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2015《nature》年度照片大賞

梁晏慈
・2015/12/30 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

2015年即將結束,讓我們一起來看看由自然《Nature》選出的年度精選照片吧!

爬蟲類大對抗

nature pic, PanSci

別以為你在看侏儸紀世界!這是兩隻科摩多巨蜥(Komodo Dragon)為了爭地盤而決鬥的畫面。科摩多巨蜥生長在印尼,是現今體型最大的蜥蜴,平均體長可達2至3公尺,以肉食及腐食為生。由於科摩多巨蜥分泌的毒液會阻擋獵物凝血,造成獵物失血過多死亡,所以牠們會放走咬過的獵物,然後只要在背後偷偷跟蹤,食物就能手到擒來。這張展現野生動物決鬥的照片是2015年野生動物攝影師大賞的(Wildlife Photographer of the Year )的決選作品。

看得見的音爆

nature pic, PanSci

我們都知道當鴨子划過水面的速度大於水波的速度時,鴨子會在水面產生一道道美麗的漣漪。但你看過這樣的音爆場面嗎?這架美國的噴射機以超音速飛行在莫哈韋沙漠上空,位於噴射機上方的另一台美國太空總署的飛機捕捉了噴射機劃過天空的產生的衝擊波。光經過不同密度空氣的折射現象其實是很難被觀察的,但透過1864年德國科學家August Toepler發明的紋影攝影術(schlieren photography),我們能將音爆的效果完美呈現。

奇幻的麥哲倫雲

nature pic, PanSci

這可不是甚麼汙染河面的空拍圖XD,而是普朗克衛星捕捉微波及紅外光,計算後得到的麥哲倫雲。圖中較大片的褐色區塊為大麥哲倫星系( Large Magellanic Cloud),左下角較小的褐色區塊則為小麥哲倫星系( Small Magellanic Cloud )。這兩個星系屬於沒有旋渦、橢圓等結構的不規則星系,並可能環繞著我們生活的銀河系。

象鼻蟲的大頭照

nature pic, PanSci

「哈囉~你在看我嗎?你可以再靠近一點!」這是一隻棉子象鼻蟲(boll weevil, Anthonomus grandis),頭部僅有幾釐米寬,長長的、延伸出來的不是鼻子,而是用來覓食的口器。這張Wellcome Image Awards的得獎作品,利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope),清楚呈現象鼻蟲的頭部特徵。

大自然裡也有粉紅龐克!?

nature pic, PanSci

原文是用令人恐懼( eerie)去形容圖中像骷髏的物體,但我覺得它們笑得蠻可愛的啊╰( ̄▽ ̄)╭。哎呀~回歸正題,這是由David Maitland拍攝的紙紗草(papyrus plant, Cyperus papyrus)維管束切片200倍放大影像。維管束組織負責傳輸養分及水分,是維管植物裡很重要的角色,不只可愛而且還很有用呢!

病毒蔓延中

nature pic, PanSci

這是一張大病毒的3D影像( large virus,其宿主為後棘狀阿米巴變形蟲(Acanthamoeba polyphaga)),由數百張的2D影像疊圖而成。但科學家究竟是如何知道物質的三維結構呢?答案是,X光繞射(X-ray diffraction)。由於單一分子的繞射行為並不明顯,科學家唯有將待測物結晶,透過大量重複單元的晶格繞射結果,才得以了解待測物的結構。因此養晶、解結構,仍是目前最直接證明合成出目標分子的方法。可是…養晶是門藝術啊(倒~~)!生物大分子的結晶尤其困難。好消息是X光自由電子雷射器(一種高強度的脈衝X光)的出現有望解決這個困難,讓科學家不用養晶也能知道單一分子的結構!

太空泡泡

nature pic, PanSci

這團「雲啊~霧啊」的太空泡泡是行星狀星雲-南貓頭鷹星雲。當恆星進入生命晚期,其向外膨脹的氣體被電離後產生發射星雲,即為行星狀星雲。 此照片由智利的甚大望遠鏡( Very Large Telescope)拍攝。

「冥王星,你好!」

nature pic, PanSci

2006年發射的新視野號,這幾年來不斷傳回大量的影像和資訊回地球,然而直到2015年,這張當新視野號最靠近冥王星時所拍攝的冥王星影像才真正地驚豔了大家。照片中太陽光清楚地勾勒出冥王星的輪廓,顯現了她孤冷(表面溫度44 K)的氣質。期待新視野號能帶領我們繼續發現太陽系的其他秘密。

快閃一瞬間

nature pic, PanSci

這張照片利用長時曝光的攝影技術,清楚地捕捉到了閃電!對於大部分的人來說,雷電交加是件很可怕的事;然而對於位在美國佛羅里達的國際閃電研究及測試中心(International Center for Lightning Research and Testing)而言,這些我們害怕的事物,卻是他們感興趣的對象。他們設計並實際探討火箭穿透風暴後觸發的閃電現象。

「膚淺」的人體影像

nature pic, PanSci

這張彩虹斑點的人體照片,顯現了在人體最大的器官-皮膚上的化學物質及微生物。圖中色彩越趨近於紅色代表此處的分子多樣性越高,反之,藍色代表多樣性低。聖地牙哥大學的Pieter Dorrestein及其團隊徵求兩名志願三天不洗澡的健康受試者,採取他們皮膚上約400個位置的樣品,進行質譜及DNA定序的分析,最後利用超級電腦彙整了大筆的數據並繪製了這張圖。

生生不息

nature pic, PanSci

這張滿布屍首的照片呈現了禿鷹的日常生活!禿鷹以屍體為食,很少主動攻擊動物。牠們的胃酸有很強的腐蝕性,因此即便吃下被細菌感染的食物,也不容易生病。這畫面或許看起來有點陰森,然而禿鷹的攝食習慣,其實在生態系統的健全發展中扮演很重要的角色。

加州大火

nature pic, PanSci

今年8月克里爾雷克( Clearlake)的火災照片。人稱「金州」的加州這四年來飽受乾旱之苦,野生動物的生存受到了威脅,各地區更是火災頻傳。

火星上有水!?

nature pic, PanSci

「火星上究竟有沒有水?」一直是天文學家好奇的問題。現在,他們用這張火星上的隕石坑-火山口加尼上的照片證明火星上真的有水在流動!圖中黑色條紋的部分表示火星表面有含水的礦物質,且條紋的分布會受季節影響,推測和水的流動有關。這項研究仰賴高解析度成像科學設備(High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE),並希望後續的結果能讓我們對於宇宙生命的發展有更進一步的了解。

一口氣看完了那麼多精彩的照片,你是否更想了解其背後的故事呢?別擔心,泛科學早就為好奇的你準備了許多相關報導,祝大家有個收穫滿滿的2015喔!

延伸閱讀:

 參考資料:


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梁晏慈
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梁晏慈,台灣大學化學系研究所。 喜歡聽故事、說故事,還有貓。


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。