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由泰利斯、畢達哥拉斯到亞里斯多德,古希臘如何開展科學思維——《月球之書》

時報出版_96
・2020/02/04 ・3327字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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  • 作者/大衛.翁弗拉許;譯者/林柏宏

科學的起源:以真實性質的角度來理解自然

二十世紀物理學家理查. 費曼(Richard Feynman,1918-1988)認為,當代物理學奠基於巴比倫人的數學方法,他們會以數學的方式來闡述問題,這種經驗能夠讓人學會歸納,進而發現自然原理。歐幾里得(Euclid ofAlexandria,西元前三世紀中期到西元前 285 年)的治學方法則與此相對,這位希臘思想家運用基本的邏輯規則,從我們稱為公設的基礎事實推導出更多複雜的定理。

製作於十九世紀晚期的古希臘地圖。圖/時報出版提供

在大約西元前三百年時,歐幾里得的方法很流行,而他的演繹法發源於更早的幾世紀前,當時的希臘思想家剛開始大膽地以真實性質的角度來理解自然。

對於月亮、太陽與眾行星性質的了解要真正有所進展,希臘的天文學家就得接受量化的方法。他們會需要巴比倫人研究天文的方法,包含實際數學運算,以及從單調的天象觀測中蒐集大量資料。他們的研究必須將這些資料融合希臘文化特有的、探討本質的思維。這種思維是從西元前六世紀的愛奧尼亞人社群開始的。

愛奧尼亞地區位於今日土耳其西部沿岸的城市與島嶼,最早開始推斷大自然是可探究、可預測的希臘人都來自這一帶,他們認為大自然的運作與眾神的意志無關。這種去除神祕面紗的世界觀由米利都的泰利斯起頭,從而解放了愛奧尼亞人的思考,開始為自然現象提出物理學的解釋模型,對科學的進步發揮了重要作用。

然而,希臘世界另一邊的哲學家都反對泰利斯的論點,這些哲學家的根據地是位於南義大利的希臘殖民地─大希臘(Magna Grecia)。

在這場論爭裡,一些大希臘區的哲學家其實是最早發現月亮是球形而非一圓盤的人,有一批大希臘的人還引進了會讓希臘天文學突飛猛進的數學知識。但是,大希臘區並無科學思維,這裡的人高張神祕主義,鄙視實證精神,影響力最大的神祕主義團體還掩蓋、打壓與其主張相左的新發現。

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諷刺的是,這個神祕主義勢力團體的創始人,出生於愛奧尼亞區中心地帶薩摩斯島(Samos)的畢達哥拉斯(Pythagoras,約西元前 570-495),其實就學於泰利斯門下,並由此展開他的學術之路。

泰利斯預測日食,阻止戰爭

要是西元前二千六百年就有諾貝爾和平獎,肯定會頒發給米利都的泰利斯。

他出生時,正是巴比倫文明崛起,催生出前所未有的知識創發活躍期,他也漸漸愛上數學與天文學。愛奧尼亞隸屬於呂底亞王國(Lydian),不過泰利斯或許去過巴比倫,不然就是取得了巴比倫的天文學文獻。不管是哪種情形,泰利斯都認識到日食與月食的沙羅週期,這與他的想法不謀而合,他本來就認為神明與自然無涉。

泰利斯畫像。描繪這位希臘天文學家的是荷蘭次畫家兼版畫家雅各·德·葛恩(Jacob de Gheyn),這是他 1616 年完成的作品。十七世紀時,荷蘭的鏡片磨製技術領先全球,因此這幅畫時空錯亂地讓泰利斯帶著一副眼鏡,泰利斯預測了西元前 585 年的一場日食。圖/時報出版提供

當時呂底亞正與其敵對國之一,米迪亞(Media)交戰,泰利斯知道雙方指揮官都是迷信的人,便提出警告說,眾神要求他們休兵,並且會在西元前五百八十五年春季的某一天使太陽暗下來,以表明神意,其實泰利斯根據沙羅週期進行計算後,已經得知這一天應該會發生日食。

儘管泰利斯自己未察覺,但當他如此運用沙羅週期時,實際上計算的正是月球在太陽前方的移動。總之,日食確實出現了,戰事也平息了,泰利斯在愛奧尼亞聲名大噪,想向他學習自然研究的人蜂擁而至,其中一位就是從薩摩斯島搭船前來的畢達哥拉斯。

