重力波解密伽瑪射線爆發

10月16日,台灣時間晚上10點,美國和歐洲的科學家同步發表了一個重大發現,LIGO和VIRGO重力波觀測站偵測到一個重力波事件(GW170817),這次的事件和前四次有所不同,前四次的重力波事件是兩顆黑洞合併的現象,這次的事件則是兩顆中子星合併造成的。同時這次的重力波事件伴隨著伽瑪射線爆發(GRB170817A),表示兩顆中子星合而為一時,會引發伽瑪射線爆發事件,這個觀測結果成功解釋了伽瑪射線爆發起源的問題。

兩顆中子星合併的示意圖。1. 兩顆中子星在一個雙星系統互繞並發出重力波。2. 兩顆中子星漸漸靠近,並合併在一起。3. 合併的過程會發出比一般新星還亮大約一千倍的亮度。4. 合併後會形成一顆中子星或黑洞。圖片來源:NASA

介紹這次的重大發現之前,先來了解什麼是伽瑪射線爆發。

伽瑪射線爆發的意外發現
1963年為了減緩冷戰時期的核武競賽,美國、蘇聯和英國簽署《禁止部分核試條約》,條約中禁止在大氣層、太空和水下進行核武器試驗。美國怕蘇聯偷偷在太空中進行核試爆,所以發射了一系列的Vela衛星,Vela衛星可以用來偵測核試爆時發出的伽瑪射線。Vela衛星在監視的過程中,並沒有發現蘇聯在太空中做核試爆,不過卻意外發現伽瑪射線爆發的現象!

自從伽瑪射線爆發被發現後的幾十年時間,它一直是一個謎,因為伽瑪射線的光子能量太高無法聚焦,伽瑪射線爆發在天空中的位置無法精確定出,所以不知道它對應的是什麼樣的天體?也不知道它的距離?更不知道為什麼會發出伽瑪射線?

伽瑪射線爆發的時間從千分之一秒到數小時都有,不過天文學家根據爆發時間的長短,伽瑪射線爆發可以粗略的分成兩類,爆發時間比2秒長的稱為長伽瑪射線爆發,而比2秒短的稱為短伽瑪射線爆發。

1997年科學家發現了伽瑪射線爆發的餘輝(afterglow),這個發現讓伽瑪射線爆發的研究往前了一大步。餘輝是伽瑪射線爆發後,高能光子和星際物質交互作用的現象,伽瑪射線爆發的餘輝會發出X射線、紫外線、可見光和無線電波,天文學家可以利用餘輝來進一步研究伽瑪射線爆發。伽瑪射線爆發的餘輝讓天文學家可以找到它所在的確切位置,它們都位在遙遠的星系之中。

天文學家發現長伽瑪射線爆發所在的星系都有恆星形成,這些星系會形成大質量的恆星,當這些大質量恆星死亡發生超新星爆炸時,就有可能引起長伽瑪射線爆發,科學家也發現長伽瑪射線爆發的餘輝和大質量恆星的超新星爆炸有關。

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哈伯太空望遠鏡拍攝的伽瑪射線爆發,圖中的白色亮點是長伽瑪射線爆發(GRB 990123)的可見光餘輝,餘輝的上方是伽瑪射線爆發所在的星系。圖片來源:NASA

長伽瑪射線爆發的起源大致解決了,那麼短伽瑪射線爆發又是什麼呢?天文學家發現短伽瑪射線爆發只發生在沒有恆星形成的星系,這些星系已經不會有新的恆星誕生,所以短伽瑪射線爆發不可能是大質量恆星的超新星爆發引起的,科學家經由理論的模擬,認為短伽瑪射線爆發可能是兩顆中子星合併或中子星被黑洞吞食的結果,但是並沒有實際的觀測證據。

天文學家為了瞭解伽瑪射線爆發,幾乎是用盡了所有電磁波的波段,從伽瑪射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波的觀測,但是短伽瑪射線爆發似乎不肯顯現它的廬山真面目,天文學家已經無計可施了嗎?科學家還有一項最新的觀測手段可以使用:重力波。

重力波和電磁波的觀測
根據愛因斯坦的廣義相對論,一個有質量的物體只要不是等速的運動就會發出重力波,但是重力波的效應非常的微弱,目前科學家只能偵測到最強烈的碰撞所發出的重力波,例如首次成功偵測到的重力波,就是兩顆黑洞劇烈碰撞的結果,另外中子星合併也會產生重力波。

