人類首度踏上月球│科學史上的今天：7/21

你準備好要當月球移民了嗎？

人類再次展開登月競賽，準備重返月球。

今年八月二十三日，在全世界的矚目下，印度登月艇「月船三號 Chandrayaan-3」成功著陸於月球南極附近，展開為期半個月的科學探測任務，也成為人類史上第四個成功軟著陸於月球表面的國家！這更是 21 世紀以來除了中國嫦娥系列之外唯一的成功登月任務。

這次的登陸地點選在月球南極附近。除了月船三號，未來印度與日本合作的月船四號，以及中國的嫦娥七號、嫦娥八號任務，甚至是 NASA 阿提米斯計畫的首次載人登陸，地點也選在月球南極。

問題來了，月球南極到底有什麼樣的魔力，能讓世界各國如此趨之若鶩？是有挖不完的石油？數不清的黃金？還是外星人留下的秘密裝備？

月球南極有什麼？

從人類的生存、家禽動物的飼養、到植物的灌溉，都脫離不了「水」這個在地球上再常見不過的物質。不僅如此，水電解之後得到的氧氣可以用於呼吸，氫氣則可以做為火箭引擎的燃料使用。想要讓人類走出地球，成為跨行星物種，確保充足的水源供給絕對是最核心的要務之一。

然而，雖然地球上的液態水很多，但正由於我們對水的需求如此龐大，如果要把所有需要的水都從地面用火箭發射進太空，需要的成本將非常驚人。

因此直接開採並使用本來就在太空中的水資源，才是合理且經濟的做法。沒錯，各國在將人類送上登月前，先將目光鎖定在了月球南極，關鍵就是要尋找「水」。

如果月球上有水，不僅能幫助人類在月球建立起永久基地。月球，更將成為人類航向廣袤星海的第一片綠洲。

可是，缺乏大氣保護、日夜溫差超過兩百度的月球表面，真的會有水存在嗎？

由於缺乏大氣層，液態水在月球上要嘛會因為蒸發而散逸，要嘛會因為低溫結成水冰，很難以液態穩定存在。而即使是固態的水冰，也會在炙烈的陽光下昇華，因此月球表面的大部分地方是幾乎沒有水的。

但大家可以想像一下，月球的公轉軌道與地球繞太陽公轉的黃道面幾乎平行，夾角只有 5.145°。也就是說，月球不論在哪個位置，陽光總是直射在月球赤道附近。如果此時月球的南極點剛好有個向下凹陷，而且足夠大、足夠深的隕石坑，那麼在隕石坑之中的陰影區，就永遠不會照射到陽光。

這些地方被稱為「永久陰影區 Permanently Shadowed Areas」。由於不會受到陽光照射，因此永久陰影區附近的水冰，能夠持續存在數十億年的時間。

但是，雖然有「保存」水冰的條件，關鍵是永久陰影區中真的有水冰存在嗎？如果有，含量又有多少呢？這時，各國的探月任務就接手上場了。

月球南極真的有水嗎？

這些探月任務可不是一時興起，因為過去「月球上沒有水」的印象可是深植人心。直到 1990 年代開始，科學家才陸陸續續從越來越多月球探測器的資料中，發現水可能存在的蛛絲馬跡。

其中一次重大的進展發生在 2009 年。當時，NASA 使用擎天神五號火箭，同時發射了「月球勘測軌道飛行器 LRO」以及「月球坑觀測和感測衛星 LCROSS」兩個探測器。前者是一顆繞月衛星，後者則是一個撞擊用探測器。

在發射升空之後，NASA 首先讓 LRO 與火箭分離，並進入月球軌道。接著，還連在火箭第二節上的 LCROSS，則跟著第二節火箭一起朝著月球南極的永久陰影區之一——卡比厄斯環形山飛去。在撞擊前數小時，LCROSS 與第二節分離，並讓第二節火箭以每秒 2.5 公里的高速，直直撞入永久陰影區，激起大量的月表物質。LCROSS 則直直飛入其中，檢測其中的物質成分。並在六分鐘後，同樣撞擊於月球表面。但就在這短短的六分鐘的犧牲打中，LCROSS 收集到的資料向科學家展示了，月球南極的永久陰影區中不僅確定有水冰的存在，更有汞、鎂、鈣、銀、鈉等其他諸多有用的物質資源。

