用微中子在晚間觀察太陽

大家都肯定知道只有在日間才會看到太陽,因為「看到太陽」就是「日間」的定義。在晚間,太陽落到地平線以下(或者準確一點地說,是地球自轉把我們帶到背向太陽的方向),所以我們就看不見太陽了。儘管偉大的北韓已經登陸過太陽,還是讓我寫寫如何在晚間「看」太陽吧!

充斥宇宙的鬼魅

只不過,這並不只適用於可見光的光線。基本上,所有粒子以及所有頻率的光線,從無線電、微波、紅外線、可見光、紫外線、X光到伽瑪射線,都不能穿透地球的地殼。然而,宇宙之間有一種粒子例外,能夠穿透整個地球而絲毫不受影響,那就是微中子(neutrino)了。其他粒子以及光線都不能穿透地球的原因,在於它們會與地球物質碰撞或者被物質裡的電子吸收。例如,帶電粒子和光線都會進行電磁交互作用。而微中子卻不會與任何物質進行電磁交互作用(微中子不帶電),他們只會與電子之類所謂的輕子進行弱交互作用。這種弱交互作用十分罕見,但卻是主宰放射性核衰變的力量。因此,對於微中子來說,地球根本就如同透明一樣。事實上,微中子可以穿透一塊厚度達一光年的鉛板而不會與任何粒子碰撞!

太陽亦會產生微中子,而每秒鐘都有多達600,000,000,000,000顆來自太陽的微中子穿透我們的身體!不過,並不只有太陽才會產生微中子。理論上,宇宙間非常多物理過程都會產生這種鬼魅一般的粒子,例如在能量極高的恆星爆炸之中(例如超新星爆發或伽瑪射線暴);或者來自釋放出巨大能量的星系中心的超高質量黑洞;也有來自宇宙大爆炸所產生的微中子充斥於宇宙之間,只不過因為它們的能量太低,以現在人類的科技根本不可能探測得到;另外,人類所建造的核反應堆也會產生微中子。

守「水」待「ν」

我們會問:那麼天文學家是如何觀測到微中子的?既然連整個地球也阻擋不到它們,何況區區一支望遠鏡?關鍵就在於望遠鏡有多大,以及觀察的時間長短。雖然每顆微中子都非常難以捕捉,但有這麼多微中子的話,只要把微中子望遠鏡造得非常巨大,假以時日,總會有一兩顆微中子落入陷阱裡的。天文學家於是就建造了幾個非常巨大的微中子望遠鏡,採取守株待兔的策略。或者,應該叫做守「水」待「ν」(希臘字母ν是代表微中子的物理學符號)。為什麼呢?這個比喻跟探測微中子所使用的方法有關。一般來說,天文學家需要在地底深處建造一個非常巨大的水池,用以探測與水池中的水分子碰撞的微中子。

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冰立方南極微中子天文台結構圖,整個結構都位於南極冰層以下。留意圖中右下角與艾菲爾鐵塔尺寸比較。(Credit: IceCube Science Team – Francis Halzen, Department of Physics, University of Wisconsin)

其中一個比較著名的微中子望遠鏡位於南極冰層之下,稱為冰立方南極微中子天文台(IceCube South Pole Neutrino Observatory)。如果幸運地(對微中子來說或許是不幸? )一顆微中子與冰分子碰撞,就會產生電子和渺子(即前述的輕子)。因為光在介質之中速度會減慢,這些輕子在水或者冰之中的速度就會比光更快。當物質在介質之中的速度比在介質中傳播的波動速度更快,就會產生衝擊波(最常見的例子就是船隻在水面激盪起的V字型波浪)。當粒子跑得比光更快時所產生的衝擊波就叫做切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)。整個冰立方南極微中子天文台其實就是數千個分布於範圍超過一立方公里的光電倍增管,用來探測切倫科夫輻射。所以,倚靠探測這些切倫科夫輻射,天文學家就能進行反向計算,推測出微中子來自宇宙中哪個方向了。

很久以來,天文學家都只能確認一些來自太陽以及超新星1987A的微中子。這是因為微中子碰撞事件十分罕有,通常每次只有一顆微中子被觀察得到,所以微中子源的位置的誤差就非常大。往往在誤差範圍之中有非常多可能產生微中子的天體,因此很難查明哪一個天體才是真正的源頭。最近,冰立方南極微中子天文台終於證實其中一顆微中子來自於3,700,000,000光年以外的一個活躍星系核TXS0506+056。宇宙十分巨大,相對於TXS0506+056,我們與太陽甚至超新星1987A的距離簡直微不足道。這次探測意義重大,代表了微中子天文學正漸漸發展,能夠與傳統電磁輻射天文學一同探測宇宙中極其遙遠的天體。

找太陽嗎?看看你的腳下!

