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小行星「龍宮」如何撞碎又重生,與隼鳥2號相遇?

果殼網_96
・2019/05/16 ・4165字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

小行星,是我們追溯太陽系歷史的「時光膠囊」。它們大多是太陽系行星形成時期的留下的碎片,很可能還保留著原始太陽系的成分和資訊。

但是,小行星的個頭太小了,自身又不發光,肉眼幾乎不可能看見(除了灶神星),即使在天文望遠鏡裡,也頂多不過是一個小亮點。想要瞭解小行星的秘密,人們就需要派出使者——探測器,去一探究竟了。

來自日本 JAXA 的隼鳥 2 號探測器,就擔負了這樣一個艱鉅的任務:探訪碳質小行星(C型小行星)——「龍宮」。

C 型小行星是小行星中數目最多,也最為原始的一類。它們被認為是落入地球上的碳質球粒隕石的母體,其中一些可能富含水和有機物。探測這樣的小行星,不但可以幫助我們瞭解太陽系早期的歷史和演化,沒准也能我們尋找地球生命起源提供線索。

2018 年 6 月,隼鳥 2 號抵達龍宮。經過了幾個月的探測之後,隼鳥 2 號團隊迎來了第一個收穫的季節——就在昨天(2019-03-20),《科學》雜誌一口氣刊登了三篇論文,介紹隼鳥 2 號團隊對小行星龍宮的初步探測成果[1-3]。

從一個小亮點,到一整個世界

隼鳥 2 號在距離龍宮 133 萬公里處,首次拍到了它的身影——此時的龍宮還依然只是一個小亮點[4]。然而,隨著隼鳥 2 號一點一點飛近龍宮,隼鳥 2 號攜帶的「十八般兵器」漸漸為我們揭開龍宮的面紗。

隼鳥 2 號 2018 年 2 月 26 日首次拍到的小行星龍宮。來源:JAXA[4]

首先是出場的是相機。隼鳥 2 號攜帶了 3 個相機:1 個遠望相機 ONC-T 和兩個寬角相機 ONC-W1 和 ONC-W2,最高可以拍攝毫米級解析度的龍宮表面照片。

隼鳥2號的三個導航相機。來源:JAXA[5]
ONC相機告訴我們,這個直徑約 900 米的小傢伙形狀略扁(赤道半徑 502 米,兩極半徑只有 438 米),長得像個粽子陀螺,赤道有一圈明顯的隆起,這個環繞赤道一圈的隆起後來被命名為「龍王山脊」。龍宮的自轉週期約 7.6 小時,轉軸傾角 171.64°,幾乎就是逆行自轉(轉軸傾角 180°)。

龍宮的東半球和西半球。來源:JAXA

又一個疏鬆的「亂石堆」

通過測量品質和體積,可以計算出龍宮的密度只有 1.19 克/立方釐米(實在是有點低),這並不是因為組成龍宮的石塊本身密度太低,而是因為這些石塊都是「松松」地靠在一起的,彼此之間有很大空隙。

當年,隼鳥 2 號的前輩隼鳥號探測的小行星「系川」就是這樣一顆典型的「亂石堆」(rubble pile)。這種由眾多大大小小的石塊通過自身引力聚集在一起形成的小行星,彼此之間的「粘合力」很弱,質地鬆散,孔隙率自然也很高。

龍宮上的坍塌和物質流動痕跡。(左)浦島坑中的坍塌,(右)黃色箭頭指示重力位從高到低的方向,與龍宮目前的物質流動方向一致。來源:參考文獻[3]
而如果我們假設組成龍宮的顆粒物質密度和碳質球粒隕石差不多的話(其中目前已知密度最低的是 Orgueil CI 隕石,密度 2.42±0.06 克/立方釐米[6]),那麼整個龍宮的平均孔隙率將大於 50%,比小行星系川孔隙率(44%)還要高。也就是說,龍宮也是一顆亂石堆型小行星。

亂石堆型小行星系川和龍宮。來源:JAXA

另一個支持這個觀點的證據是:龍宮表面有許多大石塊。雖然撞擊作用也會產生石塊,但龍宮上的這些石塊不可能是撞擊濺射物,因為長於 20 米的石塊實在太多了(最大的一塊長度約 160 米),龍宮上最大的撞擊坑(直徑約 290 米的浦島坑)也不可能產生這麼大的石塊。

因此,龍宮很可能是一顆直徑約 100 公里的母天體被完全撞碎之後,碎片重新聚集形成的,而龍宮上的這些大石塊也不是龍宮形成之後才產生的,更可能是組成龍宮的原始碎片。

「陀螺」是怎麼形成的?