有了 LCROSS 的資料，再加上其他月球探測器，像是克萊門汀號、月船一號、LRO 等等，提供各種遙測資料，人類終於能掌握月球表面有水存在的證據。

時間回到現在，月球表面－尤其是月球極區的永久陰影區中，有水冰的存在已經是科學家的共識。但是這些水冰具體有多少，能否支撐人類在月球極區建立太空基地呢？這就只能實際派出登陸艇前往一探究竟了。

到月球南極尋找水冰吧！

可惜的是，8 月 23 日成功在月球上著陸的月船 3 號和攜帶的月球車 Pragyan，在 9 月 2 號和 4 號就入休眠，推測可能是因為無法承受極低溫環境，至今還未能重新喚醒。

在未來兩年的月球極區無人探測任務中，NASA 的 VIPER 任務可以說是最值得期待的另一項任務。VIPER 全名為月極揮發物調查漫遊車，是 NASA 有史以來第一台「無人月球車」，同時也是 NASA「商業月球載酬服務 CLPS」系列任務的一員。CLPS 和過去的太空任務不同，是由 NASA 提供科研載酬，由商業公司提供載酬的發射、巡航、著陸等服務。本次 VIPER 任務選定的商業夥伴是美國的 Astrobotic Technology 公司，VIPER 探測車將會乘坐該公司的 GRIFFIN 登陸器降落在月球南極，透過各種儀器勘查月球極區揮發份的組成與分布。

這台重 430 公斤，體積與高爾夫球車相當的 VIPER ，身上塞有四個主要儀器。

首先是中子光譜儀，它會藉由量測月球表面中子輻射的能量分布，了解地底下氫原子的分布狀況，從而推測水冰的含量。

第二，近紅外光揮發份光譜儀，它會以近紅外光燈照射月表，並從揮發份的光譜分析它的化學組成，同時也能判斷水是以結晶、非晶質的冰，或是氫氧根離子的形式存在。

第三，質譜儀，能藉由電場分離不同荷質比的物質。除了能知道月表有哪些元素以外，還能分辨氘與氫、氧-18 與氧-16 等不同同位素的含量，對分析水的來源至關重要。

第四個儀器名為 TRIDENT（The Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain），縮寫很酷，名字很長，但簡單來說就是一個裝有溫度計的鑽頭。可以從月面下一公尺處鑽取一段十公分長的岩芯，為前面幾個儀器提供樣品。

除了這些科研儀器以外，VIPER 上還有一對立體視覺攝影機，能夠拍攝具有距離感的照片，為探測車的導航提供參考。

有了 VIPER，NASA 還必須想好要把珍貴的探測車派到何處進行調查，才能盡可能發揮他的潛能。除了理所當然地要放在可能有水的地方之外，地表的起伏與材質也有要求，比如太陡峭的山壁顯然就不是個好選擇。同時探測的地點，還必須可以和地球建立通訊。

更重要的是，由於 VIPER 是太陽能驅動的探測車，探測地點不可以長時間缺乏日光，否則探測車會不僅會因為缺乏電力，還會因為長時間處於酷寒環境中而壞掉。進入休眠的月船三號，就是因為設計上就沒有為度過月球寒夜做準備，因此任務的極限時間一開始就限制在兩週左右。綜合以上條件，科學家選定了月球南極 Nobile 隕石坑西方的高地作為 VIPER 任務的地點。這裡雖然不是嚴格意義上的永久陰影區，但是滿足有日照，且時間足夠短到允許地底下有水冰的存在。

為了有充分的時間進行探索，VIPER 設計時就有考慮探測器的電力與保溫，可以透過三個休眠時期度過月球的夜晚，執行至少一百天的任務。在這一百天中，VIPER 將會調查隕石坑周圍，了解到底有多少水冰和二氧化碳、二氧化硫等揮發物，為將來的登月計畫鋪路！