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當時的米利都是個富庶的港口城市,當地的希臘居民不願向帝國統治者效忠,他們獨立自主,擁抱新知,或許是因為常從各地的航海貿易商口中得知新觀念,長此以往,泰利斯與其他米利都人的思考方式開始變得新穎激進。

比方說,他們認為地震是由於海中巨浪擊打陸地,土地陸塊是來自海水淤積堆造而成。這些關於自然的解釋終究會被證明並不正確,但重要的是,當時他們的想法和其他地方的人不一樣,他們的想法是可以接受驗證、有可能被否證推翻的,與那些虛無縹緲的神明無關。

泰利斯和在他之後的愛奧尼亞人之所以與眾不同,乃在於他們斷定,認識自然是可行的,可以接受觀察與分析─ 而且,對於他們之中某些人而言,也能透過試驗實證。

為封口無理數的發現而殺人的畢達哥拉斯

薩摩斯的畢達哥拉斯是目前已知世上最早指出月亮是球狀的第一人,他會這麼想或許一開始源自觀察的結果,例如發現月球明暗分界線(lunarterminator)是彎曲的,這道線區分了月球被照亮與未被照亮的兩部分。

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畢達哥拉斯畢竟是泰利斯的學生,而且比同時代的人更早認出晨星(the MorningStar)與暮星(the Evening Star)是同一顆物體─ 金星。這種認知來自於觀察,雖然畢達哥拉斯後來排斥觀測,轉而堅持藉由純粹的思索即可了解宇宙。

繪有畢達哥拉斯的十八世紀蝕刻畫,以義大利畫家拉斐爾(Raphael,1483-1520)在〈雅典學院〉(The School of Athens,1511)一畫中對這位希臘思想家模樣的詮釋為摹本。圖/時報出版提供

旅居埃及多年,又去了巴比倫之後,畢達哥拉斯帶來了一項定理,直角三角形斜邊圍成的正方形面積,等於兩短邊各自圍成正方形的面積和。這不是他自己想出來的,埃及人與巴比倫人早將這觀念實際運用在生活中好幾百年了,巴比倫甚至發展出三角學這門數學。無論如何,由於畢達哥拉斯將這個定理引介給希臘人,未來幾世代探究大自然所需的數學知識才有機會出現。

但對畢達哥拉斯而言,數學不僅是工具,而是宗教信仰。

球狀月亮的想法只是畢達哥拉斯兄弟會神祕思想的一部分,畢達哥拉斯在位於義大利的克羅敦殖民地(the Croton colony)創立了這支教派。畢達哥拉斯教徒主張天界的「星球和諧」,認為月亮與其他星體不只是球形,而且是完美球形,繞著絕對的圓旋轉,每顆星球會產生特定的音符。再加上畢達哥拉斯輕視觀測法,凡是和其完美和諧觀念牴觸的新發現都一貫打壓。

其中一例是他的學生發現數字 2 開平方根會得到無理數,也就是無法化作分數,不能以兩個整數做為分子與分母來表示。謠傳畢達哥拉斯為了封口,謀殺了那個學生。

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但他並不需要依靠暴力來提倡自己的學說。不久後,柏拉圖(Plato,約西元前 427-347)將熱心採納畢達哥拉斯的神祕主義,包含那些完美球形、圓形軌道、對觀察實測的輕蔑,以及阻撓接下來幾世紀科學進展的一切花俏玩意兒。

採納實證主義的亞里斯多德

和他的老師柏拉圖比起來,亞里斯多德比較有科學精神。

雖然兩人的出發點都是想將畢達哥拉斯、巴門尼德提倡的這類神祕主義哲學與愛奧尼亞人的自然主義整合在一起,柏拉圖終究傾向了神祕主義,亞里斯多德則對愛奧尼亞思維更有好感。若提到愛奧尼亞的實證主義(empiricism)── 主張知識必須透過感官作用的經驗才能取得,兩人的分歧會特別明顯。

義大利文藝復興時期畫家拉斐爾在〈雅典學院〉(1511)一畫中描繪了古典時期眾多知識界巨星。正中央兩位面對面的人是柏拉圖(左)與亞里斯多德(右)圖/時報出版提供

愛奧尼亞人泰利斯觀察尼羅河的沉積土層後,做出了假設,認為全世界的大塊陸地都是經由類似過程,從一原始大洋中形成的。而泰利斯的學生、米利都的阿那克西曼德(Anaximander of Miletus,西元前 610-545)觀察幼魚和人類的差異,並在看過化石骨骼後,構想出早期版本的生物演化假說。綜合他們的所見所聞,愛奧尼亞人了解到,大自然不停地在變動。

