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一起來見證奇蹟吧!新視野號的冥王星任務圓滿達成——《冥王星任務》序(下)

時報出版_96
・2019/05/27 ・1634字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

故事的起源

我們兩人結識在二十五年前,當時這故事才剛開始不久,而這一路上,一系列不可思議的事件開展,我們也為此嘆為觀止。我們在人生道路上一起前進,也一起見證了新視野號從核准、建造然後奔向太陽系邊界中的每一場奮鬥。

冥王星上的諾蓋山脈(左側前景)、希拉蕊山脈(左側天際線)以及史波尼克高原(右側)的景象 。圖/wikipedia

在接下來的篇章中,我們會嘗試融合兩人的聲音,我們會試著集中兩人的視角,讓大家身歷其境,體驗這場冥王星之旅的醞釀、實踐與開花結果──讓人類對太陽系行星偵測完成大滿貫的劃時代之旅。

這本書的核心內容,出自於我們兩人之間一長串的電話對談。曾經有長達一年半的時間,我們會每個星期六早上通電話,回溯新視野號的冒險史詩。透過電話,艾倫會對大衛講述他記憶中的新視野號計畫,乃至於計畫所有的前身與階段。以談話逐字稿做為材料,大衛寫成了多數章節的初稿。初稿經過我們之間來來回回的編輯與改寫,故事就在去蕪存菁中慢慢浮現。

最後的成果:這本書集結了我們的雙重觀察,再輔以諸多關鍵人物的意見。不過整體來講,這還是一個從計畫指揮者艾倫眼中看到、並由大衛口中說出的故事。

出版成書

圖/af.mil

合寫這本書,有些挑戰必須克服。比方說除卻原文引用的段落,我們無法使用第一人稱,因為大衛是共同作者(所以像「聽到的事情令我不敢置信」這種寫法,就不能在書裡出現)。在艾倫是共同作者的書裡使用第三人稱,感覺固然有點怪(如「艾倫對聽到的事情感到不可置信」),但為求風格上的統一,我們還是選擇採取第三人稱來指涉艾倫。至於艾倫嘴裡吐出的話,就跟其他人的發言一樣,都會以第一人稱的引言呈現,而且通常會另立一段來與主文區隔。很多引言都出自我們合作初期,即在周六講長途電話的逐字稿。

現代的行星探險,是極其複雜的工作,而這類工作的成功,必然取決於眾多優秀人才的群策群力。在參與新視野號任務的人員當中,不乏某些人花費了幾十年的生命在夢想上、在策略的擬定上、在事務的計畫上、在太空船的建造上、在朝冥王星飛去的飛船駕駛上。

新視野號升空。圖/wikipedia

所以我們想說的是:為冥王星探險付出過心血的人之多,我們希望能提及的人如此之多,絕非本書篇幅所能乘載。我們對這一點深感遺憾,但為了把故事說好說清楚,即使難過,但也只能無奈地讓許多做出貢獻的人成為本書的遺珠。對於堅持控制適當篇幅一事,我們要對編輯們說聲感謝,謝謝他們讓新視野號的故事變得更好。

見證奇蹟

回顧一整個世代,新視野任務真的是一個異數──對未知世界的純然探索。放眼現在,我們也看不到像新視野號的任務在醞釀中,更不要說成真。

在即將開始的篇章中,我們會分享參與新視野號的工作是怎樣的一種經驗,畢竟這是人類太空探險史上最為人所熟知的一次計畫。探索冥王星的努力,背後是一個時而不可思議、時而令人膽戰心驚的故事,當中穿插著一道又一道意想不到的盲彎,一條又一條看似走不通的死路,還有許許多多的驚險一瞬間。這些點點滴滴,都讓新視野號成功看似奇蹟──但奇蹟就真的發生了。

現在就跟我們一起,去了解這一切是怎麼發生的吧。跟我們一起,去體驗身在其中是什麼感覺吧。

──艾倫.史登,科羅拉多州波德
──大衛.葛林史彭,華府
二○一八年一月

——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

文章難易度
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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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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