Where Am I?－The World Of Physics

2012年6月15日星期五

“ 100,000 : 1 ”？這麼多行星在銀河系唱著浪人之歌！

↑這是藝術家筆下，一顆流浪行星正漫遊通過星際介質的圖片

「10萬倍於恆星」的流浪行星，總數量雖然龐大，不過倒還是和銀河系的總質量，以及銀河系中的重元素總量成應有的比例。長遠而言，我們發現到：銀河系中其他行星和「垃圾」(質量小於目前「行星」定義之天體)的數量，終將遠超過目前的已知，無疑將會是個必然的趨勢。

不過，因目前對「行星如何形成」理論尚未完備，難以從理論直接精確地預測：銀河系裡究竟有多少數量的流浪行星，研究者先界定出「應該有多少流浪行星」的框架，然後，在不超過廣為一般所接受的數值門檻下，推估得出了一個這類天體「可能存在」的上限值。

依據這樣的前提，2012年卡弗里研究中心預估出流浪行星類的天體在銀河系的上限數量應該是：恆星的10萬倍。

未完待續..

參考資料:
http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/download.php?d=1&cpid=190&did=19

從0與1之間認識廣大宇宙

天文‧電腦
從0與1之間認識廣大宇宙
電腦科技對於天文學研究，扮演舉足輕重的角色，不論是觀測、模擬、星體演化研究，都需要大量的科技支援，由此我們才能對宇宙有更深遠的認識。
曾耀寰

一般人對天文學家工作的印象，不外乎在高山上的天文台裡頭，外頭寒風刺骨，方圓百里不見人煙，孤獨的天文學家專注精神、目不轉睛地對著一管長長的望遠鏡，耐著性子記錄天體運行的狀況。這是十七、十八世紀天文學家的工作紀實，當時沒有照相機，沒有電暖設備，天文學家只能將眼睛所看到的天體，盡可能詳實地描繪下來。

前「電腦」時代

1609 年，伽利略拿自製的望遠鏡，把月球表面描繪出來：高山、平原和谷壑在伽利略的筆下清楚顯現。伽利略還連續好幾天記錄太陽表面的黑斑（太陽黑子），進而了解這些黑斑並非正好行經太陽的內行星，而是長在太陽的表面。此外，由於太陽黑子會隨著太陽表面移動，所以伽利略能據此推測太陽的自轉運動。

1845 年，羅斯爵士用自製的望遠鏡首次看到螺旋星雲M51（現稱做螺旋星系，圖一），並手繪下來。羅斯爵士的發現，可能就是畫家梵谷名作〈星夜〉（starry night）的靈感。

在同一時期，法國藝術家達蓋爾（Louis-Jacques-Mandé Daguerre），接續了另一位法國藝術家尼普斯（Joseph Nicephore Niepce）的攝影技術，發展出達蓋爾攝影術，可以在敷有銀的銅版上記錄光的訊號，就像現在的傳統照相機，透過物質與光之間的化學反應，將影像記錄在照相底片一樣。

1 8 4 0 年英國化學家德雷柏（John William Draper）首先將攝影術應用到天空，經過長達20 分鐘的曝光，成功拍攝到月亮的模糊照片，這也是人類首張成功拍攝到的天文照片（圖二）。雖然一開始照相的效果並不理想，經過長期改良，逐漸成為天文學家記錄天體訊號的主要工具。

進入數位時代

1969 年兩名美國貝爾實驗室研究人員設計出電荷耦合元件（簡稱CCD）的基本架構及操作原理（參見《科學月刊》2009 年3 月號）， CCD是一種將光轉換成電的電子儀器，基本原理是和光電效應有關，當光子打到半導體晶片上，會有一些電子得到光子的能量而逃離出來，逃脫的電子數量是和光的強度有關，只要把逃脫的電子數量記下來，便可以得到光的強度。因此我們可以說CCD 是一種記錄光的偵測器。不過，有個和照相底片不同之處，就是我們可以透過CCD 得到電訊號，如此一來，照相攝影便進入數位化時代。

1973 年第一台商業用CCD問世，解析度只有100 × 100 畫素。1974 年，透過20公分口徑望遠鏡，天文學家得到首張月亮的數位照片， 1979 年美國基特峰天文台，引進320×512畫素的CCD照相機，天文觀測正式進入數位時代。

天文學進入數位時代是不可避免的，二十一世紀的天文觀測不再只是想像中的以管窺天，地面上單一可見光望遠鏡的口徑已達10 公尺，天文學家沒辦法單靠人力操控望遠鏡，也不再將眼睛貼在望遠鏡的目鏡前頭，直接觀察天象。

事實上，現今的天文觀測者，是坐在配有空調系統的控制室內，控制室裡頭放了一排排的電腦，天文學家坐在電腦前面，將星星在天球上的位置鍵入，藉由自動馬達的帶動，遙控巨大的望遠鏡，當望遠鏡對準目標後，再接著在電腦螢幕前下達指令，透過CCD 將通過望遠鏡的星光記錄下來。有時天文學家甚至不需要坐在天文台的控制室內，只要透過網際網路的連接，就可以在遠端電腦前下指令，進行天文觀測。藉由電腦的自動控制，不僅是天文觀測，在其他科學領域也都有類似的應用。

數位資料的校正

CCD 記錄資料之後，天文學家還要分析資料，在分析之前，資料的校正是非常關鍵的。為了要得到「乾淨」的資料，一些會擾亂資料純淨度的雜訊都需要被去除，例如天空中背景光的干擾、接收設備本身溫度所帶來的雜訊，這些動作都經由天文學家將處理步驟寫成電腦程式，讓電腦遵照程式將資料「純化」。之後再從資料當中，分析出有用的訊息，解釋望遠鏡所看到的現象。