說到這裏,還未解釋如何能夠在晚間觀察太陽呢。大家有沒有想過,為什麼這些微中子望遠鏡要在地底建造呢?其實並非只有微中子,來自大氣層上方的宇宙射線裏面的各種粒子亦會產生切倫科夫輻射,因此放在地底的原因就是要隔絕這些雜訊。且慢,別誤會,我們想要隔絕的雜訊並非來自頭頂上方,而是想要隔絕來自腳下地球另一邊的雜訊!如果電腦分析顯示一個信號來自南極大氣層上方,那麼不管這個訊號是否來自微中子,都一律會被當成雜訊,因為要把來自這個方向的粒子分類是極其困難的。因此,建造於南極的微中子天文台,只有來自腳下的北半球上方的訊號,才是天文學家們分析的對象,所以我們就可以利用微中子望遠鏡來於晚間觀察太陽了。

微中子望遠鏡可是比超人的透視眼厲害不知道多少倍的啊!

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冰立方南極微中子天文台地面上的資料分析站,也是天文學家的居所。地下的顏色顯示許多光電倍增管探測到一顆來自TXS0506+056的微中子所放出的切倫科夫輻射。這顆能量約為290兆電子伏特的微中子在2017年9月22號穿過地球,碰巧撞上南極冰層裡面其中一個冰分子。(Credit: IceCube South Pole Neutrino Observatory)

封面圖片:畫家筆下一顆微中子與冰分子碰撞,產生藍色的切倫科夫輻射。(Credit: IceCube South Pole Neutrino Observatory)

延伸閱讀:

IceCube South Pole Neutrino Observatory

立場報導《南極地底探測儀 錄得 37 億光年黑洞微中子訊號

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哈雷的終極科學武器

你有看過哈雷彗星嗎?我還未有機會一睹這著名彗星的風采。哈雷彗星上一次到訪內太陽系是在1986年,我出生之前一年。哈雷彗星每76年就會經過內太陽系,下一次在地球上看到它的機會將會在2061年中。

科學家找到能夠解釋自然現象的定律。利用這些定律,人類除了能理解宇宙如何運作,更可以創造出新的事物,推進我們的文明。當我們需要解決問題時,科學往往是最有效的辦法。究竟是什麼因素把科學和盲目猜想區分開來?畢竟,能夠描述現象的並不只有科學,而且創造新事物亦非科學的專利。

艾蒙.哈雷(Edmund Halley)使用牛頓新發現的萬有引力定律計算出許多彗星的軌道。他於1705年發現一顆曾於1682年出現的彗星與出現於1607年及1531年的是同一顆,週期為76年。因此,哈雷在歷史上首次使用科學的終極武器:預言。

哈雷預言這顆彗星將於1758年重臨。哈雷作出的並不是一般在報章上讀到的占星運勢、模棱兩可的偽科學瞎猜預言。他給出了精確的彗星重臨日期、時間、方位以及彗星的軌跡,任何人都可以在1758年觀察並實實在在、客觀地利用數字精準驗證哈雷的預言。果然,哈雷彗星在1758年12月25日被天文學家於哈雷預言的方位發現,只可惜哈雷早已在1742年與世長辭。

一個好的科學理論,應該不單能夠描述已知的自然現象,更可以用來預測從未被觀察過的現象,指導科學家進行實驗或者觀察。這就是科學可靠的原因。

【推薦文】謝謝你,費曼先生

我很想知道有沒有人會像我一樣,看科學、科普書籍或節目時會感動得流淚。我相信這是人對熱情的表現,而非我身體有毛病吧?!

