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星際碰撞可能造成適居行星被驅趕出境

臺北天文館_96
・2011/09/02 ・1319字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

我們的太陽系中,分佈著大小不等、以幾近圓形軌道繞太陽公轉的行星,不過根據由波昂大學(University of Bonn)Pavel Kroupa領軍的德英天文學家的最新研究:在這個宇宙間,我們太陽系的狀況可能是非常特殊的,因為一般行星系統在形成過程中,若受到鄰近的物質團塊衝撞,很可能就會讓行星的軌道傾角變得很大,或是質量較小、甚至剛好位在適居區中的行星,會因此被踢出這個行星系統外,使得原本可能在此發展生命的機會就此滅失。

包括地球在內的太陽系行星,都以正轉方向繞太陽公轉—即公轉方向與太陽自轉方向相同,絕大部分公轉軌道幾乎接近圓形,且公轉面幾乎都在黃道面附近、離太陽赤道面不太遠。但其他恆星周圍的行星系統顯得與太陽系相當不同,有些系統中的行星公轉方向是逆轉,有些則遠離母恆星的赤道面。面對差異性如此之大的情況,Kroupa等人認為,他們已找出一個合理的解釋。

太陽系各行星的公轉形狀和方向,完全是太陽系在約46億多年前,從一大片氣體與塵埃組成的星雲,受到重力影響而逐漸向內收縮,形成一個轉動的扁盤的結果;在這個被稱為「原行星盤(protoplanetary disk)」的扁盤中,比較密集的物質逐漸積聚而形成行星。如果行星形成過程沒那麼平順,就可能形成比較奇怪的軌道形狀。Kroupa等人經研究後指出:若原行星盤隨母星運動,恰好衝進另一團星雲物質中,很可能會奪取這團雲氣中約30倍木星質量的氣體與塵埃物質;這多出來的物質加入原行星盤後,將使得盤面傾斜,最終就使得行星的軌道傾角變得很大。科學家認為:絕大多數的行星系統可能為星團中的恆星所擁有,這裡的恆星們距離相當近,所以這類衝撞事件應當相當頻繁。

研究小組成員之一的波昂大學Ingo Thies利用電腦模擬進行測試,發現原行星盤加入多出的物質後,不僅可能傾斜,甚至可能翻轉,讓原行星盤轉動方向相反,變成所謂的「逆轉」型態。在此同時,與另一星雲衝撞的結果也會造成原行星盤較內側的區域被擠壓,可能加速行星的形成過程。

在這些環境中,任何形成的行星軌道將變得高度傾斜或甚至成為逆向軌道。某些特殊案例中,行星軌道甚至相對於彼此都是傾斜的,整個行星系統相當不穩定,質量比較小的行星因而被一個個彈出系統外,只剩下少數質量較大的熱木星死守這個行星系統且軌道遷移至非常靠近母星的地方。

在沒那麼極端的案例中,原行星盤只從另一團星雲中搶到一點氣體和塵埃,盤面傾角改變不大。這可能是我們太陽系發生的狀況,平均軌道面相對於太陽赤道面只有傾斜7度而已。Thies相信:太陽和它的行星們應該是處在一個比較有秩序的系統環境中。如同絕大部分恆星一樣,太陽應該是在某個星團中形成,所以極可能經歷過和其他雲塊衝撞的過程。但好險,此番衝撞事件很溫和,因此太陽系盤面受到的影響不大。若非如此,太陽周圍的行星系統將非常不穩定,地球可能被彈出太陽系外,那我們這些地球上的生物可能就都不存在了。

如果Kroupa等人的論點正確,那麼我們太陽系之所以成為現今地球處在個穩定軌道、大型行星處在離太陽比較遠的地方的問題就有解了。這些研究成果甚至可以幫助科學家縮減尋找宇宙他處的生命的區域範圍。

資料來源:Interstellar crashes could throw out habitable planets [18 August 2011]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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太陽系裡最大的峽谷、最高的火山,都在火星上!——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/23 ・769字 ・閱讀時間約 1 分鐘

