矮星系吹泡泡

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• 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

2022 年 1 月底，兩位天文學家在頂尖科學期刊《自然》發表的論文中，宣布他們發現矮星系「Henize 2-10」中的超大質量黑洞，觸發了一批新恆星的誕生。可是，我們印象中的黑洞不是會以極強的重力撕碎、吞噬周遭一切的嗎？怎麼這樣毀滅性的天體，居然還能誕生新的恆星？今天就讓我們來一探究竟！

黑洞：宇宙燈塔核心

多數人對黑洞的印象，大概是一個擁有強大重力、會撕碎與吞噬一切的純黑球體。由於連光也無法逃離它的魔爪，因此黑洞總是隱身在宇宙黑暗的背景中難以觀測。

這樣的圖象雖然大致正確，卻不是事情的全貌。黑洞確實會以它強大的重力吃進物質，天文學家也確實相信茫茫星海中，有許多難以觀測的黑洞漫步其中。但是被黑洞重力捕獲的物質，往往不會直直地朝黑洞落去，而是會在黑洞週遭形成一個旋轉的盤狀構造，稱為「吸積盤 Accretion Disk」。

在吸積盤上，物質之間不斷的碰撞、摩擦、緩緩向黑洞靠近，在過程中將重力位能轉化為動能、熱能、磁能等各式各樣的能量形式，並釋放出橫跨伽瑪射線到無線電波的電磁輻射。在許多系統中，還可以觀測到物質快速的從黑洞附近噴出，通常速度較慢（約每秒數百至數千公里）者通常稱為「外流 Outflow」，速度較快（接近光速）者則稱為「噴流 Jet」。

黑洞產生的輻射、噴流與外流，不僅讓我們能夠用各式各樣的觀測手段去尋找和研究黑洞，它們同時也會對黑洞所在的環境產生影響。

尤其當身處星系中心、質量是太陽數百萬倍以上的「超大質量黑洞 SMBH」們在大快朵頤週遭的氣體時，能夠以太陽數百萬倍、甚至數千億倍以上的功率釋放能量，成為宇宙中最明亮的天體。

如此龐大的能量，足以影響整個星系乃至於星系團的演化。它可能促進星系中恆星的形成，為星系帶來新生；或者是抑制星系中恆星的形成，讓星系變得死氣沉沉。另一方面，星系中恆星的形成、超新星爆炸等其他現象，也會決定有多少氣體能夠流到位於星系中心的黑洞上，從而影響黑洞的成長。

超大質量黑洞與星系之間互相影響、共同演化的機制，統稱為「活躍星系核回饋 AGN Feedback」，是當代天文物理非常重要的研究領域。

過去 20 多年的無數理論與觀測成果，讓天文學家相信活躍星系核回饋確實對星系的演化有重要的影響。但是具體是怎麼影響？影響多大？目前仍沒有明確的結論，甚至連直接的觀測證據都十分稀少。因此，天文學家迫切的想要找到更多活躍星系核回饋的直接證據，了解黑洞究竟是怎麼與星系一同成長。

瞄準目標：矮星系 Henize 2-10

在這個研究中，天文學家鎖定位在羅盤座（Pyxis）、距離地球約 3400 萬光年的矮星系「Henize 2-10」。過去其他天文學家以無線電與 X 射線觀測的結果顯示，這個星系中心可能有一個正在進食的超大質量黑洞，因此是尋找活躍星系核回饋證據的絕佳場所。

為了得到高解析度的影像，天文學家使用哈伯太空望遠鏡仔細的研究星系中心的影像與光譜，發現在星系的中心有一道長約 500 光年、由游離氣體組成的纖維狀結構，源自星系中心的超大質量黑洞噴出的外流。而黑洞東方（圖中的左手邊）約 230 光年外，有一片正在形成許多新恆星的區域（稱為恆星形成區），與外流相連。

天文學家仔細分析星系的光譜後，認為黑洞的外流正是催生這片恆星形成區的幕後推手。因為外流推擠、壓縮了星系中的氣體，增加了氣體的密度，才進一步激發了這批新恆星的形成。對研究黑洞與活躍星系核的天文學家來說，這無疑是一次振奮人心的發現！

