2013年2月28日 星期四

網路天文館天文新知_20130228_誕生中的氣體巨行星!

  歐南天文台(ESO)的超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)可能觀察到一顆正在形成、仍包埋在母恆星厚厚塵埃盤中的行星!此發現若經證實,將會幫助我們更了解行星究竟如何形成,也讓天文學家有確切的觀測目標,能夠驗證目前有關行星生成的理論是否正確。

  由瑞士蘇黎世理工學院(ETH Zurich)天文學家Sascha Quanz所領軍的國際團隊,在距離我們僅335光年的年輕恆星HD 100546周圍,觀測到了有顆正在形成、還深埋在塵埃盤中的氣體巨行星!

  Sascha Quanz表示:「目前行星形成的研究仍多靠電腦模擬輔助,若我們真的發現了一顆正在形成的行星,那麼天文學家便能首次研究行星形成非常早期的過程,以及初生行星和周遭環境的交互作用。」

  先前已在HD 100546旁發現一顆距離約6個天文單位的氣體巨行星,新發現的這顆行星則距離非常遙遠,有70個天文單位。

  這顆尚待確認的行星是利用歐南天文台超大望遠鏡的NACO自適應光學系統,和最先進的資料分析技術所發現的,另外天文學家還藉助了特殊的紅外線日冕儀,遮擋來自母恆星明亮的星光。

  根據目前的理論,巨行星靠著吞食母恆星形成後剩餘的氣體和灰塵成長,天文學家在HD100546周圍的塵埃盤發現了若干支持原恆星假設的構造,這些構造很靠近偵測到的原恆星,可能是由恆星與塵埃盤的交互作用形成,另外也有證據顯示原恆星附近區域被行星形成過程加熱。

  團隊的另一位成員Adam Amara則表示:「搜尋系外行星是天文學前沿相當令人興奮的研究,受益於最新的儀器和資料分析技術,目前系外行星的直接成像仍是一個嶄新的領域。像我們這次的研究,就利用了宇宙學研究所發展出的資料分析技術,你可以看到在不同領域間的交流,能帶來令人意外的進展。」

  雖然原恆星最能解釋目前的觀測結果,但科學家仍需後續的觀測來確認恆星的存在,排除其他的可能性-像是背景的光源、或是從鄰近恆星拋出的已成形行星。一旦確認在HD 100546旁的是塵埃盤中正在形成的行星,這兒將成為天文學家研究行星形成的最佳實驗室!

Editor: Seline
引用自臺北天文館之網路天文館網站http://tamweb.tam.gov.tw/v3/TW/content.asp?mtype=c2&idx=981

新聞來源:ESO
http://www.eso.org/public/news/eso1310/

2013年2月27日 星期三

網路天文館天文新知_20130227_X射線太空望遠鏡首次協力測量黑洞自旋速率!

  美國太空總署(NASA)的NuSTAR太空望遠鏡(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,核子光譜望遠鏡陣列)和歐洲太空總署(ESA)的XMM-Newton望遠鏡,首次協力合作測量超大質量黑洞的自旋速率!

  這個有兩百萬個太陽質量的黑洞,就藏身在滿是灰塵與雲氣的NGC 1365星系中心,它的自旋相當快速,幾乎已達到愛因斯坦重力理論所預測的最大速率!這項刊載在最新一期的「自然」期刊的研究結果,解決了長久以來對其他黑洞的類似測量所引起的爭論,更幫助我們了解黑洞與星系如何演化。

  美國太空總署NuSTAR太空望遠鏡的計畫科學家Lou Kaluzienski表示:「這個發現對黑洞這個領域的科學來說非常重要!」

  愛因斯坦的廣義相對論認為,重力能夠扭曲時空、形塑宇宙,而光就在其中穿梭來去,而這項觀測對廣義相對論提供了相當有力的測試。

  NuSTAR的計劃主持人,同時也是本研究的共同作者-加州理工學院(California Institute of Technology)的Fiona Harrison表示,「我們可以利用黑洞周圍區域所發出的X射線來追蹤旋轉掉入黑洞的物質,這些輻射會被粒子的運動和黑洞強大的重力扭曲。」

  NuSTAR太空望遠鏡於2012年6月發射升空,它的觀測波段是高能X射線的範圍,正好能補足XMM-Newton望遠鏡或錢卓(Chandra)X射線望遠鏡所觀測的低能X射線波段。科學家利用這些望遠鏡觀測黑洞,估計它們的自旋速率。

  在過去類似的觀測常因黑洞周圍的雲氣阻擋,而無法獲得精確的結果,但有了XMM-Newton望遠鏡的幫忙,NuSTAR太空望遠鏡能夠觀測更廣的X射線波段,洞悉黑洞周圍更深的區域。最新的觀測結果顯示,X射線並非被雲氣扭曲,而是被黑洞強大的重力扭曲,這也證明我們確實可以量測超大質量黑洞的自旋速率!

