比鄰星新發現:最接近地球的行星 Proxima b

雖然人類仍未踏足太陽系內、地球以外的行星,到另外一個太陽系探索已經漸漸由科幻題目變成嚴肅的科學議題。

過去二十年,隨著望遠鏡技術不斷提昇,科學家至今已發現了超過 3,300 個太陽系外行星,來自超過 2,600 個行星系統。1992 年,人類首次發現環繞一顆脈衝星 PSR B1257+12 公轉的兩個行星 Draugr 和 Poltergeist,其後於 1994 年又再發現繞其公轉的第三個行星 Phobetor;1995 年,人類首次發現環繞主序星 51 Pegasi 公轉的行星 Dimidium。

天文學家希望找到接近地球又有可能孕育生命的系外行星。可是宇宙非常大,被發現的系外行星多半都離太陽系頗遠。截至今年 8 月 23 號,其中已被證實、離太陽系最近的系外行星是環繞紅矮星 Gliese 687 公轉的 Gliese 687 b,離地球約 14.77 光年。可是這個行星的質量介乎 16 至 20 倍地球質量,應是類似於木星的巨型氣體行星,並非類地行星。

[左:綜合超過 16 年觀測數據發現的 11.19 天擾動週期。右:11.19 天週期訊號強達 99.9999% 。(Anglada-Escudé et al. 2016)]

2016 年 8 月 24 號在國際期刊 Nature 「自然」上刊登的一篇論文將永遠改變行星與星際探索科研方向的發展。Guillem Anglada-Escudé 帶領的團隊發現,離地球最近的恆星 Proxima Centauri「比鄰星」有一個約比地球重 30% 的行星,他們稱之為 Proxima b。由於比鄰星是最接近地球的恆星,離我們的太陽系只有約 4.2 光年,因此 Proxima b 將永遠是人類能夠到達的、最近的系外行星。更重要的是,Anglada-Escudé et al. 發現 Proxima b 或位於比鄰星系統的適居帶。換句話說,液態水或能於 Proxima b 表面存在。

Anglada-Escudé et al. 發現 Proxima b 是離地球最近又同時可能適合生命存在的系外行星,可謂同時滿足了科學家的兩個願望。因此,研究團隊非常謹慎地使用不同方法檢查他們得到的結果,最後得出一顆公轉週期約為 11.19 天的行星最有可能解釋其觀測數據。嚴謹的反複檢驗加上自我批判的科學精神,令這份刊登於自然期刊上的論文一夜成名,在科研界和科普界引起了人類探索系外行星可能性的激烈討論。

比鄰星是一顆十分暗淡的恆星,其表面溫度約為 3,000 度,是太陽的一半,而發光度只有太陽的千分之一左右。如果我們在 Proxima b 上,就會看到一個非常紅的太陽 (本文封面圖片)。因為觀測非常困難,過去對於比鄰星有行星一說只停留在懷疑階段。不過,由於比鄰星只有太陽的 12% 重,體積約為太陽的萬分之三,而 Proxima b 卻比地球還重,而且距離比鄰星只有 0.05 個天文單位 (是地日距離的 5%), Proxima b 對比鄰星造成的重力擾動就得以被現代天文望遠鏡探測到。

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[研究團隊使用的數據精度很高,能夠測量比鄰星低於 2 m/s 的擾動速率。(Anglada-Escudé et al. 2016)]

Anglada-Escudé 團隊由今年 1 月 19 號到 3 月 31 號幾乎每晚都觀察比鄰星,再結合 2016 年前收集到的、累積了 16 年的大量數據,使得他們能夠以高達 99.9999% 機率確定 Proxima b 的存在。他們觀察比鄰星的光譜,發現有一個週期約為 11.19 天的擾動。這就表示,當排除了恆星本身的活動所造成的擾動之後,必然有一個看不見的物體對比鄰星來回「拉扯」。

Anglada-Escudé et al. 的分析顯示 Proxima b 的表面溫度介乎 -50 至 -30 攝氏度,如果行星擁有大氣層的話,在一定的氣壓下水能夠以液態保留於其表面之上。不過,比鄰星算是一顆活躍的恆星,其表面活動如閃耀等會令 Proxima b 暴露於比地球高 400 倍的 X 射線之中、平均磁場亦高達太陽的 600 倍左右,有可能破壞 Proxima b 的大氣。不過亦有研究指出類似系統的大氣流失量頗少,而且 Proxima b 因為太接近比鄰星,造成所謂潮汐鎖定現象,即 Proxima b 永遠以同一面面向比鄰星,就像月球永遠以同一面面向地球一樣。研究顯示這個潮汐鎖定現象有可能保護大氣免受高磁場破壞。

卡爾.薩根說過,我們生於幸運的一個世代,能夠目睹科學以史無前例的速率發展。然而,人類未來能否飛到比鄰星探索,看看 Proxima b 上有沒有生命存在,就要看我們懂不懂得首先珍惜地球,我們在浩瀚宇宙中唯一的家園。

研究論文:Anglada-Escudé et al., A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri

封面圖片:ESO/M. Kornmesser

延伸閱讀:

Earth-sized planet around nearby star is astronomy dream come true

Pale Red Dot campaign reveals Earth-mass world in orbit around Proxima Centauri

ESO discovers Earth-size planet in habitable zone of nearest star

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。

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GW 151226 重力波訊號。(Abbott et al. 2016, PRL 116, 241103)

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。

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三個重力波訊號在天空上的可能來源方向。(Abbott et al. 2016, arXiv:1606.04856)

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% 準確度證實的預言。

我想像,如果愛因斯坦得知人類在過去一個世紀窮幾代科學家一生努力才能夠在今天證實他的預言,他應該會說:「我早就知道,我的理論是正確的。」

封面圖片:LIGO, NOVA | Einstein’s Big Idea

延伸閱讀:

GW 150914 論文:Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger

GW 151226 論文:GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence

三個重力波觀測結果的論文預印:Binary Black Hole Mergers in the first Advanced LIGO Observing Run

LIGO 第 2 次發現重力波 再證愛因斯坦廣義相對論》- 立場報導/eh

重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)》- 余海峯

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。

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) 的觀測後,進行了一次方向調整。在自轉之後,慣性參考裝置會計算望遠鏡是否已經停止轉動,這涉及基本的積分運算。有寫電腦程式的人都會有類似經驗:由電腦進行的積分運算都會有誤差,因為電腦無法對一個數學方程作無限小的切割。就好像用很多長方形去近似一個平滑的斜坡,會「起角」。因此,Hitomi 上有一個追星儀 (Star Tracker),透過觀察背景星空就可以知道望遠鏡本身的轉動,是觀星的基本知識。電腦如果發現追星儀和慣性參考裝置得出的結果不一致,就會強制使用準確度非常高的追星儀的數據調整望遠鏡。

