小型行星不見得一定要在富金屬星旁才能形成

在上一篇中，我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀：
用迷幻藥治憂鬱？基因編輯療法將通過批准？——2023 最值得關注十大科學事件（上）

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域，從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現，再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運！

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告，採取實際行動，朝淨零之路前進嗎？看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭，去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議，那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議，排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議，提出資金運用的建議，並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

至於核能的部分，新型核分裂發電與核融合發電，都會在 2023 年有所進展。

另外，世界上第一個核廢料儲存設施，今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫，將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾；這些鈾會被裝在銅罐中，再用厚厚的粘土覆蓋，最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內，預期將被密封數十萬年，直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是，今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉（Luiz Inácio Lula da Silva），將推翻前任總統開放的雨林開發，保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前，聯合國的國際海床管理局（ISA）沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識，那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上，不受限制地開挖，海洋生態將迎來浩劫……。

許多關於能源的抉擇包含了科學和政治，能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願；至於今年還會不會發生更棘手的麻煩？使能源轉型更加舉步維艱。

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月，美國費米國家加速器實驗室的物理學家，公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果；這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來，標準模型（Standard Model）^[註]的理論預測通過了所有測試，但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備，並且認為可以從渺子身上找到破綻；如果今年再次公佈更精確的數據，顯示渺子的磁矩比理論預測來得大，那就代表還有新粒子等待被發現，而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站，也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅；利用位於地下七百公尺的探測器，來準確測量微中子的振盪。

註：標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力，以及所有物質基本粒子的理論。

另外，物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代（Linac Coherent Light Source-II），它將創造終極 X 射線機器，看到分子內原子的運動！另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna（物質波雷射干涉重力天線）；這個設施把銣原子冷卻成「物質波」，能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪，揪出現有重力波設施錯放的事件，甚至可以幫我們尋找暗物質！

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源（ESS），將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束，來研究材料的結構；雖然預計 2025 年才會完工，但於今年迎來第一批研究人員，開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名，正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片；沒有意外的話，韋伯在 2023 年會繼續大顯身手，揭露星系演變的真相，與遙遠系外行星的生命印記，找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜！來自於新的太空望遠鏡，如：由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡，今年發射後將繞行太陽六年，拍攝宇宙的 3D 圖；日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM，則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡，將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線，預計在今年 4 月升空。

在地球上，位於智利的薇拉魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）將於今年 7 月啟用；其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計，相機包含超過 30 億像素的固態探測器，每三個夜晚就能掃描整個南天，也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡（QTT）也將在今年完工；其口徑達 110 公尺，能夠觀測天空中 75% 的星星。

No. 2 好多月球任務，還有一個鐵小行星

2022／12／11 這天，包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器，共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空；HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球，預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3，預計今年年中發射，並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空，包含創業家、明星跟 YouTuber；如果 Starship 成功發射，將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功，將推動太空科學與商業進入新時代，讓進入太空的成本大幅下降。

歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空，並於 2031 年抵達木星系統；目標是研究木星以及三顆衛星：木衛二三四的環境，了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器，其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星；科學家認為它可能不是一般的小行星，而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射，將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說，2023 又將是幸福熱鬧的一年。

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過，AI 已預約登上 2023 年最大科學事件！

如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你，那 GPT-4 就要來了！

而在科學領域，DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT；它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列，準確預測折疊後的三維形狀，對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構，幾個月來，來自 190 個國家／地區、超過 50 萬名研究人員，使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外，Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍，預測的蛋白質超過 6 億種！

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加，這些龐大新知識也將開始應用於各學科，包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢，隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面，各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案，為使用人工智慧制定標準，其他國家和科技巨頭將密切關注，跟進與調適。

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」，你最期待的是哪一個？哪個是你心中的 No.1？又有哪些我們漏掉了，但你覺得該列入的呢？歡迎留言討論！

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《自旋一圈只要半小時！奇特的超快自旋小行星》
• 作者／李昫岱（屋頂上的天文學家）｜科技大觀園特約編輯

科學家相信，一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成，這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星，這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快，如果自旋速度超過一個極限，整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期 2 小時的極限，因為超過這個極限，小行星就會瓦解。 

「凡事都有例外」，這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002 年，科學家發現一顆特別的小行星，它的長度大約 700 公尺，自旋週期只有半小時！這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑，是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解？瓦礫堆模型不適用了嗎？還有其他更多的超快自旋小行星嗎？這些問題就成了章展誥的研究主題。

如何量測小行星的自旋週期？

小行星本身不發光，只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形，當太陽照射到面積最大那一側，小行星看起來最亮；當太陽照射面積最小那一側，小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。 

章展誥於 2011 年取得中央大學天文所博士學位，當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究，後來轉跟隨葉永烜教授，與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型，自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星，章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠（Palomar Transient Factory）的 1.2 公尺廣視野望遠鏡，進行大量小行星自旋週期的測量。2014 年春季，他發現一顆疑似超快自旋小行星，這顆小行星的亮度相當暗，無法確定它是不是真的轉得很快，就像聽音樂時，音量很低，很難聽清楚是哪一首歌；這時如果你有一對大象般巨大的耳朵，就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號，章展誥需要大口徑的望遠鏡，進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。 

當時他正在加州理工學院訪問，便與加州理工學院的合作者使用他們的 5 公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認，結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現，證實了 2002 年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單，超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗，章展誥心中除了喜悅還有震撼，原來美國一流名校是這樣做研究的！取得 5 公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易，資源如此豐富，做研究自然得心應手。