2017年8月17日,美國的兩座LIGO和歐洲的VIRGO分別偵測到一個重力波事件(GW170817)。大約2秒後,太空中的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)和國際伽瑪射線天體物理實驗室(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)偵測到伽瑪射線爆發(GRB170817A),因為這個重力波事件和伽瑪射線爆發的位置和時間非常靠近,所以幾乎可以確定它們是同一個事件!重力波和伽瑪射線幾乎同時到達,這也證明了重力波以光速傳播。

接下來世界上各個望遠鏡就啟動後續觀測,這包括了哈伯太空望遠鏡、錢卓X光觀測衛星、史匹哲紅外望遠鏡和地面上大大小小的望遠鏡,一共有大約70座望遠鏡緊盯著這個事件,而且涵蓋了各個電磁波波段,這大概是史上最多後續觀測的一次。

科學家很快地就發現這次的事件是短伽瑪射線爆發,它發生在一個透鏡狀星系NGC 4993,距離我們約1億3千萬光年。

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哈伯太空望遠鏡拍攝的NGC 4993影像,三幅小圖是伽瑪射線源隨著時間變暗的過程。圖片來源:NASA

LIGO和VIRGO的觀測相當重要,因為重力波的觀測發現是兩顆中子星合併的過程,這是其他的電磁波望遠鏡所無法得到的結果,而且他們量測到的中子星質量是在1.1到1.6倍太陽質量之間!這個結果符合了科學家對中子星質量的預期。而且他們根據重力波觀測所算出來的距離,也相當接近可見光量測NGC 4993星系的結果!這也證明了他們的中子星碰撞模型相當可靠。

另外,地面上的望遠鏡在這次事件的光譜中,發現了比鐵還重的貴金屬,這些貴金屬是無法經由大質量恆星核心的核融合製造出來,這次的事件證明了兩顆中子星合併的過程中,會製造出金和鉑這類的貴金屬,你身上的金飾很可能就是中子星合併製造出來的!

實力加上運氣!
VIRGO在2017月8月1日升級完成,加入LIGO的重力波觀測。不過為了進一步提升LIGO的觀測能力,將儀器設備進行升級,LIGO的觀測季在2017年8月25日結束,所以這25天是首次有三座靈敏的重力波觀測站一起觀測的期間,但是這短短25天卻觀測到兩次的重力波事件!

2017年8月14日,LIGO和VIRGO一起偵測到兩顆黑洞合併的重力波事件。幾天後又再次的偵測到兩顆中子星合併產生的重力波,在LIGO進行升級前,送了一份大禮。8月17日的事件是距離我們最近的短伽瑪射線爆發之一,因為非常的近,所以LIGO和VIRGO才能成功的觀測到這次的事件,如果發生像前四次重力波事件那麼遙遠的距離,LIGO和VIRGO就無能為力了!

重力波還會為我們帶來什麼樣的驚喜?讓我們持續拭目以待!

太陽黑子會影響我們嗎?

1967年5月23日,美國在阿拉斯加、格陵蘭和英國的軍事雷達同時受到干擾,當時正逢美國和蘇聯兩強之間的冷戰時期,這3座雷達站是為了預警蘇聯的核子飛彈攻擊。如果蘇聯發射核子飛彈攻擊美國,這3座北方的雷達站就在攻擊的必經路線上。然而3座雷達站同時受到干擾,可能就是蘇聯對美國發動攻擊的前兆!美國空軍相當緊張,掛載核子武器的戰機準備升空反擊,第三次世界大戰一觸即發。但是這真的是蘇聯發動攻擊的信號嗎?

風暴來襲!
雷達站被干擾的5天前(5月18日),遠在1億5千公里外的太陽表面,出現了一群巨大的太陽黑子。5月23日,這群太陽黑子的附近爆發出劇烈太陽閃焰!好幾個天文台都觀察到這個現象。

太陽閃焰發生在活躍的太陽黑子附近,它出現的時間只有短短的幾分鐘到幾十分鐘,但是太陽閃焰會產生巨大的能量,這股能量會發出強烈的電磁波,從X射線、紫外線、可見光到無線電都有。

還好美國空軍有詢問太空氣象預報員,預報員告訴他們太陽表面出現強烈的太陽閃焰,這3個雷達站受到的是太陽閃焰的無線電干擾!而不是蘇聯,太陽觀測所提供的正確訊息,即時阻止了一場可能爆發的戰爭!

