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太陽系近鄰的棕矮星數量遠少於理論預期

臺北天文館_96
・2012/06/12 ・1390字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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天文學家對太陽系的鄰居瞭解的愈來愈多。我們的太陽位在銀河系盤面、距離銀河系中心約2/3遠之處,這是個寧靜的郊區,恆星數量普通,並不擁擠。天文學家最近利用美國航太總署(NASA)的廣角紅外巡天探測器(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE),在距離太陽系約30光年以內的近距離區域內,發現一個棕矮星( brown dwarf)家族。然而,經過估算分析後,科學家卻提出一個驚訝的結論:太陽系周圍的棕矮星數量比預期的還少很多!

WISE於2009年發射升空後,於2010年完成以紅外波段掃瞄全天一周的工作。此任務的主要科學任務之一,就是搜尋棕矮星。棕矮星是所謂的「失敗的恆星」,因其質量偏低,不足以點燃或維持核心的核融合反應,故表面溫度很低,黯淡而不易在可見光波段中觀察到,但利用WISE的強力紅外之眼則可讓它們逐漸現形。棕矮星是介在普通恆星和如木星般氣體巨行星之間的天體,瞭解棕矮星,也有助於瞭解這些天體的形成過程及其他特性。

先前估計:太陽系周圍應該會有許多棕矮星,但新WISE資料卻顯示:每6顆恆星,才有1顆是棕矮星。雖然失望,不過新資料亦提供科學家有關這些奇怪天體如何形成的線索,讓科學家得以瞭解棕矮星在銀河系、甚至銀河系以外世界中的分佈密度。

科學家認為:棕矮星可有數種形成途徑,其中之一是本來應該可以發展成正式恆星、但受到各式不同原因打壓而發育不良。可是,科學家仍不清楚這些打壓過程到底如何發生?

在WISE的幫助下,科學家在2011年8月宣布發現迄今已知表面溫度最低的棕矮星,一種新型的Y型棕矮星(Y dwarf),其中一顆Y型棕矮星的表面溫度僅約攝氏25度左右,和地球表面一般室內溫度差不多。(請參閱天文新知2011-08-28 WISE發現僅相當於人類體溫的最低溫類恆星天體)自此之後,WISE在太陽系周圍已經發現約200顆棕矮星,其中有13顆為Y型矮星。右上圖中,圈起者皆為距太陽26光年以內的棕矮星,其中藍圈為先前已知的棕矮星,紅圈為WISE新發現的棕矮星;圖中並將宇宙中最普遍的恆星—M型矮星增亮以使其更顯眼;背景中間偏左為獵戶座,昴宿星團則在影像右上角。

確認這些棕矮星的距離,是瞭解它們在太陽系周圍散佈狀況的關鍵。這些科學家利用三角視差法(parallax)小心地測量這些棕矮星的距離,確認其中33顆位在距離太陽26光年以內的範圍中;在此相同距離空間中,總共已知有211顆恆星,意味著恆星與棕矮星的比例約為6:1,遠低於原本理論預期的1:1。這個太陽系周圍棕矮星數量比預期還少的狀況,顯示每顆新發現的棕矮星,都是對瞭解我們所處環境的關鍵角色。

雖然這項分析研究成果仍顯粗淺,因為未來WISE必定還會發現其他Y型棕矮星,但想必再發現的數量也不會多到哪兒去,而且也不太可能比南門二(半人馬座Alpha星)還靠近太陽,頂多只能將恆星與棕矮星的數量比拉高到5:1或4:1,然而絕不可能達到1:1的程度。1:1的預期值,來自之前的2微米紅外巡天計畫(Two-Micron All-Sky Survey,2MASS)觀測值外插的結果,由WISE的資料來看,很顯然這樣的外插估算方式是不對的。

此番的新觀測資料也顯示:WISE還是有可能可以偵測到數光年以外、質量約數倍木星大的獨立行星(free-floating planet);雖然其他巡天計畫早已預期應有這些沒有環繞任何恆星公轉的獨立行星的存在,但始終未曾發現到過。不過這些在太空中漂流的行星天體非常暗,即使以WISE的能力而言,即使有可能偵測到這些暗天體,還是有點吃力。

資料來源:WISE Finds Few Brown Dwarfs Close to Home[2012.06.08]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・3339字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。

