目前太陽和Kepler-90的比數是8:8!

「太陽底下沒有新鮮事」,不過Kepler-90恆星就有!


今天(2017/12/15)美國航太總署NASA公布在Kepler-90恆星發現「一顆」行星Kepler-90i,在之前Kepler-90已經發現了7顆(Kepler-90b, c, d, e, f, g, h),加上今天這一顆總共有8顆,所以Kepler-90的行星數和太陽系是一樣的,也就是目前已知的恆星系統中,行星數量最多的兩顆恆星。


Kepler-90的想像圖(上),和太陽系(下)的比較,圖片來源:NASA/Ames Research Center/Wendy Stenzel


迷你太陽系
Kepler-90就像是一個迷你版的太陽系,Kepler-90恆星只比太陽稍大,質量和半徑是太陽的1.2倍。靠近Kepler-90恆星內側的6顆行星只比地球大一些,而最外的兩顆則行星則大許多。整個Kepler-90行星系統的8顆行星都擠在一個小範圍內,最外側的行星距離Kepler-90的距離跟地球和太陽的距離相當。


Kepler-90(左)和太陽系(右)行星軌道的比較,Kepler-90的8顆行星都擠在一個小小的範圍內,最外側的行星距離Kepler-90,相當於太陽和地球之間的距離,圖片來源:NASA/Ames Research Center/Wendy Stenzel


Google人工智慧搶天文學家飯碗?
新發現的Kepler-90i行星一直存在於克卜勒太空望遠鏡(Kepler Space Telescope)的資料中,但是訊號較微弱,所以之前的辨識軟體無法找到這顆行星。這次的發現是運用Google的人工智慧找到的,天文學家首先用已知的行星訊號來「訓練」Google人工智慧,讓它了解什麼是科學家要找的訊號,然後再把克卜勒的資料給Google人工智慧分析,最後早到了這顆影藏在資料中的行星。


那麼天文學家的工作會被Google人工智慧取代嗎?不會的,至少可預見的未來還不會。現在的人工智慧是幫助天文學家找到更微弱的訊號,是讓天文學家更有效率、更精準的分析數據,角色是協助,至於要如何解釋這些資料的意義,還是要靠科學家,什麼時候人工智慧才能像AlphaGo一樣打敗世界頂尖棋士?天文學家應該沒在怕的。

起起落落的冥王星

1846年發現了太陽系中的第八顆行星海王星後,許多科學家就試著要去找第九顆行星。波士頓的富豪帕西瓦爾·羅威爾(Percival Lowell)非常喜歡天文,1890年代他在亞利桑納的旗竿鎮建造了羅威爾天文台,羅威爾除了觀測火星外,也參與尋找第九顆行星的計畫。但是1916年羅威爾去世為止,第九顆行星一直沒有被發現。 

1929年時,湯博(Clyde Tombaugh)受僱於羅威爾天文台,當時他只有23歲,主要的工作就是尋找第九顆行星。湯博使用的是一部33公分的望遠鏡,他在不同晚上拍攝天空中同一個區域的天體,然後把照片做比對,因為行星相對於天空星星的位置會緩慢地移動,如果發現一個緩慢移動的天體,那麼它可能就是他們要找的第九顆行星! 


湯博和他自製的9吋望遠鏡

1930年2月18日,湯博比較1月23日和1月29日拍攝的照片時,發現一個小亮點移動了位置。接下來一段日子的觀測,確認這個天體確實在移動!3月13日他們把發現結果公諸於世。 

這個重大的發現立刻成為世界各地的頭條新聞,羅威爾天文台於是公開徵求對這個天體命名,在許多的建議當中,最後選定Pluto冥王這個名字,因為這個字的開頭PL和羅威爾天文台的贊助人帕西瓦爾·羅威爾(Percival Lowell)名字的縮寫是一樣的。 

爭議的開端 
當冥王星的軌道被計算出來後,科學家就發現它和其他的行星相當不一樣,太陽系其他行星以接近圓形的軌道繞太陽運行,但是冥王星的軌道形狀卻相當橢圓,離太陽最近和遠的距離分別是29.7 AU和49.3 AU (AU是地球到太陽的平均距離),當冥王星離太陽最近時,甚至比海王星還靠近太陽。另外,太陽系裡的其他行星幾乎都在黃道面上繞太陽運行,但是冥王星的軌道卻偏離黃道面達17度! 

除了軌道特異外,冥王星的質量還比其他行星小很多。1978年發現冥王星的最大衛星夏戎(Charon)後,透過夏戎繞冥王星的軌道,科學家可以計算出冥王星的質量,冥王星的質量只有地球的0.2%! 