是次意外的起因是慣性參考裝置的計算有每小時 21.7 度的誤差。本來這個誤差可以由追星儀發現,但不幸地在 3 月 25 號的這一次,追星儀沒有發揮作用。因此,電腦就誤以為望遠鏡仍然在自轉,於是指示了飛行裝置作出反方向的自轉,用來抵消這個不存在的誤差。結果導致 Hitomi 以每小時約 20 度的轉速自轉而無人發覺。

由於這個自轉,衛星的反作用飛輪 (Reaction Wheels) 裡開始累積剩餘的動量。負責調節衛星高度和防滾動的裝置磁力起轉器 (Magnetorquer) 開始發揮作用,希望保持衛星的穩定。但是由於 Hitomi 自轉太快,磁力起轉器不能有效地令它回復穩定。JAXA 指出,在世界標準時間 3 月 25 號 20:49 到 26 號 01:04,Hitomi 的轉矩已經達到 112 Nm 的數值,而 Hitomi 可抵受的極限為 120 Nm。

在這個時間,Hitomi 衛星自動進入安全模式,令衛星強制使用太陽感應器 (Sun Sensor) 的數據,並發動噴射器調整其高度和方向等等,使其太陽能電池陣能夠對準太陽充電。不幸的是,Hitomi 在 2 月 28 號進行過一次可展光學台 (Extensible Optical Bench) 的展開,並在程序進行過程中升級了噴射器的設定。可是,這次升級錯誤計算了衛星展開可展光學台後的重心。最後,處於安全模式的 Hitomi 反而因為噴射器的噴射調整,加速了它的死亡。

JAXA 估計 Hitomi 在 3 月 26 號 01:37 因為過度自轉加速令某些零件從衛星本體分離出來。JAXA 相信,分離了的零件包括可展光學台以及部分太陽能電池。Hitomi 不回應地面的原因就是能源耗盡。

從 3 月 26 號到 3 月 28 號,Hitomi 曾向地面發出三次短暫訊號。28 號至今,地面再無接收過任何來自 Hitomi 的訊號。

Hitomi 是新一代高能量太空望遠鏡,其任務主要為研究宇宙的結構和在極端環境下的物理,包括研究黑洞如何形成、星系團如何演化、宇宙如何及產生了多少重元素、高密度和磁場下的物理、黑洞附近的時空如何扭曲、宇宙射線如何及在哪裡產生等等。

這次 Hitomi 意外,絕對是科學界的悲劇。希望科學界能夠汲取教訓,改進未來的衛星,代替 Hitomi 延續研究宇宙的任務。

延伸閱讀:

Hitomi 失去聯絡的新聞

JAXA 於 4 月 15 號發表的調查報告

封面圖片:Hitomi 想像圖/JAXA

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。

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兩座 aLIGO 探測器錄得之訊號皆與理論模擬吻合。Credit: Abbott et al. 2016

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!

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來自於 GW150914 同一天區的微弱伽瑪射線 GW150914-GBM (綠色)。Credit: Connaughton et al.

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?

伽瑪射線暴的產生必須有一個重要前提:雙星系統結合後必須有物質在系統附近,因為伽瑪射線是物質發射出來的。所以造成伽瑪射線暴的雙星系統不可以是兩個黑洞,其中之一必須是中子星,或者兩個都是中子星。可是 aLIGO 夠探測到的是兩個黑洞結合產生的重力波,而兩個黑洞結合後是沒有物質剩下來的!因此,如果 GW150914-GBM 的伽瑪射線真的來自於 GW150914 重力波源的話,其物質從哪裡來?

Fermi GBM 的這個疑似發現,現在已公開放在 NASA Fermi GBM 網頁上,任何人也可以下載閱讀,並將投稿到學術期刊等待同儕審查。究竟 GW150914-GBM 是否真的來自 GW150914 重力波源的伽瑪射線暴,還是巧合地來自向一天區的伽瑪射線呢?如果是,那麼雙黑洞系統又是如何提供物質給伽瑪射線暴?這有待未來收集更多數據才可以下定論。

我們看到在科學裡,一個發現必定同時帶來更加多的難題。我們應該把這些新的挑戰視為進步的動力,以理性和好奇的心去欣賞大自然難解卻又美麗的奧秘。

愛因斯坦:廣義相對論》- 余海峯

LIGO Lab 官方網站

LIGO Lab 發表於 Physical Review Letters 研究期刊的論文

Fermi GBM 發現 G184098-GBM 之預印論文 [未投稿]

封面圖片:愛因斯坦 1954 年攝於普林斯頓。

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。

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已經過同儕審查、LIGO Lab 剛剛於 Physical Review Letters 發表的論文。

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 倍太陽質量。兩個黑洞結合時輸出的功率,是全宇宙所有恆星的總和的 50 倍!不過因為黑洞結合時間極短,所以釋放出的總能量「只有」3 個太陽質量,即是把 5,970,000,000,000,000,000,000,000,000,000 公斤的質量一起變成能量。嗯,自己使用 E=mc2 計算吧……

重力波的發現,除了是愛因斯坦廣義相對論的一個漂亮驗證、完美地證實了他的最後一個預言外,對人類科學發展還有非常重要的意義。400 年前,伽俐略首先用望遠鏡看向宇宙,開創了天文觀測的新一頁。400 年之間,人類打開了從可見光到紅外線、微波、射電、紫外線、X 光、伽瑪射線等所有電磁波天文學,發現了許許多多前所未見的事物。誰又能夠預計重力波天文學會把什麼有趣和新奇的物理帶給我們看?

在廣義相對論發表 100 週年的今天,容許我們再次向愛因斯坦致敬:愛因斯坦教授,你的理論是正確的。

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延伸閱讀:

愛因斯坦:廣義相對論》- 余海峯

LIGO Lab 官方網站

LIGO Lab 發表於 Physical Review Letters 研究期刊的論文

封面圖片:LIGO Lab/Wikipedia

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。

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兩個極高質量天體互相環繞重心公轉,在時空結構之中形成波浪。Credit: LIGO Lab

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。

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華盛頓洲的 LIGO 重力波探測器,可見其兩條互相垂直、各長 4 公里的激光隧道。Credit: LIGO Lab

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!