結語：萬里長征的一小步

黑洞不只是能夠吞噬一切的引力怪獸。它在囫圇吞棗的過程中，其實可以釋放出巨大的能量。尤其是位於星系中心的超大質量黑洞們，它們產出的能量之龐大，甚至能夠影響整個星系的演化，稱為活躍星系核回饋。但是怎麼影響？影響多大？天文學家們仍在積極的研究。

這次在 Henize 2-10 星系中觀測到的黑洞外流與其激發的恆星形成，是活躍星系核回饋相當重要的直接證據。未來，天文學家將繼續在更多的星系中，尋找黑洞與星系互動的蛛絲馬跡，直到揭開活躍星系核回饋的神秘面紗。

參考資料

• Black-hole-triggered star formation in the dwarf galaxy Henize 2-10 – NASA/ADS
• Dr. Becky: A supermassive black hole FORMING new stars! | Positive and negative black hole feedback
• Reviewing Fantastic Beasts: AGN Feedback in Galaxies and Clusters | astrobites
• Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback – NASA/ADS
• Hubble finds a black hole igniting star formation in a dwarf galaxy
• 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史

通常有名的哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）星系影像，要不是壯觀的螺旋星系，就是邊緣和緩變化的橢圓星系，不過這些通常都是大型星系才有的模樣，瞧瞧右方影像中的星系，有沒有覺得與眾不同呢？因為影像中的主角—洪伯II（Holmberg II，UGC 4305）是不規則矮星系（dwarf irregular galaxy）；這類矮星系的外型和型態差異頗大，很難歸類，故直接歸類為不規則星系。而哈柏先進巡天相機（Advanced Camera for Surveys）影像中可見模糊不清的洪伯II星系裡，有著數個巨大且發光的氣體泡泡呢！（譯者註：這個星系幾乎佔滿整個畫面，其中的紅色氣泡結構只是星系中的一部份而已喔！點選此處觀看這個星系的整體外觀影像。）

天文學家推測：洪伯II星系裡這些精細而明亮的氣體殼層，應該是歷經數代活力充沛的恆星演化後的結果。高質量恆星（high-mass star）從稠密的氣體雲中誕生，之後發出強烈的恆星風將周圍物質吹開；到了生命末期，發生超新星爆炸所產生的衝擊波，將已經比較沒那麼稠密的氣體往外推，並加熱這些氣體使其發光，最後就形成了今日所見的泡泡狀結構。

洪伯II星系的中間區域勉強算是個密集的恆星形成區，但向外延伸達數千光年的範圍內都相當貧瘠，缺乏製造新恆星的材料。作為一個矮星系，它既沒有像銀河系一樣的旋臂，也沒有橢圓星系常見的稠密核心。這使得洪伯II星系的重力場不夠強，所以像這樣脆弱的氣泡結構能夠大致維持形狀而沒啥改變。

雖然以規模來論，洪伯II星系是不起眼的矮星系，不過這個星系還是有某些吸引人的特徵。例如它是1950年代洪伯（Erik Holmberg）在M81星系團中發現的9個低表面亮度星系（low-surface-luminosity galaxies）之一，它不尋常的外表為它在赫頓‧阿普（Halton Arp）的特殊星系表（Atlas of Peculiar Galaxies）中贏得一席之地。此外，這個星系還有個極明亮的X射線源，就在影像右上角3個氣體泡泡的中間那個裡；目前有許多種理論解釋這個強力輻射的來源，其中一種理論還提到可能是其中有個正在拉扯周邊物質的中型黑洞（intermediate-mass black hole）哩！不過這些理論有些甚至相互矛盾，讓這個強X射線源的起源仍是個未解之謎。

洪伯II星系屬於M81星系團成員之一，距離地球約1200萬光年，位在大熊座方向，這個星系團主要的領袖星系為M81和M82，是離銀河系所在的本星系群最近的星系集團之一。

資料來源：Galaxy caught blowing bubbles

轉載自台北天文館之網路天文網網站

• 採訪編輯｜歐柏昇 美術編輯｜張語辰

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

天文學家無法做實驗來製造一個宇宙，卻可以在超級電腦中製造小宇宙，探索宇宙中複雜的現象。中研院天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮，利用電腦模擬，揭開觀測背後的物理過程，了解超新星爆發的機制，以及超新星與宇宙學的關聯。

