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朱諾號木星探測器發射升空

臺北天文館_96
・2011/08/30 ・2986字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

美國航太總署(NASA)的朱諾號(Juno)太空船,於臺北時間 2011 年 8 月 6 日凌晨 0:25,利用擎天神 5 號火箭(Atlas V)發射升空,之後使用太陽能做為動力,開始展開為期 5 年的木星旅程。在它 2016 年 7 月進入環繞木星的軌道後,或許可從木星身上尋找太陽系起源的線索,甚至將所知所得應用在其他恆星的行星系統中。

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朱諾號與木星。

朱諾號名稱來源是羅馬神話故事中,住在奧林帕斯山的天神朱比特(Jupiter)之妻朱諾(Juno)。朱比特在身體周遭製造了一層薄霧,讓它在惡作劇能藏起來,一般人或神都無法看透這層薄霧,只有朱諾可以看透薄紗而瞧見朱比特(真是一物剋一物啊……)。在這個任務中,科學家期許這艘太空船也能像天后朱諾一樣看透木星(Jupiter)的本性。

朱諾號的太陽能板是 NASA 所有昇空任務中最大的,完全展開後全長約 20 公尺左右;一旦朱諾號進入太空,成功將太陽能板伸展開並調整好方向之後,就可提供太空船所需的電力。朱諾號升空後,從地球到月球(約 40 萬 2336 公里)僅需不到一天的時間,然後耗時 5 年、歷經 28 億公里的旅程才才能抵達木星。任務設計這艘太空船將以繞極方式,環繞木星至少 33 圈,預定在 2017 年 10 月完成任務;太空船上搭載了 8 種科學儀器,部分儀器能避開這顆氣體巨行星的雲層遮蔽,探索雲層下方的各種狀態,藉此研究木星的起源、結構、大氣、磁圈,探測木星是否具有固態核心等,並首度能清楚觀察木星極區的狀況。

身為太陽系最大行星的木星,擁有 4 顆比較大的伽利略衛星,以及其他較小的衛星,整個結構如同太陽系的縮影。雖然人類知道木星的存在已經久到不可考了,但人們對木星的認識仍然很膚淺。木星的化學組成類似一顆恆星,而且如果它的質量比現在大 80 倍左右,它將成為太陽系的第 2 顆恆星。朱諾號首席研究員 Scott Bolton 表示:「木星如同太陽系的羅賽塔石(Rosetta Stone),它是迄今太陽系中最老的行星,含有的物質比太陽系中其他行星、小行星和彗星全部加起來還多,所以它必定可以告訴我們更多的太陽系歷史,甚至人類起源的故事。朱諾號正在啟程前往木星,聆聽木星想說的話。」

科學任務之外

除了嚴肅的科學任務之外,朱諾號上還搭載了 3 個小小的樂高積木人偶,高僅 1.5吋(~3.8公分),分別代表天文學家伽利略(Galileo Galilei),以及羅馬神祇中的天神朱比特和天后朱諾。這是由 NASA 和樂高積木集團共同策劃的朱諾號教育推廣計畫,希望能激起孩童探索科學、技術、工程和數學的興趣。

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朱諾號上的三個樂高人偶,天文學家伽利略(左),以及羅馬神祇中的天神朱比特(右)和天后朱諾(中)/樂高

在羅馬神話故事中,朱諾手持一把放大鏡,彰顯她審視事實的神性;而朱比特則手持一支閃電做成的箭,如同天神的權杖。這兩個人偶,很明確地表現了朱諾號的命名源由。至於第3個人偶伽利略,是因他在望遠鏡發明後,利用望遠鏡觀察星空,對天文研究與發展有眾多重要貢獻,其中包括 1610 年時發現木星 4 個最大的衛星─—木衛一(Io 埃歐)、木衛二(Europa 歐羅巴)、木衛三(Ganymede 加尼米德)、木衛四(Callisto 卡利斯多),因此後人稱這 4 顆衛星是伽利略衛星(Galilean moons),所以囉,這個小小伽利略人偶,就是一手捧著木星模型,另一手拿著一支望遠鏡喔!(超可愛的,好想買啊……)