亞里斯多德在研究如生物這一類地球上的物質時,大致上採納愛奧尼亞式的實證主義與變化觀念,可是一旦主題來到天象,他就表現出神祕主義的遺緒。畢達哥拉斯有個很妙的想法,認為天上的星體都是繞著正圓形軌道轉的完美球形,亞里斯多德深受此思想荼毒,同時還採用巴門尼德的主張,認為萬物恆定不變,結果形成了以下觀點:

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星星、太陽與行星都是恆久不變的,有永遠固定的幾何形狀,地球是墮落不潔的,也因此不完美。違背這完美理念的還有月球表面的暗黑地貌,亞里斯多德對此的解釋是,月球和地球走太近了,太靠近存在於地表上的汙染,指的就是人類和其他生命形式。

——本文摘自《月球之書》,2019 年 9 月,時報出版

 

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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秋季星空中一抹光亮:北落師門殘屑盤的觀測史——《科學月刊》
科學月刊_96
・2024/01/19 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 謝承安/ EASY 天文地科團隊成員,因喜愛動畫《戀愛中的小行星》開始研究小行星,現就讀臺大物理系。
  • 林彥興/清大天文所碩士, EASY 天文地科團隊總編輯,努力在陰溝中仰望繁星。
  • Take Home Message
    • 殘屑盤是恆星周遭的盤狀結構,由於北落師門殘屑盤離地球僅 25 光年,數十年來天文學家時常會藉由觀測它以了解殘屑盤的特性。
    • 去(2023)年韋伯望遠鏡的觀測結果與過去不同,顯示北落師門殘屑盤其實分成多個部分,更讓他們相信北落師門中有多個行星環繞。
    • 韋伯望遠鏡提供的影像還揭露許多來源未知的構造及現象,例如內側殘屑盤與內側裂縫等,都有待繼續探索。

北落師門(Fomalhaut)又稱南魚座 α 星,是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月,以美國亞利桑那大學(University of Arizona)天文學家加斯帕(András Gáspár)為首的研究團隊在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上發表,他們藉由詹姆士.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST,簡稱韋伯望遠鏡),在北落師門周圍殘屑盤(debris disk)中首次發現了「系外小行星帶」的存在。韋伯望遠鏡拍下美麗的照片,也瞬間席捲各大科學與科普媒體的版面(圖一)。

圖一:韋伯望遠鏡在波長約 25 微米(μm)的中紅外線拍攝的北落師門影像,首次呈現北落師門殘屑盤中的三層結構。(NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

天文學家選擇北落師門作為目標並非偶然。半個世紀以來,北落師門一直是天文學家研究殘屑盤時的首選目標之一。韋伯望遠鏡的新影像為我們帶來什麼新發現?過去與現在的觀測方式又有什麼差異?本文將帶著大家一起回顧北落師門殘屑盤的觀測史。

行星相互碰撞後的殘屑盤

殘屑盤是環繞在恆星周遭,由顆粒大小不一的塵埃所組成的盤狀結構。如果讀者們聽過行星形成的故事,也知道行星是從恆星四周、由氣體與塵埃組成的「原行星盤」(protoplanetary disk)中誕生,那你或許會認為殘屑盤可能就是行星形成後剩下的塵埃。但實際上並非如此,在恆星形成初期的數百萬年間,原行星盤中的氣體和塵埃會被恆星吸積或是吸收恆星輻射的能量後蒸發,同時也會聚集成小型天體或行星,這些原因都會使原行星盤消散。而殘屑盤則是由盤面上的小行星等天體們互相碰撞後,產生的第二代塵埃組成(圖二)。

圖二:殘屑盤想像圖(NASA/JPL-Caltech)

這些塵埃發光的機制主要有兩種。第一,塵埃本身可以散射來自母恆星的星光,從而讓天文學家能在可見光與近紅外波段看到它們。第二,塵埃在吸收來自恆星的星光之後,以熱輻射的形式將這些能量重新釋放。由於恆星的光強度與距離成平方反比,愈靠近恆星,塵埃的溫度就愈高,因此發出的輻射以近紅外線為主;反之,愈是遠離恆星,塵埃的溫度就愈低,發出的光就以中遠紅外線為主。

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觀測目標:北落師門

北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。

● 哈伯的觀測

2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。

圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)

● ALMA 的觀測

ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。

圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)

