天文新聞

廣義相對論在銀河系中心通過驗證

錢德拉X射線天文台拍攝銀河系中心黑洞
美國天文學家從夏威夷凱克(W. M. Keck)天文台近二十年的數據,獲得了銀河系中心超大質量黑洞附近兩顆恆星S0-1和S0-38的清晰運行軌跡,發現這兩顆恆星的運行方式沒有偏離廣義相對論;同時,也未發現第五種基本力存在的證據。

宇宙中存在四種基本作用力:弱相互作用力、強相互作用力、電磁相互作用力和萬有引力。但許多觀測跡像對廣義相對論提出挑戰,一些科學家假設存在第五種基本力,並希望通過發現這種力的存在,來證明相對論存在漏洞和偏差。

加州大學洛杉磯分校的奧萊里昂·希斯(Aurélien Hees)認為,銀河系最中心的超大質量黑洞人馬座A*(Sagittarius A*)周圍,最有可能發現第五種力。一般情況下,黑洞周圍的恆星會向黑洞“餵食”自身氣體雲盤,導致恆星運行軌跡發生改變,從而對驗證廣義相對論造成的干擾;但人馬座A*與周圍恆星的間距不夠近,恆星氣體不會被捲進黑洞,因此​​能提供更清晰的檢測。

希斯和同事從上世紀90年代末開始,持續二十年長期跟踪人馬座A*附近恆星的運行軌跡。他們跟踪到S0-1和S0-38圍繞人馬座A*運行一周的完整軌跡,運行週期分別為十六年和十九年。他們發現,這兩顆恆星圍繞人馬座A*快速運轉的方式,完全遵循廣義相對論的預言。 “這是廣義相對論首次在超大質量黑洞附近經受住考驗。”希斯說。

希斯表示,以橢圓形軌道運行的S0-2將在明年距離人馬座A*最近,僅一百一十個天文學單位(一個天文學單位約為1.5億公里),屆時,他們可以獲得更精確的觀測數據,如果對廣義相對論的偏離真的存在,明年我們一定能探測到這種偏離。

【圖:美國太空總署;文:節錄自科學網頁;新聞訊息由林景明提供】

中國高海拔宇宙線觀測站主體工程即將動工

畫家筆下的高海拔宇宙線觀測站
中國高海拔宇宙線觀測站 (Large High Altitude Air Shower Observatory,簡稱 LHAASO) 目前已完成配套工程,主體工程即將開工。 四年後,該設施將在海拔4,410米的四川稻城縣海子山上,不斷捕捉宇宙線的踪影,為科學家探索宇宙線及其起源提供重要樣本。

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子,它時時刻刻存在於我們生活的星球上。 LHAASO項目首席科學家、項目經理、中科院高能物理研究所研究員曹臻指出,作為太陽系以外唯一的物質樣本,宇宙線及其起源是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。在1912年發現宇宙線之後的一百年間,與之相關的探索與研究已經產生了數個諾貝爾獎,但人類卻始終沒有發現宇宙線的起源,從而使宇宙線起源問題成為自然科學在21世紀所面臨的若干基本問題之一。

LHAASO正是瞄準這一重大科學難題而提出的。最近二十年,在探索宇宙線起源方面,已形成了伽馬天文學實驗、南極中微子實驗以及多國合作的巨型機高能宇宙線實驗三個支柱性研究分支。其中,伽馬天文學實驗尤為成熟,已經發現了一百八十多個宇宙線源天體,其中孕育著重大科學突破的機遇。曹臻說,該領域的國際競爭十分激烈,美國、歐洲都在著手對現有實驗裝備進行升級換代,以搶佔這一領域的學術成就。

高能宇宙線的能量跨度從109到1020電子伏特,宇宙線能量越高,所代表的宇宙活動就越劇烈,但數量越稀少。LHAASO項目副經理、中科院高能物理所研究員何會海說,這就需要大規模的探測器才有可能將它抓住。

LHAASO項目由觀測基地和測控基地組成,佔地總面積逾二千畝。其中建設站址位於四川稻城海子山,項目整體建設週期為四年,投資約九億元人民幣,投入運行後科學壽命在二十年以上。

曹瑧說,LHAASO的核心科學目標是探索高能宇宙線起源,並開展相關的高能輻射、天體演化以及暗物質分佈等基礎科學的研究。建成後,它將開展全天區伽馬源掃描搜索,以及探尋暗物質、量子引力或洛倫茲不變性破壞等新物理現象。