太陽閃焰
太陽閃焰常常會引發日冕大量噴發(coronal mass ejection),日冕大量噴發會從太陽表面釋放出大量的帶電粒子,如果這些帶電粒子正好朝著地球,那我們就會受到嚴重的影響。這些帶電粒子會引發磁暴(geomagnetic storm),1989年3月發生的磁暴,造成加拿大魁北克的供電系統毀壞,6百萬人無電可用。

圖中右側拱形的結構就是日冕大量噴發,影像取自NASA的Solar Dynamics Observatory

不過日冕大量噴發也不是一無是處,這些帶電粒子會沿著地球的磁力線,進入地球南北兩極的大氣層,當它們和空氣碰撞就會發出美麗的極光!所以極光通常只有在南北極的地方才可以看見。如果日冕大量噴發的規模很大,那麼極光就會從南北兩極往赤道延伸。

什麼是太陽黑子?
前面提到,太陽黑子附近產生太陽閃焰,那麼太陽黑子又是什麼呢?太陽黑子是太陽表面溫度較低的地方,太陽表面的溫度大約是攝氏5500度,太陽黑子的溫度大約是攝氏3、4千度。從地球上看,它們只是太陽表面的一個小黑點,不過它們實際的大小通常都比我們的地球還大。

太陽黑子會在太陽表面上出現和消失,一般太陽黑子的壽命是幾天到幾個星期,長期觀察太陽黑子,會發現太陽黑子的數量有一個11年左右的週期。太陽週期開始於太陽黑子最少的時候,此時太陽表面看起來相當乾淨,稱為太陽極小期。接下來幾年太陽黑子的數量會漸漸增加,當數量達到最多時,稱為太陽極大期。過了極大期後,太陽黑子的數量會漸漸減少,再次回到極小期。最近一次的太陽週期開始於2008年12月,2014年4月時達到極大期,現在太陽黑子的數量正在減少中。

太陽黑子的11年週期,縱軸為太陽黑子的數量,橫軸為年代,圖片取自NASA

太陽黑子是太陽活躍程度的指標,黑子數量越多,太陽就越活躍,這時太陽閃焰數量也會比較多和規模也比較大。太陽在極大期時,發出的能量會比極小期時多大約千分之一。

極大期和極小期的太陽,右圖的太陽表面有許多的黑子(極大期),而左圖卻一顆黑子都沒有(極小期),影像取自SOHO望遠鏡。

黑子是太陽表面比較暗的地方,太陽黑子極大期時,變暗的地方增加了,為何太陽發出的能量反而比較多?那是因為太陽黑子增加的時候,太陽光斑(solar facula)也增加了,光斑的亮度比太陽表面還亮,太陽光斑增加的亮度比黑子減少的還多,所以整體而言,太陽發出的能量還是增加了。

一大群的太陽黑子會引發太陽閃焰造成災難,那麼如果太陽黑子數量太少又會如何呢?長期的太陽黑子紀錄,科學家發現在1645年到1715年之間,太陽黑子的數量非常少,沒有明顯的極大期和極小期,這段期間稱為蒙德極小期(Maunder Minimum)。這段期間歐洲和北美的溫度比平均溫度還低,這造成冬天不常結冰的英國泰晤士河,變得較常結冰。

近幾年來觀測到的太陽黑子數量比預期的還少,一些科學家“推測”地球即將進入小冰河期,就像蒙德極小期一樣,我們的地球未來會如何呢?地球的溫度真的會降低嗎?這些都需要時間去證明,持續的關注太陽黑子,看看它會為我們帶來什麼樣的影響吧!

史努比上太空

60年前的今天(1957年10月4日),蘇聯發射了人類史上第一顆人造衛星:史波尼克,開啟了人類的太空時代。1950年10月4日,美國的漫畫家查爾斯·舒茲(Charles M. Schulz)所畫的一隻同樣姓史的小狗史努比第一次露面。這兩件同樣發生在10月4日的事情,卻產生了有趣的連結...