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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 Big Idea” 截圖

科研解碼:伽瑪射線暴的研究歷史與展望

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) 的光譜中也觀察到這種冪定律,而且已被非常多的證據證明餘輝是電子同步加速輻射引起的。[18] 天體物理學家已經從餘輝的理論模型與觀察到的光譜的對比之中得到了很多關於噴流的物理參數,也知道了很多關於伽瑪射線暴的宿主星系的資料。

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[左:圖二、我們證明幾個伽瑪射線暴主爆發的光譜需要加入黑體輻射和精密微調過的物理參數才能解釋。右,圖三、我們證明同步加速所預測的光譜比觀察到的闊。]

不過,要用伽瑪射線暴餘輝的同步加速理論去解釋伽瑪射線暴主爆發 (prompt emission) 的光譜並不容易。首先,伽瑪射線暴主爆發釋放出的極高能量意味著在噴流中發生的能量轉換過程必須有著極高的效率。噴流的動能要以高效率加速電子,然後電子要用高效率把它們的動能轉換成極高能量的伽瑪射線,而這些高效率的能量轉換過程需要極端的物理參數數值。[8,10] 第二,以極高速度運動的高相對論性 (highly relativistic) 噴流物質很自然地會是不透光的 (即輻射不能逃逸),這應該會導致 (局部) 熱平衡,從而放出黑體輻射。相反地,主流的同步加速輻射則需要透光的環境。第三,很多年前,天體物理學家已經發現 [19,20,21,22] 在大約 30% 的伽瑪射線暴主爆發的光譜之中,其低能量一端的冪定律斜率數值與同步加速理論預測的數值不符。在我近期發表的論文 [23] 中,我們發現低能量一端的冪定律斜率在某些特定的物理條件、或者在加入一個黑體輻射的條件下,可以以同步加速去解釋少數幾個伽瑪射線暴主爆發光譜 (圖二)。不過,這需要精密微調一些互不相關的物理參數,很難想像在哪些情況下會發生。

我在最近發表的一篇論文 [24] 中證明了超過 91% 的伽瑪射線暴光譜都不可能用同步加速去解釋。我們在研究中直接測量了光譜的弧度,並與理論預測的數值比較。我們發現同步加速所預測的光譜比觀察到的闊 (圖三)。所以,我們證明了只以同步加速去解釋伽瑪射線暴光譜,在數學上是不可能的。另一方面,我們也發現黑體輻射所預測的光譜比觀察到的窄,意味著有可能由多個不同溫度的黑體輻射重疊的所謂「灰體輻射」去解釋伽瑪射線暴主爆發光譜。

下一步該做什麼?

傳統的伽瑪射線暴光譜分析使用根據經驗建構出來的數學模型 (empirical models) 去分析觀測到的光譜。越來越多研究顯示這種方法有可能會導致錯誤的結論。而且,我的論文 [24,25] 證明了使用非常保守的篩選方式得到的經驗建構模型顯示九成以上的光譜都不可能是同步加速造成的。所以,以後的主流研究方向很可能會轉為以物理建構出來的數學模型 (physical models) 直接分析光譜。這種方法比經驗建構模型分析困難得多,因為其分析工具的編寫比較複雜。某些物理過程的理論模型研究也未達到成熟能應用的程度,也是難題之一。不過,越來越多證據顯示,以物理模型直接研究伽瑪射線暴光譜將會是能夠得知其物理過程的唯一方法。

如果我們能夠比較深入地理解伽瑪射線暴的輻射機制,就有望得知非常多關於其噴流、中心黑洞以及四周物質的物理過程。由於伽瑪射線暴比其他所有已知的天體都更遙遠古老,伽瑪射線暴的研究突破將會幫助人類理解早期宇宙如何演化、如何發展成我們今天看見的這個美麗的穹蒼。

參考文獻:

[1] Klebesadel, R. W., Strong, I. B., & Olson, R. A. 1973, ApJ, 182, L85

[2] Briggs, M. S., Paciesas, W.S., Pendleton, G. N., et al. 1996, ApJ, 459, 40

[3] Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendleton, G. N., 1994, ApJ, 422, 659

[4] Tegmark, M., Hartmann, D. H., Briggs, M. S., & Meegan, C. A. 1996, ApJ, 468, 214

[5] Metzger, M., R., Djorgovski, S. G.m Kulkarni, S. R., et al. 1997, Nature, 387, 878

[6] Waxman, E. 1997, ApJ, 489, L33

[7] Kouveliotou, C., Meegan, C. A., Fishman, G. J., et al. 1993, ApJ, 413, L101

[8] Piran, T. 2004, Rev. Mod. Phys., 76, 1143

[9] Zhang, B. 2012, Death of Massive Stars: Supernovae and Gamma-Ray Bursts, Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium, 279, 102

[10] Zhang, B. 2014, International Journal of Modern Physics D, 23, 1430002

[11] Goodman, J. 1986, ApJ, 308, L47

[12] Meszaros, P., Laguna, P., & Rees, M. J. 1993, ApJ, 415, 181

[13] Meszaros, O. & Rees, M. J. 1993, ApJ, 418, L59

[14] Rees, M. J. & Meszaros, O. 1992, MNRAS, 258, 41P

[15] Rees, M. J. & Meszaros, O. 1994, ApJ, 430, L93

[16] Tavani, M. 1996, ApJ, 466, 768

[17] Piran, T. 1999, Phys. Rep., 314, 575

[18] van Eerten, H. J. 2015, arXiv:1503.05308, to be appear in the Journal of High Energy Astrophysics special issue “Swift: 10 years of discovery”

[19] Katz, J. I. 1994, ApJ, 432, L107

[20] Crider, A., Liang, E. P., Preece, R. D., et al. 1998, in Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 30, American Astronomical Society Meeting Abstracts, 1380

[21] Preece, R. D., Briggs, M. S., Mallozzi, R. S., et al. 1998, ApJ, 506, L23

[22] Preece, R. D., Briggs, M. S., Giblin, T. W., et al. 2002, ApJ, 581, 1248

[23] Yu, H.-F., Greiner, J., van Eertan, H., et al. 2015, A&A, 573, A81

[24] Yu, H.-F., van Eertan, H. J., Greiner, J., et al. 2015, arXiv:1507.05589, submitted to A&A

[25] Yu, H.-F., et al. 2015, in preparation, submitting to A&A soon

延伸閱讀:

伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振》- Prof. Jochen Greiner

科研解碼:淺談伽瑪射線暴》- 余海峯

星空

天上的星星,自人類演化以來,一直縈繞人類心中。夜空之中,一閃一閃發光的星星,伴隨人類入眠,彷彿每晚都在安慰世上萬物的心靈。

世界各地神話故事,無一不與天上的繁星有關。看看現代地球各國國旗,不難發現許多都與天上的物體有關:星星、太陽、月亮、甚至地球本身。

天文,是人類其中一個最古老的學問。從古代流傳下來的神話、到人類文明發展必不可少的預測季節更迭、到現代前沿科學發展、甚至是各種科幻想像,天文觀測、天象知識都佔有極其重要的位置。

天文學在現代科學中,也可算是一特殊領域。科學理論強調可證偽而非可證實,而證明方法就是做實驗。可是天文學並沒實驗可做,因為天文學家的實驗室在天上、在星空中、甚至在幾百億光年外的黑洞旁。我們沒有真實的實驗可做,只可以在電腦中進行模擬,輸入已知的物理定律,在電腦裡創造出一個現實世界的近似。

科學理論必須通過大自然的考驗,科學家做實驗觀察自然、搜集證據,數據經過分析並與理論比較。天文學的數據來自觀察天空,可以說是守株待兔。人類的肉眼看得不夠遠、不夠暗,望遠鏡就成為了天文學的唯一實驗儀器。望遠鏡之於天文學,就像粒子加速器之於粒子物理學。

人類的肉眼看得見的光譜,或稱電磁波譜,其實非常有限。不過,在十七世紀以前,全世界幾千年的天文觀測,其實都是全靠肉眼。

伽利略 (Galileo Galilei) 之前的科學家,用肉眼觀察天象,已經可以發現很多關於宇宙的祕密。例如,地球是個球體,可以由月食時月球上的影子看出。當然,這要假設月食成因是地球遮住了太陽光。也發現有一些會動的、比起其他星體光很多的天體,叫做行星。由於地球和行星的公轉速率不同,在地球上看行星會逆行。比較一年四季同一時刻的天空變化,人類發現歲差,即是地球原來會好像陀螺一樣,自轉軸會慢慢轉動。還有計算出地球大小、月球大小,利用視差法,進一步連行星的距離也能計算出來。[1]

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[我與朋友使用香港大學物理系 16 吋反射望遠鏡所拍的木星,右邊的兩個小光點是木星的兩顆衛星 Europa 和 Io。]

望遠鏡不是伽利略發明的。伽利略得到望遠鏡後,最早的用途是在軍事上,先看到敵軍的就有優勢了。天文學、物理學、以至所有現代科學,都可說來自伽利略把望遠鏡指向夜空的那一刻。他透過望遠鏡,發現了月球上的山脈、太陽上的黑子、木星旁的衛星、土星像耳朵一樣的模糊的土星環等等,把天上的世界都納入人類科學研究可及的範圍。人類所認知的宇宙,突然大了好幾十、幾百倍不止。

伽利略不滿足於得到其他人的望遠鏡,更自己打磨鏡片,製造出便宜的型號使望遠鏡能夠慢慢普及於世。現代的「伽利略望遠鏡」就是非常便宜而且效率高的型號,主要用在科學教育普及工作中。伽利略也發現,無論他如何改良望遠鏡,除了水、金、火、木、土星稱為行星的天體外,其他所有星星看起來永遠都只是一個光點。因此,伽利略得出恆星離開地球的距離遠遠超過行星的距離這一結論,證明太陽系只佔宇宙非常小的範圍。這一結論可謂現代宇宙學的開端。

伽利略的朋友克卜勒 (Johannes Kepler) 利用千多年的天文觀測數據,證明地球和行星環繞太陽公轉的同時,也發現這些行星軌道並非正圓形,而是橢圓形的。伽利略離世的那年,牛頓 (Isaac Newton) 出世。牛頓結合他發現的力學定律和萬有引力定律,推導出克卜勒的行星運動定律,證明地球上的物理與天上的物理都是一樣的。他更發明了反射式望遠鏡、發現了白光是由彩虹色混合而成、發明微積分等等。突然在一個世紀內,科學發展速度以指數上升,人類終於走出西方中世紀黑暗時代。

然後的幾百年間,由於微積分的發明,使人類科技飛躍進步。不過天文學研究直到十九世紀,依然處於不斷建造更大更強的光學望遠鏡的循環當中,有待突破。

赫歇爾 (William Hershel) 發現了土星和天王星的衛星、編製了著名的赫歇爾星雲表、發現物理雙星系統、描繪出銀河系的形態、發現太陽系也會環繞銀河系公轉等等,是近代天文學的巨擘。他在 1800 年發現了紅外光,從此觀測天文學不再限於可見光光學。他在觀測太陽溫度時,發現溫度計在紅光以外的波段仍不斷升溫,得出比紅光波長更長的紅外線存在這一結論。紅外線天文學在這一刻誕生了。幾年前剛完成任務的其中一個紅外線太空望遠鏡,就以赫歇爾的名字命名。

赫茲 (Heinrich Hertz) 在十九世紀末證明電磁波的存在,把物理學和天文學再次結合起來。[2] 馬克士威 (James Maxwell) 的電磁學方程式推導出電磁波以光速行走、愛因斯坦 (Albert Einstein) 以光量子假說解釋光電效應和發現相對論等等 [3,4],把物理學和天文學帶入了前所未有的境地。突然,傳統物理學對世界的認知被量子力學和相對論革新了,證明光和電磁波的關係也代表人類可利用的天文觀測波譜在幾十年間大幅增加了幾十個數量級。

1932 年,央斯基 (Karl Jansky) 觀測到來自銀河系中心的無線電電波,無線電天文學於焉誕生。彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和威爾遜 (Robert Wilson) 在 1964 年發現了著名的宇宙微波背景幅射,是宇宙大爆炸理論的重要證據。今天,央斯基的名字成為了無線電天文學的通量密度 (flux density) 基本單位,彭齊亞斯與威爾遜也在 1978 年得到了少有頒給天文學研究的諾貝爾獎。

另一方面,在 1895 年,倫琴 (Wilhelm Röntgen) 發現了比紫外線波長更短的幅射,我們稱為倫琴射線,亦即 X 光。比 X 光波長更短的伽瑪射線,亦即我的研究專業,也於上世紀中期開始發展。今天在地球上,天文學家建造了觀測不同波長的巨型天文望遠鏡、在宇宙中亦有非常多繞地或繞日運行的太空望遠鏡,它們的觀測波段覆蓋整個電磁波譜。

