有些時候，科學家如果幸運的話，會在研究裏遇上一些奇異的事情，使得他必須退後一步，思考到底出現了什麼問題？本文正是要從事實的角度，來探討這個奇異的故事 — 有時候，真正的科學就是這樣產生的。
有時，我們會以新聞稿形式，發佈我們圑隊認為值得介紹的科學發現。以此吸引各界的採訪、引用，有時甚至會被瘋傳，此為我們的研究工作了正面宣傳。正如，2023 年 7 月的一篇新聞稿被廣傳後，有人因此在科學雜誌上發表了一篇大受歡迎的文章，也有一位在科學界裏很有份量的人士製作了一段長達 10 分鐘的 Youtube 視頻，介紹我們的研究，其觀看次數高達 10 萬次；美國天文學會 (AAS) 亦就該項研究製作了一段更為專業的 Youtube 採訪，其觀看次數更高於幾乎所有其他經美國天文學會的同行評審的主要學術文章的同類視頻。凡此種種，都顯示了這個「奇怪的科學結果」的重要性。對此，下文將作更清楚的講述。
以上這些媒體關注都是由我們近日在著名的《天體物理學報通訊》(Astrophysical Journal Letters) 上發表的論文引起的。那份論文描述了一項具備極高統計顯著性的發現和結果，那項發現和結果既古怪又很難解釋。《天體物理學報通訊》是一份頻繁出版、具有價值的科學期刊。天文物理學家們可以透過這份期刊，及時發表具有原創性、影響力、易理解的簡短論文。任何有興趣的讀者都可以瀏覽以下網頁，查閲我們的研究結果： https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdbcd.
我們相信，我們的發現對於理解銀河系以及其核心的形成和演化有著深遠的意義。我們的銀河系不但神秘、深不可測，也令人感到困惑和詭異⋯⋯
就像科學領域中的許多事情一樣，我們是在進行其他研究時偶然得出有關發現。現在讓我解釋一下。
我的團隊有一位非常勤奮的研究助理，她也是本篇論文的合著者，正處理由歐洲南方天文台甚大望遠鏡 (ESO VLT) 8.2m "FORS2" 光譜攝製儀所收集的一組質素極佳、範圍廣濶的光譜數據，同時亦進行現場採集，取得的相關窄頻影像。而哈勃太空望遠鏡所提供的更高質素之存檔影像，則發揮了補充的作用。這些數據最初是為一位博士生項目所收集的，在該項目裏，Zijlstra 教授和我作為ESO提案的共同研究人員參與其中。由於此獲批准的 ESO 觀察計劃能補充數據上的不足，ESO觀察結果是在 2015 年至 2018 年間收集。最後，我們定位了 136 個物體，它們是具有深度、高度的訊噪比之光譜觀察結果和高品質影像。然而，到目前為止，這些有價值的數據還未得到充分利用。我必須承認，根據8 年前採集的數據來撰寫論文並不罕見。實際上，許多論文甚至沒有被寫出來，潛在有價值的數據就這樣被遺忘在舊磁帶、硬盤中，或者被遺棄在某個天文台的存檔系統中，沒有受到關注。
四座歐洲南方天文台 (ESO) 8m 望遠鏡當中的三座，見於作者 QAP 於 2019 年 6 月為另一個行星狀星雲後續計劃拍攝的風景照片裏。
這裏的相關性數據涉及稱為行星狀星雲 (PNe) 的物體，也就是垂死的星體迸發出的美麗、光亮的氣態物。事實上，我們的太陽最終將會在大約 40 億年之後變成這樣的一個物體。由於這些物體具有神秘的形態，美國太空總署、歐洲南方天文台、哈勃太空望遠鏡以及另外一些機構經常為教育和公共宣傳用途對其進行拍攝，因此這些物體常常出現在新聞之中。這些行星狀星雲當中，許多都有類似蝴蝶的形狀，而由於可見由迸發氣體構成之對立的葉瓣，其正式名稱為「雙極性」行星狀星雲。
人們也可以藉著研究行星狀星雲，窺探星體消逝的精粹。在行星狀星雲消散至星際空間之前，往往只持續數千年。相反，像太陽那些中、低質量的星體，其生命期長達數十億年。相比之下，行星狀星雲的生命期，在宇宙穹蒼之間，就好像眨一下眼那樣短暫，儼然是星體消亡的瞬間快照。儘管它們生命期很短暫，行星狀星雲卻是很有用的天體物理工具，因為它們有豐富的射線光譜（其光線如同在棱鏡下那樣散發開來），在大衆可見的圖像裏發放著耀眼的色彩。
以下一幅標誌性的蒙太奇照片，顯示一些著名的行星狀星雲，當中的行星狀星雲被藝術地排列成一螺旋形圖案，各圖像的尺寸經過調整以反映其相應的物理大小：
