1.媒体来源:DQ地球图辑队
2.记者署名:2020-10-11 by：山谬
本文经授权转载自友站研之有物文/ 欧柏升、美术/ 林洵安
3.完整新闻标题:
麦田圈、浮世绘、至尊魔戒？！“星海巡奇”一窥脑洞大开的天文奇景
4.完整新闻内文:
宇宙也有麦田圈？重力如何害远方星系“面目扭曲”，宛如魔戒？磁星会吹热泡泡，研究
员用电脑画浮世绘？中央研究院天文及天文物理研究所参与中研院“开放博物馆”，研究
员们拿出压箱底的天文美照与研究成果，促成“星海巡奇”线上展览，鼠标轻轻一点，即
可穿越千万光年的异世界，饱览令人脑洞大开的天文奇景！
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这张是拍摄连续光谱，得到金牛座 HL 原行星盘的尘埃分布，清楚呈现环与间隙的构造。
Photo: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
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这张照片是拍摄分子谱线，得到金牛座 HL 原行星盘的气体分布，同样有环与间隙。
Photo: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yen et al.
智利沙漠上的 ALMA 望远镜，运用了“天文干涉技术”，一共有 66 座天线可以协同工作
，且天线之间距离够远，才得以拍出原行星盘的细致结构。在此以前，前一代望远镜对于
这些年轻的原行星盘，只能看见平滑的盘面，没有明显的起伏，直到 ALMA 启用才有重大
突破。
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阿塔卡玛大型毫米波天线阵中的一些无线电望远镜，运用了“天文干涉技术”。若要用单
一望远镜看清楚原行星盘，望远镜必须非常巨大，技术上很困难。因此天文学家先建造几
个“比较小”的望远镜，彼此相隔遥远，再将它们的观测资料一起分析，效果等同一台巨
大望远镜，这就是“天文干涉技术” 。 Photo: 维基百科
原行星环：行星形成现场
说了半天，“麦田圈”盘面的环与间隙究竟是谁的杰作？“目前最热门的解释，是间隙中
有行星正在形成。”中研院天文所颜士韦助研究员主持金牛座 HL 的气体分布研究，他解
释：原行星盘上有很多气体和尘埃，部份的气体和尘埃会逐渐聚集成行星。这些行星一边
长大、一边在盘子内绕着原恒星转，过程中行星的重力会把沿路的东西推开，形成一圈圈
的间隙。
为什么重力会“推开”物体？因为盘上的物质进行克卜勒运动—-内圈跑得快、外圈跑得
慢。原行星会吸引比它内圈的物质，这些物质被拖慢速度，结果往更内圈跑；另一方面，
原行星也会吸引外圈的物质，这些物质反而被拉快速度，往更外圈跑。原行星就这样“推
开”周围物质，“清出”一条轨道，形成了明显的间隙。
一开始，天文学家先观测到尘埃分布的“麦田圈”影像，但如果气体分布是平滑没有间隙
的，“环与间隙”可能只是来自尘埃性质差异。所幸，颜士韦团队之后确认金牛座 HL 的
气体分布也有环与间隙，支持“行星形成”的假说。
他们还从缝隙的宽度与深度推算出：间隙中正在形成的行星大约是木星质量。研究人员据
此推测，行星形成的时间点比预期还要早，像木星这类的巨行星，可能在恒星还没完全“
诞生”，就已经赶进度地成形囉！
磁星热泡泡：太空版浮世绘
日本画家耐心一笔一划勾勒浮世绘，中研院天文所陈科荣助研究员用电脑模拟的“磁星热
泡泡”，是他独创的太空版浮世绘。
故事要从头说起！近年来，天文学家发现一种很特殊的超新星，可以比一般超新星亮
100 倍，称为“超亮超新星（superluminous supernova）”。理论天文学家不断苦思：
为什么这些超新星会这么亮？
有些学者提出“磁星（magnetar）”理论来解释：超新星爆炸经常伴随着中子星的形成，
有的中子星转得非常快，转速高达每秒 1000 圈，因为其磁场强度高达地球的 1000 兆倍
，称为“磁星”。
而磁星的磁力线就像是绑在星球外的绳子，在快速旋转下被搅动，会以辐射的形式把中子
星的转动动能传递出去。根据目前模型，发射出去的辐射能量只要超过磁星转动动能的
5%，就能产生比一般超新星 100 倍亮度，形成超亮超新星。
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陈科荣以超级电脑模拟磁星驱动超新星爆炸的过程，上图为将磁星一切为二的三维模型。
Photo: 中研院天文所 陈科荣
陈科荣从 2015 年就投入磁星驱动超新星的模拟研究，展示其爆炸过程，立刻面临一个巨
大的难题：在此之前的研究都是一维度模型，也就是假设“磁星驱动超新星的流体分布”
是球对称，所有方向的变化都一样。但真实过程当然没有这么简单，磁星的辐射压力会突
然把物质剧烈地往外推，形成流体力学的不稳定结构，就像是把墨水滴在水里，可见多变
复杂的结构。但一维模型的结果就像铲雪，只能将大量物质挤在非常小的区域，无法判读
个中细节。陈科荣比喻：
一维模型就是只有一个车道，车子都挤在同一个车道，不能超车；二、三维就像有两、三
个车道，才能模拟真实流体不稳定现象。
陈科荣又举例，在葛饰北斋著名的浮世绘《神奈川冲浪里》，海浪的尾端有许多破碎的复
杂结构，真实的流体即是如此复杂，而这幅画还只是偏向二维结构。三维流体的紊流更复
