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朱諾號成功入軌!

臺北天文館_96
・2016/07/19 ・2725字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

2016 年 7 月 5 日臺北時間 11:53,朱諾號在主引擎點燃 35 分 2 秒後,進入週期 53.5 天的環繞木星軌道,成為繼 1995 年伽利略號之後,第二個進入木星軌道的探測器!之後預計會在 10 月 19 日再次進行引擎點火,縮短為 14 天週期的軌道,之後才正式進入科學任務階段。

在羅馬神話故事中,奧林帕斯山上住著天神朱比特(Jupiter)和他的妻子朱諾(Juno),朱比特利用了魔法變出了一團薄霧藏身其中,唯有天后朱諾能看透這層薄霧,瞧見朱比特的惡作劇 ──科學家將這項探測木星的任務命名為朱諾號,正是期望這艘太空船也能像天后朱諾一樣,看透木星(Jupiter)的本性!

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進入木星軌道的朱諾號。圖/NASA

Google首頁也一起慶祝朱諾號入軌

source:google doodle

朱諾號是美國航太總署(NASA)新疆界計畫的第二項任務,於 2011 年 8 月 5 日利用擎天神 5 號火箭(Atlas V)發射升空,配備三塊約 8.9 公尺長的太陽能板,是 NASA 所有深空任務中最大的,也是目前人類用太陽能航行最遠的太空探測器。太陽能板完全展開後全長約 20 公尺,朱諾號進入太空將太陽能板展開並調整好方向後,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 億公里的旅程才能抵達木星。途中曾在 2013 年 10 月飛掠地球獲得重力協助。2016 年 7 月 4 日進入木星軌道後,這艘太空船將在 20 個月內,以繞極方式環繞木星 37 圈,距離最近的一次將從木星大氣頂層上方約 5000 公里處掠過,預定在 2018 年 2 月完成任務後,脫軌進入木星大氣,以免汙染可能有生命的木衛二歐羅巴。

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科學目標及儀器

朱諾號的目標是探測木星的起源與演化,以瞭解太陽系形成初期的狀況和重要過程。具體的探測任務為:

  • 測量木星大氣中的水含量,這將有助於釐清何種行星形成理論較為正確,或是需要新的理論。
  • 深入探測木星大氣,測量其成分、溫度、雲層運動和其他性質。
  • 測繪木星磁場和重力場,剖析木星深層構造。
  • 研究木星兩極的磁層和極光,將能有助於理解木星的強烈磁場如何影響大氣。

朱諾號太空船直徑達 20 公尺、高 4.5 公尺,搭載多項科學儀器,將研究木星是否有固態核心、測繪木星的強烈磁場、測量深層大氣中水和氨的含量,並研究木星極光。

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朱諾號酬載系統圖。圖/網路天文台

朱諾號還帶了……

朱諾號上還搭載了三個小小的航太級鋁製樂高積木人偶,高僅 3.8 公分,分別代表天文學家伽利略(Galileo Galilei),及羅馬神話中的天神朱比特和天后朱諾。這是由美國航太總署和樂高積木集團合作的教育推廣計畫,希望激起孩童探索科學、技術、工程和數學的興趣。羅馬神話中的朱諾手持放大鏡,彰顯她審視事實的神性;朱比特手持閃電做成的箭,如同天神的權杖──這兩個人偶清楚表現了朱諾號的命名源由。至於第三個人偶伽利略,一手捧著木星,另一手拿著望遠鏡,是因他在望遠鏡發明後,利用望遠鏡觀察星空,對木星研究有眾多重要貢獻,其中包括1610年發現木星四個最大的衛星—木衛一埃歐(Io)、木衛二歐羅巴(Europa)、木衛三加尼米德(Ganymede)、木衛四卡利斯多(Callisto),因此後人稱這四顆衛星是伽利略衛星!

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朱諾號上搭載的三個樂高人偶。圖/collectSPACE

在朱諾號上還有一塊銘板,記載著伽利略的自畫像,和他 1610 年時親手寫下的木星觀測紀錄,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 7.1 公分、高 5.1 公分,由航空用鋁板製成,重約 6 公克。

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朱諾號上的銘板,用以紀念伽利略的貢獻。圖/網路天文館

木星的起源與內部

現行的太陽系形成理論認為,原始太陽是由最初的一團巨大氣體雲逐漸向內收縮所形成。木星的組成與太陽類似,絕大部分是氫與氦,因此它必定是在早期形成,才能擷取與太陽類似的物質。然而科學家仍不清楚木星的形成機制,究竟是先有巨大的核心,才藉重力捕捉其他氣體,還是雲氣中不穩定的塌縮區觸發行星形成?

更重要的是,我們仍不清楚在行星形成過程中,冰質微行星(icy planetesimal)或小型原行星(proto-planet)的成分和扮演的角色,地球和其他類地行星也是從這些成分逐漸發展形成。冰質微行星可能為地球帶來水和碳化合物這類組成生命的基本物質。

與地球不同,木星龐大的質量讓它可以保有原始組成,讓我們有機會一窺太陽系的歷史。朱諾號將測量木星大氣中的水和氨的含量,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,可呈現木星內部結構,推估核心質量。從這些測量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

木星表面色彩斑斕的區(zone)、帶(belt)或其他特徵究竟向下延伸得多深,是研究木星最重要的基本問題。朱諾號將首度測量木星雲頂下方大氣的全球性結構和運動,並測繪大氣層組成、溫度、雲系和運動模式的變化。

木星磁層

在木星大氣深處的強大壓力下,氫氣會被壓縮成流體的液態金屬氫,此時氫的行為就像是會導電的金屬,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,會受強大磁場環境影響,產生太陽系中最亮的極光。由於朱諾號是以繞極方式環繞木星,因此可直接測量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。這些研究調查將大幅增進我們對木星極光的瞭解,甚至應用到其他有強磁場環境的類似天體上,例如年輕恆星及其行星系統。

新疆界計畫(New Frontier)

美國航太總署的新疆界計畫以探測太陽系天體為目標,平均每三年執行一項任務,目前進行中的任務有三項:

  1. 新視野號(New Horizons):2006 年 1 月 19 日發射的新視野號太空船,在 2015 年 7 月飛掠主要目標──矮行星冥王星,將在 2015 至 2020 年間造訪一至二個古柏帶(Kuiper Belt)天體。
  2. 朱諾號(Juno):2011 年 8 月 5 日發射的朱諾號太空船,在 2016 年 7 月進入木星軌道,是首艘探訪外側行星的太陽能動力太空船。
  3. OSIRIS-Rex:在 2016 年 9 月發射 OSIRIS-REx 太空船,預訂在 2020 年前抵達目標-101955 號小行星 Bennu,除了探測之外,還將在小行星表面進行採樣,並在 2023 年返回地球。

2016 年 8 月出版的《臺北星空》第 73 期,將會推出朱諾號任務的專題報導,敬請期待!

主要資料來源:

其他資料來源:Mission JunoNASA|Juno:Mission to Juipter

2016.07.05, 胡佳伶 編譯

本文轉載自網路天文館


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。