模擬天文學家的望遠鏡：超級電腦

對於模擬天文學家而言，超級電腦就是望遠鏡。我們可以在超級電腦裡模擬我們的小宇宙。

為什麼研究宇宙需要用電腦模擬呢？陳科榮說明，物理、化學研究可以在實驗室裡做測試，但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來，必須仰賴電腦來做實驗。

用電腦模擬來研究宇宙，其基礎在於我們對物理的理解。我們覺得牛頓定律、電磁學等在宇宙其他地方也適用，就可用數學、物理的方程式，推算宇宙星體經歷的過程。然而，宇宙中的許多系統很複雜，沒辦法用人腦、用筆去算。因此，把物理方程式寫成程式，讓超級電腦計算。

何謂「超級電腦」？陳科榮解釋，當一台電腦的記憶體、運算速度，大約是一般筆電的超過一萬倍以上，就可稱做超級電腦。也就是說，在一般筆電要花一萬個小時的計算，在超級電腦只要花一小時。近年來，電腦運算速度越來越快，幫助我們處理更複雜的問題。

「模擬」是根據基本數學、物理建構出來，製造一個虛擬的世界。虛擬世界跟實際世界是否真的相關聯，這就需要驗證。

陳科榮舉了工業上的例子，說明電腦模擬的應用。過去沒有電腦模擬，若要測試新型汽車的效能，就會先製造一個實體的模型車，放在「風洞」裡，讓風吹向車子，觀察流線的分布，來判斷模型是否優良。現在不必花高成本製造模型車，只要用電腦模擬，計算流體力學，就可以了解流線的情況。確定模擬出的最佳結果之後，才需要做出實體的模型車，再放到風洞裡做實驗，省下了很多開發資源。

用電腦模擬，追探觀測背後的玄機！

用電腦模擬來研究天文，可以幫助我們了解：天文觀測到的現象背後，到底發生了什麼事。

陳科榮說明，我們一般看到宇宙都是看到「光」，光會帶來很多訊息，但有時比較表面。就像我們在大樓裡面討論事情，有些訊號可能會傳到大樓外，但是大部分的光線都被牆壁擋住，大樓外面的人無法得知我們在做什麼。

例如，超新星爆炸是發生在恆星內部的過程，我們只能看到爆炸後的現象，卻也想了解超新星爆炸內部的過程。做模擬的天文學家，便試著去探索背後的機制，了解爆炸怎麼產生。

以上方影片為例，這是陳科榮模擬「磁星」(magnetar) 的超新星爆發過程。簡單來說，中間有個很大的中子星，中子星放出的輻射促成了超新星的第二次爆炸。這種超新星爆炸會發出非常亮的光，且在輻射機制的加速過程中，被推出來的物質會承受流體的不穩定性。一開始小小的不均勻，可成長出「渦流」(eddy)，形成大尺度的不穩定結構。

陳科榮發現，磁星的超新星爆炸機制，模擬出來的結構，竟然與下方右圖的蟹狀星雲非常像，推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。

陳科榮再舉一個爆炸模擬，如下方影片所示。一般想像的爆炸是四面八方擴散，但其實有種不均向的超新星，稱為極超新星 (hypernova)。爆炸能量主要集中在南北極，產生噴流的結構形成極大的不對稱性。這就像是大砲把恆星轟一個大洞，整顆炸開。

化作春泥更護花──超新星與宇宙學

陳科榮在博士班三年級的時候，得到一個獎學金，去德州大學做研究，開啟了宇宙學和超新星關聯的研究旅程。超新星對宇宙有何影響呢？陳科榮引用詩句來詮釋：

落紅不是無情物，化作春泥更護花。

星星就像是一朵花，這朵花是由它的泥土滋養而來。超新星爆炸時，這朵花就散落了，但是花瓣回歸到泥土，就繼續滋養下一代的花長大。超新星也是一樣，散出去的物質，變成之後下一代星星成長所需要的元素。因此，超新星是宇宙、恆星生命週期中的重要過程。