新視野號太空船飛掠冥王星時拍攝的冥王星影像,圖片來源NASA

冥王星被發現後,就有天文學家預測海王星外,還有許多小天體還沒被發現。但是一直到1992年才在海王星外發現另一個天體,1992 QB1。到2017年年初為止,已經在海王星外發現了超過2000顆的這類天體,這些天體泛稱為海王星外天體(Trans-Neptunian object, TNO),其中2004年發現的妊神星(Haumea),它的質量大約是冥王星的三分之一,這些天體的軌道和冥王星類似,冥王星會不會只是海王星外天體中最大的一顆而已呢? 


最後一根稻草 
2005年1月,麥克·布朗(Mike Brown)和他的團隊發現了一個新的天體,這個天體後來被稱為鬩神星(Eris),鬩神星的名字源自希臘神話,她代表著不合和紛爭,鬩神星就如同它的名字一樣,引發了冥王星是不是行星的爭論。 


哈伯太空望遠鏡拍攝的鬩神星影像,中央的亮點就是鬩神星,鬩神星左邊的是它的衛星,圖片來源NASA

鬩神星的質量比冥王星稍大,但是體積比冥王星稍小,當鬩神星被發現時,有人稱它為第十號行星!但是另一些科學家卻不認為鬩神星是一顆行星,他們主張冥王星和鬩神星不同於其他行星,應該另外分類成一種新的天體。 


冥王星到底是不是一顆行星?這個問題應該要回到最根本的地方,什麼是「行星」?如果行星被清楚的定義,那麼就可以解決冥王星是不是行星的問題。國際天文聯合會(International Astronomical Union, IAU)邀集了專家學者討論這個問題,2006年8月時公布了行星的定義: 

1. 行星必須繞太陽運行。 
2. 行星的質量夠重足以讓自己呈圓形。 
3. 行星能夠清除軌道附近上的其他天體。 

冥王星雖然符合第一和第二個定義,但是卻不符合第三個條件,因為冥王星的軌道上有許多的海王星外天體,那麼冥王星應該歸類為什麼樣的天體呢? 

天文上常常用「矮」這個字來描述較小的天體,例如紅矮星是質量最小天恆星;棕矮星是比恆星質量小一些,不會產生氫核融合的天體;而矮星系是比一般星系還要小的星系。天文學家於是把不符合行星第三個條件的天體稱為「矮行星」(dwarf planet),所以冥王星和鬩神星就被歸類為這種天體。目前國際天文聯合會認定的矮行星有五顆:冥王星、鬩神星、妊神星、鳥神星(Makemake)和穀神星(Ceres),另外還有一些天體在矮行星的候選名單之中,科學家相信還有許多矮行星在海王星之外等著被發現。 

麥克·布朗本來以為發現了第十顆行星,但是因為鬩神星的出現,最後太陽系行星的數量,反而從九顆降為八顆,這可能是他沒有預料到的結果。麥克·布朗因為發現鬩神星,讓冥王星被降級,所以他被封為冥王星殺手,麥克·布朗似乎還蠻喜歡這個封號,他還為此寫了一本書《我是如何殺了冥王星的》!! 

爭議結束了嗎? 
仔細看一下國際天文聯合會對行星的定義,這個定義似乎是為冥王星量身定做的,感覺就好像刻意要將冥王星排除在行星之外。 

其中感觸最深的應該是艾倫·斯特恩(Alan Stern),他是新視野號太空船的計畫主持人,2006年1月新視野號發射升空時,這艘太空船的最主要目的是探索太陽系裡還未被太空船探訪的最後一顆行星:冥王星,結果新視野號升空幾個月後,冥王星就被降級為矮行星,原本要探訪的冥王星,變得不再是一顆行星,情何以堪! 

艾倫·斯特恩認為國際天文聯合會對行星的定義有問題,也不夠嚴謹。以木星為例,木星繞太陽的軌道上並不是只有木星而已,它的軌道上還有兩大群的特洛伊小行星(Trojan),這些小行星和木星一起繞著太陽運行,這表示木星並沒有清光軌道上的其他天體。另外,地球附近也有近地小行星,地球也沒有完全清光軌道上的天體。如果根據國際天文聯合會的定義,木星和地球也不能算是行星! 