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現代人類的眼睛,通過望遠鏡,看到了前人未所見、甚至未能想像的影像、得知超越一切人類想像力的、狂野的宇宙物理定律,這些都全靠理性與科學的力量。

然而,只靠光線,亦即電磁波,天文學家和宇宙學家也遇到了觀測上的樽頸。例如在宇宙誕生的頭 38 萬年 (即宇宙微波背景幅射的來源),由於當時宇宙溫度仍然很高,電子和原子核還未結合成原子,光線被散射,所以我們不可能用電磁波看到比 38 萬歲更年輕的宇宙。另一方面,光線經過高質量天體時會被扭曲 [5],而且銀河系中的塵埃也會把光線散射。

物理學又再一次幫助天文學。在粒子物理學的幫助下,我們已經建造出能夠探測並定位微中子天文源的微中子望遠鏡。由於微中子幾乎不會與其他物質互動,所以觀測微中子就有望能夠探測遙遠的銀河系內部而不被其質量或塵埃所影響。[6] 另外,雖然天文學家和物理學家仍然未直接探測到重力波的存在,但是一旦科技進步到能夠證實並發展重力波天文學,我們就能夠看穿宇宙微波背景幅射,直接觀察宇宙早期、甚至是宇宙誕生的那一刻。

仰望星空,使我們感受到人類的渺小。但我同時亦驚訝,透過理性和科學,人類竟然能夠了解這個浩瀚的宇宙。正如卡爾.薩根 (Carl Sagan) 所說:「宇宙亦在我們體內,我們都是星塵。我們就是宇宙認識它自己的途徑。」

對我來說,星空不但是了解我們與大自然之間的聯繫,也拉近了人與人之間的關係。我永遠不會忘記,與她一起看星空的那種感覺。我們,都活在同一星空下。

七夕快樂。

延伸閱讀:

[1]《古希臘的科學 (四) 最美麗的實驗》- 余海峯

[2]《光的祕密》- 余海峯

[3]《你也能懂相對論》- 余海峯

[4]《淺談相對論 [一]:狹義相對論 (Layman Introduction to Relativity I : Special Relativity)》- COSMO – 一名80後物理學博士生的blog

[5]《光之系列三:你,只係宇宙微不足道嘅一粒塵!》- 議事之峰

[6]《微中子夢遊仙境》- 余海峯

封片圖片:M16, Eagle Nebula, Pillars of Creation

來源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/J. Hester, P. Scowen (Arizona State U.)

伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)

作者:Prof. Jochen Greiner, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany

譯者:Hoi-Fung David Yu (余海峯), Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany

德文原文來自:http://www.mpe.mpg.de/~jcg/GROND/grb121024A_PR.html

以下皆為譯文,所有內容已經作者批准使用。(封面圖片來源:National Science Foundation)

文章內容來源:

Circular polarization in the optical afterglow of GRB 121024A, Klaas Wiersema et al. 2014, Nature, 509, 7499 (「自然」雜誌第509卷7499號,2014年5月8日發行)

http://dx.doi.org/10.1038/nature13237 (電子版於2014年4月30日出版)

摘要

根據目前的標準模型,伽瑪射線暴 (Gamma-Ray Burst, GRB) 源自大質量恆星在其生命終結、塌縮成黑洞時所產生的兩個方向相反的噴流 (jet)。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時就會產生餘輝 (afterglow)。測量餘輝的偏振 (polarization) 能夠得知噴流的磁場特性和幾何結構。理論模型預測它們是低線性 (low linear) 和沒有圓形偏振 (circular polarization) 的。

這裡介紹的甚大望遠鏡 (ESO智利) 的測量結果顯示了首個有圓形偏振的伽瑪射線暴餘輝。利用馬克斯.普朗克地外物理研究所 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) 的GROND儀器的光度測量,排除其他解釋後發現伽瑪射線暴噴流必定產生圓形偏振。這導致令人震驚的推論:餘輝所產生的電子分佈必須是非常各向異性的 (very anisotropic)、或噴流是空心的並包裹在螺旋磁場之內,兩者都與標準模型的一般假設相左。因此我們需要新的模型來解釋伽瑪射線暴餘輝。

重要發現

一個國際研究小組利用一個很少使用的觀測模式的數據得到了關於伽瑪射線暴性質一些新的、意想不到的結論。

這些結果發表於今天的「自然」雜誌 (Nature) 上,當中包括餘輝的輻射機制和最新的理論模型。

這是首次於伽瑪射線暴餘輝中發現所謂的圓形偏振 (見文章末延伸閱讀)。這些測量結果來自歐洲南方天文台 (ESO) 在智利的8.2米VLT 望遠鏡的FORS2儀器。馬克斯.普朗克協會的拉西拉2.2米望遠鏡 (ESO智利) 的GROND所同時測量的結果亦與此一解釋非常吻合。

文章合作作者Jochen Greiner說:「沒有任何伽瑪射線暴餘輝的理論能夠預測圓形偏振。這次測量到明顯的圓形偏振意味著我們對電子在衝擊波裡的加速和噴流的結構與磁場的認識必須大幅修改。」

甚麼是伽瑪射線暴?

伽瑪射線暴是宇宙中最強大的爆炸。通常在人造衛星上的科學實驗每天會偵測到一次這類以秒鐘計的伽瑪射線閃光。傳統認為這些閃光來自遙遠星系的大質量恆星 (約30至50倍太陽質量) 在其生命終結、塌縮變成黑洞的時候。它們塌縮時會產兩束方向相反的噴流並與周圍的星際物質碰撞──即所謂的餘輝碰撞──在一定程度上會於爆炸地點產生餘輝。餘輝在包括可見光內的所有波長上會持續好幾天。電子在衝擊波中會被加速至極高能量,這些電子會以接近光速飛行,在衝擊波的磁場內以同步輻射 (synchrotron radiation) 的方式產生餘輝。

加速過程的細節仍然是個謎。等效的實驗無法在地球上進行,也很難用電腦模擬去研究。因此,研究人員試圖測量來自餘輝的輻射的所有性質──關於偏振的研究亦越來越多。

我們有很多種電子加速和餘輝輻射機制的理論。所有這些模型都預測線性偏振而非圓形偏振。

「我們的合作是世界首個意識到這個困難測量的重要性、並系統地等待著特別合適的 (擁有明亮餘輝的) 伽瑪射線暴的研究,以盡可能低的極限去測量。」這項研究的主要作者、英國萊斯特大學的荷蘭天文學家Klaas Wiersema說。出乎意料之外,我們都測量到比預期更強的圓形偏振。

