人類並沒探測到外星巨型結構

今年初,一份系外行星天文學論文 (Boyajian et al. 2016) 引起了熱烈討論。香港和海外各大新聞媒體都爭相如此報導:天文學家有可能發現了外星生命建造的巨型結構。 這份論文討論由克卜勒太空望遠鏡 (Kelper Mission) 發現的一個系外恆星 KIC 8462852。克卜勒太空望遠鏡是專門尋找太陽系外行星系統的太空望遠鏡,設有非常敏感的測光和光譜儀。多年以來天文學家尋找系外行星的主要方法都是測量恆星的細微擾動,利用牛頓重力定律計算出其旁邊看不見的行星同伴。這個方法只能找出巨型的類木型氣體行星,因為類地型的細小岩質行星對其恆星的擾動非常小,難以探測。 克卜勒太空望遠鏡主要利用另一個手段去尋找系外行星。當行星繞到恆星與地球視線之間,就會遮擋了一部分由恆星發出的光。透過監察恆星亮度的週期性突然下降,就能計算出該行星繞行的週期、距離恆星的距離、行星的大小等等數據。克卜勒太空望遠鏡的測光儀非常靈敏,截至 2016 年 5 月已經發現了超過 1,200 個系外行星,其中約 45% 是岩石型行星。克卜勒太空望遠鏡在 2009 年升空至今短短幾年之間,其發現的系外行星數量已遠遠超過過去幾十年所發現的總和。 KIC 8462852 的初步數據分析是由業餘天文學家負責的。由於克卜勒太空望遠鏡持續監察超過 150,000 顆恆星,天文學家根本沒有足夠人手去處理和分析其非常龐大的數據量。因此克卜勒太空望遠鏡團隊開發了一個網上平台,名為 Planet Hunters。業餘天文學家可以利用平台上的研究工具去分析恆星的光變曲線。當他們發現恆星的光變曲線有著週期性的光暗變化,就可以利用 Planet Hunters 上的討論區與其他人討論或者交由專業的天文學家作進一步分析。任何人有興趣可以參與這個計劃。 今次發現的恆星 KIC 8462852 之所以特別,並非因為發現了其行星系統。相反,這是因為沒有發現到行星系統,同時卻探測到有不規則的光暗變化。根據克卜勒太空望遠鏡的光譜分析, KIC 8462852 是顆常見的 F 型恆星。可是 Planet Hunters 卻發現其在短短 80 日內有至少 7 次不規則的光暗變化,其亮度下降可達超過 20%。 天體物理學中所有的恆星模型都無法解釋如劇烈的光變曲線。不規則的光暗變化也把行星排除在解釋之外,因為行星不旦難以遮掩高達 20% 的光、其遮擋星光亦應為週期性的。因此 KIC 8462852 引起了天文學和業餘天文學界的熱烈討論。 已故著名天文學家、科學普及家卡爾.薩根 (Carl Sagan) 說過:「非凡的斷言需要非凡的證據。」對於如此非一般的光變曲線,克卜勒太空望遠鏡的天文學家非常仔細地檢查了…… Continue reading 人類並沒探測到外星巨型結構

愛因斯坦教授 你是正確的

萬一觀測結果與你的理論不符呢? 1919 年,愛因斯坦的一個學生如此問他。那天,愛丁頓 (Sir Arthur Stanley Eddington) 在西非普林西比島 (Príncipe) 以電報向全世界傳送他的日全食觀測結果。他的觀測顯示星光的確被太陽重力扭曲,成為愛因斯坦廣義相對論的第一個證據。 若然如此,我會為上帝感到惋惜。我的理論是正確的。 愛因斯坦這樣回答。 今年 2 月 11 號,激光干涉重力波天文台 (LIGO) 正式發表人類史上首次直接觀測到重力波 GW 150914 的證據。6 月 14 號,LIGO 再發表第二個重力波 GW 151226 的證據。 這兩個重力波都是雙黑洞結合系統所釋放出的。另外比較少人留意的是 LIGO 同時發表了第三個疑似重力波 LVT 151012 的證據。相比 GW 150914 與 GW 151226 的 99.99997%,LVT 151012 只有 87% 機會是真實的重力波。 這三個重力波訊號打開了人類觀察宇宙的另外一個窗戶。幾千年的人類文明以來,我們終於能夠以電磁波以外的方法觀察這個宇宙。如果人類文明能夠延續下去,這肯定佔有未來歷史書中極其重要的一頁。 另一方面,這三個重力波訊號也帶給了人類另一個難題:為什麼擁有幾十倍太陽質量的雙黑洞系統比我們想像的還要多?這對於人類了解恆星演化和宇宙演化等課題極為重要。 今年剛好是愛因斯坦發表廣義相對論 100 週年。97 年前,廣義相對論的第一個預言「星光偏折」得到了證實。今年,廣義相對論的最後一個預言「重力波」也得到了驗證。科學就是如此的一門學問,能夠用嚴謹的數學作出在 100 年後以 99.9999%…… Continue reading 愛因斯坦教授 你是正確的