如果新的行星定義通過國際天文聯合會的審查,我們的月球以後也會變成行星!攝影:李昫岱

最近有一些人(主要是包括艾倫·斯特恩在內的新視野號團隊)主張應該把冥王星再列為行星,他們認為行星應該重新定義:行星是比恆星還要小的天體,它們不會進行核融合反應,本身的重力能夠讓自己呈球形,而且和它們的運行軌道沒有關係。根據他們的定義,太陽系裡的行星數量會暴增到大約110顆!因為一些較大的衛星(包括我們的月球)都會升級成行星!他們已經將提議交給國際天文聯合會,冥王星會不會重新回到行星的行列?就讓我們拭目以待吧! 

長達9個小時的彩紅!

2017年11月30日,位在台北的文化大學記錄到長達9個小時的彩虹,能夠出現這麼長時間的彩虹非常不容易,需要絕佳的天時和地利!


圓弧狀的彩虹其實整個圓的一部分。攝影:李昫岱

通常我們看見的彩虹是一個圓弧形,不過彩虹實際上是一整個圓的一部分,而且一般彩虹的中心都位在地平線下。因為彩虹是水滴折射和反射太陽光的現象,所以彩虹圓弧的中心、觀察者的眼睛和太陽會連成一條直線。彩虹會出現在太陽相反的位置,例如清晨時,彩虹會出現在西方,傍晚的彩虹,則出現在東方。那麼中午的時候可以看見彩虹嗎?


彩虹的圓心、觀察者的眼睛和太陽連成一條直線。製圖:李昫岱

彩虹的圓弧半徑大約是40度,當太陽的高度在地平線上40度時,彩虹的中心就位在地平下40度,所以這時彩虹圓弧的邊緣正好在地平線上。如果太陽在地平線40度以上的位置,就不會出現彩虹。中午的時候,太陽會來到一天中最高的位置,在台灣中午的太陽都在地平線上40度以上,如果站在地表上是看不見彩虹的。


那為什麼11月30日文化大學出現從早上7點到下午4點的連續彩虹?中午時彩虹不會消失嗎?11月30日中午時,台北地區太陽的仰角是43度,應該是看不見彩虹的。但是文化大學位在山頂上,彩虹會出現在地平線下,也就是中午時,彩虹是要往下俯視的!!!


當天南方太陽所在的位置應該是沒有遮蔽、晴朗的狀況,而文化大學的北邊持續有雲霧籠罩,配合上冬天時太陽的仰角比較低,所以才能持續看見彩虹長達9小時。這次的紀錄真是配合了天時和地利才能完成!

來自星星的你,原來長這樣!!

1I/2017 U1是從別的恆星系統來的星際小行星,是第一個被發現的這類天體。當它在2017年10月18被發現時,已經通過近日點,也過了近地點,也就是說它將頭也不回的往星際間飛去,接下來它只會愈來愈暗,科學家必須趁它還看得見時,抓緊最後機會好好研究一下這個來自其他星星的天體。

1I/2017 U1跟其他小行星一樣,本身不會發光,只會反射太陽光,天文學家可以從它反射太陽光的變化,來推測它的樣子。如果1I/2017 U1是球形的話,當它自轉時,我們看見它反射的光不會隨著時間而有變化。但是如果1I/2017 U1是個橢球的話,自轉時以不同的角度對著我們,所以反射的光也會不一樣,會出現週期性的變化。如果天體外型的長寬比愈大,那麼它的亮度變化也會愈大,透過持續性的亮度觀測,天文學家可以推論出1I/2017 U1的形狀以及自轉週期。

根據1I/2017 U1的亮度變化,歐洲南方天文台的科學家推論,1I/2017 U1的自轉週期是7.3小時,而它的形狀則是相當的細長,長寬比是10:1!所以1I/2017 U1的樣子不像是小行星常見的馬鈴薯形狀,而是細長的筆!

1I/2017 U1的想像圖,圖片取自歐洲南方天文台

來自星星的你,果然很不一樣!!!

神秘的獅子座流星雨

通常一年之中比較壯觀精彩的流星雨有三個,第一是每年一月初的象限儀座流星雨,第二是8月中的英仙座流星雨,最後一個是12月中旬的雙子座流星雨,這三個流星雨的天頂每小時出現率大約在70到110之間。一般的時候,獅子座流星雨天頂每小時出現率大約只有10到15,這和三大流星雨比起來一點也不精彩。


但是每當獅子座流星雨的母彗星坦普-塔特彗星(55p/Temple-Tuttle)回歸後的幾年中,獅子座流星雨往往會出現驚人的流星暴!西元1799年、1832年、1833年及1966年都分別記錄到每小時數萬顆的流星!


