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自旋一圈只要半小時!奇特的超快自旋小行星

過去科學家認為大小介於數百公尺到數十公里的小行星,它們的自旋速度有個上限,自旋一圈的時間都比2小時還長。2002年,科學家發現一顆長約700公尺小行星的自旋週期只有半小時,到2020年3月為止,這種超快自旋小行星一共發現26顆,其中23顆是由中央大學天文研究所助理研究學者章展誥的團隊所發現。
 
 
超快自旋小行星的自旋週期小於兩小時。(圖/沈佩泠繪)
▲超快自旋小行星的自旋週期小於兩小時。(圖/沈佩泠繪)
 
科學家相信,一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成,這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星,這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快,如果自旋速度超過一個極限,整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期2小時的極限,因為超過這個極限,小行星就會瓦解。
 
圖中的黑點是一般小行星,圖中虛線是2小時的自旋週期,藍色圓點是超快自旋小行星,它們的自旋週期比一般小行星快,短於2小時。(圖/章展誥提供)
▲圖中的黑點是一般小行星,圖中虛線是2小時的自旋週期,藍色圓點是超快自旋小行星,它們的自旋週期比一般小行星快,短於2小時。(圖/章展誥提供)
 
「凡事都有例外」,這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002年,科學家發現一顆特別的小行星,它的長度大約700公尺,自旋週期只有半小時!這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑,是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?瓦礫堆模型不適用了嗎?還有其他更多的超快自旋小行星嗎?這些問題就成了章展誥的研究主題。

小行星的自旋週期如何量測?

小行星本身不發光,只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形,當太陽照射到面積最大那一側,小行星看起來最亮;當太陽照射面積最小那一側,小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。
 
從小行星的亮度變化可以推算出它的自旋週期。(圖/沈佩泠繪,資料來源:李昫岱)
▲從小行星的亮度變化可以推算出它的自旋週期。(圖/沈佩泠繪,資料來源:李昫岱)
 
章展誥於2011年取得中央大學天文所博士學位,當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究,後來轉跟隨葉永烜教授,與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型,自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星,章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠(Palomar Transient Factory)的1.2公尺廣視野望遠鏡進行大量小行星自旋週期的測量。2014年春季,他發現一顆疑似超快自旋小行星,這顆小行星的亮度相當暗,無法確定它是不是真的轉得很快,就像聽音樂時,音量很低,很難聽清楚是哪一首歌;這時如果你有一對大象般巨大的耳朵,就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號,章展誥需要大口徑的望遠鏡,進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。
 
加州理工學院帕洛馬瞬變工廠的執行地——帕洛馬天文台。(圖/Wikipedia)
▲加州理工學院帕洛馬瞬變工廠的執行地——帕洛馬天文台。(圖/Wikipedia)
 
當時他正在加州理工學院訪問,便與加州理工學院的合作者使用他們的5公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認,結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現,證實了2002年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單,超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗,章展誥心中除了喜悅還有震撼,原來美國一流名校是這樣做研究的!取得5公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易,資源如此豐富,做研究自然得心應手。

除了轉得快,與其他小行星有什麼不同?

因為超快自旋小行星的相關研究成果,在2017年4月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」(Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017)上,國際天文學會(IAU)宣布將編號10679的小行星命名為Chankaochang——章展誥小行星。到2020年3月為止,已知的超快自旋小行星一共有26顆,其中的23顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星,章展誥還進一步研究它們的組成和分佈,比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠,天文學家要如何研究小行星的組成呢?假設建築工地裡有三種建材,分別是磚頭、水泥和大理石,如果它們放在手碰不到的距離,要如何分辨?你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質,紅色是磚頭,灰色是水泥,白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法,他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現,這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間,這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎?它們比較靠近火星或木星?章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別,與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快,它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解,目前仍是未解之謎,期待未來章展誥能夠解開個謎團,告訴我們答案。
 
章展誥目前是中央大學天文所的助理研究學者。(圖/章展誥提供)
▲章展誥目前是中央大學天文所的助理研究學者。(圖/章展誥提供)

從星團到小行星 章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系,修過普通天文學後,覺得天文容易上手,後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生,開始他的天文研究之路。當時的時空背景,大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班,章展誥覺得天文比較親近,所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所,繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後,章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈,紅色精靈是一種高空閃電現象,他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈,這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後,章展誥曾經到科技業工作,後來覺得不同部門之間,對解決問題方式存在很大的差異,因此在一年後離開企業界,回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理,工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗,讓他可以幫助學弟解決研究上的問題,這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在2006年,他進入中央大學天文所博士班就讀,研究銀河系;博士後一直到現在,則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星,章展誥跨足天文、太空多個研究領域,至於未來,且讓我們拭目以待!
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