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科學寶可夢2 #166 安瓢蟲:星星知我心但不給力

Rock Sun
・2018/01/20 ・3505字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 485 ・五年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

在Y編的百般詢問之下(其實是我自我放逐~~~),R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。(y編按:已經富奸太久了!!!!!!)儘管寶可夢有點退燒了,但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界,對我們科學青年科宅根本是個遊樂場~ 不是嗎?

主角好像不太有名,以防萬一,牠長這樣(圖片來源:Bulbapedia)

為什麼偏偏挑星光 #166 安瓢蟲

放出火焰、噴出水槍、超級怪力、跑的很快……從第一篇文章以來,這些寶可夢的招式強大,但這些詭異技能的能量來源卻一直成謎;要嘛也是我腦補而已,但這裏我們看到了可能是第一隻白紙黑字跟你說牠靠什麼過活的寶可夢!

「據說安瓢蟲會大量居住在空氣清新,可以看到很多星星的地方。之所以這樣做是為了要把星光轉化為能量。」– 紅綠藍寶石、終極紅寶石、始源藍寶石

「將星光轉化成能量。夜空中星星的數量增多時,背上的斑點也會變大。」– 鑽石、珍珠、白金、黑、白、太陽

把星星的光當作能源啊(注1)……如果你覺得靠曬太陽來獲得能源現階段還不是很實用的話,那用星光可能會讓你更絕望。

說要把光當作能源,首當其衝就是想到太陽能,而夜空中閃閃發光的星星中,也有很大一部分都是恆星,比太陽強的比太陽弱的都有,但問題就是這些星星都離我們太遠了,所以有時候亮度甚至比不上一些地球的鄰居例如木星、火星……等等,但不管怎樣這些光傳到地球上通常都已經變非常微弱了。

多弱呢?如果我們先只看照度(勒克斯 Lux),也就是每單位面積接受到的光通量的話,白天的時候,就算太陽不用直射在我們頭上最少都有10000 lux;相較之下到了晚上,就算白月高高掛照度也只有0.2 lux而已,如果把月亮拿掉,完全只算星光的話,這個數字只剩下可憐的0.0003 lux,是太陽的3000萬分之1。(注2)

閱讀和繪圖差在哪裡呢???(來源: 維基百科)

但這樣下去會沒完沒了,因為宇宙中有無數的星星,地球永遠還是會接收到不知道哪裡的星體發出來的輻射,只是這些輻射剛好不在可見光的波段而已。到這裡還真想不透為什麼安瓢蟲偏偏要挑星光呢?難不成這有比較特別嗎?但據我所知在光學頻譜上不管是遠紅外線、紫外光、無線電、微波,太陽光一樣都不缺,還是安瓢蟲覺得好幾百光年外的深空輻射比較對味呢?

所以我們只能大膽做個假設,就是安瓢蟲只接收可見光,但又因為某些特殊需求無法接受太陽光,這包括反射太陽光才能發亮的月球在內。(注3)

如果你想要來自星星的恩惠,你好歹也要這麼大~~圖為阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (ALMA) (來源:European Southern Observatory)

這能量,連手錶都跑不動

但接下來又會面臨到另一個問題,因為就算是可見光,各種生物、感光物質也會有不同的喜好。例如對人類眼睛而言最敏感的光是波長 555 奈米的黃綠光,而植物的葉綠素則是不喜歡吸收綠光,所以才會反射出來給你看;但是沒一個寶可夢博士把「安瓢蟲喜歡吸收什麼樣的光」給記錄下來,所以我們這裡又要進行一個很有可能會錯的一塌糊塗的假設,就是安瓢蟲不管它是用什麼吸收光,還是跟人的眼睛相似,以吸收 555 奈米的光為主。(注4)

這樣的話我們會需要幾個數字來決定安瓢蟲到底能接收到多少能量,除了我們已經有的星光的照度 0.003 lux 之外,還有一個很重要的是牠用多少面積吸收光牠的吸收效率

安瓢蟲的身形很明顯,就是一隻瓢蟲,這實在太棒了~ 因為我們可能再也找不到比瓢蟲更圓、更好計算面積的昆蟲了,所以這裡就當牠背上的甲殼整片都能吸收光好了。圖鑑說安瓢蟲的身高是 1.4 公尺,儘管比例上牠的頭看起來有夠大,還是假設牠的甲殼是一個半徑 0.5 公尺的圓形,如此牠吸收光的面積就能多達 0.78 平方公尺。

傳說中安瓢蟲吸收了星光,活力充沛跳舞的樣子。傳說中……(圖:pinterest)

至於吸收效率的話,我們現在實驗室中的太陽能板光吸收效率可以達到45%,豈能用我們凡人的科技來對比寶可夢的世界呢?我們就大方的假設安瓢蟲的吸收效率能高達 90% 好了。