● 韋伯望遠鏡的觀測

最後則要來看去年韋伯望遠鏡所使用中紅外線儀(mid-infrared instrument, MIRI)拍攝的影像(圖五)。與之前的觀測不同,這次的影像顯示北落師門的殘屑盤其實分成幾個部分:

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圖五:韋伯望遠鏡在 25 微米波段觀測到的北落師門殘屑盤。(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

首先,哈伯望遠鏡與 ALMA 之前就已觀測到的塵埃環,它的半徑約 136~150 天文單位(AU)、寬約 20~25 AU,而溫度則落在約 50~60 K,與太陽系的古柏帶(Kuiper belt)十分相似,因此被稱為「類古柏帶環」(KBA ring)。雖然在觀測上的溫度相似,但其實此塵埃環與北落師門的距離是古柏帶到太陽的四倍;不過北落師門光度約為太陽的 16 倍,根據前述提及的平方反比關係,才導致兩者的溫度相近。此外,在更外層名為「暈」(halo)的黯淡結構則對應古柏帶外圍天體密度較低的區域。

再來,韋伯望遠鏡還發現了更多未解的謎團:內側殘屑盤(inner disk)與中間環(intermediate ring)。其實早在本次韋伯望遠鏡的觀測之前,天文學家就已經從北落師門的光譜推測,北落師門的殘屑盤中除了存在前面提過的類古柏帶環之外,應該還有另一批更靠近恆星、溫度更高的塵埃,溫度與大小對應太陽系中的環狀小行星帶。但當韋伯望遠鏡實際觀測後,卻發現與太陽系的環狀小行星帶相比,北落師門有著相當瀰散的內側殘屑盤。為什麼會有這樣的不同呢?目前天文學家也不清楚,仍待進一步研究。

最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。

此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。

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另一方面,天文學家也藉由數值模擬發現,如果僅考慮來自北落師門的重力影響,類古柏帶環應該要比觀測到的更寬才對。因此他們推測,很可能在類古柏帶環內外兩側有兩顆行星,像控制羊群的牧羊犬一樣以自身的重力限制塵埃移動,才產生了這麼細的塵埃環。

● 更多的殘屑盤觀測

北落師門雖然是一顆年齡僅4.4億年的年輕恆星,卻已經是一個擁有殘屑盤、形成行星的成熟恆星系統。而來自韋伯望遠鏡的最新觀測結果,無疑讓天文學家更深入地認識殘屑盤中複雜的結構,也更令他們相信北落師門系統中有多個行星環繞。

不過,北落師門系統仍舊有許多未解之謎。例如為什麼太陽系有著環狀的小行星帶,北落師門卻是瀰散的內側殘屑盤?在無數的恆星中,究竟是太陽系還是北落師門的殘屑盤構造比較常見?殘屑盤中是否有行星存在?如果有,在北落師門的演化歷史中又扮演著怎樣的角色呢?這些問題都有待更多的觀測與理論模擬來解答。

在北落師門之後,觀測團隊預計將韋伯望遠鏡指向天琴座的織女星(α Lyr, Vega),以及位於波江座的天苑四(ε Eri),兩者都是離地球非常近且擁有殘屑盤的恆星。其中織女星的溫度與質量比北落師門更大,而天苑四的質量與溫度雖然比太陽小,卻有強烈的磁場活動。藉由觀測不同系統中殘屑盤的性質差異,並與太陽系進行對比,不僅能更加認識殘屑盤的起源、與行星的交互作用,更能理解我們自己的恆星系中,數百萬顆的太陽系小天體從何而來。

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JWST 原始資料的處理過程影片介紹,非常值得一看!

  • 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

延伸閱讀

  1. Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
  2. MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
  3. Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.
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印度登陸月球熱門探測點——月球南極!那裡藏著什麼?為什麼各國爭先恐後?
PanSci_96
・2023/11/11 ・4407字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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你準備好要當月球移民了嗎?

人類再次展開登月競賽,準備重返月球。

今年八月二十三日,在全世界的矚目下,印度登月艇「月船三號 Chandrayaan-3」成功著陸於月球南極附近,展開為期半個月的科學探測任務,也成為人類史上第四個成功軟著陸於月球表面的國家!這更是 21 世紀以來除了中國嫦娥系列之外唯一的成功登月任務。

這次的登陸地點選在月球南極附近。除了月船三號,未來印度與日本合作的月船四號,以及中國的嫦娥七號、嫦娥八號任務,甚至是 NASA 阿提米斯計畫的首次載人登陸,地點也選在月球南極。

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問題來了,月球南極到底有什麼樣的魔力,能讓世界各國如此趨之若鶩?是有挖不完的石油?數不清的黃金?還是外星人留下的秘密裝備?

