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如果這個世界月球被打爆了,對地球會有什麼影響呢?

余海峯 David
・2017/06/20 ・2800字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 516 ・六年級
這次文章要討論的苦主:月球。source:Pexels

月球是你能這樣隨便打爆的嗎?

月球可能是動漫之中第二常見被打爆的天體(第一必屬地球無疑)。例如在《七龍珠》裡面,月球曾兩度被打爆。第一次是天下第一武道大會時,龜仙人為阻止變成大猩猩的悟空,使用龜派氣功打爆的;第二次是笛子魔童訓練悟飯時,為防止悟飯變成大猩猩而打爆的。

如果地球被打爆,那當然是誰也活不了,之後發生什麼事都沒關係了。因此,讓我們來看看如果被打爆的是月球,究竟會發生什麼事,對我們又會有何影響呢?

月球碎片隕石煙火秀

用龜派氣功打爆的月亮,如果一個不小心剩下的隕石太大,那就會引發 6,500 萬年前恐龍滅絕一樣的事!圖/moviepilot

《七龍珠》裡面月球的兩次爆炸,都是從地球上使出龜派氣功(魔童那招似乎只是普通波)擊中月球使其粉碎的。這樣從外而內攻擊,若果能量沒有高到能在一瞬間使月球完全氣化,就有可能剩下大量岩石碎片。

這些碎片會在月球原來的軌道上繼續環繞地球運動。有些碎片會在自身重力下重新聚集,慢慢再重新形成衛星,而另外一些則會被地球吸引加速。由於碎片在太空感受不到摩擦力,它們落入地球的速度可以非常快,跟大氣層摩擦時溫度能達攝氏 1,600 度以上,發出火紅的光,成為火流星。月球這麼大,想必它的碎片跌個幾天也跌不完,拜託可以選在過年時打爆月球嗎?這下可不用放煙火了。

隕石落入地球在大氣層燃燒,那麼它們能夠穿過大氣層撞擊地面嗎?答案與隕石的成分和大小有關。一般來說,小於 25 米的岩質隕石會燃燒殆盡,而大部分能夠抵達地面的殘骸都不比籃球大。可是,如果隕石大於 1 公里,將會對地球上的生命造成毀滅性的傷害,好像 6,500 萬年前恐龍滅絕一樣。

所以龍珠戰士們,希望你們下次打爆月球時盡量用力一點,不然大猩猩還未開始破壞,人類就已經被隕石滅絕了啊。

人類再沒高潮(汐)

地球的海洋每天都有兩次潮汐漲退,這是月球的引力造成的。為什麼有兩次呢?想像地球被一團水包圍。由於萬有引力以平方反比遞減,靠近月球一邊的水感受到的引力就比較強,而在地球另一邊的水感受到的引力就比較弱。因此,可以想像這團水向著和背向月球的方向都凸起了。地球一天轉一圈,因此就會碰上每邊凸起的水各一次,所以一天就有兩次潮汐漲退了。

地球的海洋每天都有兩次潮汐漲退,這是月球的引力造成的。圖/By Lookang many thanks to author of original simulation = Todd Timberlake author of Easy Java Simulation = Francisco Esquembre, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

月球爆掉了,地球就沒有潮汐了嗎?非也。除了月球,太陽的引力也對地球海洋有影響。不過,太陽比月球遠約 400 倍,故此其對潮汐的影響比月球小。當月球、地球、太陽連成一直線,兩者對潮汐的影響就會疊加,形成比較高的潮汐;當月球-地球和地球-太陽之間的夾角成 90 度,兩者的影響就會抵消,形成比較低的潮汐。

所以,如果月球消失了的話,我們就沒有高潮了。

一日 24 小時夠用嗎?

