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第一位拍下太空彩色照片的太空人:約翰・葛倫 ——《重返阿波羅》

PanSci_96
・2019/08/16 ・1639字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 470 ・五年級

太空人約翰・葛倫與相機的相遇

約翰・葛倫。圖/Wiki

1962 年冬天,水星任務太空人約翰・葛倫在一間藥房買了一部安斯可全自動(Ansco Autoset)相機。儘管這部相機出身平凡,卻成了葛倫的得力助手,拍下了第一張人類從太空中拍攝的彩色照片。

時間:1962 年 製造者:美能達(Minolta) 來源:日本和美國 材料:金屬、玻璃、水晶、塑膠、魔鬼氈 尺寸:13.5 × 7.5 × 24.5 公分。約翰·葛倫使用Minolta的底片相機。圖/Smithsonian National Air and Space Museum 

一開始,葛倫的軌道任務並不包括拍照。飛行任務中指定使用的相機,是為了科學研究而配置,不是為任務做記錄,而且 NASA 認為,太空人拍照會干擾水星計畫的工程學目標。在美國第一次載人太空飛行時,並沒有手持相機的選項,尤其艾倫・薛帕德的自由 7 號太空艙根本沒有為飛行員設計的窗戶。

雖然到了水星任務的第二位飛行員高斯・格里森時,NASA 為他的自由鐘 7 號(Liberty Bell 7)安裝了一面梯形的窗戶,他的任務還是不包括攝影。但是葛倫相信,把太空飛行的冒險和世界分享是非常重要的,而且照片「有助於為看照片的人轉譯太空人的經驗」。

工程師改造現成相機,讓使用者即使穿著厚重的太空衣也可以操作。

他向休士頓的載人太空飛行中心(Manned Spaceflight Center),也就是後來的詹森太空中心(Johnson Space Center)主任羅伯特・吉爾魯斯(Robert Gilruth)提出請求,後來得到允許。

任務之前,葛倫去佛羅里達州的可可海灘(Cocoa Beach)理髮,之後在附近的藥房看到一部相機,他進去把相機拿起來看,注意到它有全自動曝光功能, 表示使用時不需調整相機,可以為短暫的任務省下珍貴的時間和專注力。這部相機除了當時最先進的功能,還有簡單、易於使用的設計。他花了 45 美元買下這部相機,帶回 NASA。

約翰・葛倫乘著友誼7號於地球軌道飛行時,使用安斯可相機拍下了佛羅里達海岸。

「一天之中看到四次美麗的日落,那真是無可言喻的感覺。」

──約翰・葛倫(JohnGlenn),在友誼7號飛行之後

相機的改良

因為葛倫必須穿太空衣飛行,會有厚厚的手套和魚缸型的頭盔,因此相機必須適當改造。美國無線電公司(RCA) 的一位承包人,綽號「紅」的羅蘭・威廉斯(Roland “Red” Williams)很快製作出槍把式控制握柄,把相機上下顛倒, 讓握柄和相機的過片桿和曝光鈕相連。

這個握柄讓葛倫用一隻手就可以拿相機拍照。然後威廉斯又在新的相機「頂上」加裝了拍立得(Polaroid)的觀景窗,讓葛倫拍攝地球時不受頭盔影響。

1962 年 2 月 20 日,約翰・葛倫乘著巨大的擎天神號(Atlas)火箭進入地球軌道,同時帶著安斯可和另一部徠卡(Leica)相機。他成為繼其他水星任務夥伴的次軌道飛行後,第一個在地球軌道上飛行的美國人。

約翰·葛倫使用的另一台Leica底片機。圖/Smithsonian National Air and Space Museum 

葛倫用安斯卡相機作為白天或拍攝地平線景觀的傻瓜相機,而徠卡相機則安裝了光譜鏡片,用來拍攝獵物座的紫外線影像。在微重力環境中,安斯卡相機運作得相當成功。葛倫後來回憶:「我需要用到兩隻手時, 就放開相機,讓它飄浮在我面前。」

雖然葛倫的照片傳遍世界各地,卻沒有達到後來阿波羅任務太空人照片的標誌性地位。要等很多年後,NASA 才開始重視太空影像的大眾傳播。因為NASA 官員把攝影視為工程記錄和科學研究的手段,所以遲遲沒有把照片視為早期飛行計畫的重要部分。

約翰・葛倫拍下的太平洋。

 

本文摘自 大石國際文化重返阿波羅

 

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譜一張赫羅圖,算出星團中的「人口」及演化——天文學中的距離(三)

CASE PRESS_96
・2021/10/15 ・3259字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

視差主要量測鄰近恆星的距離,想要量測得更遠就需要靠別的方法。在銀河系裡面有許多的恆星,有時會各自群聚為「星團(star cluster)」,就像是一個個村落。我們對這些村落進行「人口普查」,藉由它們的顏色與亮度來找出它們的距離。

M44 鬼宿星團(又稱蜂巢星團),是位於巨蟹座的疏散星團。圖/維基百科

遠看?近看?亮度不同!

在我們《天有多大?宇宙中的距離》系列的前一篇文章中,我們介紹了「視差」。利用在太陽兩端觀測到的天體位置差異,我們得以精確量測最遠一萬光年左右的明亮恆星距離。

可是光是銀河系大小就超過十萬光年,遙遠的恆星以現在的技術根本看不出位置差異、無法使用視差法,更不用說銀河系以外還有那麼多的天體了。我們還有什麼方法來量測距離呢?

在開始實際了解作法之前,讓我們先來想像一下:「有個人在夜裡手裡拿著一支蠟燭,站在你的面前,接著愈走愈遠、愈走愈遠…」那支蠟燭的亮度看起來會有什麼樣的變化?

如果你不感到害怕的話,應該可以想像:「蠟燭的亮光看起來會愈變愈暗」對吧!

從物理的角度來看,由於蠟燭發出來的光會朝四面八方射出去。距離蠟燭愈遠,蠟燭照射的面積就愈大,所以看到亮光就變暗了。可以想像,我們看到的亮度會與照射的面積成反比,也因此與距離的平方成反比(圖 1)。

圖 1:光源照射出的亮度與照射面積成反比,也因此與距離的平方成反比。圖/參考資料 2

接下來換個情景,想像一下一個人站在一座路燈旁,遠方也有另一盞一樣的路燈。如果這兩座路燈的工程品質夠好的話,我們可以假設這兩座路燈發的光本來是一樣多的。

旁邊的路燈看起來比較亮,遠方的路燈看起來比較暗。比較近的路燈要量測到距離相對簡單且精準。這樣一來,就可以利用兩盞路燈的亮度與其中一盞路燈的距離,換算出另外一盞路燈的距離啦。

我們也可以利用類似的方法來找去宇宙遙遠天體的距離,在宇宙中的天體發射出來的光,大多都是朝四面八方射出去,因此看到的亮度就跟這個球的表面積成反比、與觀測的距離成平方反比。我們利用鄰近天體、遙遠天體的亮度,搭配鄰近天體的距離,找到遙遠天體的距離。

接下來,我們就來實際認識一個用這種方法來計算距離的例子吧!

銀河系內星團的距離:人口普查

在對一些住得比較近的恆星進行「人口普查」之後,我們對於恆星的性質有了一定的理解。我們可以觀察恆星的顏色,量測出亮度,再依照它們的距離將亮度換算成光度,接著把恆星們「光度對顏色」的分布圖畫出來,這個圖被稱為「赫羅圖(Hertzsprung–Russell diagram或H–R diagram)」(圖 2)。從這個圖當中,可以研究出很多恆星的資訊。

比方說,我們發現在赫羅圖上,大多數的恆星會分布在一條帶狀區域上。這條帶狀區域稱為「主序星帶」。恆星絕大多數的生命時光,就是從在赫羅圖上的主序星帶一端移動到另外一端。我們可以從途中看出,恆星在它的演化之路上,會漸漸地從高溫、高光度,變成低溫、低光度。以觀測的角度來說,就是從「很亮的藍白色」,變成「很暗的紅色」(見圖 2)。

圖 2:赫羅圖範例。橫軸是溫度,愈左方溫度愈高。愈上方看起來愈亮。每一個點都是一顆星。點的顏色就代表這些星看起來的顏色。可以看出有一條明顯的帶狀區域從右下角往左上角延伸,就是主序星帶。恆星主要的生命會從這個主序星帶的右下角慢慢演化成左上角的樣貌。圖/參考資料 3

也就是說,我們能從「恆星的顏色」來推知「恆星的光度」。如果我們可以清楚量測出一顆恆星的顏色,就能夠猜出它們的光度,進而計算出它們的距離。雖然這個方法跟視差一點關係也沒有,但這個方法卻被稱為分光視差(Spectroscopic Parallax)。

不過要將這個方法用在單一顆恆星會有很多的不確定性。比方說,之所以叫做主序星「帶」,就是因為它不是一條「線」。即便是在同一個顏色,它的光度會有一個不算小的範圍。

所以比起單純用來找出一顆恆星的距離,這個方法更常被用來找出一整團恆星的距離。這個方法稱為「主序星擬合(Main Sequence Fitting)」。

在銀河系裡面有許多的恆星,這些恆星並不是完全隨機分布的,有時會各自群聚為「星團(star cluster)」。把每一顆恆星都想成一個人的話,銀河系就是有著一千億人口的國家(人口很多也沒關係,反正土地也很大)。而星團就是國家裡的村落。有的村落具有一定的規模,可能有上百萬顆星。也有些村落比較小巧,可能只有幾百顆星。

「主序星擬合(Main Sequence Fitting)」比較兩個村落的亮度,其中一個我們知道距離,另外一個的距離則是我們的目標。利用已知的距離,來得出未知的距離。

首先我們可以觀察銀河系內比較近、可以靠其他方法找出距離的星團。把星團裡的恆星「亮度對顏色」分布圖畫出來,可以找到一條主序星帶。

接著我們觀察未知距離的遙遠星團,一樣能從「亮度對顏色」分布圖中看到一條主序星帶。這兩條主序星帶由於星團的距離不同,亮度就會不一樣(範例見圖3)。比較這兩條主序星帶的亮度,就能換算出遙遠星團的成距離。

圖 3:距離不同的星團中主序星帶的差別。藍色點是畢宿星團(Hyades),紅色點是昴宿星團(Pleiades)中的恆星。每一個點都是一個恆星。橫軸是顏色,縱軸則是亮度。由於畢宿星團比較近,因此畢宿星團的主序星帶亮度比較亮、昴宿星團的主序星帶亮度比較低。從它們之間的亮度差別可以換算出距離的差別。圖/參考資料 4

過去常用來作為參考的星團是「畢宿星團(Hyades)」與「昴宿星團(Pleiades)」(圖 4)。畢宿星團是距離地球最近的星團,只有 151 光年,昴宿星團稍微遠一點點,大約 440 光年。這種距離下星團中的恆星距離可以用視差非常精準的量測。

圖 4:畢宿星團(左)、昴宿星團(右)。圖/參考資料 5、6

不過畢宿星團的缺點也是有的,畢竟主序星擬合之所以成立是建立在一個假設之上:「所有星團的主序星帶亮度都一樣」,然而這個假設是不一定成立的。我們已經發現,不同年齡的星團它們的主序星會長的不太一樣。

以畢宿星團來說,它是個相較之下年老的星團,大約6億年左右。如果要用它來找年輕星團的距離,就好像要拿開發中國家來和已開發國家比較一樣,總是會有些不公平。另外每個國家其實也都有著自己的特色,讓這個方法總是有潛在的偏差。

主序星擬合是「宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)」很重要的一步。藉由假設主序星的性質一致,我們找到了銀河系內遙遠星團的距離。然而主序星擬合的極限還是離不開銀河系。

在下一篇中,我們將帶大家認識量測研究銀河系外星系距離最重要的角色:「造父變星」,並介紹一位偉大的天文學家亨麗愛塔‧勒維特(Henrietta Swan Leavitt)的故事。

參考資料

  1. Pixabay / spirit111
  2. Encyclopædia Britannica, Inc.
  3. wiki / Hertzsprung–Russell diagram
  4. ESO / CAS 2003
  5. ESA Hubble / Overview of the Hyades star cluster (ground-based image)
  6. wiki / Pleiades


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」

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