2022年9月9日 星期五

費米泡的神秘伽馬射線可能並非來自銀河系,新發現甚或影響暗物質搜尋策略

費米伽馬射線太空望遠鏡的資料顯示銀河系平面(藍色)和上、下方的費米泡(紫色)。Image©NASA Goddard Space Flight Center

費米泡是費米伽馬射線太空望遠鏡在2010年所發現,向銀河系平面上、下方總延伸達5萬光年,並以每小時數百萬公里速度擴張的高能幅射結構。天文學家對這項發現非常有興趣,過去一直推測它與銀河系核心的超巨質量黑洞有關。

費米泡發出的伽馬輻射並非完全均勻分佈,天文學家在2011年在費米泡南側這邊發現有個「繭」,推測是銀河超級泡的一部分。不過由澳洲國立大學天文物理學家Roland Crocker領導的團隊最近發現,這個繭的位置與人馬座矮橢球星系的核心位置完全重合,這個矮橢球星系是銀河系的一個衛星星系,正被撕碎吞噬。這樣巧合的機率只有1%,而且有趣的是,繭的形狀和方向都和人馬座矮橢球星系相近,雖然兩者的距離無法精確測出,無法斷定費米泡的來源就是這個繭,但像這樣在一個大的伽馬射線結構中看到另一個伽馬射線結構,況且它們的形狀和方向都相似,很難不聯想兩者間有密切的關係!

Image©NASA Goddard Space Flight Center

因此研究人員決定重新審視這個繭,看看在矮星系中是否能找到產生伽馬輻射的可能機制。在銀河系中,伽馬射線主要是由宇宙射線和星際介質中的氣體碰撞所產生。但這對人馬座星系來說不太可能,因為它的氣體早在20到30億年前就已經被銀河系剝離,當中也沒有大質量恆星發生超新星爆炸來釋出氣體。

研究小組改從其他方面下手,最有可能的解釋是毫秒級脈衝星,這類脈衝星是以超新星爆炸後所殘留的極高速自轉中子星,週期以毫秒為單位;當它們旋轉時會從兩極射出輻射噴流,包括伽馬射線。研究人員表示,儘管與仙女座星系等其他星系相比,銀河系費米泡的伽馬輻射似乎很強,但若這些脈衝星有70到80億年的歷史,而且金屬含量低,就有可能,而人馬座矮橢球星系中的正是金屬豐度低的恆星,顯示矮橢球星系可能會產生比預期更多的伽馬輻射。

若真是如此,它們可能會與搜尋暗物質的線索混淆,而搜尋暗物質的策略可能也得調整。天文學家認為暗物質粒子和反粒子相互湮滅時會發出過量的伽馬輻射,所以伽馬輻射是搜尋暗物質的重要線索之一,當然,我們對矮橢球星系也得重新認識。

Nature Astronomy

人類皮膚自有抵禦陽光傷害的機制,直到一萬年前的一個巨大轉變

 Image©Maksim Chernyshev/EyeEm via Getty Images

人類與陽光的關係是矛盾的,人們喜歡曬太陽,但防曬霜、帽子、太陽眼鏡等…卻又是不可少的必要配備,如果少了這些,皮膚就會曬傷疼痛。但專門研究靈長類動物對環境適應性的生物人類學家發現,過去的人類並不需要像現在這樣特別預防陽光傷害,因為皮膚有抵禦陽光的自然機制,而這些機制在現代人身上還來不及發揮保護作用。

別忘了,人類是在陽光下進化的,陽光是環境常態,而智人在歷史上大部分時間都生活在大自然中,而不是住在房舍裡,而且是赤裸的,皮膚就是人類祖先身體和自然環境的主要介面。人類皮膚能適應所處的環境,由於日常生活暴曬於陽光下,所以皮膚表層會以增加細胞層的方式變厚,皮膚也會逐漸變黑,因為有種特殊細胞能產生具有保護性的黑色素(melanin),這種分子能吸收大部分可見光,所以它看起來接近黑色,它還可以吸收具有破壞力的紫外線。

日曬會產生黑色素。Image©ttsz/iStock via Getty Images Plus

人類會根據遺傳而產生不同量的黑色素,某些人很多,當皮膚暴露在陽光下時會產生更多;有些人一開始就比較少,而暴露在陽光下時也產生得少。而史前人類皮膚的顏色則是根據當地環境,主要是紫外線的水平來調整,生活在強紫外線下的人,例如赤道附近,皮膚便製造大量黑色素,皮膚顏色也較深;但生活在紫外線較弱,或有紫外線呈季節性變化的人們,例如北歐和亞洲北部,皮膚顏色就較淺,產生保護性色素的能力也較為有限。