布滿鐵鏽的紅色沙漠:火星

在地球上用望遠鏡觀察火星,火星上的地形很難看清楚,只能看到最明顯的三種顏色色塊:紅、黑和白色。

比起水星和金星,火星算是比較宜人的行星,人類已經發射許多太空船前往探索,未來甚至可能移民到火星上生活,火星很可能成為人類下一個家園。圖/麥浩斯出版

火星表面充滿紅色塵埃,這些紅色塵埃由氧化鐵組成,也就是鐵鏽,火星表面絕大部分被氧化鐵覆蓋,所以表面看起來是紅色。

火星表面還有黑色的玄武岩,這些黑色玄武岩不會一直在那裡,有時黑色玄武岩會被紅色塵土覆蓋,當紅色塵土被吹散,黑色玄武岩又裸露出來。火星在南北兩極有白色的極冠,極冠是由水冰和乾冰組成,南北兩極的極冠會隨著季節變換而改變大小。

在火星上,除了兩極的白色極冠,還可以看見一些由冰晶組成的藍白色水冰雲。

壯觀的峽谷和火山

雖然火星的直徑只有地球的一半,不過火星上的峽谷和火山卻非常壯觀。

水手峽谷(Valles Marineris)長度約四千公里,這相當於美國的寬度,最深可達 7 公里,是太陽系裡最大的峽谷之一。火星表面有一座太陽系裡最高的火山:奧林帕斯山(Olympus Mons),奧林帕斯山是座盾狀火山,如果從附近的平原算起,它的高度約 26 公里。

圖/麥浩斯出版

比起荒涼死寂的水星和高壓炙熱的金星,火星似乎有趣多了!

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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穿越兩百億公里的家書,航海家二號妳收到了嗎?
陳子翔_96
・2020/12/21 ・2312字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

距離我們大約兩百億公里的太空中,有一架名為航海家二號的探測器已經工作了數十年,就在不久前,NASA 送出了久違的訊息試圖再次與她連絡上……

為什麼說久違呢?是這樣的,今年初因為位在澳洲坎培拉,負責聯繫航海家二號的訊號收發站要進行天線設備升級,然而這又是目前唯一能和航海家二號聯繫上的訊號收發站,也因此必須暫停與航海家二號的聯繫。

負責聯繫航海家二號的訊號收發站——CDSCC。圖/Wikipedia

43 年從未斷訊的航海家二號

雖然說這次與航海家二號數個月的斷訊是計畫之中的事情,但其實還是讓 NASA 的工程師與科學家們有些緊張。各位可以回想看看,自己用過壽命最長的電子產品或家電用品是什麼呢?也許你會想到用了五年的手機,十年的電視機,又或是用了二、三十年的電鍋或冰箱。但相信應該很少人家裡有超過四十年,而且完全沒有維修過卻還能使用的電器吧。然而航海家二號從發射至今已經獨自在廣大的太空中運作超過 43 年了,在她離開地球時,台灣第一條高速公路與電氣化鐵路都還在建設中呢!也因此要與一架骨董級探測器斷訊八個月的確滿讓人擔心的。

不過話說現在科技已經進步非常多,近年也不乏許多先進的新探測器持續進入太空探索,為什麼我們仍這麼關心航海家二號的動向呢?其中有個很大的原因是,即便新的探測器有著更先進的儀器設備,航海家二號帶來的貢獻和歷史意義仍然難以被超越。

就讓我們藉由著個機會來重溫這架傳奇探測器光輝的故事吧!

航海家二號的誕生:太空「大航海時代」的序章

在太空探索的歷史上,1960 年代是載人太空任務發展的黃金年代,第一位進入到太空的人與第一位踏上月球的人都是在 1960 年代發生的。而 1970 年代,就可說是探索太陽系的「大航海時代」了,在這十年間,許多無人探測器先後出發探訪太陽系的各大家族成員,像是首次登陸火星、首次飛掠各大行星的成就都在這幾年間達成,而航海家二號可說是其中最具代表性的探測器之一。

1973 先鋒十號史上首批飛掠木星旁拍攝的照片。圖/NASA
1976 年維京 1 號探測器 史上首批火星表面的照片。圖/Wikipedia

揭開太陽系外圍的神秘面紗,乘載希望奔向宇宙深處

有別於先前多數的太空探測器都是以一顆特定星球作為目標,航海家二號最特別之處,就在於她造訪了所有外太陽系的氣體行星—木星、土星、天王星和海王星。而要完成這樣的壯舉必須仰賴這四顆行星特殊的排列位置,讓探測器在每在造訪一顆行星的同時,也正好能巧妙地讓該行星的重力拉自己一把,幫助探測器用最節省燃料的方式飛向下一顆行星,而這樣的機會每隔 176 年才會有一次呢!