此前中國已與日本、意大利等國長期合作,利用位於青藏高原的羊八井宇宙線觀測站,獲得了研發第一代、第二代伽馬射線巡天望遠鏡的成功經驗。

在綜合條件更優越的站址建設高海拔宇宙線觀測站,採用多種探測手段實現複合精確的測量,大幅提高靈敏度,覆蓋更寬廣的能譜。曹瑧說,LHAASO將建成有多國參與合作研究的國際高海拔宇宙線研究中心,與國際上現有的其他宇宙線研究中心形成互補。

【圖:中國科學院高能物理研究所;文:節錄自科學網頁;新聞訊息由林景明提供】

天文學家發現比有些恆星還熱的系外行星

畫家筆下的KELT-9b
由俄亥俄州立大學天文學教授史葛·高迪(Scott Gaudi)領導的硏究團隊發現一顆編號KELT-9b的類木星系外行星,它的表面非常熾熱,一直被母星蒸發。

KELT-9b質量是木星的2.8倍,密度只是木星的一半,它非常靠近一顆屬於A型,編號KELT-9的恆星。因為潮汐作用,它面向恆星的一面溫度極高,溫度已經接近太陽。到目前為止,天文學家僅發現其它六顆系外行星圍繞著A型的恆星旋轉,這些恆星的表面溫度高達一萬開爾文(Kelvin)。

KELT-9,其表面溫度高達10,200開爾文,天文學家從圖像中發現了KELT-9b。這顆行星每1.5天經過KELT-9前方。根據亮度變化的形狀,研究人員估計kelt-9b大約有木星大小。但為了弄清它有多熱,他們採取了另一種測量方法:根據行星的亮度。科學家測量了當KELT-9b繞到恆星背後時亮度變化數值。而結果0.1%,幫助他們將該行星日間溫度限定在4,600開爾文(攝氏4,327度),這比大多數恆星都要熱。

【圖、文:節譯自美國太空總署網頁;新聞訊息由林景明提示】

嫦娥四號將攜帶四台外國提供的科學探測儀器

嫦娥四號展覽模型
2017年全球航天探索大會中國專場全體會議上公佈,嫦娥四號任務已確定將搭載荷蘭低射頻電探測儀、德國月表中子與輻射劑量探測儀、瑞典中性原子探測儀和沙地阿拉伯月球小型光學成像探測儀,四台國際合作科學儀器。在硏討會上,中國國家航天局副局長吳艷華向參與嫦娥四號任務國際合作的歐洲太空總署和德國、瑞典、荷蘭、沙地阿拉伯等四個國家的航天機構頒發中國探月工程嫦娥四號任務國際合作夥伴紀念杯。

四台國際合作科學儀器由中國探月工程總體單位探月與航天工程中心按照技術指標先進性、科學目標創新性、任務功能適用性、工程可實現性等基本原則,面向全球徵集,集中各國在相關領域的技術優勢,將有助於科學家獲得月球太空中低頻電磁波環境背景分佈變化信息,利用月表粒子實測數據精確分析月壤、岩石水含量,並有望解決月表能量中性原子和正離子等相關的月球科學問題,開闢天文學探測研究的新疆界。

嫦娥四號是世界首顆在月球背面登陸探測的太空船,計劃在2018年發射。利用月球該區域可屏蔽地球無線電干擾等獨特優勢,各種科學儀器將共同實現以月球為基地的低頻射電天文觀測與研究、月球背面巡視區形貌和礦物組份探測與研究、月球背面巡視區淺層結構探測與研究等方面的科學目標。同時,通過發射一個月球數據中繼衛星,嫦娥四號任務將在首先實現地球與月球之間的測控和數傳中繼通訊。

【圖:互聯網;文:節錄自國家航天局網頁;新聞訊息由林景明提供】

印度成功發射新的重型火箭可載人上太空

印度重型GSLV Mark III運載火箭發射情況
印度太空研究組織今日晚上香港時間19時58分成功發射由印度硏發的同步軌道衛星運載火箭 GSLV MarkIII-D1,搭載一顆3316公斤的GSAT-19多波段同步衛星,到地球同步軌道。火箭由兩個固體助推器(S200),液體核心階段(L110)和被動低溫階段(C25)組成。