引導出我這種奇怪熱情的人,是理查.費曼。我永遠不會忘記,那天我在書店偶然發現天下文化出版的中文版《別鬧了,費曼先生》和《費曼物理學講義》,就隨手拿起翻閱,看完後是如何的激動。我們可能不會認為一個愛搗蛋的人生與物理學天才會有什麼關係,但費曼的的確確成功地完美結合兩者。

我記得,當年天下文化中文版《費曼物理學講義》只有講解古典力學的 Volume 1 以及量子力學的 Volume 3 第一冊,而講電磁學的 Volume 2 和量子力學 Volume 3 第二及三冊還未完成翻譯。於是,中文版《費曼物理學講義》就成了我除《全職獵人》漫畫以外追看的「連載」。我經常到書店查看出版進度,最終急不及待買了全套英文精裝版回家,愛不釋手。

閱讀《別鬧了,費曼先生》和《你管別人怎麼想》又是別一番趣味。裡面找不到物理學,卻有著一個科學頑童如何以帶點嬉笑打鬧的角度享受生命,他又是如何看待社會、世界、宇宙和愛。費曼愛講故事、愛弄些無傷大雅的玩笑,也愛表演。他告訴我們,即使得到過諾貝爾物理學獎的大教授,也是人。他以身作則,教導我們如何生活。他身患絕症,遺憾的不是未解的物理問題,而是沒辦法看著他的養女長大成人。

我想,我們都有些東西能從事費曼學習。我想,這可算是我看費曼著作時流淚的合理解釋吧?

最後,感謝天下文化贈送新版《別鬧了,費曼先生》和《你管別人怎麼想》,讓我有藉口放下工作,重新回味這種感動。由衷希望各位喜愛這兩本書。

我的費曼百歲誕辰紀念文章:

百年華誕紀念:繼續鬧吧,費曼先生

舒爾茨星曾近掠太陽 七萬年前人類或可見

由 Eric E. Mamajek 帶領的研究團隊於 2015 年發現,一個名為舒爾茨星的紅矮星-棕矮星雙星系統很可能於 6 萬年前到 8 萬 5 千年前曾進入奧爾特雲內,以約 0.8 光年的近距離掠過太陽。這樣的事件大約每 10 萬年就會發生一次。

宇宙很大。我們住在宇宙的一個島上,這個島有著千億顆恆星,我們的太陽是其中一顆。地球距離太陽大約 8 光分,即使是快如光速,從太陽到地球也要走 8 分鐘。

太陽系的範圍可遠不止於此。海王星距離太陽約 250 光分,即 4 光時 10 光分,光線從太陽要走 4 個多小時才能抵達海王星!而海王星軌道外有眾多小行星,這條延至約 400 光分(差不多 7 光時)外的小行星帶稱為古柏帶,其中三顆矮行星冥王星、妊神星和鳥神星都在古柏帶之中。

不過,古柏帶並非太陽重力控制範圍的極限。在大約 0.8 光年到 3.2 光年遠的地方,整個太陽系被一團稱為奧爾特雲的球狀小行星和彗星包圍。理論上,奧爾特雲是長週期彗星的家鄉。由於奧爾特雲離太陽太遠了,這裡大部分成員都由冰塊構成。

緊接著太陽的重力控制範圍,才是最接近太陽系的恆星(實際上是三星系統)半人馬座 α,古中國天文學稱之為南門二,平均距離太陽 4.37 光年。這個三星系統中最細小的一顆紅矮星叫做比鄰星,名字十分浪漫。比鄰星是距離太陽最接近的恆星,只有 4.22 光年遠。

其實,恆星在天空上的位置並非永恆不變。恆星會誕生、死亡,也會移動。銀河系中所有恆星(連帶其恆星系的一切天體)都在環繞銀河系中心的超大質量黑洞公轉。每顆行星的速度都不一樣,各恆星有時會互相靠近,有時又會互相遠離。我們的太陽系距離銀心約 26,400 光年,要花 2 億 4 千萬年才能環繞銀心走完一圈。

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最近研究顯示,舒爾茨星 7 萬年前的軌跡與雙曲線軌道的小行星輻射點吻合。(Credit: de la Fuente Marcos et al. 2018)

最近,由 Carlos de la Fuente Marcos 帶領的研究團隊發現更有力的證據,顯示舒爾茨星的確很大機會於此時期穿過奧爾特雲,其重力並擾動了一些小行星,使它們從楕圓軌道轉移至雙曲線軌道,被拋出太陽系之外。

如果結合牛頓萬有引力和運動方程,我們會發現所有受重力影響的天體軌跡都必然是圓錐曲線的其中一種。這也是拋物線被稱為拋物線的原因,拋物線就是圓錐曲線的一種。圓錐曲線包括楕圓形、圓形(其實只是楕圓的特例)、拋物線和雙曲線。

環繞太陽運行的行星、小行星、彗星等等,全都是楕圓或圓形軌道。至於只會經過太陽一次的軌道,就是一去不復返的拋物線和雙曲線。因此,如果人造衛星想離開太陽系,我們就必須能以足夠燃料把它們發射進入雙曲線軌道。

