典範再度破滅!——由球狀星團的年齡談起-科學人雜誌
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典範再度破滅!——由球狀星團的年齡談起

2003/11/01 孫維新(美國加州大學洛杉磯分校天文學博士、中央大學天文研究所副教授)
典範的設立,是為了讓人推翻嗎?
球狀星團的年齡,如何再現科學真理的變革?

重點提要

典範的設立,是為了讓人推翻嗎? 球狀星團的年齡,如何再現科學真理的變革? 且看天文學者孫維新趣味橫生的解說。
「典範」(paradigm)這個字,指的是「百王之無變,足以為道貫」的事物,這些事物為眾人奉為圭臬,恪遵不渝。但是,當我們把這個字使用在科學的理論上,它就隱含了一層負面的意思,因為在科學的疆域裡,沒有神聖而不可侵犯的真理。的確,徵諸史實,天文物理發展的過程中,典範破滅的例子所在多有,大破之後才有大立,科學工作者也才能推陳出新,另創新猷。因此每回看到有典範破滅,便不禁為天文科學又向前邁進一步感到高興,尤其當這個典範過去的建立是與自己無關的時候。

推翻典範,靠的是新的發現,而發現新事物,又常需要科學內省的能力,而這種能力之一,就是可以看到該發生而沒有發生的現象!舉個例子,太陽系的各個行星幾乎都在黃道面上運行,但這些彼此不相統屬的行星,為何有志一同,乖乖進入同一個非常窄小的平面中日夜運行?而不是像原子能委員會的標誌一樣,上下四方各有軌道地環繞著太陽運行?當然,今天我們知道,這些行星是在太陽星雲(solar nebula)因旋轉、變扁而生成太陽之後,才在殘存的雲氣盤中形成的,因此它們的軌道自然別無選擇,只能隨波逐流。但如果我們假想,太陽系中有些物體,是在整個雲氣還沒有變扁之前,就已經獨立成形,而不會隨著雲氣持續向中心沉落、旋轉、變扁,那這些物體最後就會有自己獨樹一格的繞日軌道。現在讓我們把眼光放遠,看看整個銀河系,我們會發現,銀河裡就有這樣的例子─球狀星團!

我們銀河中的球狀星團,看起來像是夜空中的珠寶盒,它們是天文愛好者最喜歡觀賞的目標之一,也同時是許多天文工作者致力研究的對象(如上圖的M15)。它們不只在望遠鏡中星光燦爛,實際上這些天體的物理環境更令人咋舌。想想看,在太陽和最近的恆星(半人馬座的南門二)間空無一物的4.3光年距離之中,放入10萬顆恆星,就成為球狀星團中心的環境。還好地球不是處在那樣的環境之中,否則無論晝夜,天上的群日照耀,再有10個后羿,也射不完滿天的太陽。

但就是因為球狀星團遺世獨立於盤面之外,才讓我們知道,它們應該在銀河盤面形成之前,就已經悄然成形,並以兩億年左右的週期,穿梭於盤面上下。也就是靠著這些瑰麗的天體與眾不同的運動方式,才使得夏普里(Harlow Shapley)發現了銀河中心的正確位置。夏普里觀察了這些球狀星團中的天琴座RR變星(RR Lyrae),定出了這些星團的距離和運動方向,從而確定了太陽不但不是宇宙中心,連銀河的中心也不是!這給那些曾被哥白尼「日心說」深深刺傷的人們又一次無情的打擊。看來,天文學的發展只不過在不斷地提醒人們自己是如何地渺小卑微!

球狀星團老得有理、新得驚奇!

如果球狀星團的生成真如前述,那我們閉著眼睛都可以推估出一些結論:這些星團每兩億年左右便會上下穿越盤面一次,經過盤面的過程一定十分暴力,因為盤面的恆星眾多、雲氣豐富,是一個巨大的位能阱。雖然銀河恆星與星團恆星之間的距離仍然十分遙遠,不易碰撞,但是這些星團的雲氣就無可避免的會被盤面的位能阱扣留。我們銀河的年齡至今已約100億年,所以這些星團少說也上下穿越了盤面幾十次;屢次歷經重力剝離的結果,讓這些星團變得乾乾淨淨、毫無雲氣。如此一來,這些星團中的恆星必然都已垂垂老矣,因為大質量的恆星光度高、壽命短,過完了璀璨但短暫的一生之後,又會無私地把自身炸成片片雲氣,散到周遭的太空之中,成為下一代恆星的原料。不過,要是這些雲氣每次出現就被取走,那麼新的恆星,無論大小,就很難再形成;久而久之,這些早年生成的球狀星團便只會留下質量小但壽命長的恆星在那裡窮耗,也因此這些星團的顏色應該偏紅。

閉著眼睛推論完畢,睜開眼睛一看,果不其然!我們銀河周遭上百個球狀星團的顏色都偏紅,都只有小質量恆星而沒有多少雲氣。既然閉著眼睛想和睜開眼睛看的結果一致,這個理論自然就進了教科書,成了「典範」!過去10年來,我們在課堂上談到球狀星團的形成與性質,大抵不出這個「典範」的內容。但今天就是有人不信邪,偏偏要去碰觸這個典範,沒想到這個典範也真不禁碰,一下子就摧枯拉朽地崩解了,於是天文學家只好很難過或很高興地去改寫教科書。這個例子再一次告訴我們做研究的一個準則:人多的地方不要去!

在〈球狀星球,好年輕!〉一文中,澤普夫和艾胥曼認為,我們找不到年輕的球狀星團,並不代表它們不存在,只是我們找的方法不對!早年的宇宙較小,星系的密度甚高,常有「星系相食」的現象。(這個過程至今未息,我們銀河目前就在大啖鄰近的人馬座矮橢圓星系。)若有兩個質量相當的螺旋星系相撞,最終就會形成一個橢圓星系。而兩個各含兩、三千億顆恆星的螺旋星系相撞,過程當然十分暴力,常會產生大量可供製造新恆星的雲氣,因此他們就把目光移向遙遠的橢圓星系近旁的球狀星團,看看這些星團的顏色是否有所不同。

其他星系四周的球狀星團是觀星者的另一個驚喜,可惜這個喜悅多半只能由專業天文工作者獨享,因為星系多半遙遠,要能解析出這些遙遠星系周遭的球狀星團(如上圖的M104),非大望遠鏡莫辦。

澤普夫和艾胥曼提出了理論,經過哈伯望遠鏡觀測的驗證,果然在橢圓星系周遭找到了有藍有紅的球狀星團,不僅直接推翻了球狀星團盡皆年老的「典範」,也間接支持了「螺旋星系相撞形成了橢圓星系」的另一個「典範」!

改寫完了這個典範,我們發現天文教科書中的其他典範仍然多得不可勝數!的確,對於那些具有科學內省能力,性格上又稍許叛逆的年輕人來說,科學的世界中,等著他們揮刀砍去的東西還真不少

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2003年第21期11月號】


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