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新的太陽系第九行星又出現了!?這是真實抑或是虛幻的想像呢?

Y博士
・2016/01/22 ・2374字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 550 ・八年級
source:science
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一早起來,打開臉書,除了昨晚 26臉書大戰的貼文,另一個熱門的貼文,就是「美國天文學家發現 X行星」,看到這個貼文我真是無比欣慰。事實證明,我的朋友水準很高,除了「爆料公社」之外,讓我可以跟上世界天文學的最新潮流,實在令人內牛滿面。特別是泛科學的 P編,第一時間貼出 nature的評論文章,讓我的景仰有如滔滔江水連綿不絕,又有如黃河氾濫一發不可收拾。喔,我是說對 nature寫文的該編。

究竟!這 個X行星是真實的存在,還是虛幻的糾葛,抑或是科學家的想像呢?!讓我斬釘截鐵的告訴各位,X行星尚未發現,同志仍須努力。

回顧世界天文學史,1781年英國天文學家威廉赫歇爾爵士發現天王星,不久之後天文學家發現天王星的軌道並不如預測,並且推測天王星是受到另外一個未知行星的重力影響,根據這個影響,1846年,海王星被發現。Again!天文學家發現海王星對天王星的重力影響又不如預期,所以天文學家又推測海王星軌道之外應該還有一個行星。是的,最後發現的就是冥王星。

古柏帶。source:wikimedia
古柏帶。source:wikimedia

BUT,人生最重要的就是這個 BUT。1990年代,因為天文望遠鏡和偵測器的快速發展,天文學家在冥王星的軌道附近發現越來越多的天體,後來才知道,原來海王星軌道之外,充滿了許多小型天體,而冥王星只是其中之一。這一個區域被稱為「古柏帶」。天文學家在海王星軌道之外發現很多大小跟冥王星類似的星體,例如鬩神星(Eris)體積雖然比冥王星小,但質量就比冥王星大。於是,2006年國際天文聯合會通過決議,冥王星被降級成「矮行星」。(編按:可以至科學史上的今天看這一段令人悲催的故事:冥王星自九大行星除名

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好的,前情提要完畢,現在終於要進入正題。

宣稱有X行星存在的,是兩位加州理工的天文學家,貝特金(Konstantin Batygin)和布朗(Mike Brown)。他們找出六個軌道特殊的古柏帶天體,從這張圖可以看出來,這六個矮行星的近日點似乎都在同樣的一個方向。另外一點,這六個矮行星都是由不不同的望遠鏡發現的,可以排除觀測上的系統誤差。兩位作者把這些軌道參數輸入,並且利用電腦模式計算,得出的結論就是:應該存在另一個行星,質量大約是地球的七倍,公轉一圈要一萬五千年的時間

就是這個X行星,影響了這六個矮行星的軌道。而且兩位作者還建議可以利用夏威夷毛那碁峰上的「Subaru昴」望遠鏡(日本國家天文台)進行觀測。根據兩位作者的說明,這六個矮行星的軌道因為巧合所造成的可能性是0.007%,換句話說,因為外力造成的概率高達99.93%。

source:science
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但是,問題就在這個「外力」是什麼?兩位作者認為,是有一個X行星的存在。但是別忘記,天文學家必須「眼見為憑」,雖然兩位科學家的研究相當充分,在還沒發現這個X行星之前,電腦模擬的結果仍然只是一個可能的解釋。也許,還有更多位於古柏帶的天體還沒被發現,而這些尚未被發現的天體也許能夠解釋這六個矮行星的奇特軌道。

總之,貝特金和布朗提出了一個相當傑出的理論,可以解釋六個矮行星的軌道,甚至預測X行星的存在。現在要證明這個理論的對錯,就是開始收集資料,用觀測的證據來說話,有鑑於此,NASA今天也在臉書上貼出一段影片,解釋了行星探索的來龍去脈。各位觀眾,請看VCR!

話說回來,發表結果的這兩位天文學家,在業界可以算是赫赫有名。第一作者姓貝特金,名字剛好跟驅魔神探一樣,叫做「康斯坦丁」,可惜他不驅魔,專治大學生。年紀輕輕已經是加州理工學院的助理教授,從小就是天才兒童,根據可靠消息來源指出,出paper就跟喝水一樣容易。而第二作者,麥克.布朗,近年發現許多冥王星軌道附近的大型天體,包括鬩神星Eris,冥王星之所以從行星除名,大概他也脫不了關係。而他的推特帳號,就是「冥王星殺手plutokiller」。

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左邊是布朗,右邊是貝特金。source:Science

然而,這一篇文章,並不是發表在科學界指標刊物Nature、Science,也不是發表天文物理學界最頂尖的雜誌。再者,這一篇文章尚未完全審查完畢。居然引起如此大的迴響,真的是讓人始料未及。根據線報,昨天在加州理工的SNG車,跟報導加州地震時的數量差不多。

簡單的來說,這是一個尚未被證實的科學結果,未來也有可能受到新觀測證據的挑戰。而今天卻登上大大小小的版面,不管是自我宣傳還是科普宣傳,兩位作者的確達成戰略目標。畢竟大眾的關注越多,得到研究經費的機會就越大,也越能夠支持未來的研究。美國太空總署,就深明此道。2015年兩部科幻電影《星際效應》和《絕地救援》上映之後,NASA的經費大幅地增加。

反觀國內,科學家、行政體系與大眾之間仍然存在巨大的落差。在台灣認真研究,取得重大科學成果後,積極向大眾說明並盡力科普的研究機構不少,一般大眾也大多歡迎這一類的新知,但是上層行政體系的質疑聲浪從不間段,認為科學家不該愛出鋒頭,應該惦惦甲三碗公,這實在令人感慨萬千。兩相對照,我還衷心的期盼,來自行政體系的阻力不要澆熄科學家走向大眾的熱情,科學進展應當與全體納稅人共享才對。

參考資料:

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Y博士
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天文學家。


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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 ・3033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地「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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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。
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