參考資料：
http://scimonth.blogspot.tw/2009/10/01.html

2012年6月14日星期四

暗物質就在你身邊

比起宇宙中的一般物質，暗物質所佔的比率足足多了四倍，但是它的身世依舊成謎，因為它不可見，而且可以穿透一般物質。天文學家僅可從暗物質展現出的重力發現它的存在，尤其是它會一直讓星系自旋免於分崩離析。不過，與其觀察遠處的星系來研究暗物質，天文學家更希望能在家裡就近觀察它。

美國普林斯頓高等研究院的理論物理學家艾德勒（Stephen Adler）一直認為，應該針對地球和月亮做研究。他解釋說，如果地球和月球的總質量大於它們個別的質量的總合，那麼這兩個數字的差異，就可以歸因於地球和月亮之間的暗物質了。

艾德勒這個結論部份來自於一項研究。該研究分別以繞月和繞地的「雷射地球動力衛星」（LAGEOS）來測量月球和地球的質量，這種會反射雷射光的球體衛星已經在軌道上運行了很多年。從衛星反射回來的雷射，會透露出各個衛星軌道的運行半徑以及繞行一週所需的時間。科學家可以從測量的數據計算出衛星受到多少重力的拉扯，進而推估暗物質的質量。

接下來，艾德勒藉由阿波羅任務在月球上放置的鏡子所反射的雷射，對測量地月距離的研究進行檢視。要是地球對38萬4000公里外的月球所施加的拉力異常增強，甚至超過了對1萬2300公里之外的LAGEOS衛星所施加的拉力，那麼這些增加的拉力就是來自於月球和人造衛星之間的暗物質。艾德勒在2008年10月17日的《物理期刊A》中，根據現有的資料估算出，地球和月球之間的暗物質最多可高達24兆公噸。這些暗物質或許可以解釋先鋒號、伽利略號、卡西尼號、羅塞塔號以及近地小行星會合號任務太空船在軌道上的一些異常現象。

艾德勒也推測出，暗物質可以對太陽系內的四個氣態巨行星（木星、土星、天王星、海王星）產生很大的影響。如果這些重量級的行星藉由重力捕集了暗物質，那麼暗物質粒子就有可能撞上這些行星。即使這些撞擊事件不多，但也足以讓巨行星溫度攀升，如此便能說明行星內部（甚至包括地球）的溫度何以會比現有機制能解釋的溫度還高。此外，這也能說明天王星的溫度何以低得反常。天王星古怪地傾斜，或許是因為曾遭受重大撞擊。艾德勒猜測，這個撞擊可能曾將暗物質撞開，使得天王星沒有受到暗物質加溫。

行星受到暗物質加熱的可能性，或許也是探索物質未知特性的線索。美國波特蘭大學的理論天文物理學家席格爾（Ethan Siegel）表示，可以藉此了解暗物質撞擊到一般物質的頻率有多高，或者暗物質是聚集在恆星和行星周圍，還是平均散佈在整個星系。例如，要是暗物質粒子如某些研究人員所提出的理論，是物質的反粒子，那麼當它們彼此撞擊而毀滅時，釋放出的能量對行星的加熱作用，便會遠超出行星受到一般原子撞擊所產生的熱。這樣的理論意味著，暗物質在太陽系中無法大量累積，否則太陽系會比現在更熱。

參考資料：http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=newscan&id=1332

2012年6月12日星期二

上帝粒子

↑大強子對撞機

歐洲核子研究中心的科學家13日說，他們可能已經瞥見希格斯玻色子（Higgs boson），但不能確認已經發現這種別名為「上帝粒子」的粒子，新資料顯示，這種粒子很可能在大強子對撞機的低能量區找到。

目前大強子對撞機有兩組實驗在找尋希格斯玻色子的蹤影，負責ATLAS實驗的科學家法比歐拉．嘉諾提說，「上帝粒子」跡象出現的「熱區」是在大強子對撞機的低能量區。

歐洲核研中心研究員曼蘇萊說，大強子對撞機已「縮小了科學家認為可以找到希格斯玻色子的範圍」。研究人員希望這種理論上存在、但從未在實驗中出現的粒子能解釋宇宙的許多謎團。

嘉諾提說：「我認為有種很像希格斯玻色子的粒子在這裡，但現在討論最後結論還太早。」她還說，如果有足夠的資料，科學家會在明年確認或排除其存在。

就理論而言，希格斯玻色子是賦予其他粒子質量的粒子，如果科學家發現它的蹤影，就證實目前對電子和光子這些粒子知識。但實驗結果也可能證明「上帝粒子」並不存在，這將迫使物理學家重新思考「標準模型」理論。

希格斯粒子：
又叫做希格斯玻色子，別稱：上帝的粒子，是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子。

科學家們建立起被稱為標準模型的粒子物理學理論，它把基本粒子分成3大類：夸克、輕子與玻色子。

標準模型的缺陷，就是該模型無法解釋物質質量的來源。

為了修補上述理論的缺陷，英國物理學家希格斯提出了希格斯場的存在，並進而預言了希格斯玻色子的存在。

假設出的希格斯玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的場中，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。

參考資料：
1.http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/CGUWeb/SciKnow/PhyNews/ProtonSynchrotron.htm#20111214
2.http://digital.sina.com.hk/news/7/4/1/1100281/1.html
3.http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1011051907956