天王星上的X光

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中,它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」,天王星是「躺著自轉」。太陽系8顆行星當中大多都觀測到了X光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星:天王星、海王星沒有。終於,研究團隊從2002年以及2017年的資料中找到了天王星上X光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇X光的研究成果。

撰文|許世穎

●天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為5.5,是一顆非常暗的星,幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到,只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。正式的發現、命名者是英國的威廉.赫雪爾(William Herschel)。一開始猜測是個彗星,後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年200英鎊的薪水聘僱他,依照零售物價指數(Retail Prices Index)來推算的話,相當於現今一年一百萬台幣的薪水 [2]。

這筆薪資顯然相當優渥,本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」(Georgium Sidus)。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外,當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名,突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。最後由柏林天文學家約翰.波德(Johann Bode)的建議定案為「Uranus」,這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯(Caelus)」,是「薩圖恩(Saturn,即土星)」的爸爸;是「朱比特(Jupitar,即木星)」的祖父;更是「馬爾斯(Mars即火星)」的曾祖父。因此在希臘羅馬神話當中,天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的,要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星,在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花12年、土星更要花上30年,天王星更慢,要84年!因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了,以至於早期先民即使看到了天王星,也認為它是一顆恆星。

圖1:航海家2號(Voyager 2)即將跟隨它的前輩航海家1號(Voyager 1)離開太陽圈(Heliosphere)了。圖片來源:[3]

與其它的行星比起來,天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是1977年發射,飛了將近9年後才抵達的航海家2號(Voyager 2)。這台探測器從地球出發,觀測了木星、土星、天王星、海王星之後,繼續一路向外飛,現在幾乎已經離開了太陽系(圖1)。上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作,只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時,在將近35小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面,有著一個非常奇特的性質:「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上,以地球為例子,地球的自轉軸與公轉軸只差了23.5°左右。但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了98°。如果把公轉面想像成水平面的話,地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺,而天王星則是電風扇的扇葉(圖2)。

圖2:太陽系各顆行星的自轉方向及轉軸,大多數的行星都像陀螺一樣、自轉平面與公轉一致,但是天王星卻是躺著的。圖片來源:NASA [4]

●天王星上的X光訊號!

太陽系的行星成員當中,除了地球以外,水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過X光的訊號,甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過X光。在最近這篇研究出來之前,行星當中就只剩下兩顆冰巨行星:天王星、海王星還沒有量測到X光。最近,研究團隊檢視了「錢卓拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)」的觀測數據,研究團隊量測到了天王星上的X光(圖3),研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊:太空物理學(JGR: Space Physics)》當中 [5]。

圖片來源:NASA/CXO/University College London/W. Dunn et al; Optical: W.M. Keck Observatory [1]

錢卓拉X射線天文台是當代最重要的X射線望遠鏡(圖4)。自1999年發射升空服役到現在,累積了非常多的觀測資料,有許許多多X光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦,對天王星的觀測其實非常稀少。截至2020年6月,只有三次對天王星的觀測:2002年1次、2017年2次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上X光的訊號。

圖4:錢卓拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)。圖片來源:NASA/CXO/University College London/W. Dunn et al; Optical: W.M. Keck Observatory [1]

X光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生X光,一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上X光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的X光光源,即便天王星離太陽這麼遠,太陽所發出來的X光到了天王星以後,被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的,過去在木星、土星上面看到的X光也都是這一類。

特別的事情是,天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的X光強度。但研究量測後卻發現X光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能,一個是天王星對太陽X光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的X光產生機制。目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說,天王星和土星一樣,周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候,就有機會放出X光。另外一個可能性是「極光」,當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後,也有機會放出X光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在,它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉,讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆,由於距離遙遠,都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了X光的影像,使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

 

參考資料:

[1] NASA / First X-rays from Uranus Discovered

[2] Measuring Worth

[3] NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space

[4] WASP Planets

[5] R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)

[6] SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus

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