核融合發電的最低要求

現實中,不管使用什麼方法進行核融合,都需要消耗大量的能量。如果產生的能量比消耗的能量還少、或者只大一點,那麼就沒有商業發電的價值。在討論核融合發電時,我們需要知道「融合能量增益因子」(Fusion energy gain factor)這個詞彙;它常用符號 Q 來表示,代表的是核融合反應爐產出的能量,和為讓反應爐運作所輸入能量的比值:

Q=Pfus/Pheat= 核融合反應爐產出的能量/為讓反應爐運作所輸入的能量

換句話說,如果 Q=1,表示核融合反應產出的能量,和輸入反應爐的能量相等,稱為損益平衡(breakeven)——當然,在這種狀況下,沒有多餘的能量能夠拿來發電。而且,再考慮到核融合反應產出的能量,並不可能全部都被收集並拿來維持反應爐的運作,一般認為,Q 的最低限度也要大於 5,才有機會收入與支出平衡。對核融合發電來說,Q 是越高越好,代表有更多比例的產出能量可作為發電之用,也是所有研究單位努力的目標。

核融合發電的現實

就 2022 年的現在來說,實際上還未有 Q 大於 1 的核融合反應爐出現。但我們確實會在科技新聞中,看到一些聲稱做出重大突破、輸出能量大於輸入能量的研究出現,這是怎麼回事呢?

2014年權威期刊Nature上的新聞提及,有研究團隊成功在核融合過程中產生多於輸入的能量。圖/截圖自 Nature

原因之一是,有些單位在設計實驗的時候,因為許多考量,僅使用氘做燃料,而非目前主流核融合發電使用的氘氚混合燃料;而根據僅使用氘的實驗結果,就可以在理論上推估,若使用氘氚混合燃料可以達到的 Q 值。這樣子推估出來的數字,目前最高記錄是日本的 JT-60 實驗,得到 Q=1.25。

另外一種情形,則是對輸入能量的定義有所不同。舉例來說,2013 年,BBC 刊載報導,表示位於美國加州的國家點火設施,達到「核融合反應的里程碑」,「透過核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量——這是在世上所有的核融合設施中,第一次辦到。」然而,在該實驗中,雷射對裝有核融合燃料膠囊的金屬空腔標靶(稱為「環空器」,hohlraum),輸入了 1 百 80 萬焦耳的能量,最後僅產出約 1 萬 4 千焦耳的核融合能量;換算起來,Q 值為 0.0077。但是,根據計算,雷射輸入的能量當中,只有1萬焦耳真正在燃料膠囊的核心起作用,促成了核融合發生——從這個角度來說,也是一種「核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量」,但總有作弊之嫌。

目前,融合能量增益因子的最高紀錄,是由美國國家點火設施所創下,於 2021 年達到的 0.7,由 1 百 90 萬焦耳的雷射能量,獲得1百35萬焦耳的核融合能量。只是,這樣的計算方式仍然有個問題:若要產生具有 1 百 90 萬焦耳能量的雷射,我們事實上必須使用到遠超其上的能量——如果要拿來發電,這個能量消耗也是必須考慮進去的。

目前最受期待的核融合設施

在近未來之內,最接近商業發電的核融合設施,應屬位在法國南部的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)。它是跨國出資、合作的核融合設施,成員包括歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國,目前仍在建造中,預計於 2025 年開始進行初步電漿測試,並於 2035 年進行氘和氚的核融合實驗。

2020年ITER空照。圖/wikipedia

根據一般說法,ITER 產出能量的功率會達到 5 億瓦特,但只需要五千萬瓦特的能量輸入功率,亦即,融合能量增益因子 Q 會高達 10。這聽起來很不錯,似乎可以作為商業發電之用,或者至少很接近商業發電的目標了。是這樣嗎?

But,人生最重要就是這個 But,5 億瓦特的能量輸出功率,是指核融合反應釋出的能量,而非實際上能夠獲得的電力;有很大一部份比例的能量,都會在轉換成電力時漏失。同時,五千萬瓦特的能量輸入功率,也只是整間電廠營運需求的一部份——根據 ITER 的報告,運作整間電廠約需要 4 億 4 千萬瓦特的能量功率。換言之,儘管 ITER 應該會是近未來 Q 值最高、最成功的核融合設施,但距離商業發電,仍然有一段差距。這也是目前全球的科學家在努力克服的問題。

自己在家做出核融合反應爐?

