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故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看(一)

活躍星系核_96
・2016/05/26 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

文/蕭俊傑(科學 X 博士)|國家太空中心任務科學家

如果是喜歡到各大博物館參觀的人,一定不能錯過今年暑假一個很特別的展,而這個展就要在今(2016)年 5 月底來到台灣了!

NASA – A HUMAN ADVENTURE 一場人類冒險」特展(NASA特展)將要來到台灣。這是大家都熟悉的美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration,也就是 NASA 啦!)第一次在美國以外的國家舉辦的巡迴展,不只有超過 300 件真正有參與過太空任務的展示品之外,還有許多大型的火箭、太空梭、太空船等,保證可以讓愛拍照的人拍個過癮。

NASA 特展在來到台灣之前,已經從 2012 年開始巡迴西班牙、土耳其、荷蘭、日本、泰國、瑞典等國家展出過,在2015 年 12 月 5 日來到韓國首爾的國際展覽中心 KINTEX(Korea International Exhibition Center),展出到 2016 年 2 月 11 日結束後,就開始打包準備來到台灣。台灣將是這個特展全球巡迴的第八站、亞洲第四站,即將從 2016 年 5 月 28 日開始到 9 月 18 日,在台北國立科學教育館七樓、總面積超過 1000 坪的展場中展覽。這次除了來自 NASA 的各項展品之外,更有我國國家太空中心(National Space Organization,NSPO,位於新竹科學園區,也是 X 博士上班的地方)。這是 NASA 在各國巡展時,首次有當地的太空研發機構一起聯合策展。

熱愛太空科學的 X 博士,當然不會錯過這個好機會。在 2016 年 1 月,已經搶先一步到韓國首爾的特展參觀。因為這次是跟著中視、蘋果日報、自由時報等國內幾家媒體一起參觀,所以也體驗到了部份一般民眾無法體驗到的難得經驗。在台灣展開始之前,先讓大家看看韓國 NASA 特展到底有什麼精彩的地方。

韓國 NASA 特展共分有 6 個展區,一個一個來跟大家介紹:

1. 啟程(GANTRY ENTRANCE)

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Gantry Entrance 展覽入口。圖/作者攝影。

常常看太空影片的人就知道,這個入口的佈置就是讓太空人走進火箭的場景,上面寫著 LC-39A,LC 指的是Launch Complex,也就是火箭的發射設備。LC-39 就是位於佛羅里達甘迺迪太空中心的火箭發射場(Kennedy Space Center Launch Complex 39),在這有 39A、39B 與 39C。美國 1981 年第一次發射太空梭哥倫比亞號(Space Shuttle Columbia)就是在 LC-39A 發射的。這個是 LC-39A 真正的樣子。

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佛羅里達甘迺迪太空中心的火箭發射場 LC-39A。圖/NASA, public domain.

在展場中,大家可以在這個特別設計的入口,體驗太空人登上準備發射的太空船是什麼感覺。其實這一個展區短短的,走這去就沒了。(BTW 這張照片左邊走在我前面的,就是中視男型主播。)

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圖/作者攝影。

2.夢想與探索(DREAMERS)

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圖/作者攝影。

這個展區整個就是 19 世紀蒸氣龐克風格的佈置。超科幻,也超夢幻的一個展區。

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圖/作者攝影。
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圖/作者攝影。

這個展主要帶大家回到法國知名作家朱爾.凡爾納(Jules Gabriel Verne,1828年生,作品有《環遊世界八十天》、《海底兩萬里》、《地心冒險》第一集與第二集等)。他的作品《從地球到月球》(De la Terre à la Lune, 1865)裡有許多早期人們對太空探險的想像。在這個展區播放了這部具有黑白電影的精彩片段,而當時影片中許多想像的情節,與後來人類真的登陸月球之後有些相似之處。

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3. 狂熱(GO FEVER)

這個展區主要講的是早期美國和蘇聯兩大太空強國的太空競賽。冷戰的陰影充滿了緊張的戲劇性,這個展場有許多當時兩國太空發展的珍貴記錄。一走進展區,抬頭看到的就是人造衛星「史波尼克一號」。這是由蘇聯於 1957 年 10 月 4 日發射,人類史上第一顆進入地球軌道的人造衛星。

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圖/作者攝影。

在史波尼克一號發射之前,美國雖然也曾經發射過人造衛星,但很可惜的是沒有成功。史波尼克一號發射成功的意義不僅僅是蘇聯早美國一步把人造衛星送上太空,更重要的是,它代表了當時的蘇聯在火箭技術上有很大的成就,不僅僅是有能力把衛星送上太空,也代表他們有能力把具有攻擊性的彈頭裝置到火箭上,對射程內的地點進行攻擊。因此史波尼克一號的發射,對於當時的美蘇太空競賽來講是非常重要的一顆震撼彈。

大家在拍史波尼克一號時,不坊站一個合適的地方,可以讓自己的樣子被反射到衛星表面上,也算是跟史波尼克一號合照了。

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史波尼克一號彈頭,這次仍是作者跟中視型男主播一起合照。圖/作者攝影。

美國在 NASA 成立後就開始進行「水星計畫」(Project Mercury),大家一定都知道 Mercury 是太陽系中水星的意思,但它也是希臘神話中的速度之神。所以不要把水星計畫以為是美國要登陸或是探索水星的計畫,這個計畫是準備搶先蘇聯一步將人類送上太空。

1961 年 1 月, NASA 在把太空人送上太空前,先讓一隻名叫 Ham 的黑猩猩試乘火箭上太空,最後也順利成功從太空返回地球。平安回到地球的 Ham 後來還成為華盛頓國家動物園的大明星。不過牠不是人類第一隻準備送上太空的動物,第一隻是坐蘇聯史波尼克二號的太空狗 Laika,殘念的是牠在升空 7 分鐘就嚇死了……

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圖/作者攝影。

美國知名的《時代》雜誌(TIME)在 1968 年 12 月,也以 RACE FOR THE MOON 為封面,針對太空發展做報導。在當代也有許多相關商品,像是太空便當盒、太空睡衣、太空彈珠台、太空水壼等等。大家注意喔,這些以太空為名的商品都不是要給太空人用的,而是當時的廠商為了趕搭太空熱潮,在很多一般用品上都印上太空相關的圖案而已。可見當時人們對太空這個未知的領域抱有多少的熱情與憧憬。

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以 RACE FOR THE MOON 為封面故事的《時代》雜誌。圖/作者攝影。
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當時許多的商品都搶著以太空作為主題。圖/作者攝影。
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圖/作者攝影。

J 編按:人類已經獲得了前往太空探索的門票,接下來的太空探索也將越來越有趣,讓我們繼續看下去。

真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看(二)

太空人只能尿在尿上?誤會比無知更危險—NASA特展搶先看(三)

本文轉載自作者網站科學X博士


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相關標籤: NASA一場人類冒險
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

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。