麥田圈、浮世繪、至尊魔戒？「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景
宇宙也有麥田圈？重力如何害遠方星系「面目扭曲」宛如魔戒？磁星會吹熱泡泡，研究員用電腦畫浮世繪？中央研究院天文及天文物理研究所參與中研院「開放博物館」，研究員拿出壓箱底的天文美照與研究成果，促成「星海巡奇」線上展覽，滑鼠輕輕一點，即可穿越千萬光年的異世界，飽覽令人腦洞大開的天文奇景。
宇宙也有麥田圈？
地球的麥田圈還懸而未決，想不到太空中也有？下圖美麗神祕的「宇宙麥田圈」，其實是行星系統誕生之前的模樣：原行星盤。
兩張美照皆是由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）望遠鏡，解析原行星盤「金牛座 HL 」所得的細緻結構。這是人類首度拍攝到這麼年輕的原行星盤高解析度影像，可一窺行星形成的祕辛。
▲ 這張是拍攝連續光譜，得到金牛座 HL 原行星盤的塵埃分布，清楚呈現環與間隙的構造。（Source：ALMA，ESO / NAOJ / NRAO）
▲ 這張照片是拍攝分子譜線，得到金牛座 HL 原行星盤的氣體分布，同樣有環與間隙。（Source：ALMA，ESO / NAOJ / NRAO, Yen et al.）
智利沙漠的 ALMA 望遠鏡運用「天文干涉技術」，共有 66 座天線協同工作，且天線之間距離夠遠，才得以拍出原行星盤的細緻結構。在此之前，前一代望遠鏡對這些年輕的原行星盤，只能看見平滑盤面，沒有明顯起伏，直到 ALMA 啟用才有重大突破。
▲ 阿塔卡瑪大型毫米波天線陣的一些無線電望遠鏡運用「天文干涉技術」。若要用單一望遠鏡看清楚原行星盤，望遠鏡必須非常巨大，技術很困難。因此天文學家先建造幾個「比較小」的望遠鏡，彼此相隔遙遠，再將觀測資料一起分析，效果等同一台巨大望遠鏡，這就是「天文干涉技術」。（Source：ALMA）
原行星環：行星形成現場
說了半天，「麥田圈」盤面的環與間隙究竟是誰的傑作？「目前最熱門的解釋，是間隙有行星正在形成」，中研院天文所顏士韋助研究員主持金牛座 HL 的氣體分布研究，他解釋：原行星盤有很多氣體和塵埃，部分氣體和塵埃會逐漸聚集成行星。這些行星一邊長大、一邊在盤子內繞著原恆星轉，過程中行星重力會把沿路東西推開，形成一圈圈間隙。
為什麼重力會「推開」物體？因為盤上的物質進行克卜勒運動──內圈跑得快、外圈跑得慢。原行星會吸引比它內圈的物質，這些物質被拖慢速度，結果往更內圈跑；另一方面，原行星也會吸引外圈的物質，這些物質反而被拉快速度，往更外圈跑。原行星就這樣「推開」周圍物質，「清出」一條軌道，形成明顯的間隙。
一開始，天文學家先觀測到塵埃分布的「麥田圈」影像，但如果氣體分布是平滑沒有間隙的，「環與間隙」可能只是來自塵埃性質差異。所幸，顏士韋團隊之後確認金牛座 HL 的氣體分布也有環與間隙，支持「行星形成」的假說。
他們還從縫隙的寬度與深度推算出：間隙中正在形成的行星大約是木星質量。研究人員據此推測，行星形成的時間點比預期還要早，像木星這類的巨行星，可能恆星還沒完全「誕生」，就已趕進度地成形了。
磁星熱泡泡：太空版浮世繪
日本畫家耐心一筆一劃勾勒浮世繪，中研院天文所陳科榮助研究員用電腦模擬的「磁星熱泡泡」，是他獨創的太空版浮世繪。
故事要從頭說起。近年來，天文學家發現很特殊的超新星，可比一般超新星亮 100 倍，稱為「超亮超新星」（superluminous supernova）。理論天文學家不斷苦思：為什麼這些超新星會這麼亮？
有些學者提出「磁星」（magnetar）理論解釋：超新星爆炸經常伴隨中子星形成，有的中子星轉得非常快，轉速高達每秒 1 千圈，因為磁場強度高達地球 1 千兆倍，稱為「磁星」。
磁星的磁力線就像綁在星球外的繩子，快速旋轉下攪動，會以輻射形式把中子星的轉動動能傳遞出去。根據目前模型，發射出去的輻射能量只要超過磁星轉動動能 5%，就能產生比一般超新星 100 倍亮度，形成超亮超新星。
▲ 陳科榮以超級電腦模擬磁星驅動超新星爆炸的過程，圖為將磁星一切為二的三維模型。（Source：中研院天文所）
陳科榮從 2015 年就投入磁星驅動超新星的模擬研究，展示爆炸過程，立刻面臨巨大的難題：之前的研究都是一維模型，也就是假設「磁星驅動超新星的流體分布」是球對稱，所有方向的變化都一樣。但真實過程當然沒有這麼簡單，磁星的輻射壓力會突然把物質劇烈往外推，形成流體力學的不穩定結構，就像把墨水滴到水裡，可見多變複雜的結構。但一維模型的結果就像剷雪，只能將大量物質擠在非常小的區域，無法判讀箇中細節。陳科榮比喻：
一維模型就是只有一個車道，車子都擠在同一個車道，不能超車；二、三維就像有兩、三個車道，才能模擬真實流體不穩定現象。
