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露特西亞小行星可能一度擁有熔融核心

臺北天文館_96
・2011/10/31 ・1903字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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天文學家分析羅賽達號(Rosetta)太空船飛掠21號小行星司琴星(21 Lutetia,或音譯為「魯特西亞」)時的觀測資料,結果發現這顆小行星的表面一部份有36億歲這麼老,一部份卻只有5000~8000萬年而已,此外,它的核心很可能一度處在熔融狀態。

司琴星小行星是到目前為止,曾有太空船拜訪過的小行星中體積最大的;Lutetia是源自巴黎古地名的拉丁文。羅賽達號太空船以3170公里飛掠這顆直徑約130公里的小行星時,小行星距離地球約4億5000萬公里,羅賽達影像顯示司琴星小行星表面遍佈坑谷與裂縫,顯示這顆小行星過去曾經歷過無數戰役。

由法國、德國、荷蘭與美國天文學家組成的研究團隊,分析羅賽達號的司琴星小行星影像,發現在其寒冷而充滿裂隙的內部,極可能一度有個熾熱而熔融的金屬核心,意味司琴星小行星雖然曾經歷了數十億年的撞擊歷史,但卻仍保有它從太陽系非常早期形成之後的原始分層結構。而這項發現也意味著:主小行星帶中,各小行星必定還有更多尚未發現的差異性,可能有許多天體擁有核心或有趣的內部結構,只是被未融化的表面包覆住了,所以沒被科學家發現。小行星帶很可能比只從觀察小行星表面所得的還有趣多了。


年輕與年老並存的世界

這些天文學家從司琴星表面的隕坑數量來估算其相對年齡,隕坑數量愈多,相對年齡愈老,反之隕坑數量愈少愈年輕。結果發現有一部份表面的佈滿了密密麻麻的隕坑,年齡達36億年之多。而那些隕坑數量少、看起來比較年輕的地方,應該是鄰近地區曾遭到其他小行星撞擊所引發的地震導致山崩的結果。山崩滑落的碎岩,有些直徑達300-400公尺左右,相當於澳洲的艾爾斯岩那麼大。而崩落的碎屑厚度約達1公里左右。

估計某些次的撞擊可能非常猛烈,造成司琴星表面崩裂,且崩裂的裂隙還逐漸向內部延伸,最後形成了我們今日所見的面貌。


小行星不只是石頭堆

絕大部分的小行星位在火星和木星之間的主小行星帶(main asteroid belt)中,基本上由岩石和金屬所組成,過去數十億年來,不斷互相碰撞與冷卻,所以大都有著如馬鈴薯般的不規則外觀。與行星相較之下,這些由岩石堆積成的小行星都相當小而輕,內部有許多空洞和裂縫。一般認為絕大部分小行星應該沒有機會融化,然後形成一個高密度的金屬核心,所以都維持著剛形成時的岩石和塵埃聚集原始型式。

相對地,普朗克研究所Holger Sierks等人把根據羅賽達號拍到的小行星外型融入電腦模型,計算司琴星的體積、質量,然後計算密度,卻發現司琴星小行星密度比一般落在地球上的絕大多數隕石樣本的密度還高許多。

從密度資料看來,這顆小行星內部應該幾乎是實心的,沒有孔隙或裂縫。然而羅賽達號研究者測量司琴星小行星表面的隕坑,確定司琴星表面到處都有巨大的裂隙,顯示這顆小行星內部應該有許多孔隙,和密度測量結果不大相符。畢竟,如果小行星內的孔隙愈多,小行星的密度應該會愈低,就像海綿或菜瓜布一樣。

對此互相矛盾的結果,Sierks等人提出一個可能的解釋:或許在它充滿裂隙的表面之下,這顆小行星的確含有一個過去曾融化、如今已固結的高密度金屬核心。

這項直接測量結果,或許可作為美國麻省理工學院(MIT)Benjamin Weiss等人去年發展出的一套理論的證據。Weiss等人研究掉落在地球上的球粒隕石,據信球粒隕石的成分從太陽系早期形成後至今都不曾改變,等於是太陽系早期遺留至今的化石;Weiss等人從Allende隕石樣本發現一些具強磁性的樣本,認為這些樣本應該是在具有熔融金屬核心的小行星中受到磁化作用的。這個觀點顯然與主流認為的:絕大部分小行星應是原始、未融化的天體的概念有很大的差異。


發展中斷的天體

如果真的存有金屬核心,司琴星應該是第一顆已知有部分分異作用(partially differentiation)的小行星,內部有一部份曾在冷卻過程中,經過分異作用而成為成層結構;另一部份則因溫度過低而保持原狀。這或許就是太陽系早期的行星發展的其中一幕。

約在45億年前太陽系開始發展時,從最初的塵埃碰撞合併,結合成愈來愈大的岩石團塊,一部份岩石團塊愈長愈大,最後變形成了行星;不過還是有很大一部份岩石團塊沒有成為行星的一部份,快速冷卻後便成為小行星。較大的天體從外部開始冷卻,在熔融的核心周圍形成地殼。根據Weiss等人的理論,司琴星就是其中一個成長中斷的小行星,沒機會長大成一顆行星,但保留了發展到一半的特徵,維持熔融初期的天體狀態。但這樣的天體還是得夠大,不然無法維持熔融核心一段時間,也就不會出現司琴星這樣的特徵。

不過,對此理論是否絕對正確,這些科學家們還無十足把握,他們計畫分析更多的類似天體,並期望在2016年的小行星樣本返回太空計畫中,取得關鍵性的證據。

資料來源:

  1. Asteroid Lutetia: postcard from the past
  2. Battered asteroid may have warm core

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
482 篇文章 ・ 27 位粉絲
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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

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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

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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

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  • 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

在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

 

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