickr

天文學家Maria Bergemann等人利用蓋亞-ESO計畫(Gaia-ESO project)觀測資料,發現一個原本只存在於理論上的銀河系演化證據—銀河盤面上恆星化學組成有分異現象。藉由追蹤某些快速形成的元素,特別是鎂元素,這些天文學家可以定出銀河系各個部分的形成速度有多快。結果顯示銀河盤面的內部區域先形成,之後才逐漸形成外圍區域,符合認為銀河系應是由內向外而形成的理論預測。

利用在太空中的蓋亞衛星(Gaia)和歐南天文台(ESO)位在智利的8米超大望遠鏡(VLT),天文學家仔細研究銀河盤面上各種年齡和各種分佈位置的恆星,以便確認它們的金屬豐度(metallicity),也就是含有氫與氦以外其他重元素的比例。

宇宙經大霹靂產生的最初的元素主要是氫和氦,稱之為「輕元素」,其他氫與氦以外的元素統稱為「金屬元素」或「重元素」,是經由恆星內部核融合反應或是超新星爆炸等過程慢慢累積起來的。愈老的恆星代表它們是在愈久遠之前的宇宙時期形成的,因此愈老的恆星所含有的重元素愈少,以天文術語來說,就是金屬豐度比較低。140120090649-large

不同的恆星,製造元素的速率不同;例如在壽命短、很年輕就步入死亡之境的大質量恆星,和壽命可長達數十億年的類太陽恆星相較之下,便會擁有不同的化學組成。大質量恆星演化的比較快,在很年輕時就進入死亡階段;而在短暫壽命結束後,因重力塌縮而引發超新星爆炸時,會製造出大量鎂元素,會形成中子星或黑洞,甚至會促發新一代的恆星誕生。

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從觀測資料,Bergemann等人發現位在太陽圈(Solar Circle,暫譯)以內、年齡較大的貧金屬星(metal-poor star)比較可能擁有較高的鎂豐度,這顯示太陽圈以內的這個區域擁有比較多演化的比較快、在很年輕時就死亡的恆星。所謂的太陽圈,是指太陽繞行銀河中心的公轉軌道,太陽約每2億5000萬年繞銀河中心公轉一周。反之,在太陽圈以外的銀盤外圍區域,主要是比較年輕的恆星,貧金屬和富金屬恆星皆有,但它們的鎂豐度相較於它們的總金屬豐度而言非常低。

這項發現有個重要的意義,因為這意味著銀河盤面不同部分的恆星演化有差異,太陽圈以內的恆星形成比較有效率,所耗時間較短,反之在太陽軌道以外之處,恆星得花比較久的時間才能形成,也就是說:銀盤外側區域所需形成時間比銀盤內側多,所以形成年代比銀盤內側晚。這個觀點與冷暗物質宇宙論(Cold Dark Matter cosmology)的星系形成與演化理論模型相符。

除了銀盤內外形成時間有早晚之差外,這項新研究還顯示關於銀河系盤面是否有薄銀盤(thin disc)和厚銀盤(thick disc)雙結構爭議的新線索。薄銀盤主要是旋臂、年輕恆星、巨型分子雲(giant molecular cloud)等較年輕的天體所在之處。天文學家長久以來一直推測銀河系應該有另一個銀盤,厚度比較厚,但比較短且比較老;這個厚銀盤應該擁有許多金屬豐度低的老恆星。

Bergemann等人的研究中發現:年輕薄銀盤裡年齡在0~80億歲之間的恆星,金屬豐度幾乎相同,且大多屬於富金屬星。而厚銀盤中典型的恆星是老恆星,但90億歲是個金屬豐度的大斷層,在90億歲以上的老恆星完全沒有富金屬星存在,全都是貧金屬星。不過,無論薄銀盤還是厚銀盤,都有各種年齡和金屬豐度的恆星分佈其中,並沒有完全分離。

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這些天文學家認為:根據現有證據,銀河系顯然並非一個「二選一」的系統。在任何地方都可以發現不同年齡、不同金屬元素的恆星,厚銀盤和薄銀盤之間並無鮮明的分界之處。不同特性的恆星所佔的比例,在兩個銀盤中並不相同,這讓我們可以得知存有兩個銀盤,但這兩個銀盤可能有著迥異的起源。這項研究讓天文學家確定銀河系內側的厚銀盤形成的速度比薄銀盤快,因而在太陽鄰近區域的恆星,大都是以這類厚銀盤星為主。