2001年的獅子座流星雨,攝影:李昫岱

對流星雨的研究來說,西元1833年是非常重要的一年,這一年人類開啟了對流星雨科學上的研究。在這之前人們總是認為流星就像閃電一樣,是大氣裡的一種現象。1833年的11月13日清晨,北美洲的東部幾乎都籠罩在流星暴之中,日出前的幾個小時,整個天空都被密集的流星所照亮,根據估計當時每個小時大約可看到5萬到10萬顆的流星!當時北美東部的居民不是被屋外驚慌失措的人吵醒,就是被窗外一閃又一閃的流星給驚醒,他們以為這就是聖經上所說的審判日!

1833年的獅子座流星雨


當然並不是所有人都是驚慌失措的,耶魯大學的教授歐蒙史泰德(Denison Olmsted)在觀測流星雨後發現,所有的流星都是從獅子座鐮刀附近的一點輻射出來的,而且這一點會隨著星星的日週運動而一起移動,由這點的觀察歐蒙史泰德認為流星雨是源自於外太空,而不是大氣裡的現象。之後歐蒙史泰德並收到許多那年的流星雨報導及各地看到流星雨的狀況,彙整這些報告以後他提出以下幾個結論。他認為流星是一大群零散的物體,以橢圓軌道繞太陽運行,當地球進入這個軌道時,這些物質就會平行的衝入地球的大氣層,它們在燃燒發光後成為我們所看到的流星雨。歐蒙史泰德在觀測後所提出的結論,跟我們現在對流星雨的瞭解差不多。

天文學家根據歷史文獻上的紀錄,推測出獅子座流星雨有33年的週期,並預測1866年時獅子座流星雨將再次的發生。

西元1866年獅子座流星雨就如預測的一樣準時出現,歐洲地區每小時記錄到2,000到5,000顆的流星。隔年受到滿月的影響,北美洲的觀測者每小時還看到一千顆左右的流星,如果沒有月亮的情形下,看到的流星數量應該比前一年的還要多。到了1868年獅子座流星雨仍然出現每小時1000顆左右的流星。

1866年科學家利用那年觀測獅子座流星雨的結果,計算出流星體的軌道要素,流星體是還沒掉落大氣層形成流星前的微小顆粒。

坦普(Ernst Wilhelm Liebrecht Tempel)及塔特(Horace Tuttle)分別在1865年12月及1866年的1月,各自獨立發現同一顆彗星,這顆彗星後來就稱為坦普-塔特彗星(Tempel-Tuttle),這顆彗星於1866年的1月12號通過近日點。天文學家在計算出坦普-塔特彗星的軌道要素後,得知坦普-塔特是顆短週期彗星,週期為33.17年,而且這顆彗星和獅子座流星雨流星體的軌道要素非常接近(如下表),加上這顆彗星回歸後就發生大量獅子座流星雨,這些證據都顯示了獅子座流星雨,就是由坦普-塔特彗星所造成的。

近日點角距
(ω)
升交點
(Ω)
傾角
i
近日點距離
q
離心率
(e)
獅子座流星體
173.1°
235.4°
161.0°
0.983AU
0.901
坦普-塔特彗星
172.6°
234.4°
162.7°
0.982AU
0.904
獅子座流星雨流星體和坦普-塔特彗星的軌道要素的比較


人類從1833年開始研究獅子座流星雨以後,經過三分之一世紀的努力,終於在1867年時開花結果,證明了流星雨和彗星之間的關係。就在人們引領期盼1899年壯麗的獅子座流星雨再次來臨時,卻讓全部的人大失所望,當年流星最多的時候,大約只有每小時零星的40幾顆。事後研究造成1889年獅子座流星雨銳減的原因是,這些流星體受到土星和木星引力的影響而偏離了軌道,使得流星的數量遠低於原先所預期。

1932年及1933年的獅子座流星雨只比平常多一點而已,就在人們懷疑獅子座流星雨是否就此成為絕響時,1966年時獅子座流星雨再度展現它的丰采。美國的中部及西部地區,流星的數目在兩小時之內,從每小時40顆激增到每秒40顆!也就是流星數量達到最大時,流星的每小時出現率可達15萬顆!