查理·布朗呼叫史努比!
美國航空太空總署的登月方式有些特別,前往月球的路上有兩艘連結在一起的太空船:指揮艙/服務艙和登月艙,抵達月球後,指揮艙/服務艙在月球軌道運行,留一名太空人在指揮艙/服務艙內等候,讓另外兩名太空人搭乘登月艙登陸月球。等到登月的兩名太空人要返回時,再搭乘登月艙返回月球軌道與指揮艙/服務艙會合。會合完成後,三名太空人搭指揮艙/服務艙返回地球。


整個登月過程似乎有點繁複,這個程序是為了節省燃料的考量而設計的,要完成這樣的程序需要很多次的試航來改進和確認。阿波羅10號是1969年5月18日發射升空,它是第四次的阿波羅載人任務,也是登陸月球前的最後一次試航,整個流程和登月任務非常類似,只差登月艙沒有真正登陸月球而已。


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阿波羅10號的任務徽章,圖上方的是指揮艙/服務艙,下方的是登月艙,圖片來源NASA


阿波羅10號登月艙的的代號是「史努比」!而指揮艙的代號自然就是史努比的主人「查理·布朗」。抵達月球軌道後,查理·布朗放下史努比,讓史努比往下靠近月球,史努比最靠近月球表面的高度是距離月球表面15.6公里,勘察完阿波羅11號的登陸地點後,史努比回到查理·布朗身邊。史努比和查理·布朗合作無間,盡責的完成任務,讓兩個月後的阿波羅11號成功地登陸月球!


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史努比送阿波羅10號太空人上太空,圖片來源NASA


史努比純銀胸針
不過美國的登月任務也不是一直都是順利的,為了搶先蘇聯早一步登上月球,美國航空太空總署也曾經付出過昂貴的代價!


1967年1月27日,三名太空人正要為預計2月21日發射升空的阿波羅1號做測試,這將是阿波羅太空船的首次載人任務。這三名太空人包括:古斯·葛利森(Gus Grissom)、愛德華·懷特(Edward Higgins White)和羅傑·查菲(Roger Bruce Chaffee),三名太空人中有兩位太空的經驗相當豐富,古斯·葛利森是美國第二位上太空的太空人,他非常的優秀,是第一位登上月球表面的人選之一,而愛德華·懷特則是美國第一位進行太空漫步的太空人。


原本簡單安全的測試,卻出乎意料地在阿波羅1號內發生大火,三名太空人來不及逃生就被濃煙嗆死在太空艙內!事後調查,發現阿波羅1號有許多致命的設計,於是太空船重新檢討、設計。


為了讓太空探險更安全,美國航空太空總署在1968年設立史努比銀質獎,這是為了表彰太空總署的員工或合約商在安全上的貢獻,史努比銀質獎包含一枚上過太空的史努比純銀胸針,它是由查爾斯·舒茲授權而且親自設計的。
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史努比純銀胸針,圖片來源NASA


史努比銀質獎是由太空人頒發,因為太空人最能了解哪些人對他們的安全貢獻最大,能夠得到史努比銀質獎的人並不多,有獲獎資格的人當中,只有不到百分之一的人能得獎,而且一個人一生中只能獲得一次。


史努比就像是守護太空的小狗,希望史努比能持續保護每一位太空人,讓他們平安返航!

諾貝爾物理獎提名和選拔

諾貝爾獎原來一共有五項獎,物理、化學、生理學或醫學、文學、和平,而經濟學獎是後來增設的,經濟學獎並不在原來諾貝爾設立的獎項之中。


每個獎項的提名選拔的流程有些許的不同,因為物理獎和天文最有關係,所以就簡單的介紹一下諾貝爾物理獎的提名選拔流程。


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諾貝爾獎創辦人諾貝爾的照片


每年的9月諾貝爾物理獎委員會會寄發邀請函給有資格的提名人,隔年的1月31日前,提名人要將諾貝爾獎建議名單寄回諾貝爾物理獎委員會,當然提名人不能提名自己。諾貝爾物理獎委員會一般會收到250到350位的名單,提名名單中的人選會有重複的,物理獎委員再從提名名單中選出初步的候選人。


3月到5月這段時間,委員會會徵詢專家的意見,評估這些初步候選人的學術成就。接下來物理獎委員會將寫一份報告,9月時將報告提交給瑞典皇家科學院,這份報告中有最後的候選人名單。


10月初時,瑞典皇家科學院投票表決決定諾貝爾物理獎得獎人選,並且在10月初公佈物理獎得獎人。12月10日諾貝爾逝世紀念日時,得獎人在斯德哥爾摩領獎。


諾貝爾獎被提名人的名單和相關資訊會保密50年,50年後才會解密。

再見菲萊,再見羅賽塔

我們對太陽系裡行星比較了解,但是對彗星卻相當陌生,其中一個原因是彗星不容易觀察。彗星大部份的時間都距離太陽和地球相當遠,這表示它們很難看得清楚;當它們靠近太陽時,又會受到太陽的加熱,讓彗星會長出彗髮和彗尾,而彗髮和彗尾就像把彗星蒙上一層霧,結果又讓彗星的表面看不清楚。