GROND的觀測結果支持這個理論

在解釋偏振數據之前,特別是在區分不同理論模型的時候,我們需要知道噴流的結構以及伽瑪射線暴周圍環境的資訊,這些訊息都會隨著輻射而來。當中兩個參數尤其重要:

一、在什麼時候能夠看到來自整個噴流的輻射?這可以從噴流物質的膨脹速度與噴流的延展角度的比值來確定。這個時間點的一個經典特徵是伽瑪射線暴的光變曲線的彎曲程度 (圖四),我們可以參考GROND進行的、直到伽瑪射線暴爆發後3.7×104秒之連續幾個晚上的觀測。

二、有多少塵埃位於我們和伽瑪射線暴的視線之間?這種測量通常很困難,但GROND就是為此而設的:以七個波段同時觀察餘輝就可以測量塵埃量並準確至百分之幾。塵埃會在光譜能量分佈 (spectral energy distribution) 中產生獨特的構造,塵埃量越多構造就越明顯 (見圖五)。

「縱使GROND已經運作七年,它獲得的數據仍是獨一無二的,可以為這些偏振性質提供決定性的解釋。如果沒有這些額外信息,這項工作是不可能完成的,因為我們有成打不同的解釋。」GROND的發明和建造者、加興 (Garching) MPE的Jochen Greiner說。

觀測結果何以解釋?

圓形偏振可有多種成因,包括法拉第轉換 (Faraday conversion,即塵埃散射導致線性偏振變成圓形偏振)、或一直線上的塵埃粒子的多重散射。但所有這些其他解釋都需要比GROND所測定的多很多的塵埃量去解釋圓形偏振,因此都被排除了。其他產生圓形偏振的理論則暗示所有線性偏振都源自散射──從而亦被排除了,因為第一晚與第二晚所觀察到的偏振角度之間相差了九十度。因此,我們可以排除圓形偏振源自伽瑪射線暴噴流以外地點、即圓形偏振只會在伽瑪射線從發射源到地球之間產生的此一解釋。因此相反地,觀測到的圓形偏振一定源自伽瑪射線暴噴流本身。

圓形偏振的這種性質導致一個非常有趣的結論:既然不能在一個電子-正電子電漿中產生圓形偏振,伽瑪射線暴噴流之中必定存在質子-電子電漿。這是非常有趣的結論,因為最近的IceCube實驗並未觀察到來自伽瑪射線暴的中微子 (neutrino),所以對伽瑪射線暴噴流中存在中微子的懷疑已經漸漸變得強烈。

「在GRB 121024A中發現圓形偏振是新的希望,IceCube實驗在未來仍然可能觀察到期待已久的中微子。」Jochen Greiner說。

GRB 121024A的可見光餘輝的圓形偏振的起源是一個令人興奮的謎題。星際介質衝擊波內的偏振應該與混沌運動的電子的洛倫茲因子 (Lorentz factor) 成反比──假設相對於噴流膨脹方向的電子分佈是各向同性的 (isotropic)。因此,觀察到的強圓形偏振代表極小的電子洛倫茲因子,這與餘輝的標準模型完全不一致。這個結論獨立於磁場的影響範圍 (圖六),因為隨機分佈的磁場對線性和圓形偏振的影響應該相等。

由GROND的數據和對線性與圓形偏振的同時測量,根據目前所知只能有兩種可能的解釋:

一、電子的角擴散是各向異性的。這也與標準模型的通常假設相違背,但這已經因為伽瑪射線暴的其他未解性質而被提出過,卻從未發現任何觀測證據。

二、噴流是非同質的 (not homogeneous),但是空心的並包裹在螺旋磁場之內 (圖七),形狀像一個開瓶器,直徑越轉越闊。過去已經有人提出過中空噴流的可能性,但一直未有任何證據支持。

就目前所知,只有這兩個可能性能夠解釋觀測到的圓形偏振。每種情況都有其無可避免的推論,所以我們必須系統地檢驗各式各樣的觀測結果。因為這個測量,新一輪伽瑪射線暴餘輝標準模型的迭代經已展開,我們可以預期越來越豐富的變化。

「這一發現再次證明了小型望遠鏡對解釋來自大型望遠鏡如VLT, ESO的數據的重要性。」此研究的合作作者兼GROND團隊的成員、圖林根國家天文台 (Landessternwarte Thüringen) 的Sylvio Klose說。

圖片

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圖一:線性偏振在餘輝時間內 (約兩天) 的變化。上圖以百份比顯示偏振光的比例,下圖則顯示偏振角度。

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圖二:在GRB 121024A中測量到的圓形偏振 (左圖) 與 GRB 091018的沒有圓形偏振的結果 (右圖) 作比較。圓形偏振以所謂的Stokes V/I參數的百份比顯示。

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圖三:不同的伽瑪射線暴之中測量到的線性與圓形偏振。一些類星體 (quasar) 也在圖中以作比較。很高興見到GRB 121024A以其相對較高的圓形偏振度脫穎而出。

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圖四:七個不同波段的GRB 121024A餘輝的可見光/近紅外線 (來自GROND,中間圖) 和X光 (來自Swift人造衛星,上圖) 的光變曲線。可以見到在伽瑪射線暴加速後時間t = 10小時 (tbreak) 的時候亮度開始下降,這是平行噴流的明顯證據。

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圖五:爆發後三小時的GRB 121024A餘輝,由可見光/近紅外線 (來自GROND,藍色點) 到X光 (來自Swift人造衛星,紅色點) 的光譜能量分佈。GROND數據 (藍色點) 偏離直線的微小偏差代表塵埃的存在,因此由塵埃引起的偏振也被包含於圖中。虛線分別顯示塵埃消光模型 (dust extinction model,左邊) 以及氣體吸收模型 (gas absorption model,右邊)。

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圖六:伽瑪射線暴噴流的素描 (只顯示了兩支噴流之一),噴錐內完全充滿物質 (圖左)。圖中間和圖右顯示從右邊看會看到的噴流內部,其中的磁場結構有兩個可能性:或者磁場是有序的 (圖中間),或者它是混沌的 (圖右)。但在每種情況下,我們僅看到少量來自不同時刻的變化中的細小噴流結構 (黃色圓圈),而非噴流的巨觀結構 (紫色圓圈)。

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圖七:一個中空的伽瑪射線暴噴流的素描,以及一個包圍在外的螺旋磁場 (紅色和綠色線)。

附加資料

什麼是偏振光?

