麦田圈、浮世绘、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窥脑洞大开的天文奇景-pg电子游戏

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麦田圈、浮世绘、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窥脑洞大开的天文奇景

宇宙也有麦田圈?重力如何害远方星系「面目扭曲」,宛如魔戒?磁星会吹热泡泡,研究员用电脑画浮世绘?中央研究院天文及天文物理研究所参与中研院「开放博物馆」,研究员们拿出压箱底的天文美照与研究成果,促成「星海巡奇」线上展览,滑鼠轻轻一点,即可穿越千万光年的异世界,饱览令人脑洞大开的天文奇景!

宇宙也有麦田圈?!

地球上的麦田圈还悬而未决,想不到太空中也有!?下面美丽神秘的「宇宙麦田圈」,其实是行星系统诞生之前的模样──原行星盘。

两张美照皆是由阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列(alma)望远镜,解析原行星盘「金牛座 hl 」所得的细致结构。这是人类首度拍摄到这么年轻的原行星盘高解析度影像,可一窥行星形成的秘辛!

这张是拍摄连续光谱,得到金牛座 hl 原行星盘的尘埃分布,清楚呈现环与间隙的构造。 alma (eso/naoj/nrao) 这张照片是拍摄分子谱线,得到金牛座 hl 原行星盘的气体分布,同样有环与间隙。 alma (eso/naoj/nrao), yen et al.

智利沙漠上的 alma 望远镜,运用了「天文干涉技术」,一共有 66 座天线可以协同工作,且天线之间距离够远,才得以拍出原行星盘的细致结构。在此以前,前一代望远镜对于这些年轻的原行星盘,只能看见平滑的盘面,没有明显的起伏,直到 alma 启用才有重大突破。

阿塔卡玛大型毫米波天线阵中的一些无线电望远镜,运用了「天文干涉技术」。若要用单一望远镜看清楚原行星盘,望远镜必须非常巨大,技术上很困难。因此天文学家先建造几个「比较小」的望远镜,彼此相隔遥远,再将它们的观测资料一起分析,效果等同一台巨大望远镜,这就是「天文干涉技术」 。

原行星环:行星形成现场

说了半天,「麦田圈」盘面的环与间隙究竟是谁的杰作?「目前最热门的解释,是间隙中有行星正在形成。」中研院天文所颜士韦助研究员主持金牛座 hl 的气体分布研究,他解释:原行星盘上有很多气体和尘埃,部份的气体和尘埃会逐渐聚集成行星。这些行星一边长大、一边在盘子内绕着原恒星转,过程中行星的重力会把沿路的东西推开,形成一圈圈的间隙。

为什么重力会「推开」物体?因为盘上的物质进行克卜勒运动──内圈跑得快、外圈跑得慢。原行星会吸引比它内圈的物质,这些物质被拖慢速度,结果往更内圈跑;另一方面,原行星也会吸引外圈的物质,这些物质反而被拉快速度,往更外圈跑。原行星就这样「推开」周围物质,「清出」一条轨道,形成了明显的间隙。

一开始,天文学家先观测到尘埃分布的「麦田圈」影像,但如果气体分布是平滑没有间隙的,「环与间隙」可能只是来自尘埃性质差异。所幸,颜士韦团队之后确认金牛座 hl 的气体分布也有环与间隙,支持「行星形成」的假说。

他们还从缝隙的宽度与深度推算出:间隙中正在形成的行星大约是木星质量。研究人员据此推测,行星形成的时间点比预期还要早,像木星这类的巨行星,可能在恒星还没完全「诞生」,就已经赶进度地成形囉!

磁星热泡泡:太空版浮世绘

日本画家耐心一笔一划勾勒浮世绘,中研院天文所陈科荣助研究员用电脑模拟的「磁星热泡泡」,是他独创的太空版浮世绘。

故事要从头说起!近年来,天文学家发现一种很特殊的超新星,可以比一般超新星亮 100 倍,称为「超亮超新星(superluminous supernova)」。理论天文学家不断苦思:为什么这些超新星会这么亮?

有些学者提出「磁星(magar)」理论来解释:超新星爆炸经常伴随着中子星的形成,有的中子星转得非常快,转速高达每秒 1000 圈,因为其磁场强度高达地球的 1000 兆倍,称为「磁星」。

而磁星的磁力线就像是绑在星球外的绳子,在快速旋转下被搅动,会以辐射的形式把中子星的转动动能传递出去。根据目前模型,发射出去的辐射能量只要超过磁星转动动能的 5%,就能产生比一般超新星 100 倍亮度,形成超亮超新星。

陈科荣以超级电脑模拟磁星驱动超新星爆炸的过程,上图为将磁星一切为二的三维模型。 中研院天文所 陈科荣

陈科荣从 2015 年就投入磁星驱动超新星的模拟研究,展示其爆炸过程,立刻面临一个巨大的难题:在此之前的研究都是一维度模型,也就是假设「磁星驱动超新星的流体分布」是球对称,所有方向的变化都一样。但真实过程当然没有这么简单,磁星的辐射压力会突然把物质剧烈地往外推,形成流体力学的不稳定结构,就像是把墨水滴在水里,可见多变复杂的结构。但一维模型的结果就像铲雪,只能将大量物质挤在非常小的区域,无法判读个中细节。陈科荣比喻:

一维模型就是只有一个车道,车子都挤在同一个车道,不能超车;二、三维就像有两、三个车道,才能模拟真实流体不稳定现象。

陈科荣又举例,在葛饰北斋著名的浮世绘《神奈川冲浪里》,海浪的尾端有许多破碎的复杂结构,真实的流体即是如此复杂,而这幅画还只是偏向二维结构。三维流体的紊流更复杂,只有达文西这样的天才,可以将其生动地描绘出来。

从葛饰北斋浮世绘的海浪画面(上),以及达文西绘制的紊流细节(下),可看见真实流体的结构有多复杂。

三维的紊流具有很多复杂、不均匀的结构,磁星造成的热泡泡也是如此!所谓的「磁星热泡泡」,就是磁星这个强大的能量来源「吹出」的泡泡,就像滚水冒泡泡一般。每层泡泡有很多细微结构,一、二维的模拟皆无法呈现和解释。但这些细微的紊流结构不可忽视,它可是会影响磁星能量传输,进而影响超亮超新星的观测性质。陈科荣以超级电脑模拟出的磁星热泡泡,乃史上首度对磁星热泡泡做出三维的模拟,同时具备精密度和大尺度:全貌相当太阳系,细节小如台北市,可谓独步全球!

陈科荣以电脑模拟的磁星热泡泡,不但可见大尺度范围,也可见许多复杂的精细结构。 中研院天文所 陈科荣

宇宙魔戒:爱因斯坦环

这枚宛如宇宙版魔戒的「爱因斯坦环」,其实是某颗巨大黑洞造成的!中研院天文所团队藉著分析爱因斯坦环影像,进一步推算出这颗黑洞的质量。

sdp.81 爱因斯坦环。这是地球、40 亿光年外之 a 星系、120 亿光年外之 b 星系,三个天体同时在一直线上,因为位置刚好加上 a 星系的巨大重力所造成的奇景。 alma (nrao/eso/naoj); b. saxton nrao/aui/nsf

松下聪树解释,重力可让光线弯曲,宇宙中如果有个大质量的东西(例如:黑洞)摆在光源前面,它的重力可以成为折射背景光的透镜,改变我们看到的影像,这个原理称为「重力透镜」,是爱因斯坦环的主要成因。

何谓重力透镜效应?由左到右分别是:地球(观测者)、大质量星体(如黑洞)、远方的星系。当三者在一直线上,远方星系的光通过大质量天体附近,光线会因强大重力而弯曲(白色箭头),就像透镜弯曲了光线,地球上的观测者就会「看见」变形的星系影像。 nasa

松下聪树以一个高脚酒杯和一张纸,巧妙解释这个神秘的天文现象。他在白纸上画了一个红点,周围不规则的涂上蓝色。接着把酒杯放在图案上,如果酒杯中心正对着红点,那我们透过酒杯底座(扮演透镜),可以看到蓝色的环带中间,显现出一个完整清晰的红圈。如果酒杯中心稍微偏离红点,则会看到两个或四点构造,散落在不对称的蓝色圆弧之中。读者不妨自己在家做实验!

可以在家按照操作步骤试试! 摄/林洵安

这次展出的 sdp.81 重力透镜系统之中,背景星系有很亮的核心,就像是实验中的红点;附近还有弥漫的物质,就像是周围的蓝 ... 块。松下聪树说,假如背景星系是个只有核心的点光源,只会看到四个红点。但是图中还可看到较微弱的弧状结构,代表还有其他弥漫的物质在周围。

sdp.81「爱因斯坦环」的 alma 影像,数个红点来自星系核心致密区域。 黄活生、苏游瑄、松下聪树(2015)

用影像「秤出」黑洞有多重?

中研院天文所的团队利用爱因斯坦环的影像,成功计算出中间的透镜星系为一个黑洞,至少有 3 亿倍太阳质量。

松下聪树解释,如果透镜星系的质量够大,严重扭曲背景星系的星光,地球上的观测者只会在两侧看到增强的成像,看不见正中央背景星系的影像。这就好比,在酒杯的成像中只看到外围的弧状范围,看不到原来中央的红点。而在 sdp.81 系统中的确如此,无法看到背景星系的原始影像,这表示黑洞够重,可借此推知黑洞质量的下限。

此外,爱因斯坦环还能推知背景星系的影像。背景星系遥远而黯淡,但经过透镜星系有放大的效果,运用电脑计算可还原出极高解析度的影像。

天文学家从 alma 影像(中)重建出背景星系的样貌(右),目睹 120 亿光年外的异世界。透镜星系是椭圆星系,通常不会发出电波,所以在 alma 的波段可以不受透镜星系干扰,清楚分辨来自背景星系的光。再加上 alma 有够好的解析度和灵敏度,才能看清楚爱因斯坦环,并执行以上的计算。 alma (nrao/eso/naoj)/y. tamura (the university of tokyo)/mark swinbank (durham university)

除了以上精彩内容,本次展览还有「微旋臂 暗度陈仓?」展示吕浩宇研究的大质量恒星团旋臂,「完美螺旋的分岔」则是金孝宣的飞马座 ll 双星系统中螺旋分岔,「尘埃间隙发现旋臂: 暗示行星正在形成」展现汤雅雯研究的御夫座 ab 星美照,「汉堡,啤酒,双头枪」为李景辉所发现胚胎恒星在吸食「尘埃汉堡」的案发现场……更多让你脑洞大开天文美照,快进入「星海巡奇」线上展览一饱眼福吧!

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