在朱諾號上另有一塊銘板,記載著伽利略的自畫像與其 1610 年時親手寫下的木星觀測紀錄,正式藉此紀念伽利略在木星研究上的貢獻。這塊銘板由義大利太空局( Italian Space Agency)提供,寬 2.8 吋、高 2 吋(71mm×51mm),由航空用的鋁板製成,重約 6 公克。這塊銘板以太空船等級的環氧樹脂(epoxy)固定在朱諾號的推進裝置艙(propulsion bay)中。

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朱諾號上另有一塊銘板,記載著伽利略的自畫像與其 1610 年時親手寫下的木星觀測紀錄。

銘板上的這段觀測記錄意思是:「在 11 號晚上記錄到的樣子是—,最靠近木星的一顆星只有其他幾顆的一半大小,而且非常靠近其他幾顆,所以前幾晚觀察到的 3 顆星看來在同一側且幾乎等距離。所以,這是木星周圍有三顆看不見的星星繞它運動的證據,直到現在才能被大家看到。」(原文:On the 11th it was in this formation — and the star closest to Jupiter was half the size than the other and very close to the other so that during the previous nights all of the three observed stars looked of the same dimension and among them equally afar; so that it is evident that around Jupiter there are three moving stars invisible till this time to everyone.)

木星的基本介紹

關於木星

現行太陽系形成理論認為最初是從一團巨大的氣體塵埃雲氣,即所謂的「太陽星雲」,逐漸向內收縮而形成原始太陽。與太陽類似,木星也絕大部分由氫與氦所組成所以它形成的時間必定很早,才能擷取與太陽類似的物質而形成。然而,科學家仍不清楚木星是如何形成,究竟是先有碩大的核心後藉其重力捕捉其他氣體,還是剛好處在星雲不穩定的塌縮區而觸發行星形成?

更重要的是:在行星形成過程中,冰微行星(icy planetesimal)或小型原行星(proto-planet)的組成成分和角色似乎處在個微妙的平衡狀態下,而從這些微行星中又逐漸發展出地球和其他類地行星。而冰微行星可能是水和碳化合物等生命基礎物質的「貨物艙」,最後將貨物運載到地球,讓地球成為有水有生命的世界。

與地球不同,木星龐大的質量讓它可以保有原始組成,因此科學家可藉之研究太陽系的歷史。朱諾號將測量木星大氣中的水和氨等化合物的含量,並測定木星是否具有固態核心。此外,藉由測量木星的重力場和磁場,則可呈現木星內部結構,推估核心的質量。從這些因子,或許可以直接解決木星起源甚至是太陽系起源的問題。

木星大氣

木星表面明暗相間的條紋是它的特色,但這些彩色的區(zone)、帶(belt)或風暴渦流等其他特徵到底向下延伸得多深,是木星研究最重要的基本問題。即使1995年的伽利略號太空船(Galileo probe),也僅潛入深約0.2%的大氣表層,所獲不多。由於設計上,朱諾號距離雲頂僅約 5000 公里而已,是所有木星太空任務中、最接近木星的一次,而且繞極方式的運動也可讓偵測範圍涵蓋木星全球,因此朱諾號將會設法測定木星全球結構,以及雲頂下方的大氣運動,盡可能大氣深處的組成、溫度、雲系和運動模式的變化等現出來。

磁圈(Magnetosphere)

在木星大氣深處,在強大氣體壓力作用下,氫氣會被壓縮成流體狀態,稱為「液態金屬氫(liquid metallic hydrogen)」,換言之,氫的行為像是會導電的金屬一樣,科學家相信這就是木星強烈磁場的來源。當帶電粒子進入木星大氣時,將受如此強大的磁場環境影響而製造出太陽系中最亮的極光。由於朱諾號是以繞極方式環繞木星,因此可直接取得木星兩極的帶電粒子樣本以及磁場狀態,同時以紫外輻射波段觀察木星極光。這些研究調查將大大改善我們對木星極光的瞭解,甚至應用到其他具有較強磁場環境的類似天體上,例如年輕恆星及其擁有的行星系統上。

資料來源:KLC

文轉載自網路天文館


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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook