麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 13 日 0:00 | 分類 天文 , 科技教育 Telegram share ! follow us in feedly


宇宙也有麥田圈?重力如何害遠方星系「面目扭曲」宛如魔戒?磁星會吹熱泡泡,研究員用電腦畫浮世繪?中央研究院天文及天文物理研究所參與中研院「開放博物館」,研究員拿出壓箱底的天文美照與研究成果,促成「星海巡奇」線上展覽,滑鼠輕輕一點,即可穿越千萬光年的異世界,飽覽令人腦洞大開的天文奇景。

宇宙也有麥田圈?

地球的麥田圈還懸而未決,想不到太空中也有?下圖美麗神祕的「宇宙麥田圈」,其實是行星系統誕生之前的模樣:原行星盤。

兩張美照皆是由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)望遠鏡,解析原行星盤「金牛座 HL 」所得的細緻結構。這是人類首度拍攝到這麼年輕的原行星盤高解析度影像,可一窺行星形成的祕辛。

▲ 這張是拍攝連續光譜,得到金牛座 HL 原行星盤的塵埃分布,清楚呈現環與間隙的構造。(Source:ALMA,ESO / NAOJ / NRAO)

▲ 這張照片是拍攝分子譜線,得到金牛座 HL 原行星盤的氣體分布,同樣有環與間隙。(Source:ALMA,ESO / NAOJ / NRAO, Yen et al.)

智利沙漠的 ALMA 望遠鏡運用「天文干涉技術」,共有 66 座天線協同工作,且天線之間距離夠遠,才得以拍出原行星盤的細緻結構。在此之前,前一代望遠鏡對這些年輕的原行星盤,只能看見平滑盤面,沒有明顯起伏,直到 ALMA 啟用才有重大突破。

▲ 阿塔卡瑪大型毫米波天線陣的一些無線電望遠鏡運用「天文干涉技術」。若要用單一望遠鏡看清楚原行星盤,望遠鏡必須非常巨大,技術很困難。因此天文學家先建造幾個「比較小」的望遠鏡,彼此相隔遙遠,再將觀測資料一起分析,效果等同一台巨大望遠鏡,這就是「天文干涉技術」。(Source:ALMA

原行星環:行星形成現場

說了半天,「麥田圈」盤面的環與間隙究竟是誰的傑作?「目前最熱門的解釋,是間隙有行星正在形成」,中研院天文所顏士韋助研究員主持金牛座 HL 的氣體分布研究,他解釋:原行星盤有很多氣體和塵埃,部分氣體和塵埃會逐漸聚集成行星。這些行星一邊長大、一邊在盤子內繞著原恆星轉,過程中行星重力會把沿路東西推開,形成一圈圈間隙。

為什麼重力會「推開」物體?因為盤上的物質進行克卜勒運動──內圈跑得快、外圈跑得慢。原行星會吸引比它內圈的物質,這些物質被拖慢速度,結果往更內圈跑;另一方面,原行星也會吸引外圈的物質,這些物質反而被拉快速度,往更外圈跑。原行星就這樣「推開」周圍物質,「清出」一條軌道,形成明顯的間隙。

一開始,天文學家先觀測到塵埃分布的「麥田圈」影像,但如果氣體分布是平滑沒有間隙的,「環與間隙」可能只是來自塵埃性質差異。所幸,顏士韋團隊之後確認金牛座 HL 的氣體分布也有環與間隙,支持「行星形成」的假說。

他們還從縫隙的寬度與深度推算出:間隙中正在形成的行星大約是木星質量。研究人員據此推測,行星形成的時間點比預期還要早,像木星這類的巨行星,可能恆星還沒完全「誕生」,就已趕進度地成形了。

磁星熱泡泡:太空版浮世繪

日本畫家耐心一筆一劃勾勒浮世繪,中研院天文所陳科榮助研究員用電腦模擬的「磁星熱泡泡」,是他獨創的太空版浮世繪。

故事要從頭說起。近年來,天文學家發現很特殊的超新星,可比一般超新星亮 100 倍,稱為「超亮超新星」(superluminous supernova)。理論天文學家不斷苦思:為什麼這些超新星會這麼亮?

有些學者提出「磁星」(magnetar)理論解釋:超新星爆炸經常伴隨中子星形成,有的中子星轉得非常快,轉速高達每秒 1 千圈,因為磁場強度高達地球 1 千兆倍,稱為「磁星」。

磁星的磁力線就像綁在星球外的繩子,快速旋轉下攪動,會以輻射形式把中子星的轉動動能傳遞出去。根據目前模型,發射出去的輻射能量只要超過磁星轉動動能 5%,就能產生比一般超新星 100 倍亮度,形成超亮超新星。

▲ 陳科榮以超級電腦模擬磁星驅動超新星爆炸的過程,圖為將磁星一切為二的三維模型。(Source:中研院天文所)

陳科榮從 2015 年就投入磁星驅動超新星的模擬研究,展示爆炸過程,立刻面臨巨大的難題:之前的研究都是一維模型,也就是假設「磁星驅動超新星的流體分布」是球對稱,所有方向的變化都一樣。但真實過程當然沒有這麼簡單,磁星的輻射壓力會突然把物質劇烈往外推,形成流體力學的不穩定結構,就像把墨水滴到水裡,可見多變複雜的結構。但一維模型的結果就像剷雪,只能將大量物質擠在非常小的區域,無法判讀箇中細節。陳科榮比喻:

一維模型就是只有一個車道,車子都擠在同一個車道,不能超車;二、三維就像有兩、三個車道,才能模擬真實流體不穩定現象。

陳科榮又舉例,葛飾北齋著名的浮世繪《神奈川沖浪裡》,海浪的尾端有許多破碎的複雜結構,真實的流體即是如此複雜,而這幅畫還只是偏向二維結構。三維流體的紊流更複雜,只有達文西這樣的天才,可以生動描繪出來。

▲ 從葛飾北齋浮世繪的海浪畫面(上),以及達文西繪製的紊流細節(下),可見真實流體的結構有多複雜。(Source:After Katsushika Hokusai / Public domain、researchGate

三維的紊流有很多複雜、不均勻的結構,磁星造成的熱泡泡也是如此。所謂「磁星熱泡泡」,就是磁星這個強大能量來源「吹出」的泡泡,就像滾水冒泡泡。每層泡泡有很多細微結構,一、二維的模擬皆無法呈現和解釋。但這些細微的紊流結構不可忽視,可是會影響磁星能量傳輸,進而影響超亮超新星的觀測性質。陳科榮以超級電腦模擬出的磁星熱泡泡,乃史上首度對磁星熱泡泡做出三維模擬,同時具備精密度和大尺度:全貌相當太陽系,細節小如台北市,可謂獨步全球。

▲ 陳科榮以電腦模擬的磁星熱泡泡,不但可見大尺度範圍,也可見許多複雜的精細結構。(Source:中研院天文所)

宇宙魔戒:愛因斯坦環

這枚宛如宇宙版魔戒的「愛因斯坦環」,其實是某顆巨大黑洞造成。中研院天文所團隊藉著分析愛因斯坦環影像,進一步推算出這顆黑洞的質量。

▲ SDP.81 愛因斯坦環。這是地球、40 億光年外之 A 星系、120 億光年外之 B 星系,3 個天體同時呈一直線,因位置剛好加上 A 星系的巨大重力造成的奇景。(Source:ALMA,NRAO / ESO / NAOJ;B. Saxton NRAO / AUI / NSF)

中研院天文所研究員松下聰樹解釋,重力可讓光線彎曲,宇宙如果有個大質量的東西如黑洞擺在光源前面,重力可成為折射背景光的透鏡,改變我們看到的影像,這個原理稱為「重力透鏡」,是愛因斯坦環的主要成因。

▲ 何謂重力透鏡效應?由左到右分別是:地球(觀測者)、大質量星體(如黑洞)、遠方的星系。當三者成一直線,遠方星系的光通過大質量天體附近,光線會因強大重力而彎曲(白色箭頭),就像透鏡彎曲光線,地球的觀測者就會「看見」變形的星系影像。(Source:NASA)

松下聰樹以一個高腳酒杯和一張紙,巧妙解釋這個神祕的天文現象。他在白紙上畫了一個紅點,周圍不規則塗上藍色。接著把酒杯放在圖案上,如果酒杯中心正對著紅點,那我們透過酒杯底座(扮演透鏡),可看到藍色環帶中間,顯現出一個完整清晰的紅圈。如果酒杯中心稍微偏離紅點,則會看到兩個或四點構造,散落在不對稱的藍色圓弧中。讀者不妨自己在家做實驗。

這次展出的 SDP.81 重力透鏡系統中,背景星系有很亮的核心,就像是實驗的紅點;附近還有瀰漫物質,就像是周圍的藍色區塊。松下聰樹說,假如背景星系是個只有核心的點光源,只會看到 4 個紅點。但圖中還可看到較微弱的弧狀結構,代表還有其他瀰漫物質在周圍。

▲ SDP.81「愛因斯坦環」的 ALMA 影像,數個紅點來自星系核心緻密區域。(Source:黃活生、蘇游瑄、松下聰樹,2015)

用影像「秤出」黑洞有多重?

中研院天文所的團隊利用愛因斯坦環的影像,成功計算出中間的透鏡星系為一個黑洞,至少有 3 億倍太陽質量。

松下聰樹解釋,如果透鏡星系質量夠大,嚴重扭曲背景星系的星光,地球的觀測者只會在兩側看到增強的成像,看不見正中央背景星系的影像。這就好比,在酒杯的成像只看到外圍的弧狀範圍,看不到原來中央的紅點。而 SDP.81 系統的確如此,無法看到背景星系的原始影像,這表示黑洞夠重,可藉此推知黑洞質量的下限。

此外,愛因斯坦環還能推知背景星系的影像。背景星系遙遠而黯淡,但經過透鏡星系有放大的效果,運用電腦計算可還原出極高解析度的影像。

▲ 天文學家從 ALMA 影像(中)重建出背景星系的樣貌(右),目睹 120 億光年外的異世界。透鏡星系是橢圓星系,通常不會發出電波,所以 ALMA 的波段可以不受透鏡星系干擾,清楚分辨來自背景星系的光。再加上 ALMA 有夠好解析度和靈敏度,才能看清楚愛因斯坦環,並執行以上計算。(Source:ALMA,NRAO / ESO / NAOJ;Y. Tamura / The University of Tokyo;Mark Swinbank / Durham University)

除了以上精彩內容,本次展覽還有「微旋臂 暗度陳倉?」展示呂浩宇研究的大質量恆星團旋臂,「完美螺旋的分岔」則是金孝宣的飛馬座 LL 雙星系統的螺旋分岔,「塵埃間隙發現旋臂:暗示行星正在形成」展現湯雅雯研究的御夫座 AB 星美照,「漢堡,啤酒,雙頭槍」為李景輝發現胚胎恆星在吸食「塵埃漢堡」的案發現場……更多讓人腦洞大開天文美照,快進入「星海巡奇」線上展覽一飽眼福吧。

(作者:歐柏昇;本文由 研之有物 授權轉載;首圖來源:開放博物館