線性偏振光: 

除了時下越來越廣泛應用在電視技術之中,在業餘和專業攝影界偏振濾光片的好處早已眾所周知,而且來自例如水或玻璃的、令人困擾的反射也被成功地壓抑了。線性偏振濾光片具有特殊的光學玻璃或金屬箔,其方向對應於濾光片的晶體結構。其產物就是線性偏振光,即是僅在同一個方向振動的光波。

圓形偏振光:

圓形偏振光可以被想象為沿著非固定方向振動的光波,其振動平面沿波的傳播方向螺旋形地轉動,並且振幅恆等。

在我們星球上發生的例子:

在我們的天然環境中,當光波被非常小的顆粒以特定角度反射或散射時就會產生線性偏振光。例如藍色天空就是線性偏振光的結果。圓形偏振光是不常見的自然性質。不過它仍可能出現在以適當角度經過多重反射的光。此外,某些有機材料也能發射圓形偏振光。然而,圓形偏振光經常用於3D電影來創造有關於景深的幻覺:透過特殊的眼鏡能使每隻眼睛看到不同的畫面。

什麼是GROND?

GROND代表「伽瑪射線暴可見光近紅外線探測器」(Gamma-Ray Burst Optical Near-Infrared Detector)。這是一個與圖林根國家天文台 (Thüringer Landessternwarte Tautenburg) 合作、在馬克斯.普朗克地外物理研究所 (MPE) 製造的儀器。GROND使用光分器把光分開成七個波段,因此這是世上首個能同時拍攝從可見光到近紅外線、約400至2300納米波長的天文相機。您可以想像GROND為一個同時拍攝彩虹七色的相機。

在其技術規範之內 (視野、控制軟件、遙距操控),GROND被特別設計成專門用於追踪伽瑪射線暴變化的儀器。GROND一直追踪那些自2004年底NASA的Swift人造衛星在伽瑪射線頻譜就已經探測到的伽瑪射線暴餘輝。GROND會以可見光/近紅外線追踪那些Swift人造衛星在軌道上探測到的伽瑪射線暴餘輝。同時觀測七個波段的光變曲線就可以闡明當中物理過程的細節。

自2007年夏天以來GROND就一直在智利安第斯山脈的馬克斯.普朗克協會2.2米望遠鏡運作,至今其仍然高度可靠地運作著。GROND每年觀測大約五十到一百個伽瑪射線暴。GROND團隊至今仍在分析許多夜間觀測結果,而且會以電子通告方式公告於天文科學界。無論在星期日或公眾假期GROND都未曾停頓,並已成為世界上生產最多數據、最快速的伽瑪射線暴後續觀察儀器。

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(見原文網頁)

聯絡人

Jochen Greiner

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Sylvio Klose

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科研解碼:淺談伽瑪射線暴

一直有朋友問我可否寫我自己的研究題目。趁著剛寫好一篇論文,現在往布拉格開會的巴士上,就嘗試簡單的寫一寫。

我做的研究題目是伽瑪射線暴 (gamma-ray burst)。什麼是伽瑪射線暴?簡單地說,就是一種會突然放出伽瑪射線的天體,因為其爆發時間很短,一般從零點幾秒到幾百秒不等 (也有一些長達幾十分鐘的),所以叫做伽瑪射線「暴」。

宇宙中存在非常多種會在各種波段「發光」的天體。有些會放出射電電波 (即收音機頻率的非常低能量的電波),也有主要在紅外、可見光、X 光波段等較高能量發光的天體。例如我們的太陽,就是一種主要在可見光波段發光的天體,所以地球上的生物才會對可見光最敏感。我的專長是高能量天體物理學之中,再比較高能量的伽瑪射線天體物理學,專門研究能量比 X 光更高的伽瑪射線源。

天文學家在 1967 年首次探測到伽瑪射線暴 [1]。當時正值美蘇軍備競賽,美國發射了很多探測伽瑪射線的人造衛星,看看蘇聯有沒有進行核試。結果,其中一個人造衛星探測到不明的伽瑪射線爆發現象,令美國政府以為是蘇聯的核試。可是經過再三定位後,卻發現這些伽瑪射線來源方向不是蘇聯、也不是從地球上任何一個地方而來,而是從外太空而來!

其實,地球無時無刻都正受到各種極高能量的宇宙射線「攻擊」,其中有 X 光、伽瑪射線、各種高能量粒子等等。不過,由於地球有大氣層和磁場保護,這些幅射是不能到達地面的。亦因此,地球才得以孕育出生命。所以,只有在大氣層外的人造衛星,才能探測到這些來自遙遠天體的高能量幅射。

從發現第一個伽瑪射線暴源以來,天文學家已經研究了這種天文現象將近 50 年了。可是,伽瑪射線暴仍然是天文學其中一個最神祕的未解之謎。我們對於伽瑪射線暴的了解,到今時今日依然不多:

一、我們觀察到它們來源的方向是「各向同性的」 (isotropic, 即不是來自宇宙特定某個方向) [2,3,4]。

二、我們發現它們的爆發時間長度,大致可以分為兩個類別:長伽瑪射線暴 (兩秒以上) 和短伽瑪射線暴 (兩秒以下) [3]。

三、透過觀察它們的可見光「餘輝」(afterglow, 在上世紀 90 年代首次發現 [5,6] 伽瑪射線暴在放出伽瑪射線後也會放出可見光),天文學家就可以量度它們的宇宙紅移。紅移數值越高,表示該天體離地球越遠,也代表它們是在越久遠的時候爆發的,因為伽瑪射線需要更多的時間走過更長的距離才能到達地球。我們發現,伽瑪射線暴距離我們非常非常遠,從約 1 億 4 千萬光年 (紅移 = 0.01) 到 3 千 5 百億光年 (紅移 = 10) 都有,即大約爆發於 1.5 億年前到 133 億年前。

[有物理底的讀者會發現,上面所講的距離與時間並不遵守簡單的公式「距離 = 光速 x 時間」。這是因為宇宙膨脹,在計算距離和時間時需要用到廣義相對論的宇宙模型去修改]

我們的宇宙只有 135 億歲。如果把 135 億年濃縮到 100 年的話,透過研究伽瑪射線暴就可以知道宇宙只有 3 歲時的模樣,比其他所有觀察到的天體都要早、都要遠!

