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外星組成掀起太陽系演化之謎

臺北天文館_96
・2012/02/16 ・978字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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根據美國航太總署(NASA)IBEX探測器的觀測資料,研究學者發現太陽系內與鄰近太陽系的星際空間,是不相同的。美國西南研究所(Southwest Research Institute)、IBEX首席研究員David McComas表示:IBEX偵測到來自銀河他處進入太陽系的物質,這些物質的化學組成比例和太陽系內的不盡相同。這個結果,再度掀起關於太陽系、甚至是生命的起源與演化之謎。

我們的太陽系被包圍在由隨著太陽風向外擴張的太陽磁場所構成的日光層(heliosphere,又譯太陽圈)內,使太陽系能與銀河系其他部分區隔開來:日光層以外就是所謂的「星際空間(interstellar space)」,以內就是太陽和眾行星、小行星和彗星的家。而日光層的存在,不僅是區隔太陽系內外而已,它還將大多數來自太陽系以外的宇宙線阻擋在外,是太陽系很重要的防護罩。

IBEX於2008年發射升空,在地球上空掃視全天。IBEX探測器能捕捉從星際空間穿透日光層保護而進入太陽系的中性原子。所以,即使不用飛出太陽系,IBEX也能檢視太陽系以外的銀河空間狀況。在它開始正式運作的頭兩年,IBEX捕捉並計算這些外來原子的觀測成果,出現了一些有趣的結論。

IBEX總共偵測到來自星際空間4種不同的原子,其組成都與太陽系中所見不符合。這4種原子分別是氫(H)、氦(he)、氧(O)和氖(Ne);其中,氖原子這種惰性氣體,幾乎不與其他物質交互作用,因此含量頗豐,在測量統計上非常有利。從IBEX觀測資料,這些研究學者比較日光層內外的氖/氧比例,顯示銀河系的星系風中,每20顆氖原子就會有74顆氧原子;而太陽系中則是每20顆氖原子就有111顆氧原子。這個結果顯示太陽系中的氧原子豐度比太陽系外星際空間還多。多餘的氧,究竟是從何而來?

造成這種狀況的可能性有兩種,如果不是太陽系本身的演化很特別,是在銀河系中氧原子比如今所在之處還豐富的地方誕生出來的,要不然就是星際空間中有一部份氧原子被塵粒或冰粒捕陷而無法逃脫,讓IBEX偵測不到。不管哪一種可能性,都會影響關於太陽系和生命形成的理論模型。

到目前為止,科學家並不能肯定哪一種可能性佔了上風。不過,除了在地球軌道上運轉的IBEX之外,NASA的航海家號太空船如今已航行到太陽系邊界之處,或許未來數年內就會行出太陽系範圍。因此科學家們期待能在航海家號的觀測資料中,找到這個問題的解答。

資料來源:Alien Matter in the Solar System: A Galactic Mismatch[2012.02.10]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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太陽系裡最大的峽谷、最高的火山,都在火星上!——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/23 ・769字 ・閱讀時間約 1 分鐘

布滿鐵鏽的紅色沙漠:火星

在地球上用望遠鏡觀察火星,火星上的地形很難看清楚,只能看到最明顯的三種顏色色塊:紅、黑和白色。

比起水星和金星,火星算是比較宜人的行星,人類已經發射許多太空船前往探索,未來甚至可能移民到火星上生活,火星很可能成為人類下一個家園。圖/麥浩斯出版

火星表面充滿紅色塵埃,這些紅色塵埃由氧化鐵組成,也就是鐵鏽,火星表面絕大部分被氧化鐵覆蓋,所以表面看起來是紅色。

火星表面還有黑色的玄武岩,這些黑色玄武岩不會一直在那裡,有時黑色玄武岩會被紅色塵土覆蓋,當紅色塵土被吹散,黑色玄武岩又裸露出來。火星在南北兩極有白色的極冠,極冠是由水冰和乾冰組成,南北兩極的極冠會隨著季節變換而改變大小。

在火星上,除了兩極的白色極冠,還可以看見一些由冰晶組成的藍白色水冰雲。

壯觀的峽谷和火山

雖然火星的直徑只有地球的一半,不過火星上的峽谷和火山卻非常壯觀。

水手峽谷(Valles Marineris)長度約四千公里,這相當於美國的寬度,最深可達 7 公里,是太陽系裡最大的峽谷之一。火星表面有一座太陽系裡最高的火山:奧林帕斯山(Olympus Mons),奧林帕斯山是座盾狀火山,如果從附近的平原算起,它的高度約 26 公里。

圖/麥浩斯出版

比起荒涼死寂的水星和高壓炙熱的金星,火星似乎有趣多了!