儘管核融合發電於現實中仍存在許多問題。但是,我們卻也偶爾會看到,媒體大肆渲染,某某青少年在自家做出小型核融合反應爐的新聞,難道全球科學家都被不世出的天才青少年打臉了嗎?

媒體上對青少年自製核融合反應爐的報導。圖/截圖自ETtoday

這類所謂自製的核融合反應爐,大體來說,就是將氘氣引入真空容器內,再利用高電壓使其互撞,並在過程中藉由測得中子,推論核融合反應存在。然而,雖然核融合反應會產生中子,但測到中子並不表示就一定是核融合反應。高速的氘原子互撞,就算沒有成功融合,仍然可能經由其他作用產生中子

另一方面,就算真的有零星的核融合反應出現,其能量產出效率必定極低,輸入的能量遠大於輸出的能量。我們可以說,要人工地讓核融合反應發生,在現代並不是問題;如何讓輸出大於輸入,且持續穩定運作,才是主要的問題。

科學的進步與成功,事實上仰賴許多前人的鋪路,後人才能在前人的基礎上順利抵達終點。如果沒有知識的累積,就期待一蹴可及、出現某個天才打臉所有人,完成前無古人的成果,雖然很有戲劇性,但幾乎是不可能的事情,現代科學研究尤其更是如此。

我們是否將見證歷史性的一刻?

核融合作為未來可能的能源選項之一,無疑是值得研究的課題。過程中花費的金錢與人力縱然可觀,但天下沒有不勞而獲的事,總是要嘗試了,才會知道結果怎麼樣。人類的科學文明,就是這樣不斷地在諸多失敗和成功下,累積成現在的成果。

核融合研究,多年下來有著長足的進步,距離商業發電的目標越來越近。儘管目前看起來,核融合發電距離實用化,還有一段距離,而還要多久才能克服這最後一哩路,也很難說。但搞不好,或許數十年之內,我們就有機會目睹人類能源的歷史性突破。

美國能源部科學家最近發表的統計。橫軸為年代,縱軸則是核融合裝置的效率指標。最上面的黑色和棕色水平線條,則是商業發電需要達到的目標。在數十年來,由不同顏色實線代表的核融合裝置,已有了長足的進步。圖/Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion

參考資料

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(上)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・4737字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。


在漫威電影裡,許多情節設定都跟真實世界的科學有所關連。就前陣子上映的《蜘蛛人:無家日》來說,在公開預告片中可見到知名反派八爪博士的回歸;他不但是研究核能的科學家,在《蜘蛛人2》還打造出了核反應爐。

《蜘蛛人2》公開預告片中的核反應爐。截圖自 YouTube

八爪博士的核反應爐,跟太陽可說有 87 分像;姑且不論畫面呈現得正不正確,這部機器特別的地方就在於,它是核融合反應爐,而非目前核能發電所用的核分裂反應爐。然而,這兩者差在哪裡?都已經有核能發電技術了,為什麼還要研發核融合發電?不僅如此,核融合研究甚至一度引發學術界的爭議醜聞,甚至被拿來拍成 IMDb 超低分的電影。

傳統核能發電的發展趨勢

不久前(2021 年底),臺灣舉辦了是否重啟核四的公投。在選舉期間,我們或許聽過不少關於核能發電的利弊分析與討論。在溫室效應越來越受到關注、以及強調 2050 年要淨零碳排放的現代,核能發電極低的碳排放,是不容忽視的優點;但另一方面,核廢料問題,和核子事故風險,也是反核人士眼中無法接受的缺點。

不管如何,近數十年來,全球核能發電量雖然在日本福島核災後一度減少,但整體而言,仍大致呈現緩慢增長的趨勢。不過,核能在全球的發電佔比,則是於 1996 年達到 17.5% 的高峰後,開始緩慢下降。

全球核能發電佔比於 1996 年達到最高峰。圖/《2021 世界核能產業現況報告》(The World Nuclear Industry Status Report 2021, WNISR 2021)

另一方面,若比較從 1954 年到 2020 年,「開始運轉的核電廠」和「停止運作的核電廠」兩者的數目。可以發現,在 1990 年之前,開始運轉的核電廠,遠比停止運作的核電廠要多得多。但從 1990 年開始,兩者就呈現差不多的趨勢。

從 1954 年到 2020 年,開始運轉的核電廠數目(靛青色)和核電廠停止運作的數目(紫紅色)的比較。圖/World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition

基於上述統計資料,大抵可以說,因為總總複雜的原因,不管是對是錯,在上世紀 90 年代以後,核電廠慢慢地不像以前那麼受到歡迎。而近年來對溫室效應的關注,以及仍是現在進行式的俄烏戰爭,會對核能發展帶來什麼影響,有待我們持續關注。

為什麼要研究核融合發電?

就在核能前景尚未完全明朗的同時,我們卻也能在許多新聞媒體上看到,除了新式核分裂發電技術的研發之外,還有「Google 和比爾蓋茲投資核融合反應爐」、「世界最大核融合反應爐進入組裝階段」、「中國核融合再創新世界紀錄」、「核融合新創 Helion 獲 22 億美元資金」、「貝佐斯投資核融合新創」等,關於核融合發電的消息;美國政府和其他許多國家也都投入資源在核融合研究。

同樣是核能發電,核融合發電和傳統的核分裂發電,有什麼不一樣?為什麼許多國家與知名人士都對核融合發電寄予厚望?八爪博士又為什麼打擊蜘蛛人的正事不幹,要去研究核融合?(搞錯重點了好ㄇ)

核反應的類型

簡單來說,核反應可分成兩大類,一是原子核分裂成其他較輕原子核,稱為核分裂(nuclear fission);另一則是,兩個以上的原子核結合成新的原子核,稱為核融合(nuclear fusion)。因為核反應往往伴隨能量的吸收或釋放,核能電廠於是利用這一點,擷取核分裂過程中釋出的能量,作為發電之用。

核分裂(左)和核融合(右)的對比。圖/美國核能辦公室

至於太陽,主要由氫構成。龐大的重力將氫向內擠壓,於太陽核心產生極端的高溫和高壓,並促使氫進行核融合反應成為氦,連帶產生能量。目前的核融合研究,目的就是在地球上複製這個過程,以獲取釋出的能量。只不過,地球上並不存在如太陽核心般的高溫和高壓,所以必須人為地製造出適合的環境,核融合發電才有可能實現。也因此,有人會把核融合技術形容成人造太陽,而《蜘蛛人 2》電影裡,八爪博士製造出的核融合裝置,就長得一副太陽的樣子。

核融合發電的優點與困難

相較於傳統的核能電廠,核融合發電擁有許多優點。首先,在許多人擔心的安全性問題上,核融合發電不可能出現像是爐心熔毀或熱失控等狀況。因為核融合發電所需的「燃料」(雖然核反應不算是燃燒)需要人為持續提供,而且核融合反應的環境也需要精密控制,所以一旦系統出現狀況,就會使得整個發電程序停止運作——換言之,不可能「爆走」。

核融合發電在安全性上的優點,也是它最大的缺點——因為核融合反應實在太容易動不動就停止了,科學家們想方設法,目前也沒辦法做到讓反應爐持續不間斷地運作;換言之,它不具有商業發電的價值。也是因為這樣,我們在新聞裡常會看到,某國科學家成功突破紀錄,讓核融合反應持續了幾秒鐘或幾分鐘。而如何讓核融合反應爐能夠持續運作,就成為相關研究最重要的課題之一。

除了安全性問題之外,核能發電產生的核廢料也常為人所詬病。不可否認,目前的核能發電方式,會產生具輻射性的核廢料,半衰期從數百年到百萬年不等,而台灣一直未能設立核廢料的最終處置場,全世界至今也沒有任何一座高階核廢料處置設施正式運轉。預計最快要到 2024 年,在芬蘭才會有全球第一座的高階核廢料永久處置場正式啟用。然而,臺灣的地質條件跟芬蘭完全不同,能否找到適合的最終處置場,仍是個問號。

