終點與起點:天文物理學家的夢想幻境

  • 物理專文
  • 撰文者:李悅寧 (國立臺灣師範大學地球科學系、國立臺灣師範大學天文與重力中心)
  • 發文日期:2022-08-01
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2022年7月12日,美國太空總署發布了韋伯太空望遠鏡的首批觀測影像,向世界宣告,韋伯望遠鏡正式開始它的科學任務了!

“Mr. President, if you held a grain of sand on the tip of your finger at arm’s length, that is the part of the universe that you’re seeing — just one little speck of the universe.  And what you’re seeing there are galaxies.  You’re seeing galaxies that are shining around other galaxies whose light has been bent.  And you’re seeing just a small little portion of the universe.”

 

美國航空暨太空總署 (NASA) 署長 Bill Nelson 在白宮記者會上對著 Biden 總統說出這樣一段話:「總統先生,你所看見的這一小部分宇宙,小如伸長了手臂指尖上的一粒砂。而就在這麼小的視野裡,可以看到無數星系,可以看到其他星系圍繞著這些星系發光,發出受到彎曲的光。而這一切全發生在宇宙中的小小一隅。」

 

這個一沙一世界的意像很美,美到讓人不願意相信這樣一段話是對總統先生所說。這段話不僅僅展示了韋伯望遠鏡的科學研究實力,其實也是一位科學家對宇宙的告白,他在對鏡頭後的地球公民講話的同時,必定也被自己的言語所深深感動。

 

首次發佈的系列影像由韋伯搭載的數個儀器 (NIRCam、MIRI、NIRSpec、NIRISS) 觀測數據合成,充分展示了前所未見的光學靈敏度、空間分辨力、和光譜解析力,這樣一張天文影像,很容易讓人在第一眼為它的色彩豐富度與細膩程度讚嘆,而更令人感動之處,其實在於,它像萬花筒、像真實之鏡,每個人可以從中看到自己想看的不同面向。其中的科學信息豐富,需要被深掘探究,為了讓納稅人的貢獻發揮最大價值,韋伯太空望遠鏡的觀測資料,是開放所有人下載分析的。

 

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SMACS 0723 星系團,韋伯望遠鏡首張深空影像 Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

(https://www.nasa.gov/webbfirstimages)

 

詹姆士韋伯太空望遠鏡的首張深空影像可以看到宇宙非常早期的星系,由星系的位置分佈和被扭曲的情形,可以推論宇宙大尺度結構的形成與演化,而每一個單一星系的型態與表徵,則透露了不同時期的星系形成條件,而在這些星系中的眾多恆星,更是橫跨了古今,呈現了前所未見的恆星環境群像,除了我們最熟悉的恆星-太陽之外,還有那麼多可能孕育其他生命型態的世界所在。天文學家目光一落會告訴你:「何止是一沙一世界,是千千萬萬個世界!」粗略估計影像上數千個星系,每個星系皆由數千億顆恆星構成,每個恆星有各自的行星系統繞行,這千千萬萬,不是千、也不是萬,得全部相乘!用天文學家喜歡的數量級表示法,不是三個 0、不是四個 0,是十四個 0 (1014) !

 

WASP-96b就是這些系外世界的其中之一,在行星凌日的短暫時間內,藉由觀測穿透行星大氣的恆星輻射,得到了這顆系外行星的大氣中也含有水分子的證據,詹姆士韋伯望遠鏡的高靈敏度與高光譜解析力,可以看到更多比例極低的稀有成分氣體分子,搭配行星大氣模型的計算,則可以用於推斷行星的大氣組成,更甚至是無法直接觀測的低層大氣、以至行星地表的溫度壓力等各項物理條件。

 

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WASP-96b 行星凌日食的大氣光譜,可見水分子譜線特徵 Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

(https://www.nasa.gov/webbfirstimages)

 

大部分的行星是伴隨母恆星誕生,原料組成在各種化學元素與同位素的比例,基本上也是相同,其中若是有微小的差異,那就是行星系統形成的過程中,物質重新分配留下的一點暗示,其中很重要的問題之一,就是像木星和土星這類巨行星的行星核,是在原生行星盤還富含氣體的時期就形成了?還是在氣體已大量逸散的晚期岩屑盤慢慢掃蕩行星胚胎而成長?精準的測量各種元素分佈的變化,就可以更嚴謹的驗證行星形成的理論模型。

 

當天文學家振臂疾呼:「我們要更大、更遠、更清晰、更靈敏!」可絕不單單只是為了滿足虛榮的好奇心,更多的是對宇宙實像的的渴求,而詹姆士韋伯太空望遠鏡,又把夢想往真實更帶近了一步。筆者作為理論天文物理學家,不免懷抱著美好的幻想,希望提出簡潔完美的理論,能夠描述恆星在宇宙歷史中的生老病死,然而入行不長不短的十年中,學到的是謙卑謙卑再謙卑,唯一得到最重要的結論是:數據詮釋會錯,但觀測本身不會錯;理論會錯,但宇宙不會錯!