Marcos 與其團隊發現的雙曲線軌道小行星,都巧合地有著同一個輻射點。而這個輻射點又剛巧與理論上舒爾茨星於 7 萬年前經過奧爾特雲的方向一致。如果只有時間或方向吻合,就很可能只是巧合;如果時間和方向都吻合的話,就不太可能只是巧合了。

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七萬年前某個夜晚,我們的祖先可能在䌓星點點之中見過舒爾茨星。(Credit: José A. Peñas/SINC)

因此,於 7 萬年前生存的人類,可能曾見證過這 10 萬年一遇的天文事件。不過,雖然說舒爾茨星進入了太陽的重力控制範圍內,但這兩顆矮星非常暗淡,天文學家估計只有在其表面出現恆星耀斑時,才有可能以肉眼看得見。

七萬年前某個夜晚,我們的祖先可能在䌓星點點之中見過舒爾茨星。

Mamajek, E. E., Barenfeld, S. A., Ivanov, V. D., et al. 2015, The Closest Known Flyby of a Star to the Solar System, ApJL, 800, L17

de la Fuente Marcos, C., de la Fuente Marcos, R., & Aarseth, S. J. 2018, Where the Solar system meets the solar neighbourhood: patterns in the distribution of radiants of observed hyperbolic minor bodies, MNRAS, 476, L1

封面圖片:畫家想像中的舒爾茨星雙星系統掠過太陽(左邊小光點)。(Credit: Michael Osadciw/University of Rochester)

月球的自白

我身上沒有宮殿,沒有白兔,沒有海洋,也沒有肉桂樹。我叫月球,陪伴在地球身邊已經 45 億年。

在太陽系剛剛誕生不久、四周仍然充滿碎石的時代,宇宙塵埃形成一個環繞太陽轉動的扁平圓盤,各大行星從中逐漸成形。我是一顆與現在的火星兄弟差不多尺寸的行星。沒錯,火星、地球和一眾行星都是我的兄弟姊妹,我本來並非衛星。我原本的名字,叫做忒伊亞。

45 億年前的一個星期一早上,我照常上班,與其他行星和小行星一起穿越繁忙的街道。路上行人非常多,一不留神就會發生危險。那天前一晚上,我剛好趕起一個計劃書,睡得不太夠。

悲劇就是由此而起的。當我睜開眼睛時,已經來不及閃避了。我與地球面對面撞個正著,碰撞產生的極端高溫把我倆雙雙熔化。我們的核心融合在一起,成為了今天地球的巨大核心。其他被拋到繞地軌道的碎片,逐漸變成環狀,最後結合成現在的我——月球。

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畫家想像中的忒伊亞與地球碰撞。(Credit: National Geographic)

不知道大家有沒有比較過太陽系內的行星和衛星。如果我們去看看他們的尺寸比較,就會發現我是異常常地巨大的。當然,太陽系的行星只有八個,統計學上來說還不能夠下定論。然而,如果你再細心看看我的表面,就會發現曾經熔化的證據。由於沒有大氣侵蝕,我的表面現在仍保持著幾十億年前的模樣。

我雖然與地球一樣都是固態構造,我的內部卻沒有地球的熔岩地熳,我的固態核心裡鐵含量也較少,整體密度亦較低。這些都是因為我與地球曾短暫融合在一起,交換了彼此的物質,較重的元素如鐵就會比較傾向沉於較重的地球之中。

沒有像地球一般的流體鐵核心,我也就沒法產生磁場。我的質量也只有地球的 81 分之 1,無法留住大氣,所以我的表面基本上是真空的。從地球遠道而來的人類朋友們都要穿上厚重的衣服(他們好像稱為太空衣),這使作為主人家的我感到不好意思呢!

本來,我的自轉速度比繞地球公轉快多了。經過千萬年的時間,地球的引力效應(地球上的科學家稱之為潮汐力,可是我身上明明沒有海洋)使我的自轉漸漸變慢,最後與公轉一樣。因此,從地球上看我永遠只會看到我的正面。相反,在我的角度來看地球,地球永遠在天空中的同一個位置。

我影響著地球的潮汐,穩定地球自轉軸的傾角,好像間接幫助地球孕育出多姿多采的生命呢!幾十億年以來,我目睹各種形式的生命繁衍倡盛,然後又一一滅絕。太陽系形成初時,周圍都是巨型碎石,一不小心落在地球上的話,定必生靈塗炭。相對巨型的我幫忙擋下了不少碎石,為地球上的生命演化提供了時間。不過,間中也有一些碎片成功避開我的攔截而落在地球上,例如 6 千 5 百萬年前那一塊巨石,差不多徹底滅絕了恐龍呢!牠們的後代,現在好像被人類稱呼做雀鳥?