要前往其他星球甚至離開太陽系，比起地球，擁有較低重力的月球，一直被認為是人類出發太空的前線基地。人類想要成為跨行星物種，水則是絕對不可或缺的關鍵資源。而經過數十年的研究，科學家終於在月球發現可能蘊藏大量水冰資源的地方。我們離移民月球或其他行星，又更靠近了一步。

就讓我們一起期待這些探測器們，幫助我們揭開月球南極的神秘面紗吧。

跟大家說個小趣聞，月船三號著陸之後，印度為了慶祝任務成功而將月船三號的登陸點命名為「濕婆神之力 Shiv Shakti」。那如果今天是你的探測器成功登月了，你會想幫登陸地點取什麼名字呢？留言與大家分享吧！

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參考資料

• https://www.isro.gov.in/Chandrayaan3….
• https://www.technologyreview.com/2020…
• https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-st…https://svs.gsfc.nasa.gov/5074/
• https://svs.gsfc.nasa.gov/4043/#media…
•    • NASA | LRO Observes the LCROSS Impact  
•    • NASA | Water on the Moon  
• https://science.nasa.gov/mission/vipe…
• https://images.nasa.gov/details/ARC-2…
• https://www.cna.com.tw/news/ait/20230…

你有看到幾天前馬斯克的超大火箭爆炸新聞嗎？怎麼火箭快速非計畫解體了，SpaceX 的員工們還歡聲雷動、雀躍不已呢？

就讓我們來一起認識乘載 SpaceX 火星夢的下一代超重型運載火箭：星艦 Starship！

雖敗猶榮的首飛

萬眾矚目的 Starship 首次飛行於 2023 年 4 月 20 日登場。

倒數三秒開始，超級重型的三十三顆引擎在六秒內依序點火。在七千噸強大推力激起的漫天煙塵中，世界最大的火箭開始緩緩升空，並在幾秒後成功離開發射台，在朝陽中飛向深藍的天空。

但此時其實從直播畫面中就可以看到，並不是三十三顆引擎都成功點燃，其中有三顆一開始就沒有正常運作。但這不是什麼大問題，得益於先進的當代飛控以及火箭設計時保留的推力冗餘，星艦本來就可以在有幾個引擎失效的情況下繼續飛行。

升空後一分十八秒，即使陸陸續續有引擎故障等問題，火箭還是通過了最大動壓點（MAX-Q）。可以想像成火箭在飛行過程中，其箭身結構承受最大壓力、也就是最可能出現結構問題的時候。通過 MAX-Q 對任何一款新火箭都是重要的里程碑，這代表無論其他部分如何，至少火箭的整體結構設計是達標的。

升空後兩分二十一秒，火箭的飛行高度來到 28 公里，速度約兩馬赫。

此時也許是因為控制火箭推力方向的液壓系統故障，火箭的姿態開始明顯出現偏移，並漸漸失去控制，開始在空中翻滾。最終在翻滾六圈後，火箭的飛行終止系統（FTS）啟動，將火箭自行炸毀以降低火箭碎片造成傷害的風險。於是星艦與超級重型就在加勒比海上空，化成了一片超大型煙火。星艦的首次試射，帷幕就此落下。

關於這場試射中火箭為何失控？達成多少測試目標？這些問題還有待 SpaceX 正式發布報告才能清楚知道。但無論如何，本次發射無疑是 Starship 開發的重大里程碑。對很多人來說，能夠飛離發射台、通過最大動壓，就已經是了不起的成功了。

SpaceX 的可重複使用之路

說到 SpaceX，大家首先想到的應該就是他們舉世唯一的可重複使用火箭——獵鷹九號（Falcon 9）。藉由在每次發射之後，讓第一節自行降落並重複使用在多次任務上，SpaceX 得以大幅降低每一次發射任務的成本，並在過去幾年中橫掃全世界的商業太空發射市場。