科研悲劇:Hitomi 望遠鏡意外

上月發生了一宗非常不幸的天文消息。 日本宇宙航空開發機構 (JAXA) 的太空望遠鏡 ASTRO-H Hitomi 於 2016 年 2 月 17 號升空進入近地軌道。Hitomi 是 JAXA 與美國太空總署 (NASA) 及歐洲太空總署 (ESA) 合作的太空任務,其目標是於 X 射線與伽瑪射線波段觀測宇宙,本可望為高能量天體物理學研究帶來新突破。然而,Hitomi 進行觀測任務短短一個月後,於 3 月 28 號與地面控制中心完全失去聯絡。 與 Hitomi 失去聯繫之後,跟據多方在地面追蹤 Hitmoi 的影像顯示,在 Hitomi 的軌道上發現了約五塊不明物,有可能是從 Hitomi 分離出來的碎片。 發現碎片,很自然會聯想到外物撞擊。數以萬計的太空垃圾無聲無息地環繞地球運行,儘管有專門網絡監察太空垃圾的軌道,有漏網之魚亦非不可能。不過,跟據 JAXA 初步估計,是次意外是由一連串電腦和人為錯誤引發的。 除了太空望遠鏡和許多科研模組外,在 Hitomi 衛星上亦有很多負責望遠鏡軌道和方向調整的模組,其中之一是稱為慣性參考裝置 (Inertial Reference Unit) 的元件,負責監控望遠鏡的自轉。JAXA 指出 Hitomi 在 3 月 25 號完成一項活躍星系核 (active galactic nucleus)…… Continue reading 科研悲劇:Hitomi 望遠鏡意外

銀河消息:人類首次聆聽重力波

*** 此文章刊於星匯點三月份會員通訊 *** [此文章以宇宙標準語言寫成,翻譯成地球物種人類中文語言] 宇宙標準時間 731.51029041.900554 (相等於地球格林威治標準時間 2015 年 9 月 14 號 09:50:45),一道四維時空漣漪穿過銀河系邊緣一個距離其唯一的恆星第三遠、叫做地球的行星。地球上有一種數量接近 80 億的低文明生物,牠們叫這種漣漪做重力波。這道時空漣漪是人類文明誕生以來首次直接探測到的重力波。 人類文明剛剛踏進宇宙文明標準中的嬰兒期,在 400 年前剛開始探測來自宇宙的電磁波。牠們當中一位名叫伽利略的科學家,首先使用一種能把電磁波折射聚焦、叫做望遠鏡的簡單工具,把波長約 400 nm 到 900 nm 的電磁波引導到牠們一種叫做眼睛的器官。牠們叫這種感應方式做「看」。 直到 100 年前為止,人類發現了各種波長比 400 nm 短和比 900 nm 長的電磁波,並慢慢發明了能夠接收和發射這些訊號的儀器。不過牠們的科學一直處於只能利用電磁波的階段,所以在宇宙文明標準中一直處於落後程度。而且地球上仍然存在國家概念,彼此經常發生戰爭、歧視、獨裁、侵略、不公平、不公義、不尊重其他物種生命之行為,所以根據宇宙文明守則,其他宇宙文明暫時不會干涉人類文明的發展。 地球時間 1905 和 1916 年,人類當中一位叫做愛因斯坦的科學家,終於發現了時間和空間的關係,並憑一己之力導出了四維時空加速度與重力關係的方程式,由此牠亦得出重力波存在的結論。雖然牠的方程式並未能完全描述宇宙的物理定律,宇宙文明科學協會也將牠的名字刻於總部之中,與其他星球文明的偉大科學家並列。資料顯示愛因斯坦同時也是地球人類文明最有名的科學家。 人類命名這首次直接探測到的重力波做 GW150914,被牠們建造的兩座名為激光干涉重力波天文台的儀器於 35 到 250 Hz 頻率之中探測到。人類有一種叫做耳朵的器官,能夠感應頻率為 20 到 20000 Hz 的震盪。因此牠們並非「看」到重力波,而是能夠「聽」到處理過的重力波訊號。 這兩座簡稱為 LIGO 的儀器位於地球地表之上,分隔距離為 10…… Continue reading 銀河消息:人類首次聆聽重力波