GSLV MarkIII-D1 火箭的固體助推器質量為200公噸,長25米,僅次於美國穿梭機的助推器和歐洲的阿里安火箭助推器。新固體助推器的直徑為3.2米,世界第二。新的重型火箭可以攜帶載人太空船飛上太空。

【圖、文:節譯自印度太空研究組織網頁;新聞訊息由劉柱光提供】

俄羅斯計劃2022年發射新一代載人太空船

畫家筆下俄羅斯新一代聯邦載人太空船
俄羅斯國家航天集團總裁科馬羅夫(Igor Komarov)6月2日表示,俄羅斯新一代聯邦(Federation)載人太空船將於2022年首次發射。

科馬羅夫在當天參加聖彼得堡經濟論壇期間透露,俄羅斯決定,聯邦載人太空船將由聯盟五型運載火箭首次發射,屆時世界航天發射市場競爭將更加激烈,發射費用也將增加,但俄羅斯能夠保證按時發射聯盟五型運載火箭,這一新式運載工具將大大降低發射成本,顯著提高發射服務效率。

科馬羅夫說,俄羅斯國家航天集團打算繼續與哈薩克開展合作,在俄羅斯大幅降低位於哈薩克境內的拜科努爾發射場財政撥款,哈薩克將承擔發射場基本的基建費用的情況下,加快在發射場建設相關發射架,以保證聯盟五型運載火箭能按時發射新一代載人太空船。

聯邦載人太空船由俄羅斯能源火箭航天集團研製,用於向近地軌道及月球運送人員及貨物。俄羅斯現役聯盟系列載人太空船隻能搭載三人,而聯邦太空船最多可搭載四人。太空船可以獨自主飛行三十日,在與軌道空間站對接狀態下可以連續飛行一年。

【圖:互聯網;文:節錄自國家航天局網頁;新聞訊息由林景明提供】

時空漣漪有助解開黑洞彼此繞行之謎

畫家筆下的雙黑洞
激光干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱 LIGO)的科學家第三度偵測到了雙黑洞合併時所產生的重力波!更特別的是,這一次重力波訊號裡有著小小的漣漪,讓科學家得以推測出這兩個黑洞的另一項重要特徵,也就是黑洞自轉的方向!這將有助於解開雙黑洞形成的機制。



早在2015年,LIGO便偵測到兩起重力波事件:一次是在9月的時候,由兩個各約30倍太陽質量的黑洞合併而來。另一次則是在12月的時候,由兩個較輕的黑洞(分別為十四倍與八倍太陽質量)合併時產生。偵測到重力波當然讓科學家非常興奮,但卻也讓理論學家困惑不已:雙黑洞要非常靠近才會合併,那麼如此近的成對黑洞又是如何產生的呢?



首先讓我們來回顧一下單一黑洞是怎麼產生的。黑洞是巨質量恆星演化到最後的產物。當恆星中心的氫燃燒完之後,外層便會開始膨脹變成巨星。在數億年之後,巨星核心的核融合反應所產生的熱壓力無法抵抗重力,這時巨星就會開始塌縮變成黑洞,同時伴隨著超新星爆發。


至於成對黑洞,科學家們想出了兩種可能的形成機制。第一種是成對黑洞來自來自巨質量雙星系統,然後兩顆巨質量恆星一前一後演化為黑洞。在這樣的情況下,當一顆恆星已成為黑洞,而另一顆恆星還在巨星階段時,巨星膨脹的外層會被黑洞吸積,最後由黑洞與巨星共享。共享的外層會產生摩擦力,讓黑洞與巨星越繞越近。等到巨星也演化成黑洞時,便形成兩個非常靠近的黑洞了。在這個機制底下,兩個黑洞自轉的方向皆與公轉的方向一致。



另一種機制則是在星團中的多體作用:一個由黑洞與恆星組成的雙星系統碰巧經過另一個單獨的黑洞,三者重力互相影響。最輕的物體(恆星)受到的影響最大,因此被甩出。而兩個黑洞開始彼此互繞,但距離還很遠,不足以產生合併。在星團中,雙黑洞每經過一次其它恆星,便會再一次多體作用。在甩出較輕的恆星時,雙黑洞也會損失動量,因此越靠越近,最後開始合併。在這個機制底下,產生的雙黑洞可以有各種各樣的自轉方向。



前兩次的重力波訊號不足以讓科學家推測黑洞自轉的資訊,但是在今年1月時,由兩個分別為三十一倍與十九倍太陽質量黑洞所產生的重力波,讓科學家們得以首度偵測到這兩個黑洞自轉的資訊:這兩個黑洞自轉的方向並不同,而且有八成的機率是完全相反的方向,因此很有可能是由多體作用而來!