厚銀盤的概念由Gaia-ESO計畫首席研究員Gerry Gilmore在約30年前提出的;理論上,厚銀盤可經由多種途徑形成,例如大量重力不穩定到銀河系形成期發生吞噬衛星星系的事件等,都是可能的原因之一。我們的銀河系在形成過程中曾吞噬過許多小型星系;現在經由Gaia-ESO巡天計畫,天文學家可以掌握到更佳的銀河系恆星的年齡-金屬豐度關聯性,以及銀河盤面的結構,藉此可仔細的追蹤研究這些吞併事件,就像是醫學解剖以追蹤病源的方式一樣。相信在數十年後,將開創一番新視野。

資料來源:Milky Way may have formed ‘inside-out:’ Gaia provides new insight into galactic evolution. [ScienceDaily , January 20, 2014]

本文轉載自網路天文館

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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

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同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

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網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

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在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

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活躍黑洞的炙熱遺跡:費米泡泡
EASY天文地科小站_96
・2022/04/29 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星
圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team.

你看過銀河嗎?

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上,將會看到天上有一條淡淡的、若有似無的亮帶,好像一條薄薄的雲橫跨夜空,它正是我們所居住的星系 ── 銀河系(Milky Way)的盤面。在數位相機的加持之下,我們還能看到這薄薄的盤面上,其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶,複雜、深邃而美麗。

美麗的銀河。圖/陳子翔(CC BY-NC-ND 4.0)拍攝於清境。

但如果,你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛,你將看到兩個視角高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形「泡泡」,矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡 Fermi Bubbles」,是銀河系中巨大且神祕的結構之一。

費米泡泡的起源,以及存在的意義,一直是過去十多年來,天文學家相當關注的研究主題。

費米泡泡示意圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center

最近(2022 年 3 月),一篇刊登於《自然天文學》(Nature Astronomy)的研究顯示,壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前,銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。

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費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞,腦海中浮現的第一個問題往往是:

「費米是誰?這個泡泡跟他有什麼關係?」

在物理界,恩里科.費米(Enrico Fermi)這個名字可謂家喻戶曉。他是 20 世紀初最重要的物理學家之一,曾參與曼哈頓計畫,設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈;並且在量子力學、核子物理、粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念、研究計畫不計其數。這之中,就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

費米太空望遠鏡。圖/NASA

正如其名,費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡,它於 2008 年發射升空,是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們,費米擁有更大的視野、更高的靈敏度和空間解析度,可以看得更廣、更暗、更清楚。

它的主要任務,是不斷的掃視整片天空,繪製伽瑪射線的全天地圖(all sky map),研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天體。

費米太空望遠鏡的十週年科學成果紀念海報。圖片中橢圓形的區域,就是費米拍攝的伽瑪射線全天圖,以等面積投影法投影成二維的圖。中間的水平亮帶源自銀河盤面上的氣體,上下兩個泡泡狀結構就是費米泡泡的示意圖。圖/NASA

費米太空望遠鏡升空短短兩年後,天文學家就從觀測資料中發現,如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體(比如銀河系的瀰散氣體、中子星、其他星系等)全部扣除,將會看到銀河中心的上下兩側,各有一對高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形區域,而這是從未發現過的銀河系新結構!

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天文學家於是將它命名為「費米泡泡 Fermi Bubble」,以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。

相對於銀河系中的瀰散氣體,費米泡泡的亮度其實並不高。因此天文學家必須先小心翼翼的將其他伽瑪射線的來源建模並扣除,才能看到這巨大但黯淡的構造。影/NASA Video

而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外,天文學家也在微波和 X 射線波段看到了相似的結構。

在微波波段,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星(Planck)都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域,天文學家稱之為「微波薄霧 microwave haze」。而在 X 射線波段,2019 年才昇空的義羅西塔(eROSITA)衛星則發現了與費米泡泡相似,但是更大的泡泡狀結構,被稱為「eROSITA 泡泡」。

另外,在紫外線波段,雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構,但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線,可以計算出費米泡泡的膨脹速率,大約是每秒數百到數千公里的等級。

綜合以上資料,天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前,銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了 1048 – 1049 焦耳的龐大能量(相當於太陽終其一生釋放的能量,再乘以 10000 倍以上),並加熱了銀河系中心的氣體,使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天,就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。

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但是,這張錯綜複雜的拼圖,還缺少了最核心的一塊:

這麼龐大的能量,究竟是從何而來?