月球南極有什麼?

從人類的生存、家禽動物的飼養、到植物的灌溉,都脫離不了「水」這個在地球上再常見不過的物質。不僅如此,水電解之後得到的氧氣可以用於呼吸,氫氣則可以做為火箭引擎的燃料使用。想要讓人類走出地球,成為跨行星物種,確保充足的水源供給絕對是最核心的要務之一。

然而,雖然地球上的液態水很多,但正由於我們對水的需求如此龐大,如果要把所有需要的水都從地面用火箭發射進太空,需要的成本將非常驚人。

因此直接開採並使用本來就在太空中的水資源,才是合理且經濟的做法。沒錯,各國在將人類送上登月前,先將目光鎖定在了月球南極,關鍵就是要尋找「水」。

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如果月球上有水,不僅能幫助人類在月球建立起永久基地。月球,更將成為人類航向廣袤星海的第一片綠洲。

可是,缺乏大氣保護、日夜溫差超過兩百度的月球表面,真的會有水存在嗎?

由於缺乏大氣層,液態水在月球上要嘛會因為蒸發而散逸,要嘛會因為低溫結成水冰,很難以液態穩定存在。而即使是固態的水冰,也會在炙烈的陽光下昇華,因此月球表面的大部分地方是幾乎沒有水的。

但大家可以想像一下,月球的公轉軌道與地球繞太陽公轉的黃道面幾乎平行,夾角只有 5.145°。也就是說,月球不論在哪個位置,陽光總是直射在月球赤道附近。如果此時月球的南極點剛好有個向下凹陷,而且足夠大、足夠深的隕石坑,那麼在隕石坑之中的陰影區,就永遠不會照射到陽光。

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圖/wikimedia

這些地方被稱為「永久陰影區 Permanently Shadowed Areas」。由於不會受到陽光照射,因此永久陰影區附近的水冰,能夠持續存在數十億年的時間。

但是,雖然有「保存」水冰的條件,關鍵是永久陰影區中真的有水冰存在嗎?如果有,含量又有多少呢?這時,各國的探月任務就接手上場了。

月球南極真的有水嗎?

這些探月任務可不是一時興起,因為過去「月球上沒有水」的印象可是深植人心。直到 1990 年代開始,科學家才陸陸續續從越來越多月球探測器的資料中,發現水可能存在的蛛絲馬跡。

其中一次重大的進展發生在 2009 年。當時,NASA 使用擎天神五號火箭,同時發射了「月球勘測軌道飛行器 LRO」以及「月球坑觀測和感測衛星 LCROSS」兩個探測器。前者是一顆繞月衛星,後者則是一個撞擊用探測器。

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在發射升空之後,NASA 首先讓 LRO 與火箭分離,並進入月球軌道。接著,還連在火箭第二節上的 LCROSS,則跟著第二節火箭一起朝著月球南極的永久陰影區之一——卡比厄斯環形山飛去。在撞擊前數小時,LCROSS 與第二節分離,並讓第二節火箭以每秒 2.5 公里的高速,直直撞入永久陰影區,激起大量的月表物質。LCROSS 則直直飛入其中,檢測其中的物質成分。並在六分鐘後,同樣撞擊於月球表面。但就在這短短的六分鐘的犧牲打中,LCROSS 收集到的資料向科學家展示了,月球南極的永久陰影區中不僅確定有水冰的存在,更有汞、鎂、鈣、銀、鈉等其他諸多有用的物質資源。

2009 年 6 月 18 日至 2009 年 10 月 9 日 LCROSS 軌跡模擬動畫。圖/wikimedia

有了 LCROSS 的資料,再加上其他月球探測器,像是克萊門汀號、月船一號、LRO 等等,提供各種遙測資料,人類終於能掌握月球表面有水存在的證據。

時間回到現在,月球表面-尤其是月球極區的永久陰影區中,有水冰的存在已經是科學家的共識。但是這些水冰具體有多少,能否支撐人類在月球極區建立太空基地呢?這就只能實際派出登陸艇前往一探究竟了。

到月球南極尋找水冰吧!

