麦田圈、浮世绘、至尊魔戒？！「星海巡奇」一窥脑洞大开的天文奇景

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宇宙也有麦田圈？重力如何害远方星系「面目扭曲」，宛如魔戒？磁星会吹热泡泡，研究员用电脑画浮世绘？中央研究院天文及天文物理研究所参与中研院「开放博物馆」，研究员们拿出压箱底的天文美照与研究成果，促成「星海巡奇」线上展览，滑鼠轻轻一点，即可穿越千万光年的异世界，饱览令人脑洞大开的天文奇景！

宇宙也有麦田圈？！

地球上的麦田圈还悬而未决，想不到太空中也有！？下面美丽神秘的「宇宙麦田圈」，其实是行星系统诞生之前的模样──原行星盘。

两张美照皆是由阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列（ALMA）望远镜，解析原行星盘「金牛座 HL 」所得的细致结构。这是人类首度拍摄到这么年轻的原行星盘高解析度影像，可一窥行星形成的秘辛！

这张是拍摄连续光谱，得到金牛座 HL 原行星盘的尘埃分布，清楚呈现环与间隙的构造。 ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) 这张照片是拍摄分子谱线，得到金牛座 HL 原行星盘的气体分布，同样有环与间隙。 ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yen et al.

智利沙漠上的 ALMA 望远镜，运用了「天文干涉技术」，一共有 66 座天线可以协同工作，且天线之间距离够远，才得以拍出原行星盘的细致结构。在此以前，前一代望远镜对于这些年轻的原行星盘，只能看见平滑的盘面，没有明显的起伏，直到 ALMA 启用才有重大突破。

阿塔卡玛大型毫米波天线阵中的一些无线电望远镜，运用了「天文干涉技术」。若要用单一望远镜看清楚原行星盘，望远镜必须非常巨大，技术上很困难。因此天文学家先建造几个「比较小」的望远镜，彼此相隔遥远，再将它们的观测资料一起分析，效果等同一台巨大望远镜，这就是「天文干涉技术」 。

原行星环：行星形成现场

说了半天，「麦田圈」盘面的环与间隙究竟是谁的杰作？「目前最热门的解释，是间隙中有行星正在形成。」中研院天文所颜士韦助研究员主持金牛座 HL 的气体分布研究，他解释：原行星盘上有很多气体和尘埃，部份的气体和尘埃会逐渐聚集成行星。这些行星一边长大、一边在盘子内绕着原恒星转，过程中行星的重力会把沿路的东西推开，形成一圈圈的间隙。

为什么重力会「推开」物体？因为盘上的物质进行克卜勒运动──内圈跑得快、外圈跑得慢。原行星会吸引比它内圈的物质，这些物质被拖慢速度，结果往更内圈跑；另一方面，原行星也会吸引外圈的物质，这些物质反而被拉快速度，往更外圈跑。原行星就这样「推开」周围物质，「清出」一条轨道，形成了明显的间隙。

一开始，天文学家先观测到尘埃分布的「麦田圈」影像，但如果气体分布是平滑没有间隙的，「环与间隙」可能只是来自尘埃性质差异。所幸，颜士韦团队之后确认金牛座 HL 的气体分布也有环与间隙，支持「行星形成」的假说。

他们还从缝隙的宽度与深度推算出：间隙中正在形成的行星大约是木星质量。研究人员据此推测，行星形成的时间点比预期还要早，像木星这类的巨行星，可能在恒星还没完全「诞生」，就已经赶进度地成形囉！

磁星热泡泡：太空版浮世绘

日本画家耐心一笔一划勾勒浮世绘，中研院天文所陈科荣助研究员用电脑模拟的「磁星热泡泡」，是他独创的太空版浮世绘。

故事要从头说起！近年来，天文学家发现一种很特殊的超新星，可以比一般超新星亮 100 倍，称为「超亮超新星（superluminous supernova）」。理论天文学家不断苦思：为什么这些超新星会这么亮？

有些学者提出「磁星（magar）」理论来解释：超新星爆炸经常伴随着中子星的形成，有的中子星转得非常快，转速高达每秒 1000 圈，因为其磁场强度高达地球的 1000 兆倍，称为「磁星」。

而磁星的磁力线就像是绑在星球外的绳子，在快速旋转下被搅动，会以辐射的形式把中子星的转动动能传递出去。根据目前模型，发射出去的辐射能量只要超过磁星转动动能的 5%，就能产生比一般超新星 100 倍亮度，形成超亮超新星。

陈科荣以超级电脑模拟磁星驱动超新星爆炸的过程，上图为将磁星一切为二的三维模型。 中研院天文所 陈科荣

陈科荣从 2015 年就投入磁星驱动超新星的模拟研究，展示其爆炸过程，立刻面临一个巨大的难题：在此之前的研究都是一维度模型，也就是假设「磁星驱动超新星的流体分布」是球对称，所有方向的变化都一样。但真实过程当然没有这么简单，磁星的辐射压力会突然把物质剧烈地往外推，形成流体力学的不稳定结构，就像是把墨水滴在水里，可见多变复杂的结构。但一维模型的结果就像铲雪，只能将大量物质挤在非常小的区域，无法判读个中细节。陈科荣比喻：