超新星爆發還是黑洞噴流?費米泡泡的身世之謎

費米泡泡剛被發現不久,天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎,提出了兩位候選人:

第一種觀點,認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成,其中年輕的恆星由於壽命短暫,很快的就走完它的一生,並發生超新星爆炸,釋放出巨大的能量。

另一種觀點,則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體,並在過程中將能量以噴流(jet)或外流(outflow)的形式釋放出來。

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兩種說法聽起來都頗有可能,而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象,那該怎麼知道哪邊才是對的呢?這時,天文學家們就兵分兩路,觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測,尋找更多可能的隱藏線索;理論學家則利用電腦模擬,嘗試在電腦中重現出觀測結果。

劇烈的超新星爆發(如左圖的 M82)與黑洞噴流(如右圖的 Centaurus A)都可能產生類似費米泡泡的結構。圖/NASA, ESA, CXC, and JPL-CaltechNASA/CXC/SAO, Rolf Olsen, JPL-Caltech, NRAO/AUI/NSF/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle

早年,兩派假說各有各的優勢,也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積,天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果,因此更具說服力。但即使如此,想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵,仍是相當困難的挑戰。

三個願望,一次滿足

然而今(2022)年三月,清大天文所楊湘怡教授利用三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation),就一次重現了費米泡泡、義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。

他們假設銀河系中心的超大質量黑洞,在 260 萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有 1050 焦耳的強大能量,其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時,電子會將能量傳遞給光子,就好像被保齡球打到的球瓶一樣,讓光子從低能量的可見光,變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制,讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。

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與此同時,這些高能電子在銀河系的磁場中運動時,會以「同步輻射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波與無線電波,形成我們看到的微波薄霧。最後,強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時,會產生以每秒數千公里高速移動的震波(Shock Wave)。震波所到之處,受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線,成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度,也與紫外線觀測的結果相符。

這個研究結果,將伽瑪射線、X 光、紫外線到微波的所有觀測結果,用黑洞噴流漂亮的一次重現,這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。

將理論模擬的費米泡泡投影到銀河系的可見光影像上。圖中可以清楚的看到費米泡泡(Cosmic rays)、義羅西塔泡泡(Shocks)以及它們跟太陽到銀河系中心的距離(28000 光年)的大小比較。圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team

未來展望

那麼,費米泡泡的身世之迷,就此蓋棺論定了嗎?

嗯⋯⋯還沒這麼快。

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無論多麼精細的模擬,終究是對真實世界的近似與簡化,理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制,計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多、更好的儀器,挑戰模擬的結果。

更宏觀的看,如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍,它釋放出的龐大的能量,是否曾對銀河系造成其他的影響?我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史,以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制?這些都有待天文學家的持續探索。

費米泡泡的故事,仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料(學術論文)

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  1. Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
  2. Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
  3. X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
  4. Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year

延伸閱讀(報導與科普文章)

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銀河系應是由內向外形成
臺北天文館_96
・2014/01/28 ・1746字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

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銀河 photo credit: slworking2@ flickr
銀河 photo credit: slworking2@ flickr

天文學家Maria Bergemann等人利用蓋亞-ESO計畫(Gaia-ESO project)觀測資料,發現一個原本只存在於理論上的銀河系演化證據—銀河盤面上恆星化學組成有分異現象。藉由追蹤某些快速形成的元素,特別是鎂元素,這些天文學家可以定出銀河系各個部分的形成速度有多快。結果顯示銀河盤面的內部區域先形成,之後才逐漸形成外圍區域,符合認為銀河系應是由內向外而形成的理論預測。

利用在太空中的蓋亞衛星(Gaia)和歐南天文台(ESO)位在智利的8米超大望遠鏡(VLT),天文學家仔細研究銀河盤面上各種年齡和各種分佈位置的恆星,以便確認它們的金屬豐度(metallicity),也就是含有氫與氦以外其他重元素的比例。