宇宙很大，恆星很小，恆星卻能影響宇宙。這就像是人體很大，細胞很小，但是細胞發生問題，可能會影響到整個人體。恆星、超新星、宇宙之間的關聯性相當重要，但因為跨越了巨大的物理空間，是不易研究的課題。

為求了解恆星對宇宙的影響，陳科榮做了宇宙結構的模擬，如下方影片所示。首先，恆星會發光，將周圍氣體加熱、游離化。如果恆星死亡後直接變成黑洞，氣體會慢慢冷卻。但若恆星變成了超新星，則會發生許多有趣的變化。

在超新星的爆炸過程，會見到「紊流」這個現象。無序的紊流，是普遍發生於自然界的擴散過程。例如，滴下一滴墨水，很快地，杯子裡的水都變成藍色。其實短短時間內發生的物理過程很複雜，出現了「瑞利 – 泰勒不穩定性」等現象，使得流體混合在一起。透過下方的電腦模擬影片，我們可以仔細品味其中的過程，以及無序之美。

• （紊流影片來源│謝宜達提供）

難以入眠的模擬天文學家

宇宙星體很美麗，卻看似離實際利用較遙遠，那研究目的是什麼呢？陳科榮認為，研究基礎科學最重要的動機，是對人類知識做出貢獻，滿足人類的好奇心、求知慾。是否能夠拿來賺錢，總是往後才應用出來的事。

陳科榮舉例，電磁學之父法拉第發明了「電場」的概念，國王問他，這個東西對國王有什麼用？法拉第回答，他也不知道這能幹嘛，但是相信它未來會貢獻國王的稅收。後來，全世界一半以上的產值都和「電」有關。研究天文、宇宙，現在也不知道馬上能夠拿來幹嘛。

但若未來人類要去外太空旅行，也許就能知道要避開哪些爆炸的超新星。

談到研究的甘苦，陳科榮說，其實研究大部分時間都是苦的。一個研究結果出現，經常是失敗過很多次了。不過，痛苦與樂趣是相對的，如果沒有痛苦，就不會覺得快樂。如果有問題在腦中徘徊，經常睡覺就沒有睡好，但是想到答案時就很高興。他也有忙裡偷閒的方式，像是在美國時，有時自己一個人開車到山上躲個幾天，調劑身心。

模擬天文學家的另一項樂趣，是把研究成果作為藝術。超新星模擬結果的圖片，經常讓人感到新奇，容易登上新聞版面。陳科榮也常用模擬結果作為素材，創作出富有哲思的藝術品。

另一方面，陳科榮認為，能夠當科學家是得到一種「優待」，可以做自己喜歡的事，又有薪水過活；在研究上，自己就是自己的「老闆」，是個自由的工作。

相對地，科學家也有許多義務，不僅要做好研究，對人類知識做出貢獻，也有一些社會責任：將知識傳承下去，教育下一代。陳科榮回到臺灣之後即身體力行，在中研院成立了「爆炸小組」，帶領學生一起做研究，希望幫助學生，並且讓研究環境變得更好。

延伸閱讀

• 陳科榮的天文所網頁
• 陳科榮的個人網站
• 陳科榮「爆炸小組」團隊網站
• 【地球證詞導讀】宇宙的黎明─真正的創世時刻

本著作由研之有物製作，原文為《電腦裡的小宇宙，重現絢麗的恆星爆炸！專訪陳科榮》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

通常有名的哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）星系影像，要不是壯觀的螺旋星系，就是邊緣和緩變化的橢圓星系，不過這些通常都是大型星系才有的模樣，瞧瞧右方影像中的星系，有沒有覺得與眾不同呢？因為影像中的主角—洪伯II（Holmberg II，UGC 4305）是不規則矮星系（dwarf irregular galaxy）；這類矮星系的外型和型態差異頗大，很難歸類，故直接歸類為不規則星系。而哈柏先進巡天相機（Advanced Camera for Surveys）影像中可見模糊不清的洪伯II星系裡，有著數個巨大且發光的氣體泡泡呢！（譯者註：這個星系幾乎佔滿整個畫面，其中的紅色氣泡結構只是星系中的一部份而已喔！點選此處觀看這個星系的整體外觀影像。）

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資料來源：Galaxy caught blowing bubbles

轉載自台北天文館之網路天文網網站