四、這是我的研究重點,就是伽瑪射線暴的伽瑪射線光譜特徵。我們發現差不多所有伽瑪射線暴的光譜,在幾百個 keV (千電子伏特,高能天體物理一個常用的能量單位) 有個峰值,如下圖所示:

fig1

(我忘記了加標籤:縱軸是 \nu F_\nu (energy / area / time),橫軸是能量或頻率。Both in log scale and arbitrary units. 下一幅圖都一樣。)

可是直到今天,天文學家仍未有定論:究竟是什麼過程製造出這個光譜的?換句話說,我們仍然未知道,究竟伽瑪射線暴是什麼東西?其中的物理過程是什麼?

天文學家希望用物理學當中基本的幅射過程去解釋觀察到的現象。例如我們的太陽發射的可見光,就是所謂的黑體幅射 (blackbody radiation)。在物理學中,黑體幅射是「熱的」(thermal),意思即是該物體的幅射表面處於熱平衡狀態;再簡單一點說,就是太陽的表面溫度是均衡的。

有熱的幅射過程,當然也會有一些「非熱的」(non-thermal) 幅射過程。例如一顆光子可以被帶電粒子 (例如電子) 散射,這叫做康普頓幅射 (Compton radiation);一顆電子也可以在磁場之中旋轉,並以幅射的方式流失能量,我們叫做同步幅射 (synchrotron radiation);也可以是正反物質互相碰撞湮滅時把質量全部變成能量釋放出去 (即 E = mc^2)。

在 20 紀 80 年代,一些天文學家提出了所謂的「火球」模型 [7,8,9,10,11,12,13] (“fireball” model)。由於伽瑪射線暴的時間很短,而且同一個源只會爆發一次,所以天文界普遍認為它們是高密度、高質量恆星死亡爆炸變成黑洞引起的。當恆星爆炸變成了黑洞後,強大的引力就會將爆炸時拋出去的物質吸回來。這些物質會環繞黑洞旋轉,以極高速和極高溫落入黑洞。而根據角動量守恆定律,在這個旋轉的物質盤的兩極就會形成兩道方向相反的噴流,把一部分物質 (包含電子和各種粒子) 以非常接近光速發射出去。這些一團團被噴射出去的物質,就是所謂的「火球」了。

可以想像,每個火球的速度都不同。當速度較快的火球撞上前面速度比較慢的火球時,就會在物質團裡產生衝擊波。其中一個主流解釋伽瑪射線暴光譜的理論就是說,衝撃波會使火球中的電子加速,這些得到能量的電子在火球的磁場中旋轉,把這些動能轉變成同步幅射。換句話說,主流解釋是伽瑪射線暴的光譜是同步幅射產生的。

我的上一篇論文中 [14],主要探討這種同步幅射的可行性。我們發現,同步幅射的確可以解釋一些伽瑪射線暴的光譜,可是需要在一些特別條件下才可以:(1) 有時候需要一個額外的黑體幅射;(2) 有時候需要一個衰變的磁場 (這是合理的猜測);(3) 某些來自完全不同物理過程的物理參數需要經過精密微調。

其實在千禧年左右,很多人 [15,16,17,18] 已經發現,無論是同步幅射還是黑體幅射,都不能簡單地描述伽瑪射線暴的光譜,因為同步幅射的光譜太闊、黑體幅射的卻又太窄,如下圖:

fig2

在我即將發表的論文中,我們證明絕大部分的伽瑪射線暴光譜都不能夠以同步幅射解釋。換句話說,即使在火球之中同步幅射是存在的,它不會是唯一一種幅射過程。我們發現,在這情況下,同步幅射大約佔光譜峰值能量的 30% 至 70%。

除了同步幅射和簡單的黑體幅射,也有很多人嘗試用其他幅射過程去解釋伽瑪射線暴的光譜,例如用相對論性幾何原理修改過的黑體幅射、反康普頓散射、強子碰撞幅射等等。可是這些理論涉及的數學都比較複雜,現階段只能以電腦模擬的結果去與觀測結果間接比較。

我在我的科普文章中不斷強調,科學是一門「找錯誤」的專業。透過找出錯誤,我們才得以改進知識,這也是人類文明進步的主因。我的研究題目是一個好例子,經過幾十年的研究,本來以為同步幅射能夠解釋伽瑪射線暴光譜,但新的天文望遠鏡的觀測結果卻不斷推翻科學家長久以來的解釋。

可是,這並不等於我們一無所知。相反地,我們知道了如何更加謹慎地去解釋大自然的各種現象、如何去發問更精確的問題、如果去得到更精確的解答。我見過有些人,他們認為科學是自大和驕傲的。相反地,在科學之中,我看到的是客觀和謙虛。因為在科學中,我們必須承認無知的價值。勇於面對無知、勇於發問,才是增長知識和智慧的方法。

延伸閱讀:

無知的價值》- 余海峯

論人、論學問》- 余海峯

引用文獻:

[1] Klebesadel, R. W., Strong, I. B., & Olson, R. A. 1973, ApJ, 182, L85

[2] Briggs, M. S., Paciesas, W. S., Pendleton, G. N., et al. 1996, ApJ, 459, 40

[3] Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendleton, G. N., et al. 1994, ApJ, 422, 659

[4] Tegmark, M., Hartmann, D. H., Briggs, M. S., & Meegan, C. A. 1996, ApJ, 468, 214

[5] Metzger, M. R., Djorgovski, S. G., Kulkarni, S. R., et al. 1997, Nature, 387, 878

[6] Waxman, E. 1997, ApJ, 489, L33

[7] Goodman, J. 1986, ApJ, 308, L47

[8] Meszaros, P., Laguna, P., & Rees, M. J. 1993, ApJ, 415, 181

[9] Meszaros, P. & Rees, M. J. 1993, ApJ, 418, L59

[10] Rees, M. J. & Meszaros, P. 1992, MNRAS, 258, 41P

[11] Rees, M. J. & Meszaros, P. 1994, ApJ, 430, L93

[12] Tavani, M. 1996, ApJ, 466, 768

[13] Piran, T. 1999, Phys. Rep., 314, 575

[14] Yu, H.-F., Greiner, J., van Eerten, H., et al. 2015, A&A, 573, A81

[15] Katz, J. I. 1994, ApJ, 432, L107

[16] Preece, R. D., Briggs, M. S., Mallozzi, R. S., et al. 1998, ApJ, 506, L23

[17] Preece, R. D., Briggs, M. S., Giblin, T. W., et al. 2002, ApJ, 581, 1248

[18] Tavani, M. 1995, Ap&SS, 231, 181

封面圖片來源:NASA