然而受限於先天設計，獵鷹九號只是一款「部分可重複使用」的發射系統。雖然火箭的第一節和前端的整流罩可以回收使用，但每一次發射，都還是會消耗一枚第二節火箭。

多年來，SpaceX 研究過各式各樣的方法，試圖把第二節火箭也帶回來。包括在火箭前端安裝隔熱盾，讓火箭可以承受高速重返大氣層產生的高溫；又或是異想天開地在火箭上安裝巨大氣球，讓第二節火箭可以在稀薄的大氣中盡可能減速，以降低火箭重返大氣層時會產生的熱量；但這些想法，最終都因為技術和成本上的考量而作罷。

SpaceX 最終決定，放棄升級獵鷹九號，直接開發一款更大、更強而且完全可重複使用的次世代運載火箭。這就是我們今天的主角——星艦 Starship 。

星艦的設計理念

星艦的概念首度於 2016 年出現在世人面前。當時，馬斯克在國際太空航空會議（IAC）上宣布 SpaceX 將打造一款全新的運載火箭，以達成讓人類走出地球、成為跨行星物種（Multiplanetary Species）的理想，而火星就是第一個目標。

為了達成這個理想，這款火箭必須具備四大特色：

1. 完全可重複使用；於每次執行任務後，整支火箭都必須可以回收再利用，才有辦法大幅降低發射成本。
2. 能夠在軌道上重新加入推進劑（以下簡稱在軌加油）；如此一來火箭可以先滿載貨物進入地球軌道，然後藉由多次的在軌加油把推進劑補滿，再出發前往目的地。
3. 使用的推進劑必須能在火星製造；如此一來火箭就不需要攜帶回程的推進劑，從而攜帶更多的貨物。
4. 必須使用正確地推進劑組合；除了要能在火星製造之外，推進劑最好便宜、容易儲存和傳輸。

針對這四項要求，SpaceX 最終開發出一款由不鏽鋼打造，使用甲烷與液態氧作為推進劑的兩節式超重型運載火箭。

火箭的第一節稱為「超級重型 Super Heavy」，其底部裝有 33 顆 SpaceX 開發的「猛禽 Raptor」火箭引擎，總共能夠輸出近 7600 公噸的推力，比冷戰時代送人上月球的農神五號火箭還要高一倍。

第二節則稱為「星艦 Starship」，高度 50 公尺底部裝有六顆猛禽引擎，並有兩對機翼可以在大氣層中控制火箭的姿態。能在重複使用的前提之下，將 100 至 150 公噸的酬載送入近地軌道，是人類歷史上最大、最強的運載火箭。

不過，要注意的是，火箭的第二節叫做 Starship，但整個火箭系統（第一節＋第二節）也稱為 Starship，有時要仔細聽上下文，才知道說的是整支火箭，還是只有單指第二節而已。

Starship 將怎麼完成 SpaceX 的火星夢？

假設今天 Starship 已經開發完成了，它將怎麼幫助人類完成未來的火星任務呢？

Starship 的全套系統運作原則如下：

火箭從地球升空後，第一節會像獵鷹九號一樣可以自行重返大氣層，並精確地回到發射台降落。而第二節則會帶著貨物與太空人先停泊於近地軌道，等待後續發射的多艘加油版星艦（Tanker）與它會合，把它的推進劑槽補滿。接著，星艦就可以啟程前往火星。

而在登陸火星後，太空人可以將火星上的二氧化碳與水轉變成甲烷與液態氧。利用這些火星製造的推進劑，太空人就能再次搭上星艦返回地球。

除了前進火星之外，還有許多重要任務也已經預訂要由 Starship 執行。

舉例來說，SpaceX 將開發一款「月球特化版 Starship」，用於在 NASA 的阿提密斯三號以及後續的登月任務中，負責將太空人從月球軌道帶到月球表面。Starship 也將用於發射數以萬計的第二代星鏈衛星，提供更強大的通訊服務。星鏈的成功，將為 SpaceX 帶來比發射火箭更多更穩定的收入。

