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從太空往下看!我們生活的地球究竟長怎樣呢?——《俯視藍色星球》中

PanSci_96
・2019/07/16 ・2888字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 463 ・五年級

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在太空中拍下地球與恆星的風景

42 號遠征過了兩週之後,我開始明白一件事:我非常喜歡在太空中拍照。

我已經慶祝過感恩節和我的生日,也適應了長期太空飛行的日常生活。在地球上每次遇到節日,我都會拍很多照片,但在太空的情況不一樣。我拍的不是家人和朋友,而是太空站窗外不斷變化的地球和恆星的風景。

有太多事情要學了!在地球上拍照時,像構圖、對焦、曝光和 ISO 等技術上的東西都很容易掌握,但是在太空中,這一切基本動作都要重新學起。在太空中對焦是再重要不過的事,尤其是拍夜景的時候。焦點只要稍微跑掉一點,整張照片就毀了,沒有失誤的空間。

在某些曝光條件下,使用手動設定比我們大多數人在地球上最常用的自動模式來得好,因為地球的反光很強,與全然黑暗的太空形成很大的反差,必須慢慢摸索如何得到最佳曝光。但這個學習主題實在很有趣,也沒有比太空站更棒的教室了。

我拍攝的照片有很高的多樣性,我自己都很意外。有白天用廣角鏡頭拍攝的地表上方大氣層的細弧線,用望遠鏡頭拍攝的城市和地標,夜晚的極光,城市燈光,日出和月升的畫面,這些都需要用到不同的相機設定和鏡頭。我也嘗試了以前沒用過的拍法:可以連續播放變成短片的縮時攝影。

這個畫面攝於巴基斯坦上空。即使是巨大的喜馬拉雅山,比起中國的沙漠和印度的叢林似乎都相形渺小。圖/大石出版提供

太空攝影師能拍的主題是無與倫比的,但要把這些影像完美捕捉下來,牽涉到藝術的部分比科學多得多,我還有很多東西要學。

我一直在想一個問題:我要怎麼和地球上的人分享這些精采的影像?

這些照片、縮時攝影和影片中有這麼多有意思的內容,可以帶回給地球上每一個人看。有數以百萬計的人都對我們在做的事情很感興趣,在社群媒體開始流行以前(我第一次太空飛行時都還沒有),我們沒有簡單的管道可以向大家展示太空船上發生的事。在 NASA 的協助下,我在推特和 Instagram 上開了帳號。

要從太空發文不是很容易,但我們找到了解決方法。太空站上的網路連線是斷斷續續的,連上的時候速度也很慢,我很難登入然後直接發文。所以我通常是把照片連同一段短圖說,用電子郵件寄給地球上太空人辦公室的專員,他再用我的帳號發文。這樣做之後,我才總算能夠開始大量分享我的太空任務實況。

中國西北部新疆地區的鳥瞰畫面。圖/大石出版提供

在太空怎麼送出驚喜

太空假期中最難做到的事情之一就是購物。所謂的難,其實應該叫做不可能,因為根本沒辦法真的做這件事。太空中也沒有快遞可以服務像我這種總是拖到最後一刻才要採買的人。基本上,你只能在升空前先想好要給同事的禮物,要不然就得在太空中即興發揮。

我肯定是屬於第二種人。在準備同事的生日禮物和耶誕禮物這方面,我承認我很失敗。我從我收到的愛心包裹裡拿了一些零食,如牛肉乾和巧克力,和一些特別的衣服,像 T 恤或短褲,用這些東西拼湊成一份禮物。但有些太空站的同事真的很懂得送禮。俄羅斯太空人就送了我們很特別的小禮物。我收到一支口琴,這輩子從來沒吹過,但學起來很好玩。

最棒的禮物是莎曼珊的男朋友里奧內.費拉送的。他請人把幾尊特別訂作的樂高太空人送到太空站來──我的那一尊真的很像我!

根據我的樣子設計的樂高太空人。這是莎曼珊.克利斯托孚瑞提的男朋友里奧內.費拉訂做的特別禮物,送上太空來給我們。圖/大石出版提供

莎曼珊生日時,他請一位歐洲最好的廚師準備一頓冷凍乾燥大餐,送上來給莎曼珊,自己也在地球上訂了一份一模一樣的餐點,所以在她生日當天他們可以一起吃同樣的一餐。莎曼珊有點緊張,對這件事一直保密。她不想讓大家知道她有個這麼體貼、這麼棒的法國男友,何況他的女朋友還不在地球上!

如果耶誕節是你最愛的節日,我建議你和俄羅斯太空人一起進行太空任務,因為 12 月 25日之後的幾個星期就是東正教耶誕節,所以你可以過兩次耶誕節。我在星城(Star City,位於莫斯科郊區)歷史悠久的俄羅斯太空飛行訓練中心受訓時,第一次知道俄羅斯東正教的信仰。從尤里.加蓋林開始,所有的俄羅斯太空人都在星城受訓。這裡有一座美麗的新教堂,與冰冷的蘇聯時代公寓和訓練中心建築形成鮮明的對比。東正教的伊沃夫神父(Father Iov)就在這個基地擔任類似牧師的角色。這位開朗的男子留著大鬍子,胖嘟嘟的,脾氣溫和,完全就是耶誕老人的完美替身。

1 月 7 日,我們在國際太空站上慶祝東正教耶誕節時,伊沃夫神父帶著一群神父從附近的塞吉耶夫鎮(Sergiev Posad)修道院到了莫斯科任務控制中心,我們通過與地面的視訊電話享受了一場音樂會。我們全體人員一起向筆記型電腦螢幕揮手,有些太空人的家屬也和神父在控制中心齊聚一堂,神父用無伴奏合唱的方式唱著傳統的讚美詩。

光影和型態變幻莫測的雲

雪不是我看到地球上唯一的白。雲也是白的。從我在太空的第一天起,一直到第 200 天,我都對光影和型態變幻莫測的雲深深著迷。如果說地球的每一區都有一種顏色,那麼每一區的雲也都有自己的型態。到後來,我只要瞄一眼下面雲層的形狀,就知道我們是在地球哪個位置的上空。

這種海洋與雲層的景象雖然常見,但有了日落時分的陽光反射和陰影,顯得特別美麗。畫面上還看得到地球大氣層薄薄的藍色光輝。圖/大石出版提供

我見過最有趣的天氣現象之一,是在大西洋最東南角的非洲納米比亞外海。納米比沙漠是地球上最乾燥的地方之一,可以看到許多超過 300 公尺高的驚人沙丘。其實,我第一次從太空中看到這些沙丘的時候,只是覺得哇塞,這些沙丘還真大,渾然不知這正是地球上最大的沙丘。每次我往這片荒蕪大地的沿岸海域看去,都會看見一種特定的天氣結構:一層在大西洋上空綿延數百公里的低矮薄雲,顯然從來沒有給那片乾燥的沙漠帶來一滴水。

世界另一頭的太平洋也有自己的一層白。我看到連綿數千公里的開闊藍色海洋,上頭點綴著蓬鬆的雲朵。太平洋的中央區域看起來很平和,通常沒有什麼暴風。白天飛越太平洋時,我最喜歡的時刻是黃昏和黎明,特別是西南太平洋,這裡可以看到巨大的雷爆往上延伸到平流層,有時甚至遠高於 1 萬 5000 公尺,在地球表面投下數百公里的影子。

有一次,我在太平洋上一個不知名的島嶼上空時,想到那些此時此刻正在經歷暴風雨、閃電和狂風的島民,而我正從上方看著這一切。只是從外太空我可以用整個星球的角度來看這件事,那只是地球巨大表面上的一個小點而已。

這給了我一個深刻的啟示──我們在日常的水深火熱之中,通常察覺不到還有一個更大的整體。

 

 

 

——本文摘自《俯視藍色星球:一位 NASA 太空人的 400 公里高空攝影紀實》,2019 年 4 月,大石國際文化出版

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準備出國啦!Surfshark VPN 快趁黑五買起來,上網購物最安心
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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從昆蟲的習性可以預測天氣?敢有影(kám ū-iánn)?——《取得身邊的天氣密碼》
晨星出版
・2022/11/13 ・1501字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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溫度對昆蟲至關重要,因此昆蟲會對溫度產生反應。