  歐洲太空總署XMM-Newton的計畫科學家Norbert Schartel表示:「如果我能夠為XMM-Newton太空望遠鏡增添一項設備,那我想為它加上一個像NuSTAR這樣的望遠鏡,高能X射線的觀測是解開這個謎團不可或缺的一片拼圖。」

  測量超大質量黑洞的自旋速率對了解黑洞和宿主星系過去的歷史相當重要。

  「這些數百萬至數千萬個太陽質量的黑洞,在早期宇宙中初生,靠著吞食宿主星系中的恆星和雲氣,或是在星系碰撞時和其他的巨大黑洞合併而成長茁壯。」本篇研究的第一作者-任職於美國哈佛史密松恩天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center of Astrophysics)和義大利國立天文物理研究院(Italian National Institute for Astrophysics)的天文學家Guido Risaliti這麼說。

  超大質量黑洞的強大重力將周圍物質拉入時,會在周圍形成一圈像是鬆餅般的吸積盤。愛因斯坦的理論預測,黑洞自旋的速率越快,吸積盤就會越靠近黑洞,由吸積盤發出的X射線也會被黑洞的重力扭曲的更嚴重。

  為了尋找這種重力扭曲的效應,天文學家分析鐵在吸積盤中環繞所發出的X射線。在這篇研究中他們利用XMM-Newton望遠鏡和NuSTAR太空望遠鏡同時觀測在NGC 1365星系中的黑洞,XMM-Newton望遠鏡發現由鐵發出的光被扭曲,而NuSTAR太空望遠鏡則證明這種扭曲是由黑洞的重力所造成,而非受周遭的雲氣影響。NuSTAR的高能X射線觀測資料顯示鐵離黑洞非常近,因此黑洞的重力必然是造成扭曲效應的原因。

  排除了扭曲效應是由雲氣所造成的影響之後,科學家便能利用扭曲的程度來測量黑洞自旋的速率,這樣的方法也能應用在測量其他黑洞的自旋,更能排除之前測量黑洞自旋的不確定性。


【圖一】黑洞自旋的三種模型:第一種狀況是黑洞自旋方向與吸積盤旋轉方向相反,在這種狀況吸積盤會離黑洞較遠;第二種狀況是黑洞沒有自旋,吸積盤與黑洞的距離次之;第三種狀況是黑洞自旋方向與吸積盤旋轉方向相同,此時吸積盤與黑洞的距離最近。

右圖中的峰值來自於鐵原子環繞吸積盤所發出的X射線,當吸積盤內緣離黑洞越近,黑洞強大的重力會使得鐵發出的X射線能量較為分散(最下列的狀況)。天文學家可以靠X射線能量分散的程度來知道吸積盤離黑洞有多近,由於兩者的距離取決於黑洞的自旋,因此便能決定黑洞自旋速率。

美國太空總署NuSTAR太空望遠鏡的工作波段是 3到79 keV,而歐洲太空總署XMM-Newton 望遠鏡的工作波段是 0.1到10 keV。


【圖二】先前有兩種不同的模型解釋為何鐵發出的X射線能量較為分散:第一種模型認為是由於黑洞強大的重力所造成的時空扭曲所導致,若此模型正確,我們便能藉由扭曲的效應推測黑洞的自旋速率;第二種模型則認為,黑洞周圍的雲氣阻擋是造成X射線能量分散的原因,那我們便不能利用這種觀測方法來測量黑洞自旋。

NuSTAR 太空望遠鏡在高能X射線的觀測證明了這種扭曲效應來自於吸積盤而非雲氣,再加上XMM-Newton望遠鏡的觀測資料,便能準確測量黑洞的自旋速率,更證明了重力扭曲的模型才是正確的。


【圖三】美國太空總署NuSTAR太空望遠鏡 的工作波段是3到79 keV,觀測較高能的X射線;而歐洲太空總署XMM-Newton 望遠鏡的工作波段是 0.1到10 keV,觀測較低能的X射線-兩者的工作波段互補。美國太空總署錢卓X射線望遠鏡和XMM-Newton 望遠鏡的工作波段類似,但著重在影像觀測,XMM-Newton 則著力於獲取光譜資訊。


【圖四】NuSTAR太空望遠鏡在高能X射線的觀測資料,排除了是由雲氣阻擋所造成的扭曲效應,因此我們便能利用XMM-Newton望遠鏡在低能X射線的觀測資料來估算黑洞自旋速率。

實線是兩種解釋XMM-Newton先前在低能X射線波段對螺旋星系NGC 1365觀測結果的理論模型:紅線的模型認為是由於黑洞周圍的塵埃雲氣阻擋,而綠線的模型是認為鐵的發射線被相當靠近黑洞的吸積盤內緣反射。

藍點是XMM-Newton最新的觀測結果,黃點則是NuSTAR的觀測資料。兩種模型都能解釋XMM-Newton的資料,但只有吸積盤反射模型符合NuSTAR的觀測結果。

因此左側的鐵線特徵是因為黑洞的強大重力所造成,而非周遭的雲氣阻擋,天文學家便能利用鐵線能量分散的程度來推測黑洞的自旋速率。

Editor: Seline
引用自臺北天文館之網路天文館網站http://tamweb.tam.gov.tw/v3/TW/content.asp?mtype=c2&idx=980

新聞來源:NASA
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2013-075

2013年2月19日 星期二

網路天文館天文新知_20130219_超新星震波加速粒子產生宇宙射線!

