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跟星空賽跑! 天文馬拉松第十年

劉珈均
・2015/04/02 ・4111字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

墾丁梅西爾(劉紀忠攝)
貓鼻頭公園的梅西爾馬拉松現場。圖/劉紀忠攝。

夜晚行駛於墾丁的縣道上,左轉拐進往貓鼻頭公園的小路,會瞬間撞進一團漆黑──以及滿天星空!今年春分晚上,天文圈的盛事「梅西爾馬拉松」(Messier Marathon )就在這低調展開,十幾位天文迷通宵達旦,自力查星圖尋找星體,挑戰用一晚的時間觀測「梅西爾星表」上全部110個深空天體。

這任務並不簡單,多數梅西爾星體並非肉眼可見,必須透過大口徑望遠鏡觀測,參賽者從入夜時分到隔天清晨,一晚觀測110個天體,相當於一小時看十來個,平均5至6分鐘就要找到一個。不過,觀星節奏也是有區間的,星星隨時間遞移,有其觀測順序,參賽者黃冠夫說:「會稱做馬拉松就是因為你無法一口氣跑完全部,必須等它慢慢出來。」

台北市天文協會總幹事劉志安在雲南二度達成觀測全部星體的挑戰,屏東市唐榮國小校長施世治與嘉義高中地科老師黃冠夫在墾丁受天氣影響,分別觀測到102與101個。

舉辦梅西爾馬拉松有重重條件,首先是緯度,其次為時間、月相與天氣。現任台北市天文協會常務理事、十年前發起台灣梅馬的陶蕃麟說,北緯20至30度之間的地區最適合舉辦梅馬,過了這區域就無法於一晚之內觀測到全部星體;3月下旬至4月初的時間點最適當,否則部分星體會淹沒於暮光或曙光,活動也得盡量選在朔月以避開月亮這大光害;氣象就得看運氣了,台灣屬海洋型氣候,參賽者常常得在時間與雲氣的縫隙中抓住天體。

18世紀彗星獵人的「詐騙集團目錄」

梅西爾(Charles Messier)是18世紀的法國天文學家,畢生致力搜尋新彗星,有些星體看起來是雲霧狀的模糊團塊,易與彗星混淆,梅西爾追蹤了幾個月才發現不是彗星,備感困擾。為了避免浪費時間在這些冒牌傢伙身上,他將之列成一份目錄以區分這些「詐騙集團」(星體編號的M即為梅西爾首字母)。

當年,梅西爾用的只是口徑5公分的小望遠鏡,解析力不佳,當時對天體的認識也不如今天,所以最初的星表包含了現今所知的星雲、星團和星系,還有一對雙星。梅西爾初衷是為了方便搜尋彗星,但此「梅西爾星表」反而變成梅西爾最廣為人知的成果,也成為今日天文迷觀測深空天體的入門表單(好啦,平衡一下,梅西爾一生觀測過44顆彗星,其中13顆是新發現的。而那年代總共僅有50顆彗星曾被觀測過)。

最初梅西爾馬拉松由美國一批業餘天文學家於70年代發起。1976年美國賓州的霍弗德(Tom Hoffelder)和瑞藍(Tom Reiland)兩人注意到,三月下旬到四月初這段期間,由天黑至黎明,梅西爾天體會全部依序出現,從M77開始至M30結束,可在一夜之間瀏覽完畢。

1977年兩人首度嘗試,但均未成功,1993年亞利桑那州的「巨人柱天文俱樂部」(Saguaro Astronomy Club)舉辦全州的梅馬,開始推動這項觀測競賽,其他地區也有天文迷跟進,梅西爾馬拉松才漸漸推廣到其他地區與國家如西班牙、印度北部,而目前梅馬最活躍的地方仍是美國。

快!不能輸在起跑點!

