編輯推薦

誰先拍到系外木星?

2015-12-01 畢林茲(Lee Billings)
兩組研究團隊正在觀測太陽系外的巨行星,爭相解開這些行星的身世之謎,然而他們發展的技術可能引領我們找到另一個地球。


在智利中部安地斯山脈的高處,夜晚的天空是如此昏暗,星座甚難辨識,淹沒在微微發光的成群恆星之中。這熟悉卻又陌生的景象令人驚惶,但是在2014年5月的那一夜,另有他事讓麥金塔許(Bruce Macintosh)煩惱。因為在海拔2700公尺的高處,當他望穿這片大氣時,風仍舊不斷吹拂。頭頂這片閃爍的星空,對於他的目標來說,亮光實在多了點。


麥金塔許站在此處,是為了尋找其他的地球。精確的說法是尋找其他的木星,因為必須先找到像木星這類行星,才能發現如地球般適合生命居住的固態行星。天文學家會經年累月觀測恆星在天空中的位置有哪些細微偏移或亮度變化,逐步推敲出恆星附近、無法觀測到的行星。但麥金塔許的興趣並不在此,他追求的是立即的滿足感:穿越數百光年,拍下遙遠行星的真實影像,親眼看到這些光點繞著它們的恆星運行,注目著行星表面迴旋的氣體。美國史丹佛大學的天文學家麥金塔許稱此為「直接成像」。


除了風,麥金塔許還煩惱另一件事:往北方600公里,在智利一處乾燥的高原上,布齊特(Jean-Luc Beuzit)正在進行同樣的研究。他是法國格赫諾柏行星及天文學研究機構的天文學家,既是麥金塔許的朋友,也是競爭對手。命運和資金在同一時間把這兩組團隊帶往山上,眺望夜空以搜索行星,想確知我們居住的行星,在宇宙中究竟是異數,還是如塵土般平凡。


在這場天文學競賽中。麥金塔許選擇的是「雙子星攝影機」(GPI),這具價值上百萬美元、汽車大小的光學偵測器,架設在雙子星天文台南座望遠鏡、那座口徑八公尺的偌大鏡面。那是一片鍍銀的玻璃鏡面,尺寸大約一般籃球場的1/8。麥金塔許的團隊成員把這具儀器的縮寫唸做「gee pie」(哇賽這個派),彷彿在對麵包店裡的蘋果派發出讚歎。


對抗GPI,布齊特的策略是體積更大的儀器「光譜偏振高對比系外行星研究」(SPHERE),由許多小零件拼裝成小貨車大小的觀測儀器。SPHERE架設在歐洲南方天文台「超大望遠鏡」陣列、一座口徑八公尺的天文望遠鏡上。這兩項計畫都已經實行10多年,直到近幾個月才正式登台對打。這兩具儀器坐落於相隔甚遠的山頂,兩組團隊搜尋的卻幾乎是相同的恆星,都希望自己能成為第一個捕獲太陽系外木星面貌的贏家。


過去20年來,科學家已經發現了5000顆以上、繞行其他恆星的行星,但幾乎沒有實際拍攝到影像。「直接成像」困難重重,即使最大、最勉強適合生命生存的行星,比起其明亮的恆星仍舊黯淡許多,此外,即使它距離其恆星如此遙遠,但從地球上來看仍顯得非常接近。為行星拍下影像,雖然解析度不高,我們依舊可以得知該行星的組成、氣候等眾多資訊,以及出現生命的機率。GPI和SPHERE探索系外木星,動用的是最尖端科技,但人類目前尚未建造出夠大又夠精密的望遠鏡,捕捉系外地球那昏暗的光芒,而不受其恆星耀眼強光的影響。一旦我們開始建造這些設備,使用的技術必定出自這兩項計畫的發展。.............


木星神秘的起源


沒有人知道,太陽系中最大的行星木星是怎麼形成的。這在天文學中可說是令人發窘的公開秘密。然而,天文學家仍舊十分渴望發掘木星起源之謎,因為木星和其他巨行星都是行星系統的建築師,形塑出周遭的一切。


在其他行星系統中,大部份已知的巨行星與太陽系的木星並不真正相像。許多巨行星的公轉週期都只有三、四個地球日,因此行星表面十分灼熱,與太陽系的巨行星毫不相像。目前主流的理論是,這些炙熱如地獄般的行星,在形成之初其實距離恆星甚遠,因為重力或氣流的影響,隨著時間逐漸向恆星旋近。這個遷徙歷程對生物的居住條件可說是大災難,巨行星旋近時的重力場幾乎會把小型的固態行星拋入星際空間、無盡的黑暗中,或直接推入其恆星的熊熊烈燄。這些巨行星與恆星非常靠近,以今日技術來說仍無法直接成像。......................


系外木星拍攝現場


當GPI團隊準備觀測HD 95086,其中一台螢幕顯示了一個單色的圓圈,就像由大量方格構成的流體、格子狀的湍流,或是受到靜電干擾的電視螢幕


麥金塔許說:「你目前看到的是風,那是星光穿透大氣擾動之後落在偵測器、經自調光學儀器而形成的影像。」自調光學儀器是由電腦控制鏡面變形,一秒內能改變曲度數百到數千次,以抵消大氣擾動,讓天文學家捕捉到的天體影像比起太空望遠鏡的一點也不遜色。


麥金塔許按下了幾個按鍵,並對團隊成員下達幾個指示後,GPI的自調光學儀器啟動了。在口徑八公尺的望遠鏡下方,裝設了兩具可變形的鏡面(由現成的鏡面以及較小、特製的鏡面組成,裝載4000多個致動器),現在鏡面正同步凹陷或上凸,因應上方大氣每一瞬間氣流和擾動的狀態,讓星光經過校正後能完美回復到初始狀態。結果看來十分神奇:螢幕上的擾動圓圈變得光滑平穩,彷彿上方的大氣瞬間消失了。現在,螢幕上的HD 95086是顆明亮耀眼的恆星,但沒有行星的跡象。................


開啟未來的第一個亮點


...................他們預計在SPHERE東北方20公里處、高達3000公尺的亞馬遜斯山,架設一座新的望遠鏡。就在我到訪之後,他們爆破了山頂,清出一片空地準備架設「歐洲超大型望遠鏡」,並將在10年內與其他兩座超大尺寸的天文望遠鏡連袂登場。這座天文台體積龐大,有著口徑30或40公尺的鏡面,是前所未有的聚光動力,使用的系統則與SPHERE或GPI類似,不但可以拍攝到只有木星一半亮度的天體,也能夠拍攝到最接近太陽系、溫度更低、亮度黯淡1000倍、適合生命生存的系外行星。致力於行星直接成像的任務,或許能讓我們深入探索太空深處、尋找生命的訊號,前提是這樣的世界確實存在,有待我們去發現。期待獲得這些影像、一瞥系外地球,正是推動GPI和SPHERE這類計畫的動力。


...............


# 關鍵字:編輯推薦天文太空
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人