航海家二號的飛行路線,由內而外造訪四顆氣體行星。圖/Wikipedia

把握住這樣的機會,航海家二號在 1977 年八月升空,並在接下來的十年先後收集了四顆氣體行星的重要科學資料,同時也傳回了許多令人屏息的經典照片。更特別的是,在四十多年後的今天,航海家二號仍然是唯一造訪過天王星和海王星的探測器,因此下次看到像是下圖這樣清晰漂亮的天王星和海王星影像,就可以跟朋友說這個照片是航海家二號拍攝的,也許朋友就會以崇拜的眼光看你(並不會)

航海家二號所拍攝的天王星海王星。圖/NASA

1989 年航海家二號飛掠了最後一個計劃中的目標天體—海王星,然而她的任務卻還會持續下去,繼續為我們帶來外太陽系,甚至是「太陽系外」的第一手資訊,例如太陽磁層頂的位置、星際空間的磁場與宇宙射線強度等等……

同時,航海家二號也帶著地球人想送給外星人的「小禮物」,一張收錄用全球各種語言打招呼的錄音,以及數張影像檔案的唱片和唱片播放器。雖然說要在茫茫宇宙中「不小心撿到」這個禮物的機率實在太低,但這樣的紀念品某種程度也象徵著人類踏出航向宇宙的步伐時,做出的浪漫宣示吧!

航海家二號的金唱片與背景中的航海家二號。圖/NASA

重新連繫航海家二號

今年十月天線更新完成後,NASA 終於能送出睽違八個月,一封「來自地球的家書」給航海家二號,而她也順利收到並有所反應,彷彿對地球上的我們說:「哈囉地球上各位,好久沒有各位的消息了,很高興又收到你們的信,我在遙遠的太陽系外也都還好喔!」

這次成功的聯繫也代表著航海家二號的任務依然持續進行著,不過 NASA 的工程師也估計探測器的電力應該所剩不多了,我們終究在未來的某一天必須和這部偉大的探測器告別,但航海家二號仍將繼續帶著人們探索未知世界的精神,航向星空深處。

參考資料

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黑洞甜甜圈之後:宇宙噴火槍 3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡!——《科學月刊》
科學月刊_96
・2020/04/27 ・3964字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

  • 文/陳明堂,中央研究院天文所及天文物理研究所研究員,兼天文所夏威夷運轉副所長。

去 (2019) 年,臺灣黑洞團隊與事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope, EHT) 公布第一張黑洞照片。一年後,他們雖然沒有呈現新的黑洞照片,卻推出一張所未見的黑洞噴流影像。黑洞噴流如同兩隻金魚的發光體,起初讓研究團隊摸不著頭緒。所幸 EHT 強大的解析能力逐漸解開噴流的真面目,原來圖片左上的影像是噴流的源頭,右下則是逐步遠離的噴流。此外,這把宇宙等級的噴火槍其實是耀變體,在觀測中展現出許多令人驚奇的特性。

圖/Kim et al. (2020), EHT Collaboration

宇宙級的噴火槍:3C 279

在去年公布的首張黑洞影像後,事件視界望遠鏡團隊今 (2020) 年又再次發表另一張超高解析度的影像(下圖)。這次的目標是一個叫做 3C 279 的星體,影像呈現出一對橢圓狀的發光體。這兩個光體的位置左上右下,似乎處在一種隨遇而安的狀態。與去年發表的黑洞甜甜圈不同,反而像在一潭黝黑的池水中,偶爾浮上水面的兩條金魚。

今年 EHT 公布的 3C 279 影像。圖右是本次拍攝到的黑洞噴流,根據EHT 的分析,左上光影是噴流的源頭,右下光影則是正在遠離源頭的噴流。
圖片來源/J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and the Event Horizon Telescope Collaboration

3C 279 是一個類星體(quasar,下圖),位在室女座(Virgo Constellation,又稱處女座)附近,靠近春季大三角 (Spring Triangle) 的角宿一 (Spica)。

雖然肉眼看不見 3C 279,但是從過去的觀測,天文學家知道它是銀河系外頭的另一個星系。它發出的訊號,從低能量的無線電波、紅外線到可見光、紫外線延伸至高能量的 X 光,應有盡有;甚至也會發出強烈的超高能量的射線。

藝術家筆下的類星體 (quasar) 想像圖。 圖/ESO/M. Kornmesser

與去年的 M87* 黑洞相比,為什麼這次的影像中沒有看到甜甜圈呢?