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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穿越兩百億公里的家書,航海家二號妳收到了嗎?
陳子翔_96
・2020/12/21 ・2312字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

距離我們大約兩百億公里的太空中,有一架名為航海家二號的探測器已經工作了數十年,就在不久前,NASA 送出了久違的訊息試圖再次與她連絡上……

為什麼說久違呢?是這樣的,今年初因為位在澳洲坎培拉,負責聯繫航海家二號的訊號收發站要進行天線設備升級,然而這又是目前唯一能和航海家二號聯繫上的訊號收發站,也因此必須暫停與航海家二號的聯繫。

負責聯繫航海家二號的訊號收發站——CDSCC。圖/Wikipedia

43 年從未斷訊的航海家二號

雖然說這次與航海家二號數個月的斷訊是計畫之中的事情,但其實還是讓 NASA 的工程師與科學家們有些緊張。各位可以回想看看,自己用過壽命最長的電子產品或家電用品是什麼呢?也許你會想到用了五年的手機,十年的電視機,又或是用了二、三十年的電鍋或冰箱。但相信應該很少人家裡有超過四十年,而且完全沒有維修過卻還能使用的電器吧。然而航海家二號從發射至今已經獨自在廣大的太空中運作超過 43 年了,在她離開地球時,台灣第一條高速公路與電氣化鐵路都還在建設中呢!也因此要與一架骨董級探測器斷訊八個月的確滿讓人擔心的。

不過話說現在科技已經進步非常多,近年也不乏許多先進的新探測器持續進入太空探索,為什麼我們仍這麼關心航海家二號的動向呢?其中有個很大的原因是,即便新的探測器有著更先進的儀器設備,航海家二號帶來的貢獻和歷史意義仍然難以被超越。

就讓我們藉由著個機會來重溫這架傳奇探測器光輝的故事吧!

航海家二號的誕生:太空「大航海時代」的序章

在太空探索的歷史上,1960 年代是載人太空任務發展的黃金年代,第一位進入到太空的人與第一位踏上月球的人都是在 1960 年代發生的。而 1970 年代,就可說是探索太陽系的「大航海時代」了,在這十年間,許多無人探測器先後出發探訪太陽系的各大家族成員,像是首次登陸火星、首次飛掠各大行星的成就都在這幾年間達成,而航海家二號可說是其中最具代表性的探測器之一。

1973 先鋒十號史上首批飛掠木星旁拍攝的照片。圖/NASA
1976 年維京 1 號探測器 史上首批火星表面的照片。圖/Wikipedia

揭開太陽系外圍的神秘面紗,乘載希望奔向宇宙深處

有別於先前多數的太空探測器都是以一顆特定星球作為目標,航海家二號最特別之處,就在於她造訪了所有外太陽系的氣體行星—木星、土星、天王星和海王星。而要完成這樣的壯舉必須仰賴這四顆行星特殊的排列位置,讓探測器在每在造訪一顆行星的同時,也正好能巧妙地讓該行星的重力拉自己一把,幫助探測器用最節省燃料的方式飛向下一顆行星,而這樣的機會每隔 176 年才會有一次呢!

航海家二號的飛行路線,由內而外造訪四顆氣體行星。圖/Wikipedia

把握住這樣的機會,航海家二號在 1977 年八月升空,並在接下來的十年先後收集了四顆氣體行星的重要科學資料,同時也傳回了許多令人屏息的經典照片。更特別的是,在四十多年後的今天,航海家二號仍然是唯一造訪過天王星和海王星的探測器,因此下次看到像是下圖這樣清晰漂亮的天王星和海王星影像,就可以跟朋友說這個照片是航海家二號拍攝的,也許朋友就會以崇拜的眼光看你(並不會)

航海家二號所拍攝的天王星海王星。圖/NASA

1989 年航海家二號飛掠了最後一個計劃中的目標天體—海王星,然而她的任務卻還會持續下去,繼續為我們帶來外太陽系,甚至是「太陽系外」的第一手資訊,例如太陽磁層頂的位置、星際空間的磁場與宇宙射線強度等等……

同時,航海家二號也帶著地球人想送給外星人的「小禮物」,一張收錄用全球各種語言打招呼的錄音,以及數張影像檔案的唱片和唱片播放器。雖然說要在茫茫宇宙中「不小心撿到」這個禮物的機率實在太低,但這樣的紀念品某種程度也象徵著人類踏出航向宇宙的步伐時,做出的浪漫宣示吧!

航海家二號的金唱片與背景中的航海家二號。圖/NASA

重新連繫航海家二號

今年十月天線更新完成後,NASA 終於能送出睽違八個月,一封「來自地球的家書」給航海家二號,而她也順利收到並有所反應,彷彿對地球上的我們說:「哈囉地球上各位,好久沒有各位的消息了,很高興又收到你們的信,我在遙遠的太陽系外也都還好喔!」

這次成功的聯繫也代表著航海家二號的任務依然持續進行著,不過 NASA 的工程師也估計探測器的電力應該所剩不多了,我們終究在未來的某一天必須和這部偉大的探測器告別,但航海家二號仍將繼續帶著人們探索未知世界的精神,航向星空深處。

參考資料

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