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找出太陽的主成分──佩恩誕辰│科學史上的今天:5/10

張瑞棋_96
・2015/05/10 ・1097字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 589 ・九年級
photo credit: wikipedia

太陽的龐大質量主要是由氫組成,因此才能提供源源不絕的燃料讓太陽數十億年來持續發出光和熱,孕育出生機盎然的地球。不過直到一九二○年代之前,天文學界從未想過太陽蘊含如此豐富的氫。力排眾議,指出此一事實的竟是一位初出茅蘆的年輕女性。

十九歲的西西莉亞·佩恩(Cecilia H. Payne, 1900-1979)進入劍橋大學就讀時,原本主修物理、化學與植物學,但在聽了愛丁頓爵士來校演講,講述他如何遠赴非洲觀測日蝕時的恆星位置,以驗證愛因斯坦的廣義相對論後,即轉而鍾情於天文學。當時劍橋大學雖然允許女性就讀,卻不授予學位,因此她修完四年的課程後,隨即於 1923 年轉往相對開放進步的美國攻讀博士。

當時透過分析太陽光譜的暗線(夫朗和斐線)已經知道太陽由那些元素組成,但是並不確定這些元素各佔多少比例。理論上,某一元素的比例越高,它的譜線強度也應該越強,只要分析比較譜線強度就能得知元素多寡。但是複雜的夫朗和斐線乍看並無異樣,加上當時普遍認為既然太陽系的天體形成時間都差不多,遵循的物理原理也一樣,也就直接認定太陽的元素比例與地球應無二致。

但聰穎的佩恩已經掌握波耳十年前提出的量子理論,得知光譜上的暗線是電子吸收特定波長的光而躍遷到較高的能階。再應用印度物理學家薩哈(Meghnad Saha)的電離理論,正確指出不同恆星的夫朗和斐線互有差異並非元素成分不同,而是恆星的不同溫度造成元素離子化的程度不一樣所致。

佩恩據此分析太陽與其它恆星的夫朗和斐線後,發現它們的組成元素幾乎全部一樣。更匪夷所思的是,氫與氦占了絕大部分(分別是 71% 與 27%),其它元素總共占不到 2%。這完全違背了當時的認知。她的指導教授特地徵詢當時的天體光譜學權威羅素(Henry Russell),得到的回覆是這結果「顯然不可能」;於是佩恩只好在博士論文最後備註自己的計算「幾乎可以肯定與實際不符」,以讓論文順利過關,而於 1925 年取得博士,成為哈佛大學史上第一位天文博士。

四年後,羅素從不同方向著手也計算出與佩恩同樣的結果,另有兩位天文物理學家也驗證了佩恩的理論,從此天文學家才相信恆星主要由氫與氦所組成;她那篇論文也被譽為天文學領域最重要的博士論文。那個年代,女性在天文學這個領域僅能擔任助理;佩恩的成就證明女性也能獨當一面,提升了女性的地位,也鼓舞更多女性投入天文學研究,她也在 1956 年成為哈佛有史以來第一位獲永久聘書的女教授,稍後又成為哈佛史上第一位女性系主任。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


 

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 397 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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全台首座科研火箭場正式啟用!——坐落在依山傍海的屏東牡丹鄉

PanSci_96
・2022/01/18 ・2103字 ・閱讀時間約 4 分鐘

科技部「短期科研探空火箭發射場域」近日開放符合規定的火箭科研團隊申請使用!這是台灣太空發展繼去年 5 月立法院三讀通過《太空發展法》後,另一個重要的里程碑。

什麼?台灣竟然有發展太空科技!

沒錯!截至目前為止,全球有超過 90 個國家擁有自己的衛星,並有超過 31 個國家制定了國家太空法規,可見各國都砸下重金發展衛星和火箭等相關技術。正因為太空科技是現代全球競爭的新場域,台灣在具有基礎技術能量的前提之下,也決定加入太空科技的行列!

自 2020 年以來,行政院開始推動資訊及數位、資安卓越、精準健康、綠電及再生能源、國防及戰略、民生及戰備等六大核心戰略產業。其中,太空科技為國防及戰略產業的核心領域。在今年 1 月 13 日起開放申請的「短期科研探空火箭發射場域」,是台灣第一座以科研任務為主的火箭發射場,更是太空科技的里程碑!

地處屏東原住民部落的發射場域

科技部選定屏東縣牡丹鄉旭海村牡丹灣段 742-1 及 743-1 地號做為「短期科研探空火箭發射場域」,該場域占地面積 9,700 平方公尺,是國有海岸林地,也是原住民保留地。由於涉及原住民族的土地及權利,根據《太空發展法》第 12 條,必須依照《原住民族基本法》辦理。《原住民族基本法》第 21 條則規定「政府應諮商並取得原住民族或部落同意或參與,原住民得分享相關利益」,因此,科技部與當地「旭海部落」反覆協商後,在去年順利取得了同意。

旭海部落位於牡丹鄉最東側,是依山面海的漁村型部落,早期被稱為「牡丹灣」(macaran),意思是「水量豐沛的沼澤地」。最初來這裡開墾的是斯卡羅族,後來陸續有阿美族、排灣族、平埔族,以及閩南、客家等族群聚居,最後形成了一個族群融合的聚落。部落居民在得知該地被選為火箭場,有機會刺激觀光、帶動就業機會後,不少居民樂觀其成。可是,當地居民以出海捕魚、抓龍蝦為生,因此也有不少居民擔心火箭場將破壞牡丹灣的水域生態,使得魚及龍蝦的數量銳減,影響生計。

對此,科技部提出回饋方案,表示若居民因火箭試射而無法出海捕魚,將可享有補貼,而平時更有水電費和獎學金補助。另外,國家實驗研究院國家太空中心每週都派專員深入當地,傾聽村民心聲,也召開多場說明會,解答民眾疑問,讓當地居民了解火箭場落腳旭海的利弊得失。部落原訂去年 5 月舉行會議,卻因為疫情延宕至 11 月,最終共有 112 位居民出席,獲得 85 張同意票,正式通過我國第一座合法、安全且能維護原住民族權益的火箭發射場域。

圖為牡丹灣,鄰近的旭海部落早期即被稱為「牡丹灣」,意思是「水量豐沛的沼澤地」。 圖/牡丹鄉公所

誰可以合法申請、發射火箭?

立法院在 2021 年 5 月三讀通過《太空發展法》,是台灣第一部國家太空法案。《太空發展法》共計 6 章 22 條,內容規定主管機關為科技部,負責設置發射場域,而計畫執行單位為國家太空中心,負責營運、管理發射場域。另外,也規定發射載具僅能在國家發射場域實施發射。

位於旭海的「短期科研探空火箭發射場域」是台灣邁向完備太空基礎設施的第一步。然而,考慮到當地原住民權益,科技部承諾除非經過該原住民部落同意,否則將不會提供其他單位使用,後續相關作業也將由國家太空中心依據「短期科研探空火箭發射場域利益分享作業要點」辦理。

國家太空中心主任吳宗信強調,「短期科研探空火箭發射場域」不是提供給大型火箭發射,而是提供給科技部補助、委託或出資之執行單位或受委託單位申請,特別是各大專院校相關學術研究單位(航空工程學類和大氣科學系等),讓他們實地測試、驗證科研發展計畫的成果。據吳宗信了解,國立陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)預計在 3~4 月發射火箭,國立成功大學航空太空工程學系則預計在 6~7 月發射,但實際情況還要看學校的整備狀況。

國立陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC) 製作的火箭。圖/ARRC 官網

參考資料


 

PanSci_96
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