重力波:愛因斯坦的最後預言 (下)

續上文《重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)》 注:重力波源 G184098 現已正式命名為 GW150914,以下將使用其新名稱。 美國激光干涉重力波天文台 (LIGO Lab) 昨天宣布已在 2015 年 9 月 14 號 09:50:45.391 UT 探測到一個重力波,代號 GW150914。經過計算,GW150914 的統計重要性有 5.1σ,達到科學界公認的「真.發現」標準。 位於路易斯安那州和華盛頓州的兩座 aLIGO 探測器相隔 0.007 秒分別獨立地錄得同一個訊號,其時間波形互相吻合。LIGO Lab 科學家使用愛因斯坦方程式以超級電腦模擬得到的雙黑洞結合重力波形,亦與 GW150914 極為吻合。 然而,我現正工作的費米伽瑪射線太空望遠鏡伽瑪射線暴監察器 (Fermi GBM) 團隊,驚訝地發現在 aLIGO 探測到重力波 GW150914 後 0.4 秒,即 09:50:45.8 UT,Fermi GBM 探測到來自天空同一區域的微弱伽瑪射線! Fermi GBM 的主要科學研究是伽瑪射線暴。伽瑪射線暴有兩種成因,其中一種就是雙星系統結合時發生的超高能量爆炸。我們發現的這來自 GW150914 同一天區的微弱伽瑪射線,稱為 GW150914-GBM。它在時間和能譜上都與一般雙星系統結合時發生的伽瑪射線暴無異,只是其總能量輸出是以往同類錄得的十分之一。如果 GW150914-GBM 真的是雙星系統結合時產生的伽瑪射線暴,而且與 GW150914 重力波源有物理關係,那麼我們就有難題了。 為什麼?不是說 GW150914 重力波源是雙黑洞系統、GW150914-GBM 疑似是雙星系統結合所產生的伽瑪射線暴嗎?…… Continue reading 重力波:愛因斯坦的最後預言 (下)

重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)

續上文《重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)》 2016 年 2 月 11 號香港時間 2330,美國激光干涉重力波天文台 (LIGO Lab) 舉行了記者會,發表了已經經過同儕審查的重力波存在的直接證據。愛因斯坦在 100 年前發表的廣義相對論的所有預測,終於全部被天文觀測證實。是次發現的重力波,在 LIGO 升級完成成為 aLIGO 之後就立即探測到了。 LIGO Lab 於 2015 年 9 月 14 號 09:50:45.391 UT 探測到一個重力波,代號 G184098。由於 aLIGO 探測器共有兩個,分別位於路易斯安那州和華盛頓州,兩者相距 3,002 公里。因此同一個重力波會在不同時間抵達兩個 aLIGO 探測器,使用三角測距法就能夠計算出其波源距離地球有多遠。 經過計算,G184098 位於銀河系外非常遙遠的地方,其重力波以光速穿越宇宙大約 13 億年,在 2015 年 9 月 14 號到達地球。LIGO Lab 分析 G184098 的訊號,發現其頻率與波幅都隨時間上升,然後突然消失。使用超級電腦對比愛因斯坦方程式的模擬,我們能夠確定 G184098 的訊號是黑洞雙星系統產生的,即兩個恆星質量的黑洞互相公轉、最後結合。 LIGO 研究團隊指出,這兩個黑洞的質量大約各為 30…… Continue reading 重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)

重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)

