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Sep. 02 2014

天文懸案獲解答:台美科學家超高精確度量測昴宿星團距離

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  • 天文懸案獲解答:台美科學家超高精確度量測昴宿星團距離

昴宿星團到底距離我們有多遠?這個懸宕已久的科學問題,在中央研究院天文所與美國加州大學聖地牙哥分校共同合作下,終於獲得解決,研究成果發表於《科學》期刊(Science)。

圖為透過美國亞利桑那州基特峰(Kitt Peak)天文台望遠鏡的相機所攝取的寬視場昴宿星團影像。昴宿星團是明亮的疏散星團,肉眼可見,主星熾熱、明亮而質量非常大。

撰文整理:胡宗香

昴宿星團(Pleiades)是一個疏散星團(open star cluster),由年輕的大質量恆星組成,大約形成於1億年前,相當於恐龍稱霸地球的年代。像昴宿星團這樣的疏散星團,可說是天文學家檢驗恆星演化模型最重要的「宇宙實驗室」,因為其中所有的恆星年齡與組成都相同,但質量卻差異甚大。然而,要知道這些模型是否正確,天文學家必須知道這個星團與地球之間的準確距離。

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此外,昴宿星團的距離,也是科學家確認宇宙距離尺度(cosmic distance ladder,天文學家決定天體距離的一系列方法)重要的第一步。換句話說,確認昴宿星團的距離,有助於科學家計算最遙遠星系的距離。

但過去近20年來科學界一直無法確定昴宿星團的距離──直到現在。

一組包含台灣和美國的天文學家組成跨國團隊,利用分布在全世界的電波望遠鏡組成觀測陣列,成功測量得到昴宿星團的距離──443光年──精確度達到前所未有的1%。這個測量數值也將成為黃金標準,用以校正未來所有的觀測成果。

忽遠忽近的星團?

在1990年代以前,天文學界根據陸基測量方式所獲得的結果,顯示從太陽到昴宿星團的距離是430光年。但是,1989年歐洲太空總署發射的伊巴谷(Hipparcos)衛星測量了千個恆星的距離後,在1997年發布的結論卻是昴宿星團離我們只有390光年。雖然結果只有大約10%的差別,以天文學研究的角度來看卻是天差地遠。因為距離是換算其他物理量的標準,既然距離要修正,根據距離換算得到的物理量也會跟著不一樣。舉例來說,距離差10%,換算得到的亮度就差20%。

科學界因此掀起了一番論戰:究竟是恆星演化的模型錯了,還是伊巴谷衛星的測量數據錯了?這個辯論事關重大:天文學家原先公認的距離(430光年),是根據恆星燃燒模型,比較昴宿星團中年輕恆星的視亮度與本身亮度所推算而出。如果伊巴谷衛星的數據是對的,天文學家對年輕恆星的了解就必須修正,包括這些恆星後來的演變,以及它們的行星系統等等。

然而,這個問題一直沒有解決,昴宿星團的距離成了一宗科學懸案。

在電波觀測陣列幫助之下,天文學家以三角視差技術從地球公轉軌道的兩個最遠端點精確測量了昴宿星團距離:443光年;多年爭議宣告塵埃落定。
CREDIT: Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF; 中文版本感謝中研院天文所提供。

最新測量結果

此次刊登於《科學》期刊的測量結果,是由加州大學聖地牙哥分校 (UCSD)的卡爾‧梅麗絲(Carl Melis)博士所領導的國際研究團隊所發表,研究概念則由任職於中央研究院天文及天文物理研究所的研究人員傑夫瑞‧包爾(Geoffrey Bower)發起。這個團隊利用分布在全世界的電波望遠鏡,組成了一個超長基線陣列(Very Long Baseline Array,VLBA)。利用VLBA,天文學家可以把觀測的精確度提升到前所未有的境界。就好比一個人在紐約,卻能測量位在洛杉磯的一枚銅板的厚度。

團隊並利用天文學上最可靠的距離測量法「三角視差」,仔細測量了幾個昴宿星團的成員星,每一個星星必須在半年之內再觀測一遍,距離的測量精確度可以達到1%。根據最新測量的結果,昴宿星團的距離是443光年,這符合既有的恆星演化模型,對天文學家來說的確令人振奮。現在的問題變成,到底伊巴谷衛星的測量是否有誤差,問題又出在哪裡。

這個問題可望由2013年12月歐洲太空總署發射的另一艘太空船「蓋亞」(Gaia)解答;蓋亞將再次測量恆星的距離。根據同時在《科學》期刊登出的一篇分析文章,到了2020年,蓋亞所取得的數據應該就可以完全解決有關昴宿星團的距離任何懸而未決之處。

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