流星雨大概是可預測的天文現象中,準確度最差的一個,天文學家雖然可以預測那一年的那一天可能會出現流星雨,但是對流星的數量、火流星的比例、出現極大的時間和地點,都無法做準確的預估。要知道70%的流星體質量只有0.001公克到10公克之間,這麼微小的物質在進入大氣層燃燒成流星之前是看不到的,一點的擾動就會讓這些流星體偏離原來的軌道,若說流星雨的預報比天氣預報還不準大概也不過分。或許就因為這樣,大家對流星雨的感覺又多了幾分的神秘。

坦普-塔特彗星於1998年再次回歸,大家都在期待這年的獅子座流星雨會很壯觀。或許是獅子座流星雨要保持它一貫的神秘性,不但每小時上千顆的流星暴並沒有出現,許多人守候整夜等到太陽都出來了,還不見所謂的「流星雨」。1998年的獅子座流星雨不但比預測的時間提早了十幾個小時,而且數量也從預報的數千顆降到兩百多顆。

1998年獅子座流星雨的火流星,攝影:李昫岱

下次坦普-塔特彗星回歸通過近日點的時間是2031年5月20日,想要看見壯觀的獅子座流星雨就要再等十幾年,期望坦普-塔特彗星會再為我們帶來滿天的流星!

發現第二近的系外行星:羅斯128b

歐洲南方天文台11月15日發佈重要新聞,在距離我們11光年的一顆恆星羅斯128(Ross128)發現一顆行星羅斯128b,這顆行星只比地球稍重,距離母恆星相當近只有0.05 AU,根據計算這顆行星表面如果有水的話,能夠以液態水的型態存在,也就是位在母恆星的適居帶上,適合生命的形成。


羅斯128位在室女座,是距離我們相當近的恆星。


這是是2016年8月發布在比鄰星發現最近的系外行星以來,距離我們第二近的系外行星!下表是這兩顆行星的比較。


系外行星
比鄰星b
羅斯128b
母恆星亮度
11等
11等
與母恆星的距離
0.05 AU
0.05 AU
母恆星質量
0.12倍太陽質量
0.17倍太陽質量
與我們的距離
4.2光年
11光年
行星質量(最小質量)
1.3倍地球質量
1.4倍地球質量
位在適居帶?


這兩顆行星有許多相似的地方,與母恆星的距離也差不多,它們的母恆星都是紅矮星。紅矮星是數量最多的恆星,如果行星普遍存在於紅矮星上,那麼宇宙中行星的數量將非常多。但是紅矮星常常伴隨著強烈的閃焰,例如比鄰星發生強烈閃焰時,在可見光的亮度會激增好幾倍,而且還會發出強烈的X射線和紫外線,這對生存在行星上的生物是相當致命的!


不過科學家並沒有在羅斯128這顆紅矮星上觀察到劇烈的閃焰,這對距離非常靠近的行星是個好消息,行星演化出生命的機率將提高許多,這顆行星可能比比鄰星b更適合人類移民!

來自星星的你,你的名字是?

2017年10月18日,夏威夷泛星計畫(PANSTARRS)的天文學家發現一顆的天體,這個天體一開始被認為是一顆彗星,稱為C/2017 U1 PANSTARRS,非常特別的是,它並不是太陽系裡的天體,而是來自其他的恆星系統!


藍色是1I/2017 U1的軌道,最外側的白色橢圓是木星軌道。圖片取自JPL/NASA


彗星或小行星?
當這個天體被發現時,因為軌道是雙曲線,已知的天體中只有彗星是雙曲線軌道,所以把它歸類為彗星,稱為C/2017 U1。


不過之後的觀測並沒有偵測到C/2017 U1有彗星該有的彗髮和彗尾,C/2017 U1名字中的C就是指comet彗星。加上它的光譜比較像是小行星而不是彗星,所以C/2017 U1就被重新歸類為小行星,名字就被改為A/2017 U1,名字中的A是指小行星Asteroid。


從A到I
故事還沒結束,我們的太陽除了繞著銀河系中心運行的速度外,相對於附近的恆星還有一個額外的速度,這個速度大約是朝著天琴座方向運行。如果有個天體衝進太陽系的話,最有可能的方向就是天琴座。這就像是夜晚中衝進一大群的螢火蟲,最有可能撞到螢火蟲的地方就是你移動的方向。


有趣的是A/2017 U1就是從天琴座的方向來的,它以每秒26公里的速度衝進我們的太陽系!這個結果讓科學家幾乎確定A/2017 U1就是來自太陽系之外。這是科學家發現的第一顆這類天體,所以2017年11月6日把A/2017 U1再重新命名,最新的名字是1I/2017 U1,I是指Interstellar,星際的意思。


來自星星的天體,短短的時間改了2次名字,這應該是創紀錄了!