圖片來源：歐洲太空總署 / 哈勃太空望遠鏡及美國太空總署、歐洲南方天文台、美國國家光學天文台 / 大學天文研究協會 / 美國國家科學基金會，並根據作者和Ivan Bojičić，以及David Frew 的意見加以修飾製作
這幅標誌性的拼貼畫展示了 22 個著名的行星狀星雲，這些星雲按照各自的大概物理大小順序，被藝術地排列成一螺旋圖案。當中每個星雲的大小，乃根據 Frew et al. (2016)的 SB-r 統計距離尺度計算的。該尺度可以應用於展示各種不同的表面亮度、形態結構和大小的行星狀星雲。最大的行星狀星雲之表面亮度只是最小的行星狀星雲之表面亮度的大約十萬份之一。最大的行星狀星雲之寬度可達 3 秒差距。
香港大學擁有全球實力最強的其中一個行星狀星雲研究團隊。雖然我們在過去的幾年裏發佈過一些新聞稿，包括確定了公元 1181 年中國觀測到的「客星」的光學對應物（該「客星」是過去一千年來唯一有記錄而沒有正確識別到來源的超新星 — 見 Ritter et al., 2021, ApJ Letters, 918, 33），這次的發現是我們歷來最為奇怪的，也可能是最重要的發現。
我們的主要任務是為我們的社會提供最佳、最確切、了解最透徹的化學元素豐度的行星狀星雲資訊，這些行星狀星雲都是來自我們在銀河球狀星團中精心控制的樣本。我們依照既定的甄選準則，從而確保我們的 ESO VLT 目標清單包含大有可能是我們銀河系中央核球的物理成員並且屬於 10 x 10 度中心區域內的行星狀星雲。選擇行星狀星雲的標準，是準確至在天空上的投影角直徑為 10 弧秒或者以下。我們已在一篇論文裏展示這份很了不起的化學元素豐度目錄，而該論文剛剛被一份著名的、經專業審定的期刊所收錄和發表。
行星狀星雲是三維度的物體，但在得到相關詳細的運動學資訊進行反投影之前，我們只能測量它們的投影大小和角度。
隨著一份初稿論文逐漸成形之際，我的團隊成員兼本論文的共著者來到我的辦公室，告訴我她注意到如果只是看樣本當中那些已證明有密近雙中心星體的幾個行星狀星雲的話（現階段只有 6 個行星狀星雲），它們似乎在銀河球狀星團中呈現出一種偏好的連珠方式。儘管這一觀察引人入勝，但樣本數量很小。回想起我們在已確定了的樣本中所有136 個行星狀星雲的化學元素豐度並且還有研究顯示，那些有非常高的所謂「豐度差異因子」的行星狀星雲，根據經驗，極有可能是擁有密近雙中心星體的行星狀星雲。於是，我的團隊開始在我們的樣本中找出有很高的豐度差異因子的行星狀星雲，然後將它們加入已經存在的 6 個樣本之中，然後再次觀察它們的連珠情況。
這次研究又得出了另外 9 個行星狀星雲，使具有或很可能具有密近雙中心星體的樣本數目增加到 15 個，這數目足以顯示更為清晰的效果。當我觀察這個樣本與其他樣本的銀道位置角度之比較圖時，我們靈光一閃。決定集中研究這個樣本，將它與其他樣本進行比較，並嘗試在類似於《天體物理學報通訊》那樣的頂級期刊上發表研究結果。
我們的研究結果
我們發現，這個十分特別的行星狀星雲子類，當中每個行星狀星雲的中心都有兩個星體，而這兩個星體在一個短周期的雙星軌道上互相環繞運行（也就是説，兩個星體圍繞著它們的共同質心運行，而兩者之間的距離比水星與太陽的距離更接近），相當肯定，這個子類裏的行星狀星雲形狀在我們銀河系的中央排列成一綫。正式的統計結果是 5-sigma。這個結果被認為是顯示顯著性的黃金標準，該研究結果只是一個隨機的變異的機會率只有大約 350 萬分之一的 — 這機會率就像投擲一枚硬幣 100 次，而每一次都準確地猜中得出硬幣的正面一樣！
這種密近軌道雙星當中的一顆星體，當它噴射出其外層氣體包層，成為一個行星狀星雲時，它正處於其演化階段。那個雙星軌道使氣體的噴射方向受到限制，進而得出蝴蝶形狀。
上圖顯示，當密近雙星當中的一顆星體處於行星狀星雲階段時，我們相信正在發生的情況 — 其噴射氣體包層受到限制，氣體流進與雙星軌道平面成 90 度角的對立雙極瓣裏。
這些雙極行星狀星雲有一個主要的軸和方向，而且我們可以準確地對其進行測量，如下圖所示：