 

有時候理論天文物理學家會笑話自己,凡是觀測學家看到了任何東西,一個月內馬上可以看到幾百種理論發表,再一段時間,觀測結論被推翻了,發現當初數據處理有誤,一夕之間,幾百種相反的理論馬上又被發表出來。判斷一個好物理理論模型的條件有二:是否可以被否證?是否可以預測新的現象?若不具備這兩項性質,再美好的理論,都是紙上空談。韋伯望遠鏡帶來的興奮,是一種讓人既期待又害怕受傷害的複雜情緒,因為我們可以開始細細檢視,這些五花八門的天文理論,是否禁得起考驗。

 

是不是聽過許多天體的名字叫做某某星雲?你是否想過星雲 (Nebula) 是什麼?這時回答「在星空中,像一團雲的物體」,你的答案八九不離十了,其實在星雲和星團新總表 (New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars; 簡稱NGC天體表) 中,就羅列出了這些非點狀光源的瀰散天體,目錄發行的一百多年前,望遠鏡的解析力看不清楚它們的細節,於是給出了這樣籠統的名稱。而觀測技術的進步,就迎來了我們對天體的理解修正,南環狀星雲 (NGC 3132) 其實是一顆正在死去的恆星,大量噴發的氣體與塵埃構成了行星狀星雲;史蒂芬五重星系群的每一個成員星系也都有一個 NGC 編號,就因為當初每個模糊的星系都被當做了一個「星雲」。

 

天文史上每一次觀測技術的躍遷,帶來的都是我們對宇宙認識的完備與修正,描述天文現象的理論,在一次次的檢視下,或許被驗證,或許被補正,或許被淘汰。斥資鉅額的詹姆士韋伯望遠鏡,功能當然不僅止於正名。

 

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南環狀星雲 (Southern Ring Nebula; NGC 3132),韋伯望遠鏡首批發布影像之一 Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

(https://www.nasa.gov/webbfirstimages)

 

南環狀星雲的影像繁複絢麗,如死公主的孔雀舞,我快要可以想像哪位同事的眼睛一亮,像坐在舞台下第一排觀賞脫衣變裝魔術秀!恆星生時,在腹內一層層藉由系列的核融合反應釋放能量,氫生氦、氦生碳、碳生氧...直至翻騰的滿腔怒火再也不受重力束縛,於是這燦爛的死亡,也是一層層向外依序炸裂。韋伯的觀測,將允許更仔細分析,每一層噴發物的元素分佈、噴發速度、混合程度、不穩定動態形成的流體結構,在恆星解體時的這驚鴻一瞥,可以用以檢視我們在看不見恆星內部的情況下,所建立的恆星演化模型是否正確;也可以建構完整的星際循環,有哪些元素被注入了星際介質中,可以形成下一代恆星成長的養分。

 

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史蒂芬五重星系群 (Stepan’s Quintet),韋伯望遠鏡首批發布影像之一 Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

(https://www.nasa.gov/webbfirstimages)

 

史蒂芬五重星系群大概不是優雅的五重奏,是鬼抓人遊戲中難堪的被拍下了齜牙裂目的瞬間(或是立院現場?),這個視星系群中,有四個星系構成了真正交互作用的星系群,星系氣體相撞造成的震波,重力交互作用拉出的圓弧細絲狀潮汐尾,因擠壓而重新啟動的恆星形成活動,甚至連每個星系中心不會發光的超大質量黑洞,在互動中都扮演了重要角色,這些現象都會在不同的電磁光譜波段留下訊號,誰扯了誰頭髮,接著誰扇了誰一巴掌,誰又漲得滿臉通紅,誰最腹黑,在韋伯的銳眼下將無所遁形。另一個星系 (圖中左橢圓星系 NGC 7320) 正活躍的產生著閃亮新恆星,它其實落在同一視線上離我們近許多的距離,NGC 7320 大概就是那位趁人家打架的時候偷偷自拍美照的討厭鬼?