一日有多長?天文學家對「一日」有多個定義,例如地球自轉一圈的時間叫做恆星日(sidereal day),而連續兩個正午(即太陽上升至當天最高點)之間的時間叫做太陽日(solar day)。恆星日長約 23 小時 56 分 4 秒,比太陽日短約 4 分鐘。由於地球自轉軸在一年之中幾乎不動,如果用恆星日去定義一日的話,就會發生正午在凌晨的情況,明顯不太方便啊。

我們日常講的一日是太陽日,定義為 24 小時。不過,因為地球公轉軌道並非正圓形,每個太陽日的長短其實有少許分別。所以,我們用的其實是太陽日的平均值,稱為平太陽日。然而,科學裡很多時候都是越深入就越多細節的,一日的定義亦然。由於月球這個衛星對比地球來說非常巨大,月球重力對地球的影響也是不容忽視的。天文學家發現,月球的引力造成的潮汐與地球持續產生摩擦力,導致地球的轉動能不斷流失。換句話說,地球正越轉越慢。

根據世界各地歷史記載的日食數據,我們計算出地球每世紀轉慢約 2 毫秒。假設這減速度不變(實際上會改變),在約 1 億 8 千萬年後,我們每日就會有多 1 小時上班了。別想著早退啊~

地球陀螺失去平衡

地球的自轉和公轉平面並非相疊,而是之間有一個約為 23.5 度的傾斜角度,就好像宇宙中傾斜了的陀螺。然而,正正是這個角度,地球才會有季節存在。這個夾角令地球上不同地區在一年中不同時間受到的日照量不同,加上地球大氣和洋流各個因素而造成溫度差別,形成季節循環。

除了自轉和公轉外,地球自轉軸和公轉軸都有稱為進動(precession)的現象,就好像陀螺轉動同時轉軸會擺動一樣。科學家認為,如果地球失去了月球的引力影響,地球的自轉軸和公轉軸進動可能會同步。這樣就會導致地球自轉軸以非常大的角度相對太陽傾斜,導致不同季節的溫差非常大。這樣的話,很多生命都將難以適應而遭到滅絕。

因為月球的引力,地球有點傾斜,而這個傾斜造就剛剛好的四季,如果少了月球,那傾斜角度變大,溫差變得非常大的結果將造成很多生命都將難以適應而遭到滅絕。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

雖然近年有研究顯示月球引力對地球進動的影響沒有以往想像的大,但希望龍珠戰士們記著,地球人與賽亞人體格差非常遠的啊……

龜仙人能否一戰埼玉?

到底需要多大的能量才能打爆月球?月球的重力結合能(gravitational binding energy)約為

U = 3/5 x G x 月球質量2/月球半徑 = 12 萬 4 千億億億焦耳。

這能量究竟有多巨大呢?太陽每秒鐘釋放的輻射能量約為 382 億億億焦耳。算一算,即是如果把所有太陽光聚焦到月球上  324 秒(即約 5 分半鐘),就能夠毀滅它了。

輕輕鬆鬆將 2.4 億億億億焦耳的崩星咆哮炮反擊,看來琦玉比龜仙人強上許多啊……圖/IMDb

那麼,連月球也能打爆、一記龜派氣功已相等於太陽在 5 分半鐘內釋放的能量的龜仙人,能否與因興趣使然的英雄——埼玉老師一戰?上回我們討論過埼玉與波羅斯的決戰。在決戰的最後,波羅斯使出「崩星咆哮炮」打算把地球和埼玉一同消滅。地球的重力結合能大約是月球的 2000 倍,所以波羅斯的總攻擊力就是龜仙人的 2000 倍左右了。這相等於 2.4 億億億億焦耳的崩星咆哮炮,埼玉老師只用了一記認真拳就反彈回去了。看來龜仙人與埼玉的實力仍有一段距離啊……

縱觀上述各種原因,還是直接切掉賽亞人尾巴比較能夠保護地球吧。

圖/IMDb

____________________

y編按:炸過月球的動漫作品相當多啊,除了《七龍珠》之外,其他曾讓月球崩壞的作品還有《暗殺教室》、《Aldnoah.Zero》、《星際牛仔》等等,有一些電影及科幻小說也出現了月球爆炸的場景。還有沒有哪部作品你曾看過他炸了月球、或是某個星體呢?

source:Aldnoah.Zero 

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文章難易度
余海峯 David
16 篇文章 ・ 15 位粉絲
天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。


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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)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

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。