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Apollo 16 指揮官 John W Young 在月球漫步情形。(Credit: NASA)

45 億年的漫長歷史中,我看著生命演變,一直期待哪一天,牠們會來探望我。終於,一個只有幾十萬年的新物種——人類之中,出現了一些叫做科學家的人物。其中一些使用叫做望遠鏡的儀器看我,另一個找到萬有引力的法則。最後,牠們找到衝出地球太氣的方法,其中幾個人類更親身駕駛太空船來看我,降落在我的身上。我很高興,我的期待沒有落空。

不知道哪一天,又會再有人類朋友來探望我呢?

《月球城市》讀後感

月球,自古是人類嚮往的地方。她是人類首個踏足的地外天體。然而,她卻不像火星般有著不可擋的吸引力。她沒有大氣(其實有,不過極度稀薄),而且永遠用同一面向著地球,因此在月球上你不會看到地出。

在《月球城市》故事裡,即使人類仍需活在由玻璃和鋼鐵建成的城市裡,呼吸不可或缺的氧氣,你會發現安迪‧威爾筆下的月球有著無比生氣。原來氧氣在月球竟是用之不竭的,甚至多得不知道該往哪裡放。在安迪的描寫下,明明每件事情都是如此合乎科學原理,讀起來卻又有著高度科幻感。

《月球城市》並不是一個會出現激光劍和粒子炮的故事。《月球城市》是一部徹徹底底的寫實小說,生動地描述這個本來就是虛構的月球都市的一點一滴。故事主角也不是什麼英雄,她跟你和我一樣,有自己的生存之道、生活方式、更有自己的煩惱和遺憾。故事沒有大義凜然的主旨,只有她希望完成的一個小小心願,一個在某程度上可說是自私的願望。

能把科幻故事寫得科學,非常難。而能把人性放於一個科學的科幻故事中,絕無僅有。《月球城市》能讓我嘗到這種稀有的感覺。

感謝三采文化贈書,使我能夠先睹為快!

電子書店:https://www.suncolor.com.tw/BookPage.aspx?bokno=104010101104

火星發現者

速報!一位宇宙學家剛剛發現了火星!這不是假新聞,而是一件真實發生了的天文界趣事。

開普敦大學的宇宙學家 Peter Dunsby 教授於 2018 年 3 月 20 號在「天文學家電報(The Astronomer’s Telegram)」發表了一則訊息,指他於當天凌晨時份在礁湖星雲和三裂星雲之間發現了一個非常光亮、短暫出現的可見光天體,此天體並不見於兩天前的同一天區。他懷疑這是一顆史上最明亮的超新星,因為其星等達到「至少一等」,並且「強烈鼓勵其他天文學家進行後續觀測」。

天文學家電報是一個供專業及業餘天文學家使用、無需經過同儕審查的通訊網頁,旨在快速傳遞新發現的天文事件資訊,以供世界各地天文學家及時進行後續觀測稍縱即逝的短暫天文事件。若然 Dunsby 教授觀察到的天體的確是超新星,那麼他的電報就能夠幫助其他天文學家收集盡量多的數據,有助超新星的前沿研究。

然而,Dunsby 教授於 40 分鐘之後就後悔了。他發表了另一篇電報說「先前的天體被證實為火星。我們對先前的報告所造成的不便致歉。」天文學家電報更幽默地發出證書給 Dunsby 教授,證明他是「火星發現者」。

火星沒有所謂的發現者,因為自古以來火星就高掛於天上,每個願意抬頭仰望的人類祖先都可以看見它。這張證書的幽默在於 Dunsby 教授聲稱發現了這個原來是火星的天體,因此他的確是火星發現者沒錯。只不過,他不是首個發現火星的人,也不會是首個重新發現火星的人。

Dunsby 教授當然會對此事感到尷尬,尤其他身為一位專業的宇宙學家,這是人之常情。不過,犯錯亦是人之常情,重點是會不會自我反省、承認錯誤,並作出改正。

每個願意發現火星、願意發現大自然運行定律的人,都會如同 Dunsby 教授在事後自嘲反省一樣,說:「上了一課。檢查、檢查,再三檢查,然後再檢查!」