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。
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）。
●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]。
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。
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