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氣體養得出恆星 – 很久很久以前,恆星誕生是不需要星系相撞的

臺北天文館_96
・2011/09/29 ・1787字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

真會如同我們所想像,古早的宇宙竟較現今宇宙是更加的「溫良恭讓」嗎?赫歇爾紅外太空望遠鏡以它紅外之眼,回溯到宇宙較早時期,看過了當時的情況之後,回報我們說:沒錯,的確如此。雖然它所見的古早和我們在所見的今日,情景大不相同 – 畢竟現在我們所看到的恆星誕生,似乎總離不開星系之間的相互碰撞 — 然而在宇宙早期,星系相撞在觸發恆星形成這件事情上,其實它的戲份一點都不重。既然如此,不靠星系相撞,那從前的恆星究竟都靠什麼成形呢?

答案很簡單,氣體。

星系的氣體藏量越豐富,生出來的恆星數量就越多。

這個發現推翻了一個已經有段相當長歷史的假設,並且告訴我們:星系演化也有其溫文儒雅的一面。

早先天文學家已知的事情是,恆星形成率在大約100億年前的早期宇宙時,達到了它的鼎盛時期。如果以現在的銀河系做個比較,當時,一些星系形成恆星的速度是比現在快了大約十至百倍。

這樣旺盛的恆星誕生速度,在目前的鄰近宇宙極為罕見,並且一向以來,如果以「看起來」來說…似乎恆星誕生應該都非得經過星系碰撞才能引發,也因此,天文學家過去一向認為,宇宙歷史應該一路走來始終如此:恆星要誕生,就非得有星系相撞不可。

但是赫歇爾太空望遠鏡所觀測的結果,卻告訴我們一個截然不同的故事。赫歇爾在南北半球各觀測一個大約有滿月三分之一大的天區,隨著觀測持續進行,赫歇爾已經看盡距離地球遠近不同、總數大約一千個左右的星系,既然遠近不同,就代表著老少皆有,以年紀而論,其觀測對象所涵蓋範圍已達宇宙年齡的80%。

經由分析赫歇爾觀測數據,來自法國Saclay CEA的Elbaz和他的研究團隊發現,雖然有些星系在過去以驚人的速度製造新生恆星,但因星系碰撞而引發恆星驟生的作用其實沒有我們所想像得那麼大。該小組表示,恆星誕生速度其實取決於它們所含的氣體數量,而不在於有無碰撞事件發生,不過,他們的研究結果是如何得到的呢?這是因為天文學家們能以比較的方式找出這些星系在不同波長裡,各釋放出多少數量的紅外光。該小組說,這樣的觀察所得具有獨特性,也是拜赫歇爾太空望遠鏡之賜,因為赫歇爾是個在紅外波段研究範圍最寬廣的觀測利器,它能清晰看見恆星誕生之全盤樣貌。

目前,不僅Elbaz小組的研究成果得到上述結論,先前來自其他觀測團隊的研究也同樣顯示了,在古早古早以前,宇宙裡的恆星生成與碰撞無關,它們是藉由氣體餵養逐漸壯大的。解讀出相同成果的觀測單位還包括:史匹哲太空望遠鏡、甚大望遠鏡(VLA)。Elbaz表示:「只有在氣體不是很多的星系中,才需要藉由星系碰撞來供應氣體、並會在短時間內引發大量恆星形成。」

距離我們比較近、「現在」的這些星系,等於是處在它們已生成過許多恆星後、又經過了100億年的一個階段,當初用來製造恆星的氣態原料如今大部分已經「米缸見底」、所剩無幾,所以便不得不靠碰撞的手段來重新啟動恆星的形成,但在過去,其實星系是靠環繞在它四周的氣體,用緩慢、溫和的「吸引」原則來形成恆星。

本研究是赫歇爾GOODS觀測成果的一部份,(GOODS: Great Observatories Origins Deep Survey / 宇宙深空起源巡天聯合大觀測),GOODS計畫是針對遙遠宇宙和極暗淡天體為對象,結合從太空到地面、跨各種可見光及近紅外線波段的觀測結果,包括Spitzer(史匹哲太空望遠鏡,紅外線波段), Hubble(哈柏太空望遠鏡,可見光波段), Chandra(錢卓太空望遠鏡,X射線波段), Herschel(赫歇爾太空望遠鏡), X射線波段的XMM-Newton太空望遠鏡,及NOAO美國國家光學天文台的地面觀測。

該篇論文內容詳見:GOODS–Herschel: an infrared main sequence for star-forming galaxies’ by D. Elbaz et al.

新聞來源:ESA新聞稿(Lauren 譯)

此圖即是GOODS計畫所觀測的北半球天區(GOODS-North),範圍大小約為滿月的1/3。圖片來源: ESA/GOODS-Herschel consortium/David Elbaz

此圖即是GOODS計畫所觀測的北半球天區(GOODS-North),範圍大小約為滿月的1/3。圖片來源: ESA/GOODS-Herschel consortium/David Elbaz

這是個概念圖:藝術家筆下畫出一個星系如何從一道道迅速、狹窄的冷氣體流匯集吸積成為一個星系的質量。圖中這些細絲狀的物質,以一種還算悠閒的速度,經由不停流動的原材料供應,餵養形成了眾多恆星。ESA–AOES Medialab

這是個概念圖:藝術家筆下畫出一個星系如何從一道道迅速、狹窄的冷氣體流匯集吸積成為一個星系的質量。圖中這些細絲狀的物質,以一種還算悠閒的速度,經由不停流動的原材料供應,餵養形成了眾多恆星。ESA–AOES Medialab

資料來源:中研院天文網

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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臺北天文館_96
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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 ・3032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的「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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