為了把彗星看得更仔細清楚,歐洲太空總署發射羅賽塔號(Rosetta)探測船,它最主要的目的是為了研究一顆彗星:丘留莫夫-格拉西緬科彗星(67P/Churyumov-Gerasimenko)。丘留莫夫-格拉西緬科彗星是顆短週期彗星,它的週期是6.4年,羅賽塔號飛抵彗星後,進入彗星的軌道,繞行研究這顆彗星。羅賽塔號除了本身的探測儀器,還攜帶了菲萊(Philae)登陸器,菲萊是設計用來登陸並研究彗星用的。
羅賽塔號拍攝的丘留莫夫-格拉西緬科彗星影像


羅賽塔號於2004年3月2日發射升空,在太空中飛行了10年的時間,終於在2014年8月6日抵達這顆彗星。羅賽塔號繞著彗星運行,持續的探索這顆彗星,傳回了許多彗星的珍貴影像。2014年11月時羅賽塔號上的菲萊探測器降落在彗星表面時,它不小心的落到了一個太陽光照不到的區域,這讓依靠太陽能的菲萊無法正常運作,很尷尬的是科學家一直找不到菲萊到底掉到哪裡去了。

羅賽塔號任務結束前,2016年9月2日羅賽塔終於找到菲萊掉落的地點,再見到菲萊讓科學家們放下了心中的石頭,就像是找到失落的部分。

羅賽塔在任務結束前找到了菲萊!


羅賽塔號繞彗星工作了兩年後,2016年9月30日降落在丘留莫夫-格拉西緬科彗星上。為什麼不讓羅賽塔號繼續研究彗星呢?因為這顆彗星接下來會離太陽越來越遠,羅賽塔號上的太陽能板能提供的電力越來越少,電力不足的話,是沒辦法讓羅賽塔正常工作的。另外,羅賽塔號已經在太空中運作了12年的時間,它的設備已經到了使用壽命上的盡頭,隨時可能會壞掉停止工作。所以利用羅賽塔降落在彗星上的機會,讓科學家能以更靠近的距離觀測研究這顆彗星。


2016年9月30日羅賽塔號以緩慢的速度靠近彗星的表面,但是羅賽塔號在設計上並沒有登陸彗星的功能,降落在彗星表面後,它就沒辦法再跟地球聯絡,所以當羅賽塔號傳回它最後的影像時,羅賽塔也在以它的方式在對我們說再見,謝謝你為我們所做的冒險,再見了羅賽塔!

下一個諾貝爾獎大熱門!

前兩天美國的LIGO和義大利的VIRGO團隊公佈了他們偵測到一個重力波事件,這是第四次確認的重力波觀測。當世界第一個重力波被偵測到時,受到全世界矚目,大家都說這是諾貝爾獎等級的發現;偵測到第二個事件時,表示LIGO團隊真的有能力偵測到重力波,不是僥倖;第三次時,科學家可以做些統計;第四次時,好像只不過是另一個重力波偵測結果。

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義大利的VIRGO重力波觀測站

不過這次的結果,至少對美國的LIGO團對來說是非常重要,因為這也可能關係到是不是能過得到諾貝爾獎!

前三次的重力波偵測,都是美國的LIGO團隊獨立偵測到的,LIGO是由兩座相同的重力波觀測站組成,一個在西北的華盛頓州,另一個在東南的路易斯安那州。雖然這三次的觀測相當重要,但是這麼微小的重力波偵測,如果世界上只有LIGO團隊做得到,其他團隊都沒辦法,科學家的心理還是會保留一個問號,畢竟科學是需要被其他人驗證的。

第四次的重力波事件,不只被美國的兩座重力波觀測站觀測到,還被新加入的義大利VIRGO觀測站看見!這證明了LIGO是“真的”有偵測到重力波!而VIRGO驗證了這個結果。

LIGO團隊原本只是諾貝爾獎的候選人,現在已經是準諾貝爾獎得主了!他們趕在10月初諾貝爾獎發佈之前,發佈這個結果,好像在提醒諾貝爾奬委員會,他們已經準備好了!