  宇宙射線之謎已困惑天文學家達百年之久,穿梭銀河系中的高速質子究竟從何而來?天文學家最新的研究發現,恆星死亡時所產生的超新星爆炸,能使質子加速產生強大能量,其威力甚至比地球上的大型強子對撞機LHC裡的高速質子更甚千倍!

  質子約占宇宙射線的90%,這些高能的帶電粒子每天都撞擊地球,但我們卻很難直接追蹤其來源,這是因為銀河系的磁場已將這些帶電粒子拉離原本的路徑。天文學家一直懷疑超新星殘骸就是銀河系的粒子加速器,膨脹的恆星殘骸撞擊周遭雲氣產生震波,雲氣中的磁場會被壓縮而增強。震波波前的帶電粒子獲得加速,有些粒子受磁場影響偏轉,來回穿越波前而獲得能量,這樣的情形在它們以宇宙射線的形式離開前,持續達數千年。

  某些波段的輻射顯示,電子的確在超新星殘骸中獲得加速,當電子在磁場中移動時會產生輻射,很多證據顯示質子可能也如理論預測一樣有此行為,但這些觀測也可能有其他的解釋,因此超新星殘骸加速質子的理論仍充滿爭議。

  最近在伽瑪射線及可見光波段的兩項研究,可能即將為此爭論畫下句點。在其中一項研究中,科學家利用間接的方法量測超新星殘骸中的高能質子。當高能質子撞到地球大氣或星際介質中的其他粒子,撞擊的殘骸會產生一種壽命短暫的次原子粒子,稱為中性π介子,每一個π介子會很快地衰變為兩個特定能量的伽瑪射線光子。科學家利用NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡,觀測了距離我們約3,000秒差距(約10,000光年)的超新星殘骸IC 443和W44,他們在π介子衰變所會產生的特定能量範圍內發現了大量的伽瑪射線光子!

  此結果和義大利的AGILE衛星之前在較小波段範圍內所作的觀測相當吻合,本篇研究的共同作者-加州史丹佛大學的Stefan Funk表示,這顯示質子在超新星殘骸中獲得加速。雖然說電子在撞擊物質或光子時也可能會產生伽瑪射線,但若僅由電子來解釋所觀測到的伽瑪射線分布,「這需要在兩個超新星殘骸都有極精細的調校,我覺得這不太可能」,Stefan Funk這麼說。

  另一項德國海德堡普朗克天文研究所Sladjana Nikolic等人的研究,是觀測超新星殘骸1006震波區域中氫原子所發出的可見光光譜,來研究原子的速度。科學家發現物質在震波中撞在一起這種說法無法解釋他們觀測到的結果,必定有些氫原子源自於單獨的質子被震波加速後捕捉鄰近氫原子中的電子,進而產生觀察到的輻射。

  團隊成員之一紐澤西羅格斯大學的天文學家John Hughes表示,在一團特定溫度的氣體中,並不容易看到許多高速的粒子,但如果有宇宙射線的加速機制,則能觀測到極高速的粒子。

  宇宙射線究竟能有多快呢?天文學家正試著尋找銀河系最高能的宇宙射線的來源,其能量甚至可高達1015電子伏特,但由於費米伽瑪射線太空望遠鏡一次只能觀察非常小區域的天區,不太可能擔負這項工作,而這些宇宙射線和相關的伽瑪射線也相當罕見。這時地面的觀測站就派上用場了,它們可以觀察高能宇宙射線撞擊地球大氣層所產生的現象,或是銀河系宇宙射線所產生的微中子。天文學家也希望能夠研究不同時期的超新星殘骸,看看它們加速宇宙射線的效率是否隨時間變化。

  在2011年稍早的研究中,義大利天文學家 Picozza 等人利用PAMELA衛星觀測宇宙射線,觀測到比預期多更多的高能宇宙射線,他們發現無法用單一的超新星殘骸模型來解釋其觀測結果。Picozza認為,得需要更複雜的加速和傳遞機制才能解釋他們的觀測。

  宇宙射線的故事可不只這樣,其他的天體-像是白矮星爆炸所產生的新星-也可能加速宇宙射線;宇宙射線在旅行銀河系的一生中,也可能會被數個不同的天體所加速。

Editor: Seline
引用自臺北天文館之網路天文館網站http://tamweb.tam.gov.tw/v3/TW/content.asp?mtype=c2&idx=973

新聞來源:Nature
http://www.nature.com/news/cosmic-rays-originate-from-supernova-shockwaves-1.12436?WT.ec_id=NEWS-20130219