揭開星空的奧秘系列

再談現代天文觀測的利器---各波段電磁波望遠鏡的新發現

文／陳輝樺‧圖／陳輝樺提供

1946年，紫外線天文學；1948年， X光天文學---恆星大氣成份和高能量輻射的診斷

　在探索恆星大氣的熱輻射，以及對星球大氣的元素組成的瞭解上，紫外光有著極重要的貢獻。從超新星爆發、中子星噴流、星系對碰（圖1） 、黑洞吸入物質等過程造成的輻射現象中，我們可透過X光、紫外線等的偵測進行了解高能量X光輻射現象。對黑洞的探究來說，我們無法直接看到黑洞，但可以觀測到它對其他事物的影響。當物體被吸入黑洞時，會加速，並且變得越來越熱，直到進入黑洞並消失為止。就在物體被吸入之前的瞬間，它會因為高熱而放出紫外線和X光。這些最後的「邊緣訊息」是我們從黑洞獲得的唯一訊號。換言之，想獲得黑洞資訊的少數方法之一就是使用紫外線望遠鏡和X光望遠鏡。可是這兩個波段在地面上是無法進行觀測的，因為我們的大氣層會吸收紫外線和X光，因此望遠鏡須架設在遠離大氣層上方的衛星上，衛星上的望遠鏡可以探測物體捲進黑洞時釋出的紫外線和X光等高能量輻射。

1965年，微波天文學---宇宙大霹靂的回響

　波長約1至600公釐的微波，其波長較無線電波短，適用於直徑介於10至40公尺的較小型電波望遠鏡。1930年，天文學家喬治‧加墨（George Gamow）提出形成宇宙的「大爆發」理論，它的基本論點是建立在宇宙始於一次難以想像的巨大爆發，這次爆發也創造了地球上的一切。它從爆發的一點漸延伸至現今我們周圍的廣大天空。1949年，喬治‧加墨進一步解釋，大爆發後的宇宙逐漸地冷卻，現在，它的溫度約為絕對溫度2.7 度（約攝氏零下270度） 。因微弱的冷輻射均勻地來自各個方向，1965年，天文學家將微波望遠鏡指向任何方向，結果偵測到的影像都是一樣的，這是宇宙開啟時「大爆發」殘留的結果。亦正是支持微波望遠鏡偵測到宇宙大爆發理論的「餘溫」的證據。

　以前，一般都認為大爆發的背景輻射在各方向都是均等的，然而為什麼宇宙是起起伏伏的？其中又有星系、星球、行星和廣大的太空存在呢？直到1992年美國國家航空太空總署「宇宙背景探索」（COBE）衛星上的微波望遠鏡因為發現了輻射中的「漣波輻射」現象而改變了此觀念（圖2） 。證明大爆發並非均勻的，才有可能造成現在所觀察到的如此多姿多彩的時空。順便一提，1985年瑪格麗特‧杰勒（Margaret Geller）也是利用無線電波發現宇宙中的大尺度結構「星系長城」（圖3）。

1975年，伽瑪射線天文學---證實化學元素大多誕生於星球的內部

　早期的宇宙只有氫氣。星球內的融合反應將其融合成氦，但現在已知存在於自然界的元素已超過一百種，它們又是如何形成的？當星球即將告終時它會爆發成超新星，在這個巨大的爆發中，數以百萬計的核融合反應便產生出新的化學元素，爆發的力量會將它們散播在宇宙星際間。因為形成元素的許多核反應都會放射出伽瑪射線，天文學家能經由偵測的結果來分析該星球正在進行何種核反應，建立星球核反應的獨特「指紋」資料。憑藉這種「指紋」的鑑別能顯現超新星新生的化學物質為何。1984年，一架觀測星球的伽瑪射線望遠鏡發現了逐漸衰變的鋁元素的獨特指紋。證實了該化學元素在此星球內形成。在偵測伽瑪射線的技術上，幾乎所有來自太空的伽瑪射線，都像紫外線和X光一樣被地球高層的大氣所吸收 ，因此，偵測它們所用的望遠鏡必須架設在吸收層上方的氣象氣球或人造衛星上。伽瑪射線觀測對於新近所發現的「活躍星系核」 、「似星體」 、「黑洞兩極噴流」等探究顯得特別的重要，例如在1993年，康普吞伽瑪射線太空觀測器發現「似星體」輻射出強烈的伽瑪射線。

