2017年3月29日

從星系公轉速度測量中掀起-暗物質熱潮

作者/曾耀寰,任職於中研院天文所,科學月刊社理事長。

圖一:羅斯伯爵三世建造當時最大的反射式望遠鏡繪圖。(Public Domain)
大多數人都認為西方科學始於古希臘的智者,這些智者可略分為三個階段,若以蘇格拉底做為分界,從西元前600多年的泰勒斯(Thales)作為哲學史第一人,分別出現米利都(Miletus)學派、赫拉克利特(Heraclitus)、畢達哥拉斯(Pythagoras)學派、愛利亞(Elea)學派等等,統稱為「前蘇格拉底時期」,到第二階段的蘇格拉底時期,以及後來的柏拉圖和亞里斯多德。前蘇格拉底時期的智者大多沒留下著作,他們的學說理論都是藉由亞里斯多德的著作而流傳下來。


科學來自理性或經驗
一般談到古希臘哲學家,也都是先提泰勒斯,在他之前沒有任何紀錄可查。泰勒斯主張理性主義和唯物主義,在古希臘時期,人們信奉多神教,就像其他民族的早期文明,對大自然現象的解釋都是以神話為基礎,例如在夜晚星空的帶狀銀河,古希臘人把它視為天神宙斯老婆希拉的乳汁。在澳洲,帶狀的銀河從地表向上延伸,對當地土著來說,就像是造物者的營火冉冉上昇,而中國最有名的銀河故事就屬牛郎織女的淒美分離,牛郎星和織女星分立在銀河兩畔,唯有每年的七夕,才能在鵲橋上相會。而泰勒斯的理性主張,就是要打破神話故事,藉由觀察大自然的實際經驗和理性思考,來解釋大自然的現象。

古希臘哲學的流派學說百家爭鳴,對於自然的認識和了解有不同的想法。柏拉圖的洞穴寓言表示人的外在感知不可信,我們就像困在洞穴內的囚徒,感受到的所有經驗都只是印在洞穴牆壁上的光影,只從光影是無法得知洞穴外面的真實世界,唯有透過人類的理性,才能找到真理。柏拉圖的學生亞里斯多德則持不同的看法,亞里斯多德認為真實經驗的觀察才算數,柏拉圖和亞里斯多德對宇宙有全然不同的理解方式,現今科學還是以實際觀察的經驗為主,一切的理論都要用實驗觀測做驗證。

對於古老的銀河神話,我們要以怎樣的角度來理解呢?看似帶狀的銀河,到底是雲氣的分布,還是許多星星的集合,一直困惑著天文學家。在望遠鏡的輔助下,我們逐漸「看清」銀河當中有數不清的星光。但畢竟人類的壽命就像夏蟲不可語冰,對於銀河的演化完全無法理解,我們看到的銀河就像最近流行的假人挑戰(Mannequin Challenge,被拍攝者做出指定定格動作,與人體模型一樣靜止不動),凍結在宇宙當中。
圖二:羅斯伯爵三世在1850年發表論文中的M51手繪圖。(Public Domain)

星系觀察的開始
1845年,羅斯伯爵三世(William Parsons, 3rd Earl of Rosse)建造了當時最大的72吋反射望遠鏡(圖一),這個記錄一直維持到1917年才被100吋望遠鏡打破。雖有大型望遠鏡,但在羅斯伯爵三世的時代,天文觀測還缺乏追蹤系統和照相技術的配合,羅斯伯爵三世所看到的天體都是以手繪的方式記錄,即便如此,手繪星系(當時稱做星雲)的巨大螺旋臂已令人讚嘆不已(圖二)。

到了1899年,望遠鏡的追蹤系統和照相設備技術日趨成熟,德國天文學家謝納爾(Julius Scheiner)利用波茨坦天文台望遠鏡觀測仙女座星系(M31)核心區域的光譜,光譜是彩虹版的星光,就像牛頓三稜鏡實驗,可將星光展開來。謝納爾在光譜中辨識出鈣的吸收譜線,再和一般恆星的光譜(例如太陽)比較,有很多相似之處,謝納爾認為仙女座星系的核心是一堆恆星組成的系統。這是一項很重要的證據,因為當時沒有星系的概念,銀河系就是整個宇宙,現在稱的星系在當時被視為銀河內的一團雲氣(星雲),或者是正要形成恆星的星雲。

圖三:闊邊帽星系。(NASA/ESA and The Hubble Heritage Team)
圖四:木星自轉造成偏折譜線示意圖。右圖是觀測木星的光譜線,可以看到在狹縫位置的吸收譜線(橫黑條紋)有偏折現象,右邊偏向短波長,左邊偏向長波長,這是都卜勒效應造成的。沒有偏折的吸收譜線是地球大氣造成的。
除了恆星聚集的證據,天文學家還發現星系光譜線的都卜勒效應。1912年美國天文學家斯里弗(Vesto Slipher)用24吋望遠鏡觀測闊邊帽星系(NGC4594,圖三)的光譜,他將測量光譜用的狹縫,沿著NGC4594的長軸放置,得到的光譜線出現偏折的現象,這是都卜勒效應造成的。譜線都卜勒效應也出現在太陽系的行星系統,例如觀測木星赤道兩側邊緣的光譜時,由於木星本身的自轉,在一側會有譜線紅移,另一側則是譜線藍移,因此整體的譜線會有偏折(圖四)。在NGC4694中心的譜線偏折很有可能也是旋轉造成的,合理推測在中心區域的恆星是繞著中心旋轉,估計旋轉的速度約每秒200公里。

星系公轉方式與太陽系相同?
星系根據外觀可以分成螺旋星系、棒旋星系、橢圓星系和不規則星系。螺旋星系和棒旋星系看起來像是一只盤子,屬於盤狀星系;螺旋星系的盤面上有很壯觀的螺旋臂;棒旋星系除了螺旋臂,還有棒狀結構座落在中心區域;而橢圓星系就像顆橄欖球,剩下無法從外觀區分的,都歸類為不規則星系。從之前的光譜分析,盤狀星系會有自轉的現象。物體常見的旋轉方式是剛體自轉,就像一顆鐵球沿著一固定軸自轉,由於在同一時間內,鐵球外圍轉的路徑比內圈轉的多,因此一個剛體自轉的外圍轉得較快,自轉速度是依照離自轉軸的距離成正比。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第568期】

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