愛因斯坦在 1916 年正式發表廣義相對論,至今剛好 100 週年。廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論,把重力和加速度統一。當時空被物質或能量所扭曲,就會產生所謂的重力。重力原來非「力」,而是時空結構和質能互動的結果。 廣義相對論與量子力學成為現代物理學的兩大支柱。這兩個理論各自描述宏觀和微觀的世界,其預測亦被越來越精確的實驗逐一驗證。愛因斯坦的廣義相對論預言的時空扭曲效應,例如重力透鏡、宇宙膨脹、黑洞等等,都已經被天文觀測所證實。 在 100 年後的今天,美國的激光干涉重力波天文台 (LIGO) 將舉行記者會,發表愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言–重力波 (gravitational wave) –的直接證據。 廣義相對論說,時空會被非常重的物質扭曲。想像時空是一張彈床的表面,上面放一個網球和一個保齡球。保齡球比較重,所以彈床表面會被保齡球壓得比較深。把網球滾向保齡球附近,網球就會沿著保齡球附近被扭曲的彈床表面公轉,看上去彷彿網球被保齡球的一道無形的「力」給拉了過去。這就是重力的表現。 如果有兩個保齡球在彈床上呢?這樣的話,兩個保齡球就會互相圍繞其重心公轉。彈床表面就會因為兩個保齡球循環施壓而形成向外擴散的彈床波浪。說回重力,當兩個極高質量的天體 — 通常是中子星或黑洞 — 互相圍繞公轉,時空就會被它們的重力循環拉扯而形成向外擴散的波浪。這個重力的波浪,就叫做重力波。 直接探測重力波非常困難,即使極高質量的天體,其所造成的重力波波幅仍然非常小。位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個 LIGO 重力波探測器,使用中學物理都會學到的簡單光干涉原理,把兩束互相垂直的激光各自沿著 4 公里長的隧道發射,在隧道盡頭用鏡反射回起點重新結合,形成干涉圖像。 如果重力波經過地球,因為互相垂直的方向的時空扭曲程度不相同,兩束激光所走過的距離就會有所不同,干涉圖像就會改變。LIGO 在 2015 年 9 月升級完成成為 Advanced LIGO (aLIGO) 之後,能夠探測大約 10-22 到 10-23 的距離變化,大約等於萬分之一個質子大小。經過計算,此極其細小的距離變化與宇宙中最強烈的重力波源 — 黑洞雙星系統或中子星雙星系統 — 發出的重力波強度吻合,因此科學家預期 aLIGO 將能首次直接探測重力波,證實它的存在。 在今天 LIGO 的記者會,我們將有望親眼看到愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言被證實。雖然我已得知部分內容,但由於保密協定,我不能在這篇文章寫關於今次觀測的內容,留待於今天記者會稍後上載的第二篇文章《重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)》之中解釋。敬請期待! 延伸閱讀: 《愛因斯坦:廣義相對論》- 余海峯 LIGO Lab 官方網站 封面圖片:NOVA “E=mc²: Einstein’s…… Continue reading 重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)

冬至

有云:「冬大過年。」這裡的冬指冬至。在古中國曆法之中,古人將太陽一年在天空中的軌道分成 24 份,所以就有黃道 24 節氣。冬至是一年之中第 22 個節氣。 冬至在世界各地差不多所有文明裡都有非常重要的意義。冬至前的夜晚,每一晚的時間都比前一晚長;冬至後的夜晚,每一晚的時間都比前一晚短。所以冬至是冬天正中間的一天。現代天文學叫冬至做 Winter solstice,冬天 (Winter) 至日 (solstice) 的意思。所以「至」並非「來臨」而是「極限」的意思。 為什麼呢?這與地球的自轉軸與公轉平面的夾角有關。如果這個角度等於 90 度,即如果地球自轉軸與公轉軸的夾角等於 0 度 (方向一致),那麼地球上就不會有季節存在。 事實上,地球自轉軸與公轉軸的夾角約為 23.4 度,我們叫這個角度做轉軸傾角 (axial tilt)。因為地球的自轉軸指向的方向在一年這麼短的時間中幾乎不變 (地球自轉軸的歲差現象我們在以後再討論),所以在北半球冬至前後幾天,若從太空之中看,就如下圖所示: 若在地球上看 (即千百年以來人類所看到的),就如下圖所示: 可見冬至這一天,在北半球看到的太陽軌跡是全年最靠近南方的,所以太陽在天空中的軌跡就最短。換句話說,這一天夜晚的時間就最長了。 由於地球環繞太陽公轉的軌道並非正圓形 (雖然非常接近正圓形),在地球上看到太陽在一年中之每天同一時刻劃過天空的軌跡並非均速,因此 24 個節氣之間相差的日數並不相等。冬至一般都在每年的 12 月 21 或 22 號。 可能由於這一天象徵著一個循環的終結、新的循環的開始,這一天大家都習慣回家一起吃晚飯,有團聚之意,所以有冬大過年之說。 https://www.youtube.com/watch?v=-fnAWicfmEQ 太多事 太多愛 原是凍 怎保暖 驟冷那一天思緒剪接著撩亂 結果來我要怎算 如地球是要公轉的始終在轉 話我知 怎麼今天的冬至竟這樣凍 話我知 消失的手心溫暖可會流動 冬至快樂。 延伸閱讀: 香港大學物理系與香港太空館製作的自學天文課程《宇宙的本質》