赤道位置角度 (EPA) 的測計。以視覺方式，確定從一個銀河系中央核球行星狀星雲的投影二維影像測量出的方向軸，並且該軸最能代表每個行星狀星雲的長度對稱性。左圖顯示一個典型的橢圓形行星狀星雲 M 1-20；根據哈伯太空望遠鏡的觀察得出的長軸，該行星狀星雲之 EPA 測量值為 87°。右圖顯示我們樣本當中的雙極 M 1-34，以及根據甚大望遠鏡的觀察結果測量出的 EPA 為 31°。請注意，我們要採用銀河位置角度 (GPA) = EPA + ψ 的方式，將 EPA 轉換為 GPA，當中 ψ 是使用球面三角形的標準關係推斷出來的；有關詳情請參閱論文内容。
在之前的研究中，在較低的統計顯著性下，曾發現有行星狀星雲的連珠情況，而根據 Weidmann & Diaz, 2008, PASP, 120, 380 的報告，包括 Bryan Rees 博士於 2013 年發表的研究結果 (Rees and Zijlstra 2013, MNRAS, 435, 975)，這是最仔細評估的研究。Rees 在銀河系中央核球的雙極行星狀星雲樣本當中，發現了頗強的 3-sigma 訊號，這發現足以發表他自己的新聞稿。這發現產生了影響，但未能真正激發行星狀星雲和更廣濶的天文物理學界的興趣。這是因為該結果與原來的預期和現有的範式相反，所以它遭到忽視。普遍認為，這些排列應該是完全隨機的，因此對這類結果的認可性往往被打折扣，因為它們不符合預期。事實上，我在香港大學教授一門關於科學範式的轉變以及科學在實踐中的實際運作方式的課程，並採用了托馬斯•庫恩 (Thomas Kuhn) 的著名著作作為根據，因此對於這種社會學偏見並不感到驚訝。然而，現在我們不單確認了在統計學上極端嚴僅的檢視之下，確認存在星體連珠的情況，而且還發現了訊號的來源。因此，理論家們現在要注意了！
去證明這種連珠現象的顯著性本身就是一項重大工作，因為非一般的研究結果需要有力的證明作為支持。本文的共著者花費了大量精力進行了多項詳細、妥善的統計測試和貝葉斯分析，以確保在證明我們的研究結果的顯著性時，已經涵蓋了所有基礎。《天體物理學報通訊》甚至讓其統計編輯仔細評估過我們的研究結果，之後才給予刊登。
之前 Weidmann & Diaz (2008) 所報告的微弱連珠訊號，甚至 Rees & Zijlstra (2013) 就其雙極樣本報告的較強連珠顯著性都被稀釋了。在我們的研究裏，實際的訊號完全來自短周期成雙行星狀星雲的一個非常具體但規模相對較小的子樣本。一旦將這個樣本從研究的整體樣本中移除，訊號就會消失。這是我們的主要發現。
我們的結果顯示，有一個持久的恆定過程影響了銀河系中央的這個特定的行星狀星雲子集。這項發現很是矚目，但是難以解釋。
我們認為，那雙星是在一強磁場中形成的，該磁場影響著雙星軌道的軸線，進而影響著雙極行星狀星雲在形成過程中的噴射方向。但是，這個磁場相比雙星軌道形成時對其產生影響所需的磁場，前者的測量强度只是後者的三分之一。唯一的可能是有一種普遍存在的力量（可能是磁力？），當前只在有短周期雙星的行星狀星雲的雙極波瓣噴射機制之下運作，而其強度足以在短短幾千年內，將整個銀河系中央核球的各個銀河位置角度連珠起來。
進一步的研究還是需要的，但我們扎實、不平凡的發現結果已經提供了重要的證據，證明有一種持久的、有組織的過程，在數以十億年計的時間和遼闊的距離之內，影響了星體以及它們最終的行星狀星雲之形成和演化。當中涉及在廣闊無邊的時間裏，從遠距離進行著幽靈般悄然的行動。
這是我們的樣本裏就所有行星狀星雲測量的銀河位置角度 (GPA) 之分佈情況。灰色的符號代表一般樣本；具有經確定的雙中心星體的行星狀星雲以藍色向量顯示，而那些具有高度的豐度差異因子的行星狀星雲則以粉紅色向量顯示（豐度差異因子被視為有短周期的雙星的行星狀星雲之可靠代表）。疑似存在短周期雙星的 M 1-34 以綠色向量標示。每個行星狀星雲的常用名稱標示在每個藍色、粉紅色或綠色向量之下方。
作者：
香港大學太空實驗室總監及物理系教授 柏坤霆教授
香港大學太空實驗室研究助理 譚舒宇小姐
2023年12月