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意外發生!我們與新視野號太空船失聯了——《冥王星任務》引言(上)

時報出版_96
・2019/05/28 ・2237字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

關鍵時刻,意外發生

二○一五年七月四日,星期六的下午,航太總署的「新視野號」冥王星任務負責人艾倫.史登人在距離新視野號計畫任務控制中心不遠處的辦公室裡。他星期六也沒休息,但工作到一半,電話鈴聲突然響起。他不會不知道這天美國國慶放假,但對他來講,這天真正的意義是「飛掠冥王星前十天」。新視野號,這個他投入了前後十四年的飛行器任務,如今只剩十天就要達成目標,將要與人類探索過最遙遠的系內行星面對面。

圖/pixabay

那天下午,一如往常埋首公務的艾倫,正忙著籌畫飛越冥王星的各項事務。進入任務的最後衝刺階段,他已經習慣睡少工作多,但那天他又特別比平常更早起,半夜就進到了任務指揮中心。他趕這麼早,是為了把大量的電腦指示上傳給飛行器,這些都是新視野號即將飛掠冥王星時不可或缺的導航資料。這一大包待傳的指令資料,代表的是近十年的努力心血。而那天早晨,已經以無線電波送出這些指令,現正以光速在追趕新視野號。至於冥王星,新視野號不斷接近當中。

看了一眼響著的手機,艾倫對來電的人是葛倫.方騰(Glen Fountain)有點吃驚。葛倫長年擔任新視野號任務的計畫經理。艾倫對葛倫此時來電,心生一股寒意,因為他知道住附近的葛倫今天休假在家。葛倫不是應該為了即將到來的重頭戲養精蓄銳嗎?他這時打電話是所為何來?

無論如何,艾倫先接起了電話。「葛倫,怎麼了嗎?」

「我們跟太空船失聯了。」

艾倫回說:「我跟你約任務指揮中心,五分鐘後見。」說完艾倫掛上電話,在辦公桌前坐了幾秒鐘,驚魂未定的他搖了搖頭,直覺不可置信。計畫以外的失聯,是所有飛行器的大忌,對整整九年的航行都沒失聯過的新視野號來說,更是大忌中的大忌。眼看十天後就要飛抵冥王星,現在失聯會不會太要人命?

圖/wikimedia

他抓起隨身的東西,把頭伸進走廊盡頭、他原本要主持的會議中交代說:「我們跟太空船失聯了。」聽他這麼說,同仁們震撼地望著他。「我現在去任務指揮中心一趟,去多久很難講,但今天大概不會回來了。」他頂著馬里蘭州的酷暑步行去取車,然後在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)的校園裡開了半英里(約一點六公里),來到了新視野號的指揮重地。這裡,是馬里蘭州的勞瑞爾市。

最漫長的一段車程

這短短幾分鐘的車程,不啻是艾倫一輩子感覺最漫長的幾分鐘。他對團隊處理危機有絕對的信心:他們演習過不知道多少種突發狀況,這個危機或許別人無法處理,但新視野號團隊絕對沒有問題。但話說回來,他還是不免擔心起自己最不樂見的情形。

他不免想起了航太總署那命運多舛的火星觀察者號(Mars Observer)。一九九二年發射的火星觀察者號,也曾在它要抵達火星的三天前失聯。地球上使盡渾身解數想要重建通訊,但都沒有成功。航太總署後來判斷火星觀察者號的燃料艙破裂,進而導致整艘太空船陷入無法挽回的災難。用白話說就是,船在太空中炸了。

艾倫心想:「萬一真的失去新視野號,這個橫跨十四年的計畫,超過兩千五百位同仁的心血付出,就付諸流水了。我們對冥王星的了解絲毫沒有增進,而新視野號則會成為夢想破滅的代名詞。日後凡提到某件事功虧一簣,新視野號的形象就會浮現眾人眼前。」

嘗試連線

艾倫一抵達偌大、幾乎沒有對外窗的辦公大樓,也就是任務指揮中心的所在地,他首先停好車,把負面的念頭統統轟出腦袋,然後便進門開始幹活。新視野號的任務指揮中心,完全符合一般人對於太空飛行器控制中心的想像。只要你看過《阿波羅十三號》或其他的太空電影,你就知道那是一幅什麼樣的光景:發著光的巨型投影銀幕牆,是室內最搶眼的陳設,至於橫在銀幕牆前的控制台,則是一排接著一排、正常大小的電腦螢幕。

新視野號於 2015 年 7 月 14 日掠過冥王星時的飛行路徑。圖/wikipedia

在前往過去曾是太陽系第九顆行星的漫漫九年裡,新視野號的無線電是一種生命線般的存在。因為有了這條連結,團隊才得以聯繫飛船、控制飛船,另外要讀取飛船的狀態、接收飛船得到的觀測數據,也都得經由這條連線。隨著新視野號朝太陽系的外圍愈飛愈遠,通訊的時間延誤也愈來愈久。到了這最後關頭,地球與新視野的通聯已經要九小時才能一來一回,這是用光速行進需要的時間。

為了保持與地球的聯繫,新視野號跟所有長程無人太空船一樣,都倚賴一種幾乎不為人所知、當然也得不到稱頌的行星探險神器:航太總署的「深空網路」(Deep Space Network)。這是一個由三組巨型碟型天線集成、三位一體的無線電網,三處天線集成分別位於美國加州金石、西班牙馬德里,以及南半球澳洲的坎培拉。這三處的碟型天線完美無瑕地進行接力,擔下與飛船通訊的重責大任。因為地球會每二十四小時自轉一周,因此這三處選址才刻意散布在世界三大洲。不論飛船位於深邃太空的任何角落,總有一處天線可以對準訊號的來源。

但如今……深空網路聯繫不上他們極其珍貴的資產,新視野號。

——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3032字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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