打败 80% 天文学家,用哈伯望远镜观测星空──解密经典天文照片的幕後推手

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以哈伯望远镜观测的经典天文照片

哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)在 1990 年 4 月 24 日发射升空,今日(2020 年 4 月 23 日)欢庆 30 周年。这座举世闻名的望远镜,以前所未有的解析度与灵敏度,让人们窥见宇宙中许多天体的真面目。
 

哈伯望远镜基本资料。(图/沈佩泠制表)

 

哈伯望远镜网站[1]上,经常公布五彩缤纷的天文照片。大家可能不知道,许多经典的天文照片,幕後推手是中央研究院天文及天文物理研究所所长朱有花。朱有花在 2014 年返回台湾之前,是美国伊利诺大学天文系教授,长期使用哈伯望远镜进行研究。她拍的许多天体影像,经过哈伯望远镜後制团队巧夺天工之手,变成网路上广为流传的经典照片。

朱有花的一件得意作品,是 NGC 3603 星云的照片。这张照片在 2000 年 1 月登上《国家地理杂志》封面。朱有花说,当时她刚好有订阅杂志,收到杂志才发现,封面竟然是自己的观测影像,於是立刻打开来看,想知道内文如何介绍他们的成果。结果发现书中内容与这张照片毫无关系,只是因为杂志编辑很喜欢这张照片,而将它放在封面。
 

NGC3603照片登上《国家地理杂志》封面。(图/朱有花提供)

 

经典天文照片,藏着对宇宙的问题与解答

哈伯望远镜拍摄的照片不只是美丽,更重要的是提供许多科学讯息。在 NGC 3603 星云照片的左上角(杂志封面的字母 G 上方)有一颗蓝超巨星,与着名的超新星 1987A 的前身星相似。早先地面望远镜在这颗星周围侦测到恒星抛出的物质,引起朱有花的兴趣,於是她利用哈伯望远镜的高解析度,看见了清楚的环状构造,发现半径与超新星 1987A 周围的环相近。朱有花认为,这颗蓝超巨星大概很快就会爆炸,说不定会成为 21 世纪银河系内的第一颗超新星!

在 NGC 3603 星云的照片中间,还可看到一个星团,而星团中的大质量恒星把周围气体吹出一个气泡。恒星风吹出的气泡,也是朱有花利用哈伯望远镜研究的重要课题。

「大质量恒星都会吹出气泡吗?」朱有花在 1976 年读博士班的时候,就提出这个问题。理论上,大质量恒星都会吹出气泡,然而大多数恒星的影像中,都无法看到气泡。到了 1990 年代,朱有花就想,假如气泡真的存在,那哈伯望远镜总该看得到了吧!

然而观测结果出炉後,却发现仍然看不见气泡。不过,朱有花利用光谱做动力学分析,确实找到了膨胀的气泡。原来是因为气泡膨胀速度太慢,约每秒 10-15 公里,只比宇宙中游离化气体的声速快一点(相较於地表,这些气体密度很低、温度很高,因此声速快很多),因此震波(shock wave)微弱,不容易用影像拍摄的方式侦测。简而言之,气泡真的存在,只不过拍照拍不出来。经过 25 年努力,朱有花的疑惑终於得到解答!

朱有花也曾用哈伯望远镜,尝试在超新星残骸 N63A 寻找气泡,结果没有看到气泡,却看到许多微小的云气团块。这些团块被超新星残骸快速膨胀的震波侵袭、加热,正在蒸发。这个奇特的现象,让人们窥见星云之中复杂的交互作用。哈伯拍摄到的 N63A 影像相当特殊,但仅能看到云气团块,无法看到超新星残骸的球形外壳,需要 X 射线望远镜才能掌握全貌。
 

超新星残骸 N63A 的多波段影像,右上区域金黄色的团块是哈伯拍摄的可见光,外围球壳状构造则是 X 射线。(图/Enhanced Image by Judy Schmidt (CC BY-NC-SA) based on images provided courtesy of NASA/CXC/SAO & NASA/STScI.)

 

2014 年回到台湾後,朱有花主持科技部计画,利用哈伯望远镜的资料研究 Ia 型超新星残骸的起源。Ia 型超新星的爆炸机制,目前有两种主流的说法:「一颗白矮星吸取伴星的物质而爆炸」,以及「两颗白矮星合并而爆炸」。如果以第一种机制爆炸,伴星理论上会存活下来,因此若能找到存活的伴星,就是第一种机制的重要佐证。2017 年,朱有花与指导的学生李传睿(现为中研院天文所博士後研究)合作,在超新星残骸 N103B 寻找存活下来的伴星,找到一颗可能是伴星的星球,并在《天文物理期刊》发表成果。
 

哈伯望远镜拍摄的超新星残骸 N103B(左上)及其周遭环境。(图/欧柏昇制图)

 

想使用哈伯望远镜,先提出观测计画

朱有花能够用哈伯望远镜拍摄这麽多影像,并非易事。事实上,想要使用哈伯望远镜,必须先提出观测计画,与全世界天文学家激烈竞争,以 2019 年来说,只有不到 20% 的观测计画通过。朱有花说,竞争到最後还是有点运气成分,许多自认完美的计画最後失败了,反而有些仓促完成的计画书,竟然无心插柳柳成荫。光是争取望远镜时间,天文学家就有不少甘苦谈。

除了主动争取观测时间之外,朱有花也常利用哈伯的资料库做研究。笔者在朱有花老师门下,亦有从资料库中挖到宝的经验。哈伯望远镜 30 年来累积了大量珍贵的数据,仍蕴藏许多人们未曾发掘的资讯。

哈伯望远镜拍摄的每一张美丽照片,背後都有天文学家的艰辛,以及丰富的科学内涵。欣赏照片的同时,不妨试着了解,人们如何透过这些照片,认识宇宙精彩的面貌。
 

延伸阅读:「南斗注生,北斗注死」刻在墓室里的北斗七星,如何揭露魏晋南北朝的生死宇宙观?本着作由科技大观园制作,以创用 CC 姓名标示–非商业性–禁止改作 4.0 国际 授权条款释出。

[1] hubblesite.org/

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