其實,陀螺狀的近地小行星倒也談不上罕見,天文學家們已經通過地基雷達發現過一些。畢竟,自轉引起的離心作用可以讓赤道區域產生一定的隆起,這也不奇怪(咱們的地球不也是「兩極稍扁,赤道略鼓」麼)。

自轉週期短達 3.9 個小時的妊神星,就因為巨大的離心作用被整個「拉」扁了…快速旋轉的妊神星的假想圖,看得我都暈……來源:Wikimedia Commons

但是,相比於目前已知的其他陀螺狀的小行星,龍宮的自轉速度似乎太低了(7.63 小時),按理說,這樣的自轉速度似乎並不足以引起這麼明顯的赤道隆起。

JAXA 隼鳥 2 號探訪的龍宮,NASA冥王號探訪的貝努,以及歐空局曾經的小行星採樣返回計畫 MarcoPolo-R 想要造訪的小行星 2008 EV5 的大小、形狀和自轉週期,相比之下龍宮實在是轉得太慢了。圖片來源:JAXA、NASA

那麼,一個很自然的猜測就是:龍宮過去一定轉得很快,是後來減速到現在的自轉狀態的。

為了證實這一點,隼鳥2號團隊分析了不同自轉速率下龍宮表面坡度(表面法線和重力等位面的夾角)的分佈。來源:參考文獻[1]
結果反映出,當龍宮的自轉速率是現在的兩倍多的時候,龍宮上會發生大規模「坍塌」,大量物質「流」向赤道區域,形成現在環繞赤道一圈的龍王山脊。然後,隨著自轉的減慢,如今的龍宮赤道上的物質也正重新「流」向中高緯區域。

有點「乾旱」的「龍宮」

「龍宮」這個名字來源於日本民間故事《浦島太郎》(うらしまたろう),故事裡的浦島太郎被海龜帶往海底龍宮,在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待,回到人間的時候帶回了一個寶盒——寓意採樣返回的隼鳥 2 號也能從小行星帶回珍貴的信息。這個名字的另一個意義在於,C型(碳質)小行星中有幾個亞類可能含富含水,這也非常符合「海底龍宮」的意味。

ポプラ出版社(2018/3/6)童書《浦島太郎》的封面

那龍宮到底是不是這樣呢?隼鳥 2 號的另一件寶貝——近紅外光譜儀(NIRS3)告訴我們好像並不是。

近紅外光譜儀的內部結構。來源:JAXA[5]
如果某個區域含有某種物質成分,那麼這個區域的反射光被光譜儀「分解」之後,就可能顯示出這種成分對應的 V型的特徵吸收。也就是說,光譜儀可以識別許多物質的「指紋」。

龍宮攜帶的近紅外光譜儀 NIRS3 覆蓋了 1.8-3.2 微米的波段範圍,在這個範圍裡,三種不同形式的水:羥基(OH)、液態水和水冰會體現出不同的吸收特徵——如果龍宮含水,就應該會被檢測到。

(左)羥基(OH)、水和水冰在3μm(3000 nm)附近有不同波段有不同的吸收特徵示例。來源:參考文獻[7](右)龍宮的近紅外波段光譜特徵。來源:參考文獻[2]

NIRS3 的結果顯示,龍宮只在 2.72 微米處探測到了很窄的 V型吸收,而且遍佈全球——這是羥基(OH)的吸收特徵。也就是說,含羥基的礦物(水合礦物)在龍宮表面普遍存在[2]。然而,龍宮上羥基的特徵吸收很微弱,說明整個龍宮表面的羥基都不多——龍宮上雖然有水(羥基可以認為是結構水,但不同于液態水和水冰),但也沒有多少水。