圖/wikipedia

那麼在核融合發電,也會面臨核廢料的難題嗎?答案既是,也不是。核融合發電也會產生核廢料,但其屬於低階核廢料,基本上就是工作人員使用過後的防護衣和清潔用品,以及反應爐的腔壁等。這些核廢料的半衰期大體而言都不長;因情況而異,約數十年到數百年,其輻射水平即可回覆到接近一般環境的背景值。所以,做為結論,核融合發電還是會產生核廢料,但相較於現有的核能發電,其危險程度以及對環境的影響要小上很多。

最後,核融合發電還有另一個優勢:燃料。現在的核能發電,主要使用鈾 -235 做為燃料;雖然全球的鈾礦礦藏相對豐富,根據世界核能協會(World Nuclear Association)的估計,足夠人類再使用 90 年,但並非取之不竭。相對地,核融合發電常用的燃料是氫的同位素——氘和氚;而氫在地球上極為豐富,要製備氘和氚也並不困難。換句話說,人類完全不需要擔心核融合的燃料不夠這種事情。除此之外,在核融合過程中,還會運用到鋰,它可幫助生成反應所需的氚,而幸好鋰的存量在地球上也是非常豐富,若把陸地上和海洋中的鋰都考慮進來,同樣不需要擔心鋰會用光。[1]

核融合發電的分類

在核融合發電中,為了讓相異原子核能夠進行融合,一般會將其加熱到一億度上下的高溫。一種作法是,利用雷射直接或間接加熱裝了燃料的膠囊,以誘發膠囊內部燃料的核融合反應,稱為慣性局限融合(Inertial confinement fusion)。

美國國家點火設施(National Ignition Facility)的核融合研究,就屬於慣性局限融合。圖/Wikipedia

另一種常見的作法則是,將燃料加熱,使其成為電漿狀態。很顯然地,一億度的電漿,是沒有任何容器可以盛裝的;所以科學家會利用強大的磁場,拘束住電漿,讓核融合反應能夠穩定持續地發生,稱為磁局限融合(magnetic confinement fusion)。八爪博士製造的機器,就比較接近這樣的作法。但跟電影不同的是,現實裡的研究人員是不可能直接站在高溫電漿旁邊的。八爪博士的設計,跟現實不但有差距,而且也顯然更危險。

英國的磁局限融合裝置Mega Ampere Spherical Tokamak。圖片中的發光物質即為高溫電漿。圖/wikipedia

上述核融合發電方式,全部都需要人為地產生高溫,讓核融合得以發生——但這並不表示核融合只能在高溫環境中產生。實際上,早在 1950 年代,科學家就發現,確實有核融合反應在低溫環境即可發生,現在稱為緲子催化融合(muon-catalyzed fusion)。緲子是一種性質跟電子非常類似,但質量比電子大得多、且非常容易衰變的基本粒子。若在氘和氚組成的氫分子中,用緲子取代電子,那麼該氫分子內部的氘和氚,甚至在室溫就可能產生核融合反應。

緲子催化反應示意圖。圖/Stanford

只不過,緲子的備製不僅需要花費大量能量,其迅速衰變的性質,也讓我們很難拿來作為核融合發電之用,再考慮到其他的技術性問題,使得目前的核融合研究,都是朝著高溫的方向進行。

然而,1989 年,有兩位科學家聲稱,成功在室溫環境下,以他們發現的新方法實現了核融合反應。這樣的消息迅速獲得媒體注意,並被大肆報導,人們對實現低溫核融合又開始寄予期望。很可惜地,其他科學家嘗試複製兩人的實驗成果,卻都無法成功;另一方面,科學社群也發現了兩人實驗上的瑕疵。於是,沸騰一時的「冷融合」話題就這麼煙消雲散。現在,雖然仍有少部分人從事相關研究,但都未能成氣候。

1989年5月,冷融合議題登上時代雜誌封面。圖/TIME

儘管如此,或許因為冷融合很有話題性,這個議題並未在媒體上消失;2011 年美國好萊塢甚至以冷融合為主題,拍了一部 IMDb 超低分的電影,英文片名就是冷融合(cold fusion),臺灣翻譯成《關鍵核爆》,劇情甚至把幽浮(UFO)都扯進來了。

延伸閱讀:八爪博士4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)

參考資料


[1] 其實,鈾也存在海洋中。若考慮到海水中的鈾,那麼基本上人類也不用擔心鈾礦不足。只不過,鈾在海水中濃度極低,約 10 億分之 3,不論在運用的技術還是成本上,挑戰都很高。

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