 

要講述星雲的故事,可能需要不止一千零一夜。

 

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船底座星雲 (Carina Nebula; NGC 3324),韋伯望遠鏡首批發布影像之一 Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

(https://www.nasa.gov/webbfirstimages)

 

基於筆者個人的偏好,想特別跟各位談談另一個「星雲」,這張船底座星雲 (Carina Nebula; NGC 3324) 的影像,號稱宇宙斷崖 (Cosmic Cliffs),就像一幅月光下壯闊的山崖風景。第一眼看到詹姆士韋伯望遠鏡帶來的這張影像,即令我泫然欲泣。

 

這是一個著名的恆星形成區,或是有些人喜歡更詩意的稱之為「恆星搖籃」,因為它的範圍廣、質量大,很適合在此研究完整的恆星形成過程,可以同時看到各種質量恆星的生命各個階段。

 

恆星是一連串塌縮的產物,密度不斷升高的過程,終至形成一個塵埃密實包裹的暗繭,大部分恆星在可見光波段發出的光,會被塵埃吸收,再由被加熱的塵埃以紅外線的形式重新發光。就連週遭密度稍低的區域,也是佈滿了這樣的塵埃,使得恆星形成區主要發光的波段都在紅外線。這個區域俐落的大尺度全貌,是大質量恆星所發出的高能游離紫外輻射,大刀闊斧的雕刻成果,星際塵埃直接灰飛煙滅,只留下極度緻密的區域,也顯現了星際介質在自身重力與不規則紊流運動之下,形成了如何的結構樣貌。

 

一系列的塌縮,變化的不只是天體結構的大小,相關的時間尺度也隨之縮短,因此恆星形成的最終階段是特別短而不易觀察的,偏偏又剛好被塵埃遮住!韋伯望遠鏡因為能在更長的波段觀測,塵埃轉為透明,於是讓一些之前深埋在霧霾中的年輕恆星,第一次露面。

 

這個階段尤為重要,因為差不多就是此時,各種恆星形成理論再也不能把這個演化中的物體假設成一個均勻的、不會旋轉的、由氫氣構成的、完美對稱的球體!把守恆的角動量放到這麼小的空間裡造就了以克卜勒速度旋轉的原生行星盤,還是有太多的角動量和塌縮所釋放的重力位能需要藉由恆星噴流往外拋棄,漫天的塵埃提供了化學反應的催化介面,開始合成各種複雜的有機分子,年輕恆星的輻射加熱更是促進了反應速率,而行星系統是在這樣的環境裡面形成的。哦,天啊!不要再說了!感謝韋伯,以後這些事情都不能假裝看不見!

 

若要將這幅景象一言以蔽之,只能說「一團混亂!」在這混亂中,韋伯望遠鏡提供了很多資訊,而同時,複雜的物理現象在整個電磁波光譜的各個波段呈現了多元的樣貌,韋伯多提供了塊拼圖,結合哈伯、史匹哲、錢卓拉等太空望遠鏡前輩在其他波段的數據,還有地面望遠鏡的協力,天文學家每天都在努力拼湊出這神秘區域的全貌。

 

天文學家經常在討論時彼此相視而笑:「很大?有多大?」「很遠?有多遠?」因為一切有形萬物的大小遠近都是相對的,大還是小、近抑或遠,視你討論的天體而定。相伴星系之間數百萬光年之遙,可以受重力相吸而相互繞行,而原生行星盤中的僅僅幾個天文單位的距離,行星胚胎要融合成長,卻要等待無數次機率奇低的碰撞。

 

模擬數千光年大的星系盤,與模擬數百天文單位的原生行星盤,所需要用到的數值工具與運算資源是相當的,處理的問題越大,小細節越可以被安全的忽略,而不至於嚴重影響到全貌。當然,在力所能及的情況下,科學家想掌握每一項因素所造成的細微差異,或許某些看似不起眼的因素,其實透過非線性的交互作用,造成超乎預期的決定性影響。

 

近年來開始被重視的一個例子是,星際介質中塵埃的顆粒大小與數量,過去一直被視為變化不大的基本性質,現在開始有證據顯示,在原生行星盤中,因為大幅提高的密度增加碰撞相黏的機會,塵埃顆粒大小的分佈其實明顯異於稀薄雲氣中的原始狀態,這在塵埃的磁化效應、氣動力學都造成與簡化的理論模型極大的分歧。幸而這些變化會顯現在可觀測的光學性質上,韋伯正是修正這些舊有模型的有力工具,然而,這也帶來了很多新的挑戰,如何考慮更多物理機制,提出更細膩的理論模型,用以合理解釋並且同時滿足越來越多必須直視的觀測細節?

 

“..., we are going to be able to answer questions that we don’t even know what the questions are yet.”

 

Nelson署長還說,有了韋伯望遠鏡,我們將能夠「回答我們都還沒想過要問的問題!」詹姆士韋伯太空望遠鏡又揭開了宇宙一層神秘的面紗,標示了一個新時代的開始,看得更清楚的同時,也看到了更多以前沒想過的細節。於是乎你覺得,我們距離宇宙的實像,是變近了呢?還是距離更遠了?

 

 

註:

1 光年 =  9.5 x 1015 公尺,是光走一年的距離,常用於表示星系或星團尺度的大小與距離單位

1 天文單位 =  1.5 x 1011 公尺,地球到太陽的平均距離,常用於表示行星系統內的距離長度單位