隨著 Starship 逐漸成熟，其強大的運輸能力和低發射成本，將進一步將太空工程師們，從當前嚴苛的成本和重量限制中解放出來，得以放手設計更強大的衛星、太空船、太空望遠鏡，造福人類文明的各個領域。

當人類為了成為跨行星物種邁出第一步時，希望 Starship 已替那一步提供堅固的墊腳石。

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• 文／黃子權｜掉入岩石堆中的研究生，現就讀台大地質所
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M 型小行星與行星的誕生

了解太陽系的形成歷史與演化，是行星科學最重要的使命之一。然而，身在太陽系形成後 46 億年的我們所看到的行星，都是經過漫長演化後的結果。它們的表面特性、內部結構，早已與剛形成時大相逕庭。

因此，想要研究太陽系的形成與演化，小行星是相當重要的目標。由於小行星質量小、冷卻快，更不會有複雜的風化和地質運動，因此它們從太陽系形成之初到現在都沒有什麼改變，就像活化石一般。而過去幾十年，人類也確實對小行星進行了廣泛而詳細的研究，比如拍攝照片計算它們的軌道，用光譜分析化學組成，甚至派遣太空船（如 JAXA 的隼鳥一號、隼鳥二號、NASA 的 OSIRIS-REx）直接前往小行星，將樣本採回地球分析。

而在太陽系目前已知的一百多萬顆小行星中，有一個相當特殊的族群，它們大多具有較大的密度和較高的雷達反照率，同時在光譜上缺乏特徵。基於上述特點，科學家們認為它們的組成中有含有不少金屬，因此稱之為 M 型小行星。

根據目前天文學家對行星形成的理解，原行星盤（protoplanetary disk）中的金屬元素分布理應相當分散，因此能夠自然產生元素分異並聚集大量金屬的地方，只有足夠大、足夠熱的原行星（protoplanet）的行星核。所以傳統上，M 型小行星被視為受到撞擊後裸露的行星核，同時也是鐵隕石的來源之一。但截至目前，仍未有探測器直接造訪 M 型小行星，確認這個假說是否正確。

近期，新的觀測資料更顯示，某些 M 型小行星似乎比人們預想的還輕，各種特徵也和人們對行星核的認知不盡相同（例如，在表面觀測到含水礦物的訊號）。這表示傳統的行星形成與演化模型，也許不盡正確。換個角度看，這也代表對 M 型小行星的研究，也許將能幫助我們揭開行星演化理論中的盲區。

M 型小行星是由什麼構成的？它們的演化歷史又是如何？苦於距離遙遠，過去人們對這些問題往往只能止於粗略的推測。但隨著靈神星號任務逐漸上軌，我們離解答這些問題（的一部分）只有一步之遙了。

靈神星探索任務

靈神星探索任務（Psyche）是 NASA 發現計畫（Discovery Program）的一部分。發現計畫始於 1989 年，每隔幾年就會向全美國徵求任務提案，經過重重篩選後，最具有科學價值且最可行的團隊，就可以獲得 NASA 提供的經費，將他們的構想付諸實行。從 1996 年的 NEAR 任務開始，發現計畫已經為十幾個重要的太陽系探索任務提供機會，包含近期因太陽能板發電量降低而終止的火星「洞察號（InSight）」任務。2014 年，第 13、14 次發現計畫徵選開始，最後脫穎而出的其中一個計畫，正是靈神星探索任務。

而計畫要觀測的目標靈神星（16 Psyche）於 1852 年被義大利天文學家加斯帕里斯（Annibale de Gasparis）發現，並以希臘神話中靈魂之神「賽姬」命名。祂是第 16 個被發現的小行星，雖然不是最大的小行星（平均寬度約 220 公里）但卻是目前已知小行星中第 10 重的，其質量佔小行星帶總質量的 1%。根據估算，靈神星的密度大約為 3.9 g/cm³，遠低於鐵鎳隕石的 7.9 g/cm³，因此靈神星不太可能真的完全由金屬構成，比較可能是類似石鐵隕石那樣，由金屬與岩石共同組成。