剛入夜與晨曦時分很關鍵,觀星者必須與時間賽跑,M77、M74、M32、M110等很快就沉入地平線了;相反的,M30、M55、M75等星體則出現於東方泛白之時,不久便被晨光淹沒。最有挑戰性的是室女座區域由一連串星體組成的「馬卡萊恩長鍊(Markarian’s Chain)」以及后髮座附近,這些區域的天體又多又雜,十來個天體集中在一起,附近也沒亮星,一旦「迷路」,尋星路徑可能就得重來一次,考驗選手對夜空的熟悉度。

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傍晚時墾丁雲層厚重,讓參賽者錯失了M31、M32、M110、M52。圖/邵意翔攝。
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參賽者正在調整望遠鏡,使尋星鏡中心和主鏡畫面一致。圖/邵意翔攝。

比賽採榮譽制,何謂「看見」是自由心證,參賽者找到天體後自行於大會發放的表格填入觀測時間,會後再交由大會統計成績。活動禁止使用追蹤或自動尋星設備(如進階赤道儀有「Goto」功能,只需要輸入目標天體編號,望遠鏡就會自動對準該星體),只能自力查圖表找天體。不過,天文迷之間流傳著一份「秘笈」,上有各星體亮度、找尋哪顆參考星、建議觀測順序等實用資訊。

黃冠夫自第二屆就開始參加,已是個梅馬老手,前兩年達成109與108個,逼近達標。他號稱十秒就能找到一個天體,還被其他人譽為「人體GOTO」。只見他拿著平板電腦,熟練的查看星圖軟體,鎖定方向,抓過口徑40公分的望遠鏡,目標天體已出現在目鏡視野裡了。一旁選手也忍不住表示:「他真的很扯!我們找了十幾分鐘的星體他一下子就找到了!」只可惜天氣不夠完美,有雲氣阻擋,「今年能破100就不錯了。」黃冠夫說。

他先找到一顆附近的亮星作為參考星,再參考星圖,對照視野裡與星圖中的星星排列形狀,將望遠鏡的圓形「視野」一步步朝目標方向靠近。有些位在偏遠暗處的星體附近完全沒亮星,要移十幾步才找的到。

他解釋,人的大腦有內建「自動疊圖功能」,會將兩眼視覺合成為一個畫面,就像一邊看著顯微鏡一邊繪圖,視覺上會覺得物體上方似乎鋪了描圖紙,自己只是照著描;同樣的,以慣用眼看著夜空中的星星,另一眼望進尋星鏡一邊調整望遠鏡角度,會發現有兩顆星星想要疊合在一起,善用這技巧就能快速將望遠鏡瞄準參考星。

除了星體繁雜的區域需要一鼓作氣不間斷的觀測,黃冠夫口中的「發霉的星星」也是具挑戰性的對象,有些星系如M109,其型態沒有明亮的點狀核心,視覺上看起來是霧霧的團塊,「很多人不是看不到,而是看到了也不知道。必須靠星圖才會知道這霧霧的亮點不正常,是個星系(而不是一般星星)。」

「我老婆說我看到星星時,聲音就會高八度。」施世治身兼屏東天文協會會長,過去最好的戰果是觀測到105個天體,他笑著說:「那次前面沒抓到,後面睡著了。」有感於資源落差,他長期在屏東的小學推廣天文活動,帶小朋友看星星,去年還發起「天文聯盟學校」,逢天文奇景時會在網路直播。

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許多參賽者於黑暗中就著紅光查找星表資料。圖/邵意翔攝。
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參賽者找到天體後自行在大會發的表格記錄下觀測時間,會後交由大會統計成績。圖/楊偉攝。

梅西爾馬拉松場地沒有路燈,即便相距不到一公尺,仍看不清對方的臉,黑暗中只見一盞盞來自於腳架末端或觀星者頭燈的微小紅光,幾副桌椅上擺滿星表資料。雖然這不是氣喘吁吁跑步的馬拉松,但通宵整晚也相當考驗體力,夜越來越深,有時觀星告一段落,參賽者會邀請其他人一起用望遠鏡看木星、土星等別的星體,或趁機休息一下,到車上或帳篷打個盹。

除了正式的參賽者,19所高雄市高中天文社組成的「高雄天文幫」與一些天文迷也在現場徹夜觀星,累了就以天為被就地而眠,伴著幾種蟲鳴、海浪聲、快門線嗶嗶聲、望遠鏡尋星的聲音(天文攝影使用)。