一维模型就是只有一个车道，车子都挤在同一个车道，不能超车；二、三维就像有两、三个车道，才能模拟真实流体不稳定现象。

陈科荣又举例，在葛饰北斋著名的浮世绘《神奈川冲浪里》，海浪的尾端有许多破碎的复杂结构，真实的流体即是如此复杂，而这幅画还只是偏向二维结构。三维流体的紊流更复杂，只有达文西这样的天才，可以将其生动地描绘出来。

从葛饰北斋浮世绘的海浪画面（上），以及达文西绘制的紊流细节（下），可看见真实流体的结构有多复杂。

三维的紊流具有很多复杂、不均匀的结构，磁星造成的热泡泡也是如此！所谓的「磁星热泡泡」，就是磁星这个强大的能量来源「吹出」的泡泡，就像滚水冒泡泡一般。每层泡泡有很多细微结构，一、二维的模拟皆无法呈现和解释。但这些细微的紊流结构不可忽视，它可是会影响磁星能量传输，进而影响超亮超新星的观测性质。陈科荣以超级电脑模拟出的磁星热泡泡，乃史上首度对磁星热泡泡做出三维的模拟，同时具备精密度和大尺度：全貌相当太阳系，细节小如台北市，可谓独步全球！

陈科荣以电脑模拟的磁星热泡泡，不但可见大尺度范围，也可见许多复杂的精细结构。 中研院天文所 陈科荣

宇宙魔戒：爱因斯坦环

这枚宛如宇宙版魔戒的「爱因斯坦环」，其实是某颗巨大黑洞造成的！中研院天文所团队藉著分析爱因斯坦环影像，进一步推算出这颗黑洞的质量。

SDP.81 爱因斯坦环。这是地球、40 亿光年外之 A 星系、120 亿光年外之 B 星系，三个天体同时在一直线上，因为位置刚好加上 A 星系的巨大重力所造成的奇景。 ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF

松下聪树解释，重力可让光线弯曲，宇宙中如果有个大质量的东西（例如：黑洞）摆在光源前面，它的重力可以成为折射背景光的透镜，改变我们看到的影像，这个原理称为「重力透镜」，是爱因斯坦环的主要成因。

何谓重力透镜效应？由左到右分别是：地球（观测者）、大质量星体（如黑洞）、远方的星系。当三者在一直线上，远方星系的光通过大质量天体附近，光线会因强大重力而弯曲（白色箭头），就像透镜弯曲了光线，地球上的观测者就会「看见」变形的星系影像。 NASA

松下聪树以一个高脚酒杯和一张纸，巧妙解释这个神秘的天文现象。他在白纸上画了一个红点，周围不规则的涂上蓝色。接着把酒杯放在图案上，如果酒杯中心正对着红点，那我们透过酒杯底座（扮演透镜），可以看到蓝色的环带中间，显现出一个完整清晰的红圈。如果酒杯中心稍微偏离红点，则会看到两个或四点构造，散落在不对称的蓝色圆弧之中。读者不妨自己在家做实验！

可以在家按照操作步骤试试！ 摄／林洵安

这次展出的 SDP.81 重力透镜系统之中，背景星系有很亮的核心，就像是实验中的红点；附近还有弥漫的物质，就像是周围的蓝 ... 块。松下聪树说，假如背景星系是个只有核心的点光源，只会看到四个红点。但是图中还可看到较微弱的弧状结构，代表还有其他弥漫的物质在周围。

SDP.81「爱因斯坦环」的 ALMA 影像，数个红点来自星系核心致密区域。 黄活生、苏游瑄、松下聪树（2015）

用影像「秤出」黑洞有多重？

中研院天文所的团队利用爱因斯坦环的影像，成功计算出中间的透镜星系为一个黑洞，至少有 3 亿倍太阳质量。

松下聪树解释，如果透镜星系的质量够大，严重扭曲背景星系的星光，地球上的观测者只会在两侧看到增强的成像，看不见正中央背景星系的影像。这就好比，在酒杯的成像中只看到外围的弧状范围，看不到原来中央的红点。而在 SDP.81 系统中的确如此，无法看到背景星系的原始影像，这表示黑洞够重，可借此推知黑洞质量的下限。

此外，爱因斯坦环还能推知背景星系的影像。背景星系遥远而黯淡，但经过透镜星系有放大的效果，运用电脑计算可还原出极高解析度的影像。

天文学家从 ALMA 影像（中）重建出背景星系的样貌（右)，目睹 120 亿光年外的异世界。透镜星系是椭圆星系，通常不会发出电波，所以在 ALMA 的波段可以不受透镜星系干扰，清楚分辨来自背景星系的光。再加上 ALMA 有够好的解析度和灵敏度，才能看清楚爱因斯坦环，并执行以上的计算。 ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

除了以上精彩内容，本次展览还有「微旋臂 暗度陈仓？」展示吕浩宇研究的大质量恒星团旋臂，「完美螺旋的分岔」则是金孝宣的飞马座 LL 双星系统中螺旋分岔，「尘埃间隙发现旋臂： 暗示行星正在形成」展现汤雅雯研究的御夫座 AB 星美照，「汉堡，啤酒，双头枪」为李景辉所发现胚胎恒星在吸食「尘埃汉堡」的案发现场……更多让你脑洞大开天文美照，快进入「星海巡奇」线上展览一饱眼福吧！