把 0.0003 lx 代入我很常用的網路計算機Unit Converstion,我們得到每平方公尺 4.4 x 10-7 瓦特,也就是說如果這照度全部轉換成波長 555 奈米的光,牠的效率大概是如此。我們再乘上安瓢蟲的接收面積和轉換效率,我們可以得到安瓢蟲的星光能源產生效率為 3.1x 10-7 瓦特,也就是說每秒鐘的星光可以為牠產生 3.1x 10-7 焦耳的能源。

光看那小數點就知道不妙了,光是驅動一支石英或機械表需要的功率已經是 10-6 瓦特了,也就是說如果你打造一個安瓢蟲星光發電機來推動機械錶,牠每秒產出的能源完全不足以把秒針向前推一格,牠每 3 秒只能前進 1 秒,你手錶過 1 天別人已經過 3 天啦!!

這想必是休息了 10000 年吧(圖:Amino Apps)

如果維持這這個效率持續一整個晚上,就算我們給安瓢蟲 12 小時好了,牠產生出來的能源只有 0.0134 焦耳。連從一公尺高的地方自由落體的硬幣掉在地上產生的能量都有 0.1 焦耳了,用這個能量來打人根本不痛不癢吧……

但沒辦法,寶可夢世界中安瓢蟲還是得去戰鬥,這樣牠該怎麼發招啊?

從圖鑑上看來,剛出生的安瓢蟲一定會的攻擊絕招,是「衝撞」,威力 40,如果假設這個絕招差不多是被一台1噸重的車以時速 30 公里撞上的話,那這動能差不多是 4166 焦耳(注5)。如果安瓢蟲要使用這一招,而且只使用一次的話,牠需要連續曬 311081 天的星光,也就是 850 年後牠才累積了足夠的能量可以放招,然後要下一次用又要等 850 年……

當然更別論其他雜七雜八的招式例如「高速星星」、「音速拳」、「高速移動」了~安瓢蟲如果你真的想在這強者如林的寶可夢世界活下來,就不能挑光啊(注6)~ 要不然就要把自己打造成那種幾百年才做點事的神獸才有看頭。

這想必是裝了電池(圖:Game Art HQ)

編注:

  1. 其他的敘述還有「夜空中星光閃爍時,牠會一邊灑著閃亮的粉末,一邊翩翩飛過」、「把身體包裹在巨大的葉子裡,美美地睡覺」、「用4隻手臂揮拳戰鬥。一拳的威力並不怎麼樣,但依靠出拳數取勝」……這些敘述是很夢幻啦,說不定安瓢蟲的功能真的只剩放著好看而已。還有最後那個……寫完文章之後我覺得應該出拳數應該不是唯一的問題了。
  2. 為了寫這篇文章,R 編還特地寫了封信去給NASA,想要知道一些更詳(ㄊㄡ)細(ㄌㄢˇ)的資料,因為我相信他們一定有研究,但在交稿之際他們都還沒回信,而且真的在 google 上找「星光的能量」之類的資料,通常都會得到「對地球而言,星光產出能能源太少,所以忽略」之類的資料。
  3. 雖然我這樣說,但之後計算的時候還是把木星、火星算進去了。但是說實在的,如果把這幾顆星星也拿掉的話,我們的星空產生的光就又更少了。我原本有要把宇宙背景輻射考慮進去的,但是第一:背景輻射連早上也在;第二:背景輻射產生的能量可能比之後的計算結果還多,所以就算了……
  4. 我們現在的太陽能板能接收的波長其實已經超出可見光很多了,從 250~2500 奈米都在範圍內,而且昆蟲好像對紫外光比較有反應,所以這有可能會大錯特錯,但如果是結果的話還是沒差多少。為什麼照這樣來假設有一點是因為這樣才有線上的工具可以幫我轉換成接下來的單位,不然我還要自己東查西查~~~
  5. R 編原本像用另外一個方法計算衝撞的威力,就是用普通屬性最強、威力 250 的招式「大爆炸」並取其 1/6 來計算衝撞的威力,因為我覺得大爆炸的威力只要找幾個炸藥當量就能代表了,快又方便,但這樣的話衝撞的標準會提高好幾百倍,所以就算了。
  6. 說實在話我很好奇寶可夢博士們做實驗的方式。他們是把安瓢蟲放在太陽光和夜晚中相比,發現前者產生能量不及後者所以下這定論嗎?這樣的話不會覺得是習性的問題嗎?而且安瓢蟲還說可以改變花紋形狀來接收星光,但這樣只會讓接收的光更少而已,所以難不成牠體內有什麼能量放大機制之類的?

參考資料:

  1. 維基百科:照度光通量光視效能地球能量收支能量效率級數
  2. 科技新報:可吸收太陽光全部波長,最有效率的太陽能電池可望出爐
  3. 2017年天文年鑑
  4. Can Earth powered by Moon?

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文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 428 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


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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。