但目前僅有這一次偵測,樣本數還太少,不足以下最後的結論。LIGO的科學家還需要觀測更多的重力波事件。而在今年8月後,LIGO將會暫停十二至十八個月的時間進行硬體升級,屆時儀器的靈敏度將會大幅提高,提供我們更詳細的重力波觀測。

【圖、文:節錄自台北天文館之網路天文館網頁】

國際太空站兩位太空人今日乘搭聯盟號太空船返回地球

聯盟號M03太空船降落地面照片
國際太空站兩位太空人今日香港時間18時47分乘搭聯盟號M03太空船從國際太空站返回地球,經過三個半小時的時間,在香港時間22點10分在哈薩克(Kazakhstan)的傑茲卡茲甘(Jezkazgan)市東南約145公里安全降落。

返回地球的兩位太空人包括:俄羅斯宇航員奧列格·諾維斯基(Oleg Novistkiy)、歐洲太空人湯馬斯·佩謝(Thomas Pesquet)。他們總共在國際太空工作了六個半月,在這段期間,他們完成了超過百項科學實驗。

【圖、文:節譯自俄羅斯航天局網頁】

日本今早成功發射高精確度準天頂衛星導航系統

準天頂衛星發射情況
日本宇宙航空研究開發機構今日香港時間早上8時17分,從種子島宇宙中心,利用三菱重工H-IIA運載火箭34號機,發射引路二號高精確度準天頂衛星。衛星在發射後21秒確認已經成功分離到日本上空三萬三千至三萬九千公里高度的準天頂軌道上運行。

由於直接飛行於日本上空並進而減少遮蔽物影響,加上使用無線電波偵測地表物件位置,因此能夠大大提高定位精度,在搭配使用GPS下,誤差範圍可縮到6公分以內。

日本準天頂衞星系統是以三顆衞星透過時間轉移完成全球定位系統的區域性功能衞星擴增系統,這個計劃為日本研發。第一顆衞星「Michibiki」已於2010年9月11日發射,為防止因該系統受到攻擊等而無法使用等情況發生,日本政府已決定在2017至2018年期間發射多三顆準天頂衛星,形成四顆衛星體系。但四顆衛星體制仍需要與美國的GPS導航衛星配合才能正常運用,要想通過獨自的系統在日本上空保持不間斷定位,至少需要七顆衛星。日本將在以2023年度為最終年度目標的新計劃中寫明實現七顆衛星體制。

由於準天頂衛星直接在日本上空飛行,減少受到建築物遮蔽的影響,加上使用無線電波偵測地表物件位置,因此能夠提高定位的準確度,在搭配使用GPS導航衛星的情況下,誤差範圍可縮到6厘米以內。

【圖、文:綜合自互聯網新聞報導;新聞訊息由林景明及劉柱光提供】

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https://www.youtube.com/watch?v=yrPxZhwwDN8

美國太空總署明年發射衛星近距離探測太陽

畫家筆下的帕克太陽探測器
美國太空總署今日宣佈,明年發射一顆名為派克太陽探測器(Parker Solar Probe),到距離太陽表面六百五十萬公里的外大氣層軌道,觀測日冕活動。探測器預計2024年12月接近太陽,是美國太空總署首個進入日冕範圍的衛星,也是人類歷史上第一次靠近太陽的觀測計劃。

派克太陽探測器裝備十二厘米厚的碳複合材料屏蔽層,用抵抗太陽的高溫輻射,碳複合材料可以承受高達攝氏1,400度的溫度。近距離觀察太陽可以協助科學家了解太陽風的起源、運動速度、日冕所產生太陽風、冕洞、日珥、以及日冕物質拋射,從而了解太陽與行星、地球的關係,提高預測太空天氣的能力。

派克太陽探測器原名太陽探測器+(Solar Probe Plus),是美國太空總署紀念今年6月10日,年屆九十歲的芝加哥大學榮休教授,太陽風科學的先驅,天文學家尤金·派克(Eugene Parker)帕克。是美國太空總署第一次以仍然在世人物命名的太空計劃。

【圖、文:節譯自美國太空總署網頁;新聞訊息由劉柱光及林景明提示】

https://www.youtube.com/watch?v=XBudjihQKsw

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