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那些年,哈伯望遠鏡帶我們看到的宇宙

天文學家以哈伯太空望遠鏡觀測,拍攝過許多經典的美麗天文照片。在我們窺探許多宇宙面貌的同時,天文學家都在從中對宇宙提問與得到解答。而且想使用哈伯太空望遠鏡可沒那麼簡單!必須提出觀測計畫與其他科學家競爭,才能爭取到使用望遠鏡觀測的時間。
 
 
以哈伯望遠鏡觀測的經典天文照片
 
哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在1990年4月24日發射升空,今日歡慶30週年。這座舉世聞名的望遠鏡,以前所未有的解析度與靈敏度,讓人們窺見宇宙中許多天體的真面目。
 
哈伯望遠鏡基本資料。(圖/沈佩泠製表)
▲哈伯望遠鏡基本資料。(圖/沈佩泠製表)
 
哈伯望遠鏡網站上,經常公布五彩繽紛的天文照片。大家可能不知道,許多經典的天文照片,幕後推手是中央研究院天文及天文物理研究所所長朱有花。朱有花在2014年返回臺灣之前,是美國伊利諾大學天文系教授,長期使用哈伯望遠鏡進行研究。她拍的許多天體影像,經過哈伯望遠鏡後製團隊巧奪天工之手,變成網路上廣為流傳的經典照片。

朱有花的一件得意作品,是NGC 3603星雲的照片。這張照片在2000年1月登上《國家地理雜誌》封面。朱有花說,當時她剛好有訂閱雜誌,收到雜誌才發現,封面竟然是自己的觀測影像,於是立刻打開來看,想知道內文如何介紹他們的成果。結果發現書中內容與這張照片毫無關係,只是因為雜誌編輯很喜歡這張照片,而將它放在封面。
 
NGC3603照片登上《國家地理雜誌》封面。(圖/朱有花提供)
▲NGC3603照片登上《國家地理雜誌》封面。(圖/朱有花提供)
 
經典天文照片,藏著對宇宙的問題與解答
 
哈伯望遠鏡拍攝的照片不只是美麗,更重要的是提供許多科學訊息。在NGC 3603星雲照片的左上角(雜誌封面的字母G上方)有一顆藍超巨星,與著名的超新星1987A的前身星相似。早先地面望遠鏡在這顆星周圍偵測到恆星拋出的物質,引起朱有花的興趣,於是她利用哈伯望遠鏡的高解析度,看見了清楚的環狀構造,發現半徑與超新星1987A周圍的環相近。朱有花認為,這顆藍超巨星大概很快就會爆炸,說不定會成為21世紀銀河系內的第一顆超新星!

在NGC 3603星雲的照片中間,還可看到一個星團,而星團中的大質量恆星把周圍氣體吹出一個氣泡。恆星風吹出的氣泡,也是朱有花利用哈伯望遠鏡研究的重要課題。

「大質量恆星都會吹出氣泡嗎?」朱有花在1976年讀博士班的時候,就提出這個問題。理論上,大質量恆星都會吹出氣泡,然而大多數恆星的影像中,都無法看到氣泡。到了1990年代,朱有花就想,假如氣泡真的存在,那哈伯望遠鏡總該看得到了吧!

然而觀測結果出爐後,卻發現仍然看不見氣泡。不過,朱有花利用光譜做動力學分析,確實找到了膨脹的氣泡。原來是因為氣泡膨脹速度太慢,約每秒10-15公里,只比宇宙中游離化氣體的聲速快一點(相較於地表,這些氣體密度很低、溫度很高,因此聲速快很多),因此震波(shock wave)微弱,不容易用影像拍攝的方式偵測。簡而言之,氣泡真的存在,只不過拍照拍不出來。經過25年努力,朱有花的疑惑終於得到解答!

朱有花也曾用哈伯望遠鏡,嘗試在超新星殘骸N63A尋找氣泡,結果沒有看到氣泡,卻看到許多微小的雲氣團塊。這些團塊被超新星殘骸快速膨脹的震波侵襲、加熱,正在蒸發。這個奇特的現象,讓人們窺見星雲之中複雜的交互作用。哈伯拍攝到的N63A影像相當特殊,但僅能看到雲氣團塊,無法看到超新星殘骸的球形外殼,需要X射線望遠鏡才能掌握全貌。
 
超新星殘骸N63A的多波段影像,右上區域金黃色的團塊是哈伯拍攝的可見光,外圍球殼狀構造則是X射線。(圖/Enhanced Image by Judy Schmidt (CC BY-NC-SA) based on images provided courtesy of NASA/CXC/SAO & NASA/STScI.)
▲超新星殘骸N63A的多波段影像,右上區域金黃色的團塊是哈伯拍攝的可見光,外圍球殼狀構造則是X射線。(圖/Enhanced Image by Judy Schmidt (CC BY-NC-SA) based on images provided courtesy of NASA/CXC/SAO & NASA/STScI.)
 
2014年回到臺灣後,朱有花主持科技部計畫,利用哈伯望遠鏡的資料研究Ia型超新星殘骸的起源。Ia型超新星的爆炸機制,目前有兩種主流的說法:「一顆白矮星吸取伴星的物質而爆炸」,以及「兩顆白矮星合併而爆炸」。如果以第一種機制爆炸,伴星理論上會存活下來,因此若能找到存活的伴星,就是第一種機制的重要佐證。2017年,朱有花與指導的學生李傳睿(現為中研院天文所博士後研究)合作,在超新星殘骸N103B尋找存活下來的伴星,找到一顆可能是伴星的星球,並在《天文物理期刊》發表成果。
 
哈伯望遠鏡拍攝的超新星殘骸N103B(左上)及其周遭環境。(圖/歐柏昇製圖)
▲哈伯望遠鏡拍攝的超新星殘骸N103B(左上)及其周遭環境。(圖/歐柏昇製圖)
 
想使用哈伯望遠鏡,先提出觀測計畫
 
朱有花能夠用哈伯望遠鏡拍攝這麼多影像,並非易事。事實上,想要使用哈伯望遠鏡,必須先提出觀測計畫,與全世界天文學家激烈競爭,以2019年來說,只有不到20%的觀測計畫通過。朱有花說,競爭到最後還是有點運氣成分,許多自認完美的計畫最後失敗了,反而有些倉促完成的計畫書,竟然無心插柳柳成蔭。光是爭取望遠鏡時間,天文學家就有不少甘苦談。

除了主動爭取觀測時間之外,朱有花也常利用哈伯的資料庫做研究。筆者在朱有花老師門下,亦有從資料庫中挖到寶的經驗。哈伯望遠鏡30年來累積了大量珍貴的數據,仍蘊藏許多人們未曾發掘的資訊。

哈伯望遠鏡拍攝的每一張美麗照片,背後都有天文學家的艱辛,以及豐富的科學內涵。欣賞照片的同時,不妨試著了解,人們如何透過這些照片,認識宇宙精彩的面貌。
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