0

1
0

文字

分享

0
1
0

泛知識節紀實:翻越科幻電影的牆──以《地心引力》和《絕地救援》為例

泛知識節
・2017/01/04 ・2056字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

這一系列文章為 2016 泛知識節「翻牆吧!知識」的活動紀實,我們將當下求知求真地感動盡力留下,想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館,當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」承襲著泛科學年會的精神與架構,變的是讓更多的知識在這裏碰撞,不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆,現在就讓我們用求知慾翻牆吧!

關於本場次【 倒下吧,電影中的科學高牆! 】的活動介紹,請參考這裡

  • 講者/吳志剛|臺北市立天文科學教育館研究組組長
  • 文字紀錄/黃珮蓁

電影之所以迷人其中一部分是因為它包含了各式各樣、天馬行空的劇情,而身為科學傳播者,我們發現一件更迷人的事——用科學角度去檢視這些天馬行空,翻找、討論、驗證電影中的科學元素。

2016泛.知識節第二天,我們邀請到臺北市立天文科學教育館的研究組吳志剛組長,以「倒下吧,電影中的科學高牆!」為主題進行分享。他以《地心引力》(Gravity)與《絕地救援》(The Martian)兩部場景設定皆在外太空的電影片段,帶著大家翻越電影中一道道的科學高牆。

臺北市立天文科學教育館的研究組吳志剛組長
臺北市立天文科學教育館的研究組吳志剛組長。

《地心引力》:寂靜的美麗與無聲的恐懼

吳志剛首先以 2013 年的《地心引力》為引,笑說整部片只有十分鐘的場景在地球,片名應該改為「No Gravity」,又說:「除了沒有引力、沒有空氣,這種情況下聲音在哪裡?卻還得了奧斯卡最佳音效獎,可見這部片有多厲害!」一開場就逗得全場哄堂大笑。

雖然先拿《地心引力》說了玩笑話,但吳志剛其實相當肯定片中視覺與聽覺的運用,也細膩地解說了場景和配樂的調度如何引導觀眾的情緒:「電影剛開始聲音非常微弱,到了緊張的片段,節奏越強、音樂越大,生理被背景音樂帶到緊張狀態,心跳血壓升高,心理狀態也為之升起,整個人被電影帶著走了。」

片中喬治克隆尼所飾演的麥特科沃斯基問道:「妳為什麼想來太空?」
珊卓布拉克的回答是:「地球上太吵雜了。」

針對「外太空中的聲音」繼續作討論,吳志剛解釋,雖然真空無法傳送聲波,但心跳、電子零件以及太空衣循環冷卻的聲音,都會透過太空衣裡的空氣傳遞並震動到腦部,聲音甚至會被放大,「事實上外太空不如想像中那麼安靜,而且沒有聲音往往才是最可怕的。」

《絕地救援》:火星上的風暴、馬鈴薯和水

接著,吳志剛介紹電影《絕地救援》,劇情開端是第一天降落於火星的 7 位太空人遇上風暴,預計要搭乘回地球的戰神三號被「火星風暴」吹歪,整個小組只好冒著危險趕緊返回火箭(火星接駁小艇),過程中,其中一位太空人馬克瓦特尼(麥特戴蒙飾)被火星風暴擊中,組員不得已將他留下,瓦特尼因此展開了一年半的火星求生探險。

問題來了,瓦特尼在劇情中經歷的那些,都真的會發生嗎?吳志剛舉出幾個「不太科學」的部分與大家分享。

1. 火星風暴吹得倒火箭嗎?

吳志剛解釋,因風暴而受困在火星上的橋段,是原著小說作者 Andy Weir 認為能夠讓劇情發展下去的最好原因。

從電影預告我們便可看出火星風暴的威力,但吳志剛緊接著質問:「風壓是什麼呢?」他的答案一樣令全場大笑不止:

「風壓是推動東西的壓力大小,以空氣密度與速度平方計算,而火星地表外圍引力只有地球 1/3 左右,大氣壓只有地球的 1%。目前觀測到最強的火星風壓為每秒 26 公尺,相當於氣球的微風。因此,若發生火星風暴,而火星上又有樹的話,頂多是把樹葉吹到擺動的程度。」

2. 馬鈴薯有多好?

片中麥特戴蒙將馬鈴薯作為維生的救命糧食,那馬鈴薯究竟有多營養呢?以下是吳志剛的解答:

「馬鈴薯是地下塊莖,附有大量碳水化合物,一公斤提供 770 大卡的能量(人一天只要 1500 大卡便能維生),維生素 C 是蘋果的 10 倍,各種礦物質也是蘋果的數倍至數 10 倍,而且強調連皮吃才營養,因為皮具有抗氧化、抗癌與淡斑等功能,是人類重要主食之一。甚至有實驗證實,一整年吃馬鈴薯是可行的。」

3. 火星上的水?

《絕地救援》上映後,NASA 便公布在火星上發現水,那麥特戴蒙受困火星時不就好辦了嗎?吳志剛指出,雖然火星的確可以挖到「冰」,但卻是不能飲用的!

「火星上的溫度最高到達 30 度 C,因為大氣壓太低、且大氣裡沒有水,所以地底下的冰受熱昇華後無法蒸發掉,便留下那些黑黑的東西,而這些黑色物質正是大量的高錳酸鹽。喝多了會變成什麼我也不曉得。但若有適當方法和儀器,仍可以分解與提煉出可作為燃料的『氫』和供呼吸的『氧』。」

抓住電影的「科學小辮子」!

雖然短短半小時的分享,只能簡單和大家說明兩部電影的片段,但充滿笑料與知識內容,現場參與者都聽得津津有味。下次看電影時,也不妨留神記下電影中的科學元素,事後嘗試找資料、做實驗尋找答案,讓電影不只是電影,也讓生活更有趣!


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
泛知識節
24 篇文章 ・ 4 位粉絲
從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。


0

28
6

文字

分享

0
28
6

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)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
8 篇文章 ・ 15 位粉絲
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。