有一個普遍的通則:炎炎夏日中,你會先看到大昆蟲,接著見到小昆蟲,最後又再一次碰到大昆蟲。昆蟲愈大,愈能忍受低溫、對高溫愈難耐;因此大昆蟲喜歡在一天的清晨或傍晚的涼爽期間出現,中午的活動力較低;小昆蟲較不耐低溫,會在環境變暖時才現蹤。

夏日裡能常看到昆蟲。圖/Pexels

昆蟲與氣溫密不可分

蘇格蘭高地的糠蚊(Ceratopogonidae)總是令人難受,但可以利用牠們對溫度的敏感度對付牠們。糠蚊蓬勃生長的溫度帶相當狹窄,介於不冷也不熱的溫度之間,因此只要你往上爬/向下走,溫度會上升/下降至牠們的舒適圈之外,就能擺脫牠們。

蟋蟀代表了溫暖的氣溫是眾所皆知的事,此外,蟋蟀的聲音頻率與溫度有直接關係。雖然因不同物種而異,但蟋蟀溫度計主要的規則是,在攝氏十三度的環境裡,蟋蟀每秒鐘叫一聲,且此頻率會隨著溫度上升而增加。

在夏天,天氣溫煦、潮溼且微風徐徐,飛蟻會成群結隊地移動。牠們結伴飛過天空,數量多到人們相信「飛蟻日」的存在,飛蟻日說的正是飛蟻同時在全國各地現蹤的日子。不過,正如我們所知,陸地上的微氣候變化甚大,因此知道飛蟻日是個迷思也不該為之震驚,只是某幾個區域的條件正巧在那幾日適合飛蟻出巡。倘若你遇見一大群飛蟻,牠們捎來的訊息是,現在的氣溫大約攝氏十三度,風速低於每秒六公尺。

螞蟻藏著天氣機密?

據某些傳說所言,螞蟻直線移動代表壞天氣即將到來,但我未觀察過也沒有科學理論能佐證這點。

更有趣的是,澳洲原住民有一個習俗,說螞蟻在蟻窩周遭蓋高牆表示大雨將至,西方也有相同的俗諺。之前的章節提過太平洋諸島的居民發現小火蟻(red ant)會在風雨來襲前堵住巢穴,天氣晴朗時則大敞家門,這在西方諺語裡也提過。我還沒觀察到這個現象,但出現在廣泛的文化圈,甚至是兩個信仰社會尚未接觸的時間點就已發展出這種說法,說它沒有參考價值還真不為人所信。

許多科學研究能支持螞蟻對溼度敏銳的觀點:研究人員曾觀察到編織蟻(weaver ant)在熱帶風暴來臨前織網。

編織蟻(Oecophylla),英文稱之為Weaver Ant和Green Ant。圖/維基百科

其他物種裡,螞蟻、白蟻丘的排列和太陽脫不了關係。澳洲北部,羅盤白蟻(Amitermesmeridionalis)建造了指向北邊的蟻丘而為人所知;蟻丘細細的部分指著中午的日頭,寬闊的部分則指向清晨與向晚的太陽,這有助於調整蟻窩的溫度。

世界上有超過一萬三千種獲得命名的螞蟻物種,牠們都擁有各自的習性,我們要多關注近身物種的行為。

我時常運用一些螞蟻的方式,它們比起天氣更接近自然導航,不過兩者間有許多重疊的部分。在英國,排水性佳的草地經常可見黃土蟻(Yellow meadow ant)的身影,我家附近的白堊山丘就有很多。黃土蟻呈暗黃色,牠們的蟻窩比螞蟻本身有用多了;黃土蟻會將蟻窩向上堆到 0.5 公尺高,較為平坦的那一面通常面向東南邊,可以充當太陽能板,在涼爽的早晨收集太陽的熱量。

——本文摘自《解讀身邊的天氣密碼》,2022 年 10 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

晨星出版
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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

Tiger Hsiao_96
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現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。