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登月不只是登月: 阿波羅計畫的科學貢獻

屋頂上的天文學家
・2019/11/09 ・1172字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

2019 年 7 月 20 日是人類登陸月球 50 週年,大部分的眼光都集中在人類在另一個星球留下腳印這件事,不過阿波羅計畫其實包括了許多科學實驗,讓我們對地球最近的鄰居,有更清楚、正確的認識。

阿波羅太空人在月球上不只是留下腳印而已,他們還對月球研究做了許多貢獻。影像來源NASA。

月球怎麼來的?

數千年來,月亮一直是墨人騷客創作的題材,不過我們對月球起源的了解,卻是最近一、兩百年的事。

1898 年喬治·達爾文(George Darwin)提出「分裂說」,他認為月球是地球愈轉愈快,地球受離心力的作用下分裂、甩出來的。分裂說提出後廣受歡迎,甚至被編入美國中學教科書裡。但是分裂說有一個缺點,它無法解釋為何地球會愈轉愈快,而且快到把一部分的物質甩出來。一般的情況下,天體的自轉速度不會有太大的變化,除非受到外力的影響。

1950 年代時另一個月球起源的學說「撞擊說」被提出,這個理論認為地球早期受一顆火星般大的天體劇烈撞擊,撞擊後的物質從地球表面飛濺到地球軌道,這些地球軌道上的物質在重力作用下凝聚形成月球。

阿波羅太空人採集月球土壤和岩石,帶回地球後,科學家分析月球氧同位素比例,發現月球氧同位素比例和地球表面上一樣。這項證據支持撞擊說,因為劇烈撞擊會把撞擊天體和地球表面物質混合,這會讓月球和地球氧的同位素比例非常接近。撞擊說是目前最被科學家接受的月球形成學說。

我們與月的距離

月球是離我們最近的天體,即使如此,我們也不能用尺來量測月球與地球的距離。最精準的量測方法是用雷射,從地球上打一道雷射光到月球,雷射光被月球反射後再回到地球的接收站,只要量測雷射光從發射、反射到接受的時間,把這個時間的一半乘上光速,就可以得到準確的地月距離。

這個原理簡單的方法實際上並不簡單,因為月球表面的反射率不高,無法把地球發射的雷射光有效地反射回地球。這個方法要等到阿波羅太空人把反射鏡送上月球表面後才能真正運作。科學家長期量測地球與月球距離後,發現月球以每年 3.8 公分的速度遠離地球,這是地球和月球之間潮汐力相互作用的結果。

阿波羅太空人在月球上留下的用來反射雷射光的儀器。影像來源:NASA。

月球上也有地震!?

阿波羅太空人攜帶一些科學儀器到月球,其中比較比較著名的是月震儀。月震儀和地球上的地震儀相似,只是月震儀用來量測月球上的地震。

月震儀除了量測月球的地震外,還可以用月震來研究月球內部的構造。科學家透過月震儀發現月球有一個核心,地殼和核心之間有地函。

太空人艾德林在月球上放置月震儀。影像來源:NASA。

最近(2019年5月)科學家用舊有的阿波羅月震儀資料做新的分析,他們發現有一些月震發生在斷層附近,這個斷層可能是月球冷卻收縮的結果,這項結果顯示月球目前依舊有地殼活動的現象!

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屋頂上的天文學家
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屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好! 歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!


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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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