到了大約一萬年前,人類與陽光的關係發生了重大變化,人類開始以採集食物、狩獵和捕魚為生,並開始定居,耕作、食物儲存技術與不可移動的建築發展起來。到了西元前6,000年左右,世界各地的人類已開始生活在有圍牆的室內定居點中,雖然大多數人仍然必須花大量時間在戶外,但他們會盡可能留在室內,外出時也盡量保護自己免受陽光照射。至少在西元前3,000年,人們已創造出陽傘、雨傘、帽子、帳篷和衣服,以避免長時間受陽光照射而產生不適和皮膚變黑,其中有些最初是貴族專用,例如古埃及和中國的陽傘和雨傘,但隨著大量製造,一般人們也逐漸開始廣泛使用。在某些地方甚至開發出由礦物質和植物所製成的保護膏,也就是現代防曬霜的前身,譬如緬甸人至今仍在使用的thanaka就是。

這在傳統農業社會中產生了一個重要的結果:大部分時間呆在室內的人是享有特權者,而較淺的皮膚顏色表明了他們的地位。到了近幾世紀以來,人們更多時間停留在室內,而隨著交通方式改變,能夠更快地移居到更遠的地方,人類的皮膚無法跟上移居的速度和生活的方式,黑色素水平可能還沒有足夠的時間來適應居住地的陽光條件,因此也無法像古代祖先那樣產生保護作用。

科學家特別提醒我們:即使天生具有較深的膚色或特意曬黑,任何人都還是會曬傷,特別是在長時間遠離陽光之後,譬如利用假期做日光浴,這種給皮膚帶來突如其來的強烈紫外線非常糟,因為一旦曬傷就永遠無法完全修復,多年後可能使皮膚提早老化或發生癌前病變。沒有健康的曬傷,曬傷本身就是一種傷害。人們可能喜歡太陽,但我們已不像我們古老的祖先,人類與太陽的關係已經改變,我們的行為也得跟著改變。

Nina G. Jablonski, Evan Pugh University Professor of Anthropology, Penn State

2022年9月8日 星期四

韋伯望遠鏡拍攝蜘蛛星雲前所未見的驚人細節

NIRCam拍攝的蜘蛛星雲拼合影像,視野寬約340光年,裡面有數以萬計從未被發現的藍色年輕恆星。Image© NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

七月才開始科學運作的韋伯望遠鏡不斷刷新我們對宇宙的視野,幾乎可以彙集成每日一圖了!這次曝光的是位於南天的恆星誕生區:蜘蛛星雲。它的正式編號為劍魚座30,其名源自星雲滿佈絲狀的塵埃,活像一隻多毛的蜘蛛。它位於161,000 光年遠的大麥哲倫星雲中,是本地群中最大、最亮的恆星誕生區,一向是天文學家研究恆星誕生的聖地,也是天文攝影愛好者的首選目標。影像中央藍色年輕疏散星團為 NGC 2070,而其最核心部分是 R136超星團,大麥哲倫星系中的星遽增區域。

由於韋伯配備了高解析度的紅外觀測儀器,所以能透過濃厚的塵埃看到數以千計的年輕恆星、遙遠的背景星系以及雲氣和塵埃的詳細結構。

透過韋伯望遠鏡近紅外相機(NIRCam)的觀察,可以看出星雲中心的空洞是被藍色的大質量年輕恆星群的輻射鑿出來的。只有星雲最密集、已經被侵蝕成柱狀的區域,還能夠抵擋這些恆星強大恆星風的侵蝕。在這些塵埃柱的裡面正在形成原恆星,最終也將破繭而出。

韋伯的近紅外光譜儀(NIRSpec)拍攝到一顆非常年輕的恆星正開始清理它的四週的塵埃。天文學家們之前認為這顆恆星可能更老一些,並且已經清除了周圍的塵埃。然而NIRSpec顯示它才剛破繭而出,周圍仍包著一層塵埃雲,天文學家只有靠著韋伯紅外波段的高解析度光譜才得以揭開它的真實身世。

韋伯望遠鏡還的中紅外光儀器(MIRI)影像是用波長較長的紅外波段,呈現出截然不同的景像,因為在這個波段下,高溫恆星變得暗淡,較冷的氣體和塵埃則明亮,其中的原恆星仍在積聚質量,雖然較短波長的光被星雲中的塵埃顆粒吸收或散射而無法被探測到,但中紅外波長的光卻能穿透這些塵埃,揭露出前所未見的宇宙景象。

MIRI 拍攝的蜘蛛星雲內部細節。Image© NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

天文學家對蜘蛛星雲特別感興趣的另一個原因是因為它與大霹靂後幾十億年後恆星形成高峰期的巨大恆星形成區域的化學組成十分類似,這個時期也被稱為「宇宙正午」(cosmic noon)。我們的銀河系沒有經歷像蜘蛛星雲這樣激烈的恆星誕生過程,化學組成也不相同,因此蜘蛛星雲對宇宙正午時代提供了絕佳的研究機會。

NASA JWST News

天文學家發現棕矮星有矽酸鹽顆粒雲!