可惜的是,8 月 23 日成功在月球上著陸的月船 3 號和攜帶的月球車 Pragyan,在 9 月 2 號和 4 號就入休眠,推測可能是因為無法承受極低溫環境,至今還未能重新喚醒。

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Pragyan 登陸月球。圖/wikimedia

在未來兩年的月球極區無人探測任務中,NASA 的 VIPER 任務可以說是最值得期待的另一項任務。VIPER 全名為月極揮發物調查漫遊車,是 NASA 有史以來第一台「無人月球車」,同時也是 NASA「商業月球載酬服務 CLPS」系列任務的一員。CLPS 和過去的太空任務不同,是由 NASA 提供科研載酬,由商業公司提供載酬的發射、巡航、著陸等服務。本次 VIPER 任務選定的商業夥伴是美國的 Astrobotic Technology 公司,VIPER 探測車將會乘坐該公司的 GRIFFIN 登陸器降落在月球南極,透過各種儀器勘查月球極區揮發份的組成與分布。

這台重 430 公斤,體積與高爾夫球車相當的 VIPER ,身上塞有四個主要儀器。

首先是中子光譜儀,它會藉由量測月球表面中子輻射的能量分布,了解地底下氫原子的分布狀況,從而推測水冰的含量。

第二,近紅外光揮發份光譜儀,它會以近紅外光燈照射月表,並從揮發份的光譜分析它的化學組成,同時也能判斷水是以結晶、非晶質的冰,或是氫氧根離子的形式存在。

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第三,質譜儀,能藉由電場分離不同荷質比的物質。除了能知道月表有哪些元素以外,還能分辨氘與氫、氧-18 與氧-16 等不同同位素的含量,對分析水的來源至關重要。

第四個儀器名為 TRIDENT(The Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain),縮寫很酷,名字很長,但簡單來說就是一個裝有溫度計的鑽頭。可以從月面下一公尺處鑽取一段十公分長的岩芯,為前面幾個儀器提供樣品。

除了這些科研儀器以外,VIPER 上還有一對立體視覺攝影機,能夠拍攝具有距離感的照片,為探測車的導航提供參考。

VIPER 原型機。圖/wikimedia

有了 VIPER,NASA 還必須想好要把珍貴的探測車派到何處進行調查,才能盡可能發揮他的潛能。除了理所當然地要放在可能有水的地方之外,地表的起伏與材質也有要求,比如太陡峭的山壁顯然就不是個好選擇。同時探測的地點,還必須可以和地球建立通訊。

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更重要的是,由於 VIPER 是太陽能驅動的探測車,探測地點不可以長時間缺乏日光,否則探測車會不僅會因為缺乏電力,還會因為長時間處於酷寒環境中而壞掉。進入休眠的月船三號,就是因為設計上就沒有為度過月球寒夜做準備,因此任務的極限時間一開始就限制在兩週左右。綜合以上條件,科學家選定了月球南極 Nobile 隕石坑西方的高地作為 VIPER 任務的地點。這裡雖然不是嚴格意義上的永久陰影區,但是滿足有日照,且時間足夠短到允許地底下有水冰的存在。

為了有充分的時間進行探索,VIPER 設計時就有考慮探測器的電力與保溫,可以透過三個休眠時期度過月球的夜晚,執行至少一百天的任務。在這一百天中,VIPER 將會調查隕石坑周圍,了解到底有多少水冰和二氧化碳、二氧化硫等揮發物,為將來的登月計畫鋪路!

要前往其他星球甚至離開太陽系,比起地球,擁有較低重力的月球,一直被認為是人類出發太空的前線基地。人類想要成為跨行星物種,水則是絕對不可或缺的關鍵資源。而經過數十年的研究,科學家終於在月球發現可能蘊藏大量水冰資源的地方。我們離移民月球或其他行星,又更靠近了一步。

就讓我們一起期待這些探測器們,幫助我們揭開月球南極的神秘面紗吧。

跟大家說個小趣聞,月船三號著陸之後,印度為了慶祝任務成功而將月船三號的登陸點命名為「濕婆神之力 Shiv Shakti」。那如果今天是你的探測器成功登月了,你會想幫登陸地點取什麼名字呢?留言與大家分享吧!

最後也想問問大家,如果人類真的確保水源,並在月球南極建立起了月球永久基地,你會想移民過去嗎?

  1. 不只想,我還想接著去火星跟太陽系外呢
  2. 去旅遊的話剛剛好,我想去找露西和大衛約會的地方聖地巡禮
  3. 先等等,說不定月球背面,還有外星人在等著我們呢

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參考資料

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