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找外星生物?月面為鏡,先好好照一照地球人!

臺北天文館_96
・2012/03/17 ・1472字 ・閱讀時間約 3 分鐘

地球上有沒有生命?– 這算是相當蠢的問題吧?不過如果我們是外星人,真的對地球一無所知,該怎麼做才會知道答案呢?

又假設,如果我們的位置是在宇宙中的另一個恆星系統裡的一個行星上,要怎麼樣才能知道地球上是有生命的呢?其實我們需要一丁點 – 在太陽的強光下幾乎看不到、稀稀微微的地球反照光 – 地照(earthshine,或譯為地暉)。

既然研究人員已經發現了應該要找哪一種光,他們決定先從月球那裡借點東風、借點這個「地照」;(所謂「地照」,也就是太陽光照射到地球,再從地球折射到月球上的光)。藉由這種方式,結合一些對生命跡象變數的研究,最近歐南天文台證實了:「沒錯!地球上的確住著一些生物。」

這項研究運用的是一種叫做「光譜偏振性測量」的方法,它能測量地球反射出來的偏振光。原理就像具有偏振效果的眼鏡能幫你過濾掉過強的光線,並讓你看得更清楚一樣,光譜偏振性測量法能幫科學家更專注地看清楚他們想在行星上看到的那些特殊特性:生命跡象訊號。

天文學家早已知道,要找生命跡象訊號,可以從一顆行星大氣中,含有多少譬如氧氣,臭氧、甲烷以及二氧化碳氣體等特定氣體數量而得知,所以,藉由光譜分析法,的確可以掀開系外行星的一點點面紗。不過,可惜的是,這種方法有很大的限制,如果考慮到這些訊號是來自一些距離我們非常遙遠的系外行星,而它旁邊通常有一顆大太陽的話 – 那差不多就好像是在一顆很亮的燈泡旁觀察一顆沙粒一樣,實在很難看得清楚。不過現在我們知道來自行星的反射光是受到偏振的,而來自恆星的光卻沒有,這提供我們至少有了一個翹翹板的「槓桿點」,小心翼翼下,就能發現到一些反射自強大恆星光的行星照(planetshine)。

研究員首先是發現在地球表面上,因陸地和海洋等表面特徵的不同,會反射出不同的偏振光,接下來他們證實了藉由這些模型的計算比較,就能透過數據資料正確看出地球上雲層的變化,並且正確判斷出哪些地表部分是海洋所覆蓋,在觀測所得中,除了能清楚找到適居性可能外,譬如「葉綠素」這樣的生命現象訊號出現與否,的確也會隨著地表是海洋或陸地而對應變化 –葉綠素訊號只有當觀測目標為陸地時才有,觀測海洋時則沒有。

據統計,在目前所發現的系外行星中,只有10%可能發生凌日,也就是該顆系外行星位置剛好要在母恆星和地球之間,三者排列成一直線,然後我們才能研究它的大氣成分。而現在,這種偏振測量與光譜觀測加以結合的新方法有個好處,它能幫助天文學家全面性地更多了解系外行星!分析大氣層,不再非得要等它們發生凌日現象才能辦到!不過這只是一小步,距離實作還有很大一段距離。可想而知,這些距離動輒數十光年甚至距離更遠的光全都非常的微弱,目前的望遠鏡還不夠大到能夠觀測或測量這些偏振數據。

目前的模型雖然能夠描述太陽光照射在地球不同表面上時會產生程度如何不同的偏振,美中不足的是,這個資料庫及模型仍需要更多長距離、針對地球的不同季節、在具有各種不同雲的條件下,以全面性觀測來強化它,然後才能真正模擬出一顆與地球相似的系外行星,它的大氣層和地表條件究竟特性如何。直接在月球表面上架設望遠鏡來觀測地球,可能讓我們比較接近這個目標。(Lauren譯)

圖說:從月球觀測地球所反射的陽光,天文學家想出在系外行星上找生命的新方法。這張圖解釋「地照」從何而來,是怎麼回事。圖右端一大片明亮光源為恆星,下側那一段光譜,代表未受偏振的恆星光,上側也有另一小段光譜,那是偏振後的行星照,看得出來嗎?兩者間有著些微的不同。(ESO/L. Calcada)

資料來源:中研院天文網[2012.03.05]

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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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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