宇宙經大霹靂產生的最初的元素主要是氫和氦,稱之為「輕元素」,其他氫與氦以外的元素統稱為「金屬元素」或「重元素」,是經由恆星內部核融合反應或是超新星爆炸等過程慢慢累積起來的。愈老的恆星代表它們是在愈久遠之前的宇宙時期形成的,因此愈老的恆星所含有的重元素愈少,以天文術語來說,就是金屬豐度比較低。140120090649-large

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不同的恆星,製造元素的速率不同;例如在壽命短、很年輕就步入死亡之境的大質量恆星,和壽命可長達數十億年的類太陽恆星相較之下,便會擁有不同的化學組成。大質量恆星演化的比較快,在很年輕時就進入死亡階段;而在短暫壽命結束後,因重力塌縮而引發超新星爆炸時,會製造出大量鎂元素,會形成中子星或黑洞,甚至會促發新一代的恆星誕生。

從觀測資料,Bergemann等人發現位在太陽圈(Solar Circle,暫譯)以內、年齡較大的貧金屬星(metal-poor star)比較可能擁有較高的鎂豐度,這顯示太陽圈以內的這個區域擁有比較多演化的比較快、在很年輕時就死亡的恆星。所謂的太陽圈,是指太陽繞行銀河中心的公轉軌道,太陽約每2億5000萬年繞銀河中心公轉一周。反之,在太陽圈以外的銀盤外圍區域,主要是比較年輕的恆星,貧金屬和富金屬恆星皆有,但它們的鎂豐度相較於它們的總金屬豐度而言非常低。

這項發現有個重要的意義,因為這意味著銀河盤面不同部分的恆星演化有差異,太陽圈以內的恆星形成比較有效率,所耗時間較短,反之在太陽軌道以外之處,恆星得花比較久的時間才能形成,也就是說:銀盤外側區域所需形成時間比銀盤內側多,所以形成年代比銀盤內側晚。這個觀點與冷暗物質宇宙論(Cold Dark Matter cosmology)的星系形成與演化理論模型相符。

除了銀盤內外形成時間有早晚之差外,這項新研究還顯示關於銀河系盤面是否有薄銀盤(thin disc)和厚銀盤(thick disc)雙結構爭議的新線索。薄銀盤主要是旋臂、年輕恆星、巨型分子雲(giant molecular cloud)等較年輕的天體所在之處。天文學家長久以來一直推測銀河系應該有另一個銀盤,厚度比較厚,但比較短且比較老;這個厚銀盤應該擁有許多金屬豐度低的老恆星。

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Bergemann等人的研究中發現:年輕薄銀盤裡年齡在0~80億歲之間的恆星,金屬豐度幾乎相同,且大多屬於富金屬星。而厚銀盤中典型的恆星是老恆星,但90億歲是個金屬豐度的大斷層,在90億歲以上的老恆星完全沒有富金屬星存在,全都是貧金屬星。不過,無論薄銀盤還是厚銀盤,都有各種年齡和金屬豐度的恆星分佈其中,並沒有完全分離。

這些天文學家認為:根據現有證據,銀河系顯然並非一個「二選一」的系統。在任何地方都可以發現不同年齡、不同金屬元素的恆星,厚銀盤和薄銀盤之間並無鮮明的分界之處。不同特性的恆星所佔的比例,在兩個銀盤中並不相同,這讓我們可以得知存有兩個銀盤,但這兩個銀盤可能有著迥異的起源。這項研究讓天文學家確定銀河系內側的厚銀盤形成的速度比薄銀盤快,因而在太陽鄰近區域的恆星,大都是以這類厚銀盤星為主。

厚銀盤的概念由Gaia-ESO計畫首席研究員Gerry Gilmore在約30年前提出的;理論上,厚銀盤可經由多種途徑形成,例如大量重力不穩定到銀河系形成期發生吞噬衛星星系的事件等,都是可能的原因之一。我們的銀河系在形成過程中曾吞噬過許多小型星系;現在經由Gaia-ESO巡天計畫,天文學家可以掌握到更佳的銀河系恆星的年齡-金屬豐度關聯性,以及銀河盤面的結構,藉此可仔細的追蹤研究這些吞併事件,就像是醫學解剖以追蹤病源的方式一樣。相信在數十年後,將開創一番新視野。

資料來源:Milky Way may have formed ‘inside-out:’ Gaia provides new insight into galactic evolution. [ScienceDaily , January 20, 2014]

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本文轉載自網路天文館

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