杂，只有达文西这样的天才，可以将其生动地描绘出来。
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从葛饰北斋浮世绘的海浪画面 (上)，以及达文西绘制的紊流细节 (下)，可看见真实流体
的结构有多复杂。 Photo: 维基百科
三维的紊流具有很多复杂、不均匀的结构，磁星造成的热泡泡也是如此！所谓的“磁星热
泡泡”，就是磁星这个强大的能量来源“吹出”的泡泡，就像滚水冒泡泡一般。每层泡泡
有很多细微结构，一、二维的模拟皆无法呈现和解释。但这些细微的紊流结构不可忽视，
它可是会影响磁星能量传输，进而影响超亮超新星的观测性质。陈科荣以超级电脑模拟出
的磁星热泡泡，乃史上首度对磁星热泡泡做出三维的模拟，同时具备精密度和大尺度：全
貌相当太阳系，细节小如台北市，可谓独步全球！
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陈科荣以电脑模拟的磁星热泡泡，不但可见大尺度范围，也可见许多复杂的精细结构。
Photo: 中研院天文所 陈科荣
宇宙魔戒：爱因斯坦环
这枚宛如宇宙版魔戒的“爱因斯坦环”，其实是某颗巨大黑洞造成的！中研院天文所团队
藉著分析爱因斯坦环影像，进一步推算出这颗黑洞的质量。
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SDP.81 爱因斯坦环。这是地球、40 亿光年外之 A 星系、120 亿光年外之 B 星系，三个
天体同时在一直线上，因为位置刚好加上 A 星系的巨大重力所造成的奇景。 Photo:
ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF
中研院天文所研究员松下聪树解释，重力可让光线弯曲，宇宙中如果有个大质量的东西 (
例如：黑洞) 摆在光源前面，它的重力可以成为折射背景光的透镜，改变我们看到的影像
，这个原理称为“重力透镜”，是爱因斯坦环的主要成因。
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何谓重力透镜效应？由左到右分别是：地球 (观测者)、大质量星体 (如黑洞)、远方的星
系。当三者在一直线上，远方星系的光通过大质量天体附近，光线会因强大重力而弯曲 (
白色箭头)，就像透镜弯曲了光线，地球上的观测者就会“看见”变形的星系影像。
Photo: NASA
松下聪树以一个高脚酒杯和一张纸，巧妙解释这个神秘的天文现象。他在白纸上画了一个
红点，周围不规则的涂上蓝色。接着把酒杯放在图案上，如果酒杯中心正对着红点，那我
们透过酒杯底座 (扮演透镜)，可以看到蓝色的环带中间，显现出一个完整清晰的红圈。
如果酒杯中心稍微偏离红点，则会看到两个或四点构造，散落在不对称的蓝色圆弧之中。
读者不妨自己在家做实验！
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Photo: 林洵安
这次展出的 SDP.81 重力透镜系统之中，背景星系有很亮的核心，就像是实验中的红点；
附近还有弥漫的物质，就像是周围的蓝色区块。松下聪树说，假如背景星系是个只有核心
的点光源，只会看到四个红点。但是图中还可看到较微弱的弧状结构，代表还有其他弥漫
的物质在周围。
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SDP.81“爱因斯坦环”的 ALMA 影像，数个红点来自星系核心致密区域。 Photo: 黄活生
、苏游瑄、松下聪树 (2015)
用影像“秤出”黑洞有多重？
中研院天文所的团队利用爱因斯坦环的影像，成功计算出中间的透镜星系为一个黑洞，至
少有 3 亿倍太阳质量。
松下聪树解释，如果透镜星系的质量够大，严重扭曲背景星系的星光，地球上的观测者只
会在两侧看到增强的成像，看不见正中央背景星系的影像。这就好比，在酒杯的成像中只
看到外围的弧状范围，看不到原来中央的红点。而在 SDP.81 系统中的确如此，无法看到
背景星系的原始影像，这表示黑洞够重，可借此推知黑洞质量的下限。
此外，爱因斯坦环还能推知背景星系的影像。背景星系遥远而黯淡，但经过透镜星系有放
大的效果，运用电脑计算可还原出极高分辨率的影像。
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天文学家从 ALMA 影像（中）重建出背景星系的样貌（右)，目睹 120 亿光年外的异世界
。透镜星系是椭圆星系，通常不会发出电波，所以在 ALMA 的波段可以不受透镜星系干扰
，清楚分辨来自背景星系的光。再加上 ALMA 有够好的分辨率和灵敏度，才能看清楚爱因
斯坦环，并执行以上的计算。 Photo: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The
University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)
除了以上精彩内容，本次展览还有“微旋臂 暗度陈仓？”展示吕浩宇研究的大质量恒星
团旋臂，“完美螺旋的分岔”则是金孝宣的飞马座 LL 双星系统中螺旋分岔，“尘埃间隙
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6.备注:
嗯嗯 看来跟我想得一样