為什麼會有這麼少的水呢?可能的原因有很多。

  • 一種可能性是,龍宮本身作為一顆重組的亂石堆,很可能經歷過一些熱變質或者衝擊變質過程,類似於經歷過這些的碳質球粒隕石,那麼自然地,龍宮在這個過程中被加熱脫水了。
  • 另一種可能是,龍宮曾經的軌道近日點比現在離太陽更近,會受到更強的來自太陽的熱輻射,也會因為更強的太陽風作用而導致羥基的分崩離析。

總之,就是龍宮可能曾經有過很多水,然後水沒了。

另一種可能是,龍宮可能原本就沒有很多水:龍宮的母體小行星上就(因為種種原因)沒有很多水,所以龍宮先天缺水。隼鳥 2 號專案組更傾向於這種情況。

鄉關何處?

至於龍宮原本來自哪裡?它的母體小行星是什麼樣的?我們依然可以通過光譜特徵這把「指紋鑰匙」來推測,或者簡單來說,尋找什麼樣的小天體和龍宮更像。

以目前龍宮的光譜形態來看,和龍宮光譜特徵最相似的小行星是兩顆主帶小行星:波蘭星(Polana)和歐拉莉婭(Eulalia),從軌道特徵來看,龍宮也很可能是這兩顆小行星之一的碎片。

龍宮和波蘭星(Polana)、歐拉莉婭(Eulalia)的反射光譜。來源:參考文獻[3]
事實上,這兩顆小行星並不是「單打獨鬥」的,它們各自有一個龐大的家族——也就是說一系列軌道特徵相似,可能來自同一顆小行星母體的族群——波蘭星族(Polana family)和歐拉莉婭星族(Eulalia family)(歐拉莉婭星族本身也是波蘭星族的一個分支)。

也就是說,龍宮可能並不直接來源於這兩顆小行星之一的碎片,而可能是它們的二代、三代甚至 n 代碎片。

龍宮的坎坷一生

在隼鳥 2 號抽絲剝繭地偵查之下,龍宮歷經坎坷的一生逐漸浮出水面。

龍宮的母體小行星或許原本是有水的,但後來因為自身內部的放射性物質衰減加熱,或者因為隕石撞擊加熱,讓很大一部分水散失了。也或許是因為母體小行星的水蝕過程才剛剛開始,還沒有形成很多水。

總之,這顆略有點「乾旱」的母體小行星被另一顆飛來的撞擊體完全撞碎,這是太陽系中稀鬆平常的「慘劇」之一。

在這毀滅之中,也孕育著新生──那些撞擊產生的碎片,又聚集成了一個個新的小行星族群。因為碎片在這個撞擊和重組過程中,除了因為撞擊產生的有限的熱變質之外,並沒有發生很大的化學變化,所以它們幾乎還保留著來自母代小行星的「指紋」。

龍宮或許就是這樣的一顆小行星。又或許,那些子代小行星族群中的一顆,又再次被一顆飛來的撞擊體完全擊碎,這些碎片再次重組,成為了龍宮。

龍宮可能的形成過程。來源:參考文獻[3]
我們並不知道龍宮的一生,經歷了多少次俄羅斯套娃式的毀滅和重生。龍宮的這段歷史,也是建立在無數「可能」之上的推測——隨著隼鳥 2 號的進一步探索,我們一定會得到一段更加清晰的歷史,或許和現在的猜測非常不同。

但龍宮這樣的小行星,一定經歷過毀滅和新生交織的「坎坷人生」,或許也註定在某一次撞擊中被完全毀滅。

只是剛剛好在這樣一個時刻,龍宮也在,我們也在,然後我們看到了龍宮。

參考文獻:

  1. S. Watanabe, et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science (2019).
  2. K. Kitazato et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science (2019).
  3. S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science (2019).
  4. Hayabusa2 has detected Ryugu
  5. Hayabusa2 Science Data Archives
  6. P. Vernazza, et al. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
  7. C. Pieters, et al. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

 

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果殼網_96
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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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