除了轉得快，與其他小行星有什麼不同？

因為超快自旋小行星的相關研究成果，在 2017 年 4 月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」（Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017）上，國際天文學會（IAU）宣布將編號 10679 的小行星命名為 Chankaochang——章展誥小行星。到 2020 年 3 月為止，已知的超快自旋小行星一共有 26 顆，其中的 23 顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星，章展誥還進一步研究它們的組成和分佈，比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠，天文學家要如何研究小行星的組成呢？假設建築工地裡有三種建材，分別是磚頭、水泥和大理石，如果它們放在手碰不到的距離，要如何分辨？你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質，紅色是磚頭，灰色是水泥，白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法，他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現，這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間，這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎？它們比較靠近火星或木星？章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別，與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快，它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解，目前仍是未解之謎，期待未來章展誥能夠解開謎團，告訴我們答案。 

從星團到小行星　章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系，修過普通天文學後，覺得天文容易上手，後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生，開始他的天文研究之路。當時的時空背景，大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班，章展誥覺得天文比較親近，所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所，繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後，章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈，紅色精靈是一種高空閃電現象，他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈，這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後，章展誥曾經到科技業工作，後來覺得不同部門之間，對解決問題方式存在很大的差異，因此在一年後離開企業界，回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理，工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗，讓他可以幫助學弟解決研究上的問題，這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在 2006 年，他進入中央大學天文所博士班就讀，研究銀河系；博士後一直到現在，則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星，章展誥跨足天文、太空多個研究領域，至於未來，且讓我們拭目以待！

• 延伸閱讀：銀河系至少存在36個智慧文明，真的嗎？
• 延伸閱讀：災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？

• 文／陳子翔（現就讀師大地球科學系， EASY 天文地科團隊創辦者）

知名物理學家史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）認為，小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去，六千五百萬年前的白堊紀末期，造成恐龍消失的生物大滅絕，也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼，我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎，人類又能為這件事做什麼準備呢？

我們該擔心哪些小行星，小行星撞擊能被預測嗎？

太陽系中的小行星不可勝數，但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼，哪些小行星是應該注意的呢？

我們可以簡單從兩個條件，篩選出對地球有潛在威脅的小行星：第一是小行星的軌道，第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會，那也就不需要擔心它會不會撞到地球了。而直徑越大的小行星，撞擊地球產生的災害就會越大，例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損，而直徑 50 公尺的小行星撞擊，其威力則足以摧毀整座大型城市。

過去天文學家透過遍布世界的天文台，不斷在夜空中尋找近地小天體，並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道，就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大。這篇文章的主角「貝努」，就是一顆被認為有較大機會撞擊地球，因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎？

貝努在 1999 年被發現，是一顆直徑約 500 公尺的小行星，它以橢圓軌道繞行太陽，公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近，它每隔幾年就會接近地球一次，而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年，不過別擔心，該年貝努與地球最接近時，距離預計也還有七十萬公里，大約是地球至月球距離的兩倍，撞擊風險微乎其微。

然而天文學家真正關注，撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算，貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近，會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得，既然我們都活不到那個時候，何必去操心那些根本遇不到的事情呢？

那麼，讓我們想像一個情境：

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星，並算出它將在一年後撞上地球，那身為這個星球上「最有智慧的物種」，我們能怎麼應對呢？

很遺憾的：我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術，能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空，調查小行星，好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了！

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學，為什麼算不準？

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢？其實天文學家也說不太準，只能給出大概的機率而已，而且時間越久，預測的不確定性就越大。

你也許會想，天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學，三百年前的人就已經掌握得很好了，在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢？確實，如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置，那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案，但如果是計算小行星 100 年後的位置，事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小，就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向，而混沌理論（Chaos theory）告訴我們，任何微小的初始條件差異，都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測，就不能只考慮太陽的引力，而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算，才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時，即使只有幾百公尺的位置偏差，受到的引力也會有相當的不同，使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是，有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的，其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」（Yarkovsky Effect）。這個效應是這樣的：當陽光照在自轉中的小行星上，陽光會加熱小行星的受光面，而被加熱的這一面轉向背光面時，釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小，但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化，也讓軌道預測多了很大的不確定性。

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗，也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努，NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查，以及評估各種影響貝努運行軌道的因子，改善貝努軌道的預測模型，評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面，OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」，讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面，要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響，也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素，因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料，也有助於建立更精確的軌道預測模型。

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束，但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上，已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料，天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限，從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前，貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750)，最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年。

「知己知彼，百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居，唯有盡可能認識它的一切，才越能夠掌握其未來的動向，進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外，目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上，期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球，帶給我們更多有關小行星的重要資訊！

參考資料

• Ephemeris and hazard assessment for near-Earth asteroid (101955) Bennu based on OSIRIS-REx data
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103521002591?via%3Dihub
• Why Keyholes Make It So Difficult To Predict Asteroid Impacts – Scott Manley
  https://www.youtube.com/watch?v=oqPS5m9ShNo
• These are the asteroids to worry about – Veritasium
  https://youtu.be/4Wrc4fHSCpw
• OSIRIS-REx – NASA
  https://www.nasa.gov/osiris-rex
• CNEOS – NASA JPL
  https://cneos.jpl.nasa.gov/