因為 3C 279 距離地球太遠了,相比之下,去年拍到 M87* 離地球「僅僅」5500 萬光年,而 3C 279 則幾乎是 100 倍遠的距離。不僅如此,根據天文學家的估計,3C 279 中心黑洞的大小還不到 M87* 的五分之一。由於又小又遠,因此以目前 EHT 的影像解析能力,還無法完全看到 3C 279的黑洞,所以在此影像中才看不到任何的甜甜圈。

黑洞物理參數的比較

黑洞名稱

天空位置 距離地球 估計質量 天空視角

人馬座 A*
(Sgr A*)

人馬座
(射手座)

26000 光年

4 百萬個太陽

50 微角秒

M87*

室女座
(處女座)

55000 萬光年

65 億個太陽

38 微角秒

3C 279 室女座
(處女座)
53 億光年 10 億個太陽

0.06微角秒

看不見甜甜圈沒關係,EHT 還是有辦法解析!

雖然看不到黑洞,但是天文學家可以利用 EHT 的超級解析能力來研究黑洞外圍的物理現象。

當環繞黑洞的星際物質從吸積盤掉進黑洞時,並非所有物質都會進入黑洞之中。其中一部份的物質會以電漿能量包的形式,以極高的速度從黑洞的兩個極點朝外噴出,物質噴出的速度趨近光速,這就是所謂的噴流。目前科學家還不了解噴流的確切成因,但是一般認為是吸積盤與黑洞周遭的磁力場所造成,這也是 EHT  的科學家研究 3C 279 的主要動機。

人們對黑洞的了解是建立在愛因斯坦的廣義相對論。黑洞是經由重力塌縮 (gravitational collapse) 後形成的星體,它具有質量、自轉和事件視界 (event horizon)。根據理論,任何發生在事件視界裡面的資訊都無法傳遞到外面,所以對外界的觀察者而言,黑洞的物理性質來自於事件視界之外的空間,因此事件視界代表黑洞的視覺大小。

2017 年 4 月的觀測期間,EHT 除了使用參與團隊的天文台之外,還另外動用其它兩組望遠鏡陣列,總共三組陣列透過不同的電波波長擷取 3C 279 的影像。其中,長波段的影像(超長基線陣列 VLBA 波長 7 mm)擷取到 3C 279 大範圍的相貌,影像明顯顯示左上角黑洞所在的熱點及從熱點衝往右下方向的噴流;中波段的影像(全球毫米波特長基線陣列 GMVA 波長 3 mm)把目光聚焦在靠近黑洞和噴流的起始點,期望從影像中能透露出關於噴流起源的訊息。但結果卻不盡人意,此波段呈現出來的影像幾乎是長波長的翻版,導致很難從結果中分辨出熱點和噴流之間的差別。

要看得更仔細, EHT 使用 8 座次毫米波電波觀測站同時朝熱點觀看,能提供更細微的影像解析能力(波長 1.3 mm),所得到的影像與中、長波段的結果相比,的確有出乎意料的發現。EHT 的影像出現左上與右下兩個獨立的部份,經由影像分析,EHT 團隊科學家認為右下部份訊號的移動方向與速度,和中、長波長影像中的噴流類似,因此他們認為右下部分的光影是大尺度噴流的一部份。此結論比較是可以預期,而沒有太多的爭論。可是該如何解釋位於左上的訊號就不是那麼容易了。

猶如宇宙噴火槍的耀變體

說到這裡,如果讀者對類星體有些認識,可能會猜測左上的光影應該是黑洞吸積盤發出的能量,黑洞就躲在巨大的吸積盤中間;而右下部份的狹長光影就是黑洞的噴流結構。噴流與吸積盤呈現接近 90 度的相對位置,此猜想符合天文學家想像中的類星體(下圖),可是問題卻沒有那麼簡單。

耀變體與類星體的示意圖,上圖的耀星體噴流方向非常靠近從地球的觀測視線。

3C 279 是類星體中的特殊例子,特別的地方在於它的噴流方向非常接近觀測的視線。如果把噴流當作是一把宇宙噴火槍的火焰,那麼在地球上觀看 3C 279 的方向幾乎是往火槍的噴嘴裡頭看進去,高能量的噴流就只對著地球上的觀測者打出來。由於都卜勒效應 (Doppler effect) 的關係,此噴流看起來會特別亮,因此天文學家給這類型的類星體一個特殊的名字:耀變體(blazar,或稱耀星體)。

