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最遙遠的距離是我愛上了你,但你是火星男孩

張瑞棋_96
・2017/04/17 ・1674字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 464 ・五年級

「你最喜歡地球上的什麼事物?」如果你在路上遇到一位火星男孩,他會這麼問你。

不不,這不是綠色小矮人入侵,也不是 E.T. 受困在地球。電影《愛上火星男孩》裡的這位火星男孩其實就是地球人,只不過他在火星出生長大。

你可曾想過碰到來自火星的人?圖/IMDb

你或許以為這樣的科幻情節肯定發生在遙遠的未來,人類移民火星,然後在那裡傳宗接代之後的事。其實不用那麼久,假如有一位在地球已經受孕的女太空人安全抵達火星,生下小孩,那就會有個火星男孩(或女孩)啦!喔對,還得讓他順利長大。不過,麥特戴蒙都已經在電影《絕地救援》(The Martian)中示範過獨自一人怎麼撐下來,所以在火星上蓋座可以自給自足、生活其中的基地,應該不會太難吧 ^_<

什麼時候才會出現火星男孩?

那麼,人類最快什麼時候才會上火星?早在 1976 年,美國太空總署(NASA)的維京一號(Viking 1)就已經成功降落在火星上,之後又陸續發射了許多登陸器與探測車到火星地面執行探測任務。而阿姆斯壯更是在半世紀前就踏上月球表面,所以把人送上火星,技術上不是問題,主要在於經費的問題。所幸川普總統剛在上個月大筆一揮,同意撥款,NASA 馬上在(2017 年) 3 月 28 日公布最新的火星載人任務。

早在 1976 年美國太空總署的維京一號就已經成功降落在火星上,其實上火星並不難。圖/NASA

根據計畫,NASA 將在 2020 年代先在月球軌道建立太空站,在更深遠的太空(目前的國際太空站距離地表只有四百公里)驗證將來在火星居住的能力。然後 2030 年代才把載人太空船送到火星軌道,進行降落火星的相關測試,並研究在火星上自給自足的可行性。

若按照 NASA 的規劃,2040 年以前應該還不會建造一個自給自足的基地,所以看來三十年內是不可能遇見火星男孩的。不過,除了 NASA,可是還有別人也對移民火星的計畫躍躍欲試喔!其中之一是荷蘭一家名為「火星一號」(Mars One)的公司,他們計畫 2030 年就在火星蓋好適合人類的維生系統,給兩年後來的第一批移民居住。這項計畫吸引超過一千人報名,目前已經篩選剩一百名,最後會挑選出 24 人前往火星殖民。

很多人對這家荷蘭公司深感懷疑,但是另一個人你可就不得不認真看待了,那就是赫赫有名的特斯拉汽車的老闆——伊隆馬斯克。他旗下的 SpaceX 公司預計從 2018 年起(最近宣布改為 2020 年),每隔 26 個月,也就是火星與地球的會合週期,都要發射一枚火箭到火星。馬斯克相信最慢在 2025 年就會把人送上火星。此外他還有個更令人瞠目咋舌的大膽宣告:使用初期可搭載一百人、後期擴增到二百人的太空船,配合火箭回收技術,最快五十年內就能把一百萬人送到火星建立殖民地。若他的預言成真,將來遇見回來地球觀光的火星男孩、火星女孩就不是什麼稀奇的事了。

跟火星男/女孩相愛有什麼問題

不過,和火星男孩、女孩打招呼交朋友是一回事,若不小心彼此相愛就麻煩了!

太空人在太空站待一個月,骨質就會流失 1~2%;若沒有每天特別運動,肌肉質量更是一週就會流失 20%。而火星上的重力只有地球的 38%,若從小在那裏長大,身體的骨骼、肌肉、心肺能力都會與地球人大不相同,無法適應地球的重力,留在地球上恐怕會有健康問題,甚至危及生命。《愛上火星男孩》就是描述這樣的困境——要選擇成為歸人,或是過客……?

如果戀上來自火星的人,那將會面臨很難的抉擇,要選擇成為歸人,或是過客……?圖/IMDb

其實仔細想想,我們每個人何嘗不是過客,最後終究要告別這個世界。火星男孩初訪地球,藍天白雲、原野大海、微風細雨,我們每天視若無睹的周遭景色在他眼中都宛若奇蹟,令他深深讚嘆。生命苦短,或許我們也應該把自己當成火星男孩,以新的眼光看待世界,珍惜一切。

那麼,你最喜歡地球上的什麼事物?

參考資料:


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文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 478 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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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。