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2014年11張精選科學圖片

吳易軒
・2014/12/24 ・1787字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 481 ・五年級

2014年這系列由《自然》雜誌挑選出來的年度圖片,上至太空下至深海,有自然災害也有科技奇蹟,這些經典影像要歸功於科學家及攝影師的鍥而不捨。

憤怒的裂痕

2014年八月,冰島的巴達本加火山(Bárðarbunga)開始劇烈活動,天空被染成一片血紅色。此次火山噴發沒有像科學家預期一樣飄散大量火山灰,反而是鄰近的胡勒漢(Holuhraun)裂痕噴發出一天數千噸的二氧化硫,影響冰島的空氣品質。

Ragnar Th. Sigurdsson/Arctic-Images.com
Ragnar Th. Sigurdsson/Arctic-Images.com

 衛星上的馬賽克

此圖為木衛二,又名歐羅巴(Europa),是木星的天然衛星之一。NASA重新處理了一系列在1990年晚期由伽利略探測器拍攝的影像,調整照片顏色並用高解析度呈現更逼真的覆冰地形。

NASA/JPL-Caltech/SETI Inst.
NASA/JPL-Caltech/SETI Inst.

火山悲劇

御嶽山-位於東京以西200公里的活火山,一直以來是日本非常著名的旅遊景點之一。儘管科學家們小心翼翼的監控,仍然在今年9月27日猝不及防的噴發,鄰近地區都被灰燼及殘骸波及,造成50多人死亡。搜救隊在山頂周圍與火山灰燼搏鬥,努力搶救生還者。

Kyodo News/AP
Kyodo News/AP

深海小飛象

這個小傢伙類屬煙灰蛸(Grimpoteuthis),也有人叫牠小飛象章魚,在今年四月的墨西哥灣被拍到,美國俄刻阿諾斯探勘號(Okeanos Explorer)船上的研究者靠著遠端控制潛水設備,下潛至2000公尺深處拍到這難得一見的影像。

NOAA/CC by SA 2.0
NOAA/CC by SA 2.0

飛行中的菲萊

今年十一月,世界各地都跟著歐洲太空總署一起提心吊膽,羅賽塔號(Rosetta)試圖將菲萊登陸器(Philae)著陸於67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星(67P/Churyumov–Gerasimenko)上。在完成著陸動作之前,菲萊登陸器傳回這張影像,這一刻它們正同時以每小時50,000公里以上的速度在太空中行進。

ESA/Rosetta/Philae/CIVA
ESA/Rosetta/Philae/CIVA

水中考古

圖中來自墨西哥的12000歲青少年頭骨坐落於一個旋轉的平台上,讓潛水員能夠對它進行三維掃描。這個頭骨在墨西哥尤卡坦半島(Yucatán Peninsula)的水中洞穴裡被發現,它能夠幫助我們了解過去人類在美洲的分布狀況,由於遺骨移動困難,潛水員必須在原處進行分析。

Paul Nicklen/Natl Geographic
Paul Nicklen/Natl Geographic

蜘蛛之眼

這雙閃亮亮的大眼睛是屬於蠅虎跳蛛(Phidippus audax),成年的蠅虎跳蛛平均大小大概是13-20毫米。拍攝此圖的攝影師諾亞弗拉姆施瓦茨(Noah Fram-Schwartz)在尼康(Nikon)顯微世界攝影比賽得到第三名的成績。

Noah Fram-Schwartz/Courtesy of Nikon Small World
Noah Fram-Schwartz/Courtesy of Nikon Small World

透視老鼠

如果能讓身體組織變透明,何需再開膛剖肚以一窺究竟呢?近期各界研發出越來越多的方法,讓研究人員在不需解剖的條件下看見生物體內構造,圖中的老鼠便被日本團隊用化學混合物和電腦成像展示出赤裸裸的身軀。

Courtesy of RIKEN
Courtesy of RIKEN

高空盆栽藝術

日本藝術家東信時常以花卉植物作為創作題材,此次與日本民間航天組織(JP Aerospace)合作名為「Exobiotanica」的計畫,運用特製纖維方框將植物固定,然後以巨大氦氣球將盆栽帶入高空拍攝,也算是一種科技與藝術的結合吧。

AMKK/Exobiotanica
AMKK/Exobiotanica

矽油滴

圖中是荷蘭特溫特大學(Twente)的研究人員為微微升(pL,10-12L)大小的矽油滴所拍的快照,他們用8納秒(ns,10-9s)雷射脈衝照亮這些油滴,以每600納秒的拍攝速度捕捉油滴落下的影像。

Mark-Jan van der Meulen & Arjan van der Bos
Mark-Jan van der Meulen & Arjan van der Bos

照耀

巴西艾瑪斯國家公園(Emas National Park)中詭異的綠色亮光源自於住在白蟻巢穴上的磕頭蟲幼蟲以及成蟲的飛行路線,攝影師艾瑞貝瑟斯(Ary Bassous)用長時間曝光攝影贏得今年由倫敦自然歷史博物館及BBC主辦的野生攝影大賽無脊椎動物組冠軍。

Ary Bassous/Wildlife Photographer of the Year 2014
Ary Bassous/Wildlife Photographer of the Year 2014

 

參考資料:

365 days: Images of the year [Nature. 12.17.2014]

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吳易軒
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Pansci實習編輯,喜歡接觸各種新鮮有趣的人事物,相信這世界沒有什麼不可能,最喜歡的一句話是「每個時間都要很穩定、很清楚的知道自己在做什麼」。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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