令人匪夷所思的觀測結果

換句話說,從地球的角度觀測,3C 279 除了具有一個非常強烈的中心訊號源外,天文家認為應該可以看到整個吸積盤才對,並認為從此角度觀測,吸積盤應該是接近圓形。但是在 EHT 的影像中,左上的光體卻是個狹長的橢圓形,該如何解釋異形怪狀的吸積盤,對理論學家是一大挑戰。

有一種解釋說法認為,左上與右下的光影其實是一樣的,都是噴流的高能量聚集的電漿能量包。二者不同之處在於,左上的能量包非常接近黑洞的噴嘴,並以更對準觀測者視線的角度而來,當然此角度並不完美,因此高能噴流的還是會在觀測的視線中投射出一個狹長的橢圓光影。雖然可以合理解釋觀察到的左上光影,但又該如何解釋左上與右下的能包移動的方向似乎不一樣?難道噴流會改變它的方向?

關於這一點,天文學家從其它類星體的觀測經驗,知道由於吸積盤附近的強大磁場作用,噴流的確有可能改變方向。在類星體中心的磁場作用下,噴流的路徑可能比上下 360 度翻滾的雲霄飛車還複雜,因而造成 EHT 觀測到的奇怪影像,所以目前 EHT 的團隊相信這是一個比較合理的解釋。

觀測「超光速」移動的噴流?

這次 EHT 共花了4 天的時間觀測 3C 279,而每天都會產生一組非常類似的影像,經過仔細檢查,EHT 的團隊發現影像中的兩個光體的距離每天都有些不同。事實上,兩個光體正在分開中。此觀察符合前一段的論證:左上的光影代表噴流的源頭,右下是正在離開的噴流。

有了 EHT 望遠鏡的超級解析度,天文學家可估計噴流的移動速度。EHT 的團隊發現右下的能量正以超過 10 倍光速的速度離開噴流的源頭位置。讀者可能會納悶,超光速運動是有可能的嗎?

其實天文學家在半世紀前就已經知道,類似耀星體所發出來的噴流「看起來」會有超光速現象 (superluminal motion)。如此奇怪的現象是因為高能量的噴流速度接近光速,但是由於觀測角度的關係,從遠方看起來噴流的速度超過光速。此現象其實可以用相對論解釋,所以看起來超光速並不代表真正超越光速。

 

超光速運動真的是有可能的嗎?圖/GIPHY

宇宙的更多故事等著被挖掘

53 億年前,那時太陽系正在慢慢成形,地球根本還沒存在。然而,隨著科學的進展,一個發生在距離地球 53 億光年外的物理現象,竟然被天文學家看到了!

此次 EHT 發布的影像雖然沒有如同去年 M87* 黑洞的影像引起一陣轟動,然而 3C 279 的影像透露出來的新資訊,似乎讓天文學家產生更多的問題與好奇。這就是科學發展,隨著 EHT 突破性的觀測儀器發展,人們將會看到許多前所未見的現象,並引導好奇的科學家們,更進一步了解所處在的宇宙。

突破性的觀測儀器發展,將會引導好奇的科學家們,更進一步了解所處在的宇宙。圖/GIPHY

2017 年參與 EHT 的八座望遠鏡中,臺灣參與建造或運作的一共有三座,包含夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡 (JCMT) 和智利的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列 (ALMA),再加上貢獻運作經費與觀測人力,讓臺灣團隊占有顯著的地位,這也是總共 13 席的 EHT 董事成員,臺灣中研院就占兩席的原因。

臺灣團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡,直到 2018 年才加入 EHT,並參與 3C 279 的觀測。目前的觀測資料正在處理中,EHT 團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入,能夠揭露更多噴流結構的細節,能讓天文學破解出黑洞周遭的祕密。如此的結果將會大大的提升臺灣天文學家在黑洞研究的地位,也讓臺灣獨特的貢獻受到世人的重視。

延伸閱讀

  • Jae-Young Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy & Astrophysics, 2020.

本文轉載自《科學月刊》 宇宙中的噴火槍—黑洞噴流影像現蹤跡

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