1977年，紅外線天文學---星系雲氣中的照妖鏡

　星雲中的氣體因逐漸凝聚而形成熱且發光的星球，它們的大小、質量和溫度差異極大，不同大小的星球有不同的命運。質量約與太陽相當的小星球，一旦形成後，會持續燃燒約百億年，直到其燃料燃燒殆盡。接著，星球中心收縮，外層卻擴大膨脹，而形成「紅巨星」 。最後，外層物質飄走再度成為星雲，而星體中心則塌縮成為矮星。質量比太陽大3倍以上的大星球，只要幾百萬年就會將融合燃料用完，然後在不到1秒鐘內，內部就會塌縮，而外層爆發形成超新星。這些稀有的爆發相當明亮，即使白天在地球上也觀測得到。如果爆發之後，星球的中心仍然存在，它會收縮而形成一個小而密緻的中子星；或者，如果它質量夠大，就會形成一個黑洞。無論是新星形成、超新星爆發、黑洞吸吐雲氣，都和朦朧難以透視的星雲有著密不可分的關聯。

　星雲是由塵埃與氣體組成的巨大雲氣團，新的星球便是誕生於其中（圖4） ，超新星爆發又造就出另一團星雲（圖5） ，而矮星、中子星或是黑洞正躲於當中。星雲因閃耀著明亮的顏色而成為宇宙中最美妙的事物之一。但它的微光卻遮掩了內部新生成的星球、矮星、中子星或是黑洞在其中的變化。利用紅外線望遠鏡可看到星雲內部的狀況寫真。譬如星群的形成，新生成的星球溫度約為攝氏200~500度，因熱而輻射出紅外光波，它的光芒可穿透周圍的冷雲氣團。在紅外線望遠鏡中，它是明亮而清楚的光點，而光學望遠鏡卻僅能看到雲氣團而已。又如，許多星系核心雲氣包圍中的黑洞正在進行大量的吸入雲氣和黑洞兩極的噴流，透過紅外線望遠鏡可一覽無遺地看到雲氣內部黑洞的變化（請參閱本館簡訊130、131期第6版） 。在紅外線輻射偵測技術上，從地球看紅外線輻射可能很困難。因為大氣層和城市的暖氣會將來自太空微弱的熱輻射淹沒。紅外線望遠鏡必須設置於人跡罕至之地，如山頂或寒冷的太空。

圖1.NASA哈柏望遠鏡所攝得之NGC4038、NGC4039兩星系對碰，可見到上千顆的恆星位於其間，其實宇宙間，兩個星系對碰是很正常的事。

圖2.在1992年4月發現了「漣波輻射」現象，被天文學家認定是來自宇宙「大爆發」後，膨脹至今所殘留的全天域360度宇宙微波背景輻射影像照。（取材自Lawrence Berkeley 實驗室）	圖3.1985年，瑪格麗特‧杰勒和約翰‧修茲勞標示出在6億光年間的1萬5千個星系時，發現宇宙中有大尺度結構「星系長城」的存在。（取材自Robin Rees:The Search for Infinity）

圖4.距離我們銀河系約17光年遠的大麥哲倫星雲中，於1998年底發現了此橫跨有150光年寬的N159星雲裡隱藏有一顆質量頗大的恆星正在生成中。圖右上方，是NASA哈柏望遠鏡廣角鏡頭所攝此恆星及其附近雲氣的照片。	圖5.NASA哈柏太空望遠鏡拍攝到剛形成不久的PKS285-02行星狀星雲，其雲霧狀氣體乃是來自於核心中亮星因超新星爆發所噴放出來的。