藝術家筆下的被雲層包覆的棕矮星。Image©NASA's Goddard Space Flight Center

天文學家透過韋伯太空望遠鏡(JWST)的最新觀測,證實了棕矮星的確可能具有矽酸鹽顆粒雲!

由加州大學聖克魯茲分校天文學家Brittany Miles所領導的團隊,透過JWST在72光年外的棕矮星VHS 1256-1257 b大氣中發現矽酸鹽雲層,這也是首次對棕矮星進行類似的探測。VHS 1256-1257 b於2015年被發現,質量約為木星的19倍,是一顆年輕、偏紅色的棕矮星。

棕矮星是一種質量介於恆星和行星之間(約為木星質量13~80倍),尚不足以啟動核心氫融合反應的星體,不過它可以讓氘(原子核內有一個質子及一個中子的氫)融合,因為氘融合所需要的溫度和壓力都比氫小。所以棕矮星會發光,特別是在JWST所偵測的紅外波段。

過去天文學家曾推測VHS 1256-1257 b偏紅色是其雲層使然,所以研究小組以JWST拍攝了它的紅外光譜,結果發現VHS 1256-1257 b的大氣中除了有水、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、鈉和鉀外,其濃厚雲層中還觀測到次微米大小的矽酸鹽顆粒,推測可能是鎂橄欖石、頑火輝石或石英等礦物,也證實了長久以來的推測:年輕棕矮星可能被足以造成亮度變化的矽酸鹽雲所包覆。

JWST/MIRI所拍攝VHS 1256 b 光譜(灰)中有明顯的矽酸鹽吸收特徵,但2M1048+0111(藍) 則無。Image©Brittany Miles and Su´arez, Metchev (2022)

AAS journals, arXiv

2021年創下了史上多項紀錄,但讓人一點也高興不起來…

Image©Peter Cade/Stone/Getty Images

根據美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)的一份報告,地球溫室氣體濃度、海平面高度、氣溫與熱帶風暴數量,都在2021年創下新高,顯示儘管全球都在努力遏制碳排放,但氣候變化並沒有減緩。雖然COVID-19導致全球大部分地區的經濟急劇放緩,化石燃料的碳排放量也隨之下降,不過溫室氣體水平仍在上升中。2021年大氣中的溫室氣體濃度達到414.7ppm,比2020年高出2.3倍,也是至少一百萬年來的最高紀錄,包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等主要溫室氣體的濃度都創下歷史新高。另一方面,海平面則連續第10年上升,比1993年開始有衛星遙測時高出了97毫米,也創下新紀錄。此外,2021年還是自19世紀中葉有氣溫紀錄以來,氣溫最高的六年之一,而過去七年正是紀錄中最熱的七年。去年的熱帶風暴數量也遠高於平均水準,包括12月在菲律賓造成近400人死亡的颱風萊伊。

NOAA, BAMS-state-of-climate

2022年9月7日 星期三

紅超巨星參宿四,兩千年前並不是紅色!

Image©Rogelio Bernal Andreo/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0) 

獵戶座一等亮星,也是杜甫「動如參與商」主角之一的參宿四(Betelgeuse),如今已在演化末期,這顆直徑比太陽大八百倍左右的紅超巨星現在是紅色,不過它曾經是一顆龐大的藍白色O型主序星,質量約為太陽的 16.5-19倍,而它變成紅色只不過是最近大約兩千年前的事,在兩千年前,參宿四還是一顆黃色的亮星呢!