陳科榮又舉例，葛飾北齋著名的浮世繪《神奈川沖浪裡》，海浪的尾端有許多破碎的複雜結構，真實的流體即是如此複雜，而這幅畫還只是偏向二維結構。三維流體的紊流更複雜，只有達文西這樣的天才，可以生動描繪出來。
▲ 從葛飾北齋浮世繪的海浪畫面（上），以及達文西繪製的紊流細節（下），可見真實流體的結構有多複雜。（Source：After Katsushika Hokusai / Public domain、researchGate）
三維的紊流有很多複雜、不均勻的結構，磁星造成的熱泡泡也是如此。所謂「磁星熱泡泡」，就是磁星這個強大能量來源「吹出」的泡泡，就像滾水冒泡泡。每層泡泡有很多細微結構，一、二維的模擬皆無法呈現和解釋。但這些細微的紊流結構不可忽視，可是會影響磁星能量傳輸，進而影響超亮超新星的觀測性質。陳科榮以超級電腦模擬出的磁星熱泡泡，乃史上首度對磁星熱泡泡做出三維模擬，同時具備精密度和大尺度：全貌相當太陽系，細節小如台北市，可謂獨步全球。
▲ 陳科榮以電腦模擬的磁星熱泡泡，不但可見大尺度範圍，也可見許多複雜的精細結構。（Source：中研院天文所）
宇宙魔戒：愛因斯坦環
這枚宛如宇宙版魔戒的「愛因斯坦環」，其實是某顆巨大黑洞造成。中研院天文所團隊藉著分析愛因斯坦環影像，進一步推算出這顆黑洞的質量。
▲ SDP.81 愛因斯坦環。這是地球、40 億光年外之 A 星系、120 億光年外之 B 星系，3 個天體同時呈一直線，因位置剛好加上 A 星系的巨大重力造成的奇景。（Source：ALMA，NRAO / ESO / NAOJ；B. Saxton NRAO / AUI / NSF）
中研院天文所研究員松下聰樹解釋，重力可讓光線彎曲，宇宙如果有個大質量的東西如黑洞擺在光源前面，重力可成為折射背景光的透鏡，改變我們看到的影像，這個原理稱為「重力透鏡」，是愛因斯坦環的主要成因。
▲ 何謂重力透鏡效應？由左到右分別是：地球（觀測者）、大質量星體（如黑洞）、遠方的星系。當三者成一直線，遠方星系的光通過大質量天體附近，光線會因強大重力而彎曲（白色箭頭），就像透鏡彎曲光線，地球的觀測者就會「看見」變形的星系影像。（Source：NASA）
松下聰樹以一個高腳酒杯和一張紙，巧妙解釋這個神祕的天文現象。他在白紙上畫了一個紅點，周圍不規則塗上藍色。接著把酒杯放在圖案上，如果酒杯中心正對著紅點，那我們透過酒杯底座（扮演透鏡），可看到藍色環帶中間，顯現出一個完整清晰的紅圈。如果酒杯中心稍微偏離紅點，則會看到兩個或四點構造，散落在不對稱的藍色圓弧中。讀者不妨自己在家做實驗。
這次展出的 SDP.81 重力透鏡系統中，背景星系有很亮的核心，就像是實驗的紅點；附近還有瀰漫物質，就像是周圍的藍色區塊。松下聰樹說，假如背景星系是個只有核心的點光源，只會看到 4 個紅點。但圖中還可看到較微弱的弧狀結構，代表還有其他瀰漫物質在周圍。
▲ SDP.81「愛因斯坦環」的 ALMA 影像，數個紅點來自星系核心緻密區域。（Source：黃活生、蘇游瑄、松下聰樹，2015）
用影像「秤出」黑洞有多重？
中研院天文所的團隊利用愛因斯坦環的影像，成功計算出中間的透鏡星系為一個黑洞，至少有 3 億倍太陽質量。
松下聰樹解釋，如果透鏡星系質量夠大，嚴重扭曲背景星系的星光，地球的觀測者只會在兩側看到增強的成像，看不見正中央背景星系的影像。這就好比，在酒杯的成像只看到外圍的弧狀範圍，看不到原來中央的紅點。而 SDP.81 系統的確如此，無法看到背景星系的原始影像，這表示黑洞夠重，可藉此推知黑洞質量的下限。
此外，愛因斯坦環還能推知背景星系的影像。背景星系遙遠而黯淡，但經過透鏡星系有放大的效果，運用電腦計算可還原出極高解析度的影像。
▲ 天文學家從 ALMA 影像（中）重建出背景星系的樣貌（右），目睹 120 億光年外的異世界。透鏡星系是橢圓星系，通常不會發出電波，所以 ALMA 的波段可以不受透鏡星系干擾，清楚分辨來自背景星系的光。再加上 ALMA 有夠好解析度和靈敏度，才能看清楚愛因斯坦環，並執行以上計算。（Source：ALMA，NRAO / ESO / NAOJ；Y. Tamura / The University of Tokyo；Mark Swinbank / Durham University）
除了以上精彩內容，本次展覽還有「微旋臂 暗度陳倉？」展示呂浩宇研究的大質量恆星團旋臂，「完美螺旋的分岔」則是金孝宣的飛馬座 LL 雙星系統的螺旋分岔，「塵埃間隙發現旋臂：暗示行星正在形成」展現湯雅雯研究的御夫座 AB 星美照，「漢堡，啤酒，雙頭槍」為李景輝發現胚胎恆星在吸食「塵埃漢堡」的案發現場……更多讓人腦洞大開天文美照，快進入「星海巡奇」線上展覽一飽眼福吧。