「看久了就會跟星星很熟」 十年來僅劉志安達成挑戰

截至2014年,全球只有87個人次達成梅西爾馬拉松的挑戰,其中不乏重覆達標的人,如梅馬創始人之一麥克赫茲(Don Machholz)就完成了六次。而台灣舉辦梅馬十年以來只有劉志安一人於前年達成,只是他是賽後一個禮拜到昆陽觀星時自力挑戰,所以沒列入正式登記,今年他與陶蕃麟代表協會到雲南協辦活動,劉志安也再度成功觀測到110個星體。

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劉志安觀測前調整望遠鏡。高美古天文台海拔3200公尺,為乾燥的大陸高原型氣候,適於觀星,但溫差相當大,白天20℃,入夜後降到0℃左右,不過這對常上山觀測的劉志安而言不是問題:「感覺跟在武嶺停車場差不多。」圖/楊偉攝。

他自第一屆梅馬就開始參與,對當時情況仍記憶猶新,主辦單位因陣雨中止比賽,他與朋友將箱型車的後車箱蓋拉起,作為遮雨棚躲雨,雲飄動得很快,陣雨結束,他們繼續在雲氣縫隙尋找星體,克難之下也看到了52個,「感覺像在玩打地鼠一樣!」

問及觀星技巧,劉志安說:「看星星久了就會跟星星很熟!」他自第一屆梅馬舉行前就常常上山看星星、自己找目標觀測,累積了十幾二十年,他現在可以不靠星圖就找到六成以上的梅西爾星體。參賽者之間流傳的必備觀星「秘笈」作者也正是劉志安,他謙虛的解釋,那是為演講或授課而製的講義,不知怎地就傳開了。

劉志安向來被視為第一位完成梅馬的亞洲人,不過,他說近日結識了馬來西亞華僑林香耀,他在2001年參加亞利桑那州的梅馬就完成110個天體觀測,算起來他才是第一位完成梅馬的亞洲人。他與林香耀相約明年挑戰最高境界的「記憶梅西爾馬拉松賽」(Messier Memory Marathon, MMM),也就是完全不靠星圖,單憑記憶搜尋梅西爾天體!

台灣梅馬第十年 同步跨點到雲南

回顧台灣過去活動歷程充滿不少波折,第一年天氣不佳,還下起陣雨,主辦單位決定中止競賽,三位選手在風雨中繼續奮戰;有一年與春吶活動撞場地,只好臨時移換陣地,在夜遊遊客與聲光干擾下進行;前年天氣晴朗,整晚星光燦爛,唯獨日出前東方一片雲朵遮擋了最後一個目標M30,使得兩位好手劉志安與黃冠夫以109個天體飲恨。

自2006年起,台北市立天文協會已主辦了十年的梅西爾馬拉松,天文協會今年還與雲南高美古天文台合作,協辦中國第一屆梅馬。陶蕃麟述說當時發起梅馬的契機:「看星座只是初階入門,要進階就要導入目標觀測。」台灣業餘天文活動多以星空觀賞或天文攝影為主,而梅馬可讓參賽者熟悉望遠鏡操作,提升業餘觀測程度,從較容易的明亮目標進入星雲、星團、星系等暗弱天體的領域,進而培力參與月掩星、小行星掩星等更高階且需要大量業餘人士參與的觀測活動。

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雲南高美古天文台梅馬現場的星軌。圖/楊偉攝。
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貓鼻頭公園梅馬現場的星軌,來自墾丁的光害襲上了北邊夜空,有四五年參賽經驗的莊宗憲說今年光害特別嚴重。圖/邵意翔、劉珈均攝。
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在貓鼻頭公園時,身旁有人這麼說:「看到遠方天體在眼前閃動,幾億年前的光就這麼砸在你眼睛上,不覺得很感動嗎?」。照片為雲南高美古天文台的梅馬現場。圖/楊偉攝。

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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 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

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域
ntucase_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

參考資料

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ntucase_96
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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。