科研解碼:宇宙文明的歷史與未來

「人類在宇宙中寂寞嗎?」 在卡爾.薩根 (Carl Sagan) 的小說《超時空接觸》(Contact) 電影尾聲,主角 Ellie Arroway 說:「宇宙之大,超越我們的任何想像。如果只有我們,那真是太浪費地方了。」 The universe is a pretty big place. It’s bigger than anything anyone has ever dreamed of before. So if it’s just us… seems like an awful waste of space. Right? 在最近一篇研究論文之中,Peter Behroozi 和 Molly S. Peeples 利用行星形成速率,計算出今天 (宇宙誕生後 137 億年),地球比宇宙中 80% 的類地行星更遲誕生。但他們同時亦推測,地球文明有 92% 的機會並非宇宙中唯一文明。 行星形成速率 要知道銀河系及宇宙中有多少個文明,首先要知道存在多少個行星。文章假設類地行星…… Continue reading 科研解碼:宇宙文明的歷史與未來

科研解碼:伽瑪射線暴的研究歷史與展望

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伽瑪射線暴簡介 曾經有很久一段時間,高能量天文學與天體物理學誕生之前 (即是觀測伽瑪射線波段的天文學),科學家認為伽瑪射線波段的的天空相對其他波段是平靜的。換句話說,我們曾經以為天空上的伽瑪射線背景輻射是沒有什麼變化的。 在 1973 年,Klebesadel et al. [1] 發表了一份關於神祕的伽瑪射線閃光的分析結果。原來自從 1967 年以來,Vela 人造衛星網絡觀察到平均每天一次的神祕伽瑪射線閃光。美國本打算用 Vela 人造衛星來監察其他國家的祕密核試,但卻意外地發現了這些來自宇宙的神祕伽瑪射線源。科學家發現這些伽瑪射線來自所有不同的方向 [2,3,4],因此不可能產生自地球上的核試。他們叫這些新的伽瑪射線源做伽瑪射線暴 (gamma-ray bursts,圖一、封面)。後來在 1997 年,Metzger et al. [5] 和 Waxman [6] 首次成功測量伽瑪射線暴的宇宙紅移,確定伽瑪射線暴來自非常遙遠和古老的宇宙。 伽瑪射線暴的輻射原理是? 雖然經過了 45 年的研究,天體物理學家對於伽瑪射線暴的輻射機制仍然理解甚少。我們知道有兩種伽瑪射線暴:長/軟伽瑪射線暴和短/硬伽瑪射線暴。伽瑪射線暴是長是短由它的持續時間決定:比兩秒長的叫做長、比兩秒短的叫做短。Kouveliotou et al. [7] 在1993 年發現長伽瑪射線暴比短伽瑪射線暴有更多的輻射來自比較低能量的波段,在天文學裡就叫做「軟」。 我們相信這兩種伽瑪射線暴有著不同的起源。長伽瑪射線暴應該與超高質量恆星的崩塌死亡有關,而短伽瑪射線暴則與中子星-中子星合併或中子星-黑洞合併有關。[8,9] 兩者都會形成一個黑洞,然後在過程中被拋出去的物質會被黑洞的重力吸回去,在黑洞外形成一個吸積盤。當吸積盤的一些物質跌落黑洞中的時候,由於角動量守恆原理,另一些物質就會以極高速由黑洞兩極往外被噴射出去,形成所謂的雙極噴流 (bipolar jets)。如果其中一支噴流正好面對地球,我們就會觀察到在噴流中發射的伽瑪射線,我們就會叫這個現象做伽瑪射線暴。 關於這個噴流裡面究竟發生了什麼物理過程,造成我們觀測到的強烈伽瑪射線,天體物理學界一直爭論不休。[8,10] 由人造衛星測量所得的數據顯示,一個伽瑪射線暴所釋放的能量級達到每秒 10^53 erg,即大約每秒 10 億億億億億焦耳,比一整個銀河系一生中所放出的能量更多。在極短的時間裡釋放這樣多的能源意味著發射的物質必定有著極高的能量,同時以接近光速飛行。其中一個自然的解釋 [11,12,13,14,15,16,17] 是,一個非常熱的「火球」釋放的熱輻射 (即黑體輻射)。 不過,我們在觀察到的伽瑪射線光譜裡找不到黑體輻射的證據。相反地,我們看到兩個冪定律 (power law) 結合在一起,形成一個有峰值的形狀,而冪定律是非熱輻射的特徵,例如同步加速輻射 (synchrotron radiation)。所以,長久以來,大部分高能量天體物理學家都認為是在噴流中的局域磁場中加速旋轉的電子發射的同步加速輻射造成伽瑪射線暴的伽瑪射線光譜。這個提案是非常吸引的,因為我們在所謂的伽瑪射線暴餘輝 (afterglow, 即噴流與包圍著中心黑洞的星際物質和被前身恆星拋出來的物質碰撞而發射的輻射)…… Continue reading 科研解碼:伽瑪射線暴的研究歷史與展望