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發現新彗星的女天文家──《蒙塵繆斯的微光:從古代到啟蒙時代,在思想及科學發展中發光的博學女性》

PanSci_96
・2016/04/28 ・3005字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

大概是一六八六年,當瑪麗亞.溫克曼─基爾希Maria Margarethe Kirch)僅十六歲時,她在靠近來比錫的索末菲,於自學有成的天文學家克里斯托夫.阿諾德Christoph Arnold)的家中遇見未來的丈夫高特富利德.基爾希,(Gottfried Kirch),當時他三十歲。由於父母雙亡,瑪麗亞花了很多時間在家庭與朋友上。她很樂意協助這位胸懷大志的業餘天文學家克里斯托夫做研究,並且向他學得數學與如何進行天文學的計算。她的父親曾經是路德派牧師,當她還是小孩時,父親曾教導過她天文學,所以後來為克里斯托夫工作時,她可以繼續享受自己所喜愛的消遣。以職業論,雖然克里斯托夫是個農夫,但他獻身於他的消遣而且受到專業天文學家極大尊敬。許多學院派的天文學家,譬如高特富利德.基爾希,便經常登門造訪。

烏拉尼亞
天文學的繆斯女神烏拉尼亞,注視著她書桌前方的渾天儀。

與丈夫一同研究天文學

瑪麗亞和高特富利德的婚姻很美滿,高特富利德很滿意有個年輕、知性、活潑的女性當妻子,除了照顧家務外,她還協助他做天文學方面的研究。就她來說,瑪麗亞希無疑地很高興能夠和丈夫一起繼續她對天文學的研究。她曾經協助過阿諾德從事計算、觀察、編彙日曆多年,因此在這個職業上具有專業水準。若非一個研究天文學的丈夫,她幾乎沒有機會繼續她的工作。

固然天文學者沒有以外科手術師和藥劑師的方式組成公會,但他們的專業能力,卻能與手藝人比擬。從十六世紀到十八世紀,很多重要的天文學者不曾在大學裏學習天文學,相反地在醫藥、神學、法理學上完成學位。天文學的觀察和儀器的使用需要長期的練習,這是在大學中不曾提供的。天文學家透過有如手藝學徒服侍較年長師傅一般的方式,學習他們的專業。高特富利德在但澤的約翰內斯.赫維留家族的私人天文台工作。赫維留在他的時代很有名,最重要的是,他甚至不信任自己建造的望遠鏡,反而用一個變化極大的早期儀器──象限儀──進行精確的天文學測量。

一七○○年,高特富利德被指名為新建立的柏林科學院首席天文學家。在丈夫身旁,瑪麗亞雖然是非正式人員,但卻升遷到一個重要的職位,普魯士首席天文學家的助手。由於缺乏資金,科學院無法提供給它的天文學家最好的觀測儀器,所以直到一七○七年,他們都被迫使用一個普通的天文台。根據由選侯斐特烈三世簽署、確認聘請高特富利德.基爾希的文件,這位統治者聘請的天文學者的主要任務是,用心觀測,並更新每一年度發行的刊物《天體曆書》──提供行星、太陽、月亮每日的位置。此外,基於一七○○年五月十日的詔書,從此以後他「每年,在指定時間,上交一份王國專用的日曆」。

為王國編彙日曆

柏林科學研究院不同於在倫敦、巴黎以及歐洲其他地區的類似機構,它將天文學提升至非常高的地位。一六九○年代末,選侯斐特烈三世的妻子索菲亞.夏洛特(一六八八~一七○五),向宮廷的哲學家萊布尼茲表達她的顧慮,因為沒有一本日曆是在普魯士編彙的,而且統治者也缺少自己的天文台。為了貫徹日耳曼科學院的計畫,萊布尼茲熱心奔走,其實這個想法,他先前已經向索菲亞.夏洛特的母親漢諾威的索菲亞選侯夫人提過了。萊布尼茲提議,資助新科學院的運作,主要在壟斷日曆的收益,而它們可以被用來建造天文台,並且為科學院聘請正式職員。