作為發現計畫的一員，靈神星計畫切實地反映了該系列任務的宗旨：便宜、快速的解答重要的疑問。M 型小行星是行星形成與演化中相當重要的一片拼圖，而靈神星又是體積最大的 M 型小行星，其重要性不言而喻。對靈神星的探測，勢必能更加推進人們對行星演化的認知。

靈神星號的科學目標及預期解答的問題為：

1. 靈神星是行星核還是未熔結物質？
2. 靈神星表面的相對年齡為何？
3. 小型金屬天體是否含有和高壓地核同比例的輕金屬？
4. 靈神星形成環境的氧化還原性？
5. 靈神星地表及撞擊坑特徵？

為了達到這些目標，靈神星號上搭載了以下儀器：

• 多光譜成像儀 （Multispectral Imager）
• 伽馬射線／中子光譜儀 （Gamma-Ray and Neutron Spectrometer, GRNS）
• 通量閘磁強計 （Fluxgate Magnetometer）
• Ｘ頻無線電實驗 （Radio Science (X-band)）

整體而言，靈神星號的載酬相當簡要，科研儀器加總起來只占約 30 公斤，且每項儀器都是經過「實戰」驗證過的：多光譜成像儀來自火星好奇號探測車，GRNS 來自水星的信使號任務、磁強計參與了洞察號任務、X 頻無線電實驗（利用通訊時訊號的都卜勒效應測量重力強度變化）更是有多項成功紀錄。使用這些驗證過的儀器不僅能減少任務風險，同時能省下不少研發經費，提高任務的 CP 值。另外，靈神星號同時也會為深空網路（Deep Space Network, DSN）測試全新的「深空光學通訊（Deep Space Optical Communication, DSOC）」系統，利用雷射作為資料載體進行傳輸，科學家估計 DSOC 的資料傳輸速度，將比過去使用無線電的 DSN 快 10 到 100 倍。

另外，隨著科技進步，太空探索不再是國家機構的天下，各種商業公司紛紛加入了衛星製造的行列。因此重視任務 CP 值的靈神星號，從設計初期，科學家們便決定向商業公司尋求成熟、有發射紀錄且搭載了離子推進系統的衛星載具。最終他們選定了 Maxar 旗下的 Space Systems/Loral（SSL）公司的 1300 系列框架作為靈神星號的主體，並由噴氣推進實驗室（JPL）整合飛行系統（包含指令及資料處理系統）。靈神星號的推進系統是一具 SPT-140 霍爾效應推進器（Hall effect thruster），藉由游離氙氣並透過磁場將其加速噴出以獲得推力。搭配發電量達 20 千瓦的太陽能板及 922 公斤的氙氣，足夠支持靈神星號走完將近六年的航程。

抵達靈神星後，探測器將嵌入軌道開始環繞靈神星。科學家為靈神星號安排了四個逐漸降低的軌道（A 到 D），每個軌道都有各自主要的研究目標：

1. 最高也是最初始的軌道 A 半徑約 700 公里，靈神新號將會在這裡測量靈神星的磁場。
2. 56 天後，探測器將降至軌道 B（半徑 290 公里）並且開始對靈神星的地貌進行調查。
3. 76 天後，靈神星將下降至半徑 170 公里的軌道 C，這是最小的穩定繞極軌道，同時也是最適合用來探測靈神星重力場的高度。
4. 100 天後靈神星號將會降至最後、最低的軌道 D，軌道半徑僅 85 公里，在這探測器將利用 GRNS 調查靈神星表面的元素分布。

靈神星號原訂的發射日期為 2022 年 9 月。然而在飛行前的測試中，任務團隊發現飛行軟體異常，導致它錯過了 2022 年的發射窗口。經過幾個月的調查和調整，目前 NASA 公布的下個發射窗口為 2023 年 10 月 10 日以後，屆時靈神星號將會搭乘 SpaceX 的獵鷹重型火箭進入太空，就讓我們好好期待靈神星號傳回來的各種資料吧！

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