德國弗里德里希席勒大學(Friedrich Schiller University)天文物理學家 Neuhäuser 教授所領導的團隊在一項研究中,將 236顆肉眼可見恆星(V≤3.3mag)放在赫羅圖上,找出位於赫氏空隙者,並透過不同時期的歷史文獻紀錄,來找出在過去幾千年裡顏色有明顯變化的恆星。結果發現,參宿四過去的顏色與現在(紅色,B - V = 1.78 ± 0.05 mag)明顯不同。根據漢朝司馬遷(西元前145年~前1世紀)《天官論》和古羅馬的希吉努斯(Hyginus,約西元前 64年~17年)《De Astronomia》中的記載,參宿四的顏色其實比較接近土星(B - V = 1.09 ± 0.16 mag)的黃色,顯示它很可能剛離開紅巨星分支底部不到一千年,理論上恆星在這段期間裡的顏色會快速變化。到了16世紀,丹麥天文學家第谷(Tycho Brahe)的觀察記錄則顯示參宿四的顏色已經比畢宿五還紅,現在則更紅、更接近心宿二或火星。至於心宿二,在過去三千年裡它的顏色大致沒有改變,都是紅色,而弧矢一(大犬座δ)在歷史紀錄上為白色,但現在則是黃色。

像參宿四這樣已經幾乎耗盡核心氫的恆星,現在只能靠氦融合成碳和氧所釋出的能量來支撐整顆恆星的壓力,並膨脹成巨大的超巨星,之後便會發生超新星爆炸,核心可能會塌陷成中子星。

幾年前天文學家曾發現參宿四的亮度變暗,一時廣被媒體炒作,宣傳成隨時會發生超新星爆炸,但實際上並不會。天文學家口中的「近期」並非「人類歷史尺度」上的近期,而是恆星演化動輒以億年計的「近期」,所以它真正發生爆炸的時間我們並不知道,連它是何時變成紅超巨星的都不太清楚,目前最佳的估計是大約 4萬年前,而超新星爆炸則會在大約 150萬年後。

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 516, Issue 1, October 2022, Pages 693–719, https://doi.org/10.1093/mnras/stac1969

太平洋大垃圾場的塑膠來自哪裡?主要是這五國...包含臺灣!

Image©Fedde Poppenk 

海洋垃圾問題越來越嚴重,尤其是北太平洋的大垃圾場,這些來自陸地和海上的廢物形成壯觀的漩渦,但到底是誰製造了這些垃圾?誰又該對此負責?根據科學家Laurent Lebreton帶領的團隊追查的結果,北太平洋亞熱帶渦旋中的大多數漂流塑膠可以追溯到五個工業化捕魚國家,分別是中國、日本、韓國、美國和臺灣。

研究團隊和海洋清潔組織在 2019年收集了 573公斤的硬塑膠碎片,其中超過 1/4來自廢棄漁具(ALDFG),還不包括漁網和繩索。廢物類別包括牡蠣隔板、鰻魚陷阱、龍蝦和魚牌,以及塑膠浮筒和浮標等等,另外 1/3的廢棄物無法識別。他們也發現,塑膠碎片來自於捕魚活動的可能性比來自陸地活動的可能性高 10倍。根據比對與模擬的結果顯示,河流比較可能將陸地廢棄物帶到海灘而非海上,河流模擬中只有不到2%的廢棄物最後被洋流帶到海上,相較之下,有 21%的拖網漁具垃圾和 15%的固定漁具垃圾會漂流到深海,而它們所產生的廢棄物顆粒,在模擬中有超過 85%都從未漂到過陸地。

研究人員再從232個塑膠垃圾來源分析中發現,大約有 2/3是在日本或中國製造,近10%是在韓國製造,6.5%來自美國,5.6%來自臺灣,4.7%來自加拿大。而這些國家都有繁盛的漁業。

最常被引用有關海洋垃圾的資料是每年約 50萬噸塑膠垃圾,這項估計其實是對 1970年代一個初步研究的誤判,因為要追蹤海中 5釐米大小的塑膠碎片來源非常困難,通常這麼小的碎片不僅較難統計而且缺乏來源的線索。而且從那時起就沒有提出更新、更可靠的估計值。在目前的研究中,從大約 200個可識別文字等線索的海洋塑膠廢棄物上,最常見的語言依次是中文、日文、英文和韓文。

Image©Fedde Poppenk

這些海洋棄物大約有一半都來自 21世紀,但也曾發現過 1966年的廢棄浮標。

當研究小組模擬國際捕魚工作和洋流時,他們發現中國、日本、韓國、美國和臺灣每年可能將 87%的捕魚作業廢棄物送到了北太平洋垃圾場。不過垃圾片中帶有日本的垃圾比預期多,研究團隊認為這是 2011年海嘯將日本一堆垃圾帶到了海上的結果。

不過這五個國家只能被確認是北太平洋的主要捕魚國,尚無法確認就是海洋塑膠的主要貢獻者。

科學家呼籲要提高漁業透明度,加強國際合作,以規範和監測 ALDFG、減少海洋塑膠的產生,否則,太平洋大垃圾場可能會繼續擴大。

Nature, Scientific Reports