在柏林的宮廷推展計畫,對萊布尼茲而言,不是那麼簡單,因為選侯不希望哲學家對他妻子索菲亞.夏洛特產生太大的影響力。一七七○年,選侯終於下決心資助在柏林的科學院,而第一步驟就是建立對日曆編彙的壟斷,在傳統上,這項工作原本都是由替教會工作的天文學家執行的。憑著他的職務,高特富利德.基爾希成為這間新成立的學院中最重要的科學家,而且運用銷售瑪麗亞所製作的官定普魯士省日曆的收益,資助了科學院絕大多數的工作。當一七○一年普魯士變成王國後,科學院的建立被視為這個王國的第一項重要成就。

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日曆在久遠以前,也是統治王國的重要工具。圖/Dafne Cholet@flickr

在製定日曆時所需要的數學非常複雜,唯有專業人士才能擔任這項工作。打從古埃及和美索不達米亞以來,日曆的主要作用之一,在告訴國人於何時觀看重要的宗教慶典。這些日子必須與聖書配合。事實上,《聖經》並未提供有關復活節日期的正確資訊,因此在基督教歐洲,引起日曆編彙者極大的困擾。

由於那是一個倚賴天文學來判定的日期,所以復活節通常會因為歐洲的東正教、羅馬天主教、新教的不同,而觀測出相異的時間。

在科學院裏,高特富利德和瑪麗亞身負與整個王國有關的重責大任,這包括科學、宗教、社會、政治、經濟的問題。雖然瑪麗亞希在科學院的職務取決於他先生的職位,但是她的工作的重要性卻是院內皆知的。高特富利德如果沒有助手,便難以成事,而且他在工作上也無法找到一個比妻子更好的人。在他本人的著述中,高特富利德公開承認,作為一個天文學家,他的妻子扮演了關鍵性角色。這對夫妻在工作上是不可分割的一對,正如同手藝人家庭中的習慣一樣。晚上,瑪麗亞在天文台和丈夫輪流值班,而白天則照料家務和孩子。

瑪麗亞的科學成就

一七○二年,瑪麗亞發現了以前所不知的彗星,這在十八世紀被視為一項傑出的天文學成就。然而她的發現並未獲得承認,因為這個彗星的觀察是以她丈夫的名義發表。多年後,在高特富利德.基爾希的一篇論文中,他表明那顆彗星的確是妻子發現的。高特富利德.基爾希自己也發現一顆重要的彗星,而且這項發現開啟了對彗星軌道的更佳瞭解,也讓他成為當代重要的天文學家。

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瑪麗亞的肖像。圖/pinter同時努力撰寫關於天氣預報對於農人和船員的益處。由於她缺乏拉丁文的知識,致使無法參加的國際性天文學討論。

一七○九年,瑪麗亞接到來自柏林科學院主任高特富利德.威廉.萊布尼茲所表達對她應有的敬意。當萊布尼茲在普魯士王國的宮廷中介紹她的時候,強調她的工作就像一個天文學家:「在柏林,有一位極為博學的女性,事實上,是一位相當不尋常的人。她的成就,既不在文學,也不在修辭學,而是在最為深奧的天文學知識。我不相信這位女性能輕易在她已出名的科學中找到和她匹敵的人。有如其他博學的天文學家一樣,她是哥白尼體系──太陽不動的理念──的支持者。同時很高興地聽到她根據《聖經》定義此一體系,事實上她對所有這些知識都非常嫻熟。她和最好的天文學家一起進行觀測,她也知道如何以高超的技巧操作象限儀和望遠鏡。」


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身處在男性主義的世界裏,被排拒於追求思想和科學的公共舞台之外,那些敢於衝破歷史、反抗現行的性別階級,成功地在由男性主導的學問公共舞台上演出的女性,經歷過怎麼樣的壓力和艱難?《蒙塵繆斯的微光:從古代到啟蒙時代,在思想及科學發展中發光的博學女性》,暖暖書屋出版。


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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。