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緻密小步舞曲— 重離子對撞,再現宇宙大爆炸

科學月刊_96
・2012/06/28 ・6384字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

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科學家推測宇宙是由「一個時空特異點」突然大爆炸而出現的,而在大爆炸那一微秒之後,這極高溫的世界是甚麼樣子?大強子對撞機將揭開這神秘面紗!

李彥頡

宇宙是怎麼誕生的,如何演化呢?好奇的人類總是不斷的追問大自然這個問題。從宇宙背景輻射(Cosmic Microwave Background)以及許多天文觀測的證據,我們知道宇宙的開端大概是在140億年前,從一個極為炙熱的小火球,快速的膨脹擴張、降溫,演變成我們現在所知的宇宙。在這篇文章中,我們想問的問題是,在宇宙大爆炸1 微秒後,這個極高溫的世界是甚麼樣子呢?我們有沒有辦法利用實驗的方法重現這個世界,來研究早期宇宙的性質呢?

掌管物質的四種作用力

我們知道物質之間有四種作用力:重力、電磁力、強力、弱力。重力把你我安安穩穩的「黏」在地球上,也是掌管地球繞著太陽公轉的力量。電磁力是日常生活中最常見的作用力,我們之所以可以看到這個世界(眼球中的視神經接收光子),可以觸摸到這個世界(我們手指中原子的電子雲與桌子的電子雲重疊,產生排斥),都是因為電磁力的作用。弱作用力管理許多基本粒子之間的轉換,如中子衰變為質子的過程。而四種作用力中最強的強作用力則是掌管原子核中,質子與中子之間的作用。核電廠進行核分裂反應產生大量的能量,太陽進行核融合反應照亮這個世界,都跟強作用力有關係。

圖一:宇宙的開端大概是在140億年前,從一個極為炙熱的小火球,快 速的膨脹擴張、降溫,演變成我們現在所知的宇宙。而我們想問的問題 是,在宇宙大爆炸1 微秒後,這個極高溫的世界是甚麼樣子呢?

在電磁力中,電子帶有電荷,電子之間是以交換光子的方式,來傳遞電磁作用力。而強作用力中,夸克帶有三種「色荷」(通常以紅、綠、藍三種色荷來表示,然而「色荷」與日常生活中的顏色無關),以交換膠子(Gluon)來傳遞強作用力。強作用力與電磁力非常的類似,兩個不同的地方是膠子本身也帶有色荷,與電磁力中的光子不同(不帶有電荷),且色荷有三種,電荷只有一種。從這個角度來看,強作用力顯然要比電磁力擁有更豐富的變化(而且強作用力的強度約比電磁力強100倍!)。然而在我們所見到的世界中,物質的交互作用卻是以電磁作用居多,強作用力卻只存在核反應中,到底為甚麼會有如此大的落差呢?

答案是因為我們所處的世界,跟宇宙大爆炸不久後比起來,是一個非常低溫的世界。夸克與膠子這些帶有色荷的基本粒子,都「凝結」了起來,組成零色荷的強子(如質子、中子、π介子),集中在一個極小的空間裡面(半徑約1費米的球體中)。就像是水在低溫的時候,水分子都凝結起來變成冰塊,沒有辦法自由的移動。因為這個緣故,日常生活中不常見到強作用的蹤跡。這告訴我們,實驗上需要一個非常高溫的環境,才能讓質子與中子「融解」成為夸克與膠子,打破強子之間的籓籬,讓夸克與膠子自由的交互作用。而這樣子的世界,事實上曾經存在!在宇宙剛爆炸的時候,溫度與能量密度非常的高。量子色動力學的計算結果顯示,在溫度達到核子彈爆炸核心溫度的5000倍時,夸克與膠子不再被禁錮在強子中,而是以「夸克–膠子電漿」(Quark Gluon Plasma)的方式存在,可以自由的運動與交互作用。

模擬宇宙初始

圖二:當要產生宇宙剛爆炸時的能量密度,所使用的方法是讓鉛原子核對撞。先把鉛原子核加速到接近光速的狀態,這時候會 變成像「煎餅」一樣的形狀(A)。當這兩個「煎餅」對撞後(B),會將大量的動量釋放在一個極小的空間(C~E),產生 一個超高能量密度的環境,進而重現宇宙大爆炸的狀態。

如果你身在冰天雪地的阿拉斯加,身邊只有冰塊,沒有火種,也沒有其他可以升溫器具,該如何「加熱」這個世界呢?一個很有創意的答案是:你可以讓兩塊冰塊加速相撞,將動能轉換成位能,用這樣的方式來融化冰塊。我們所生活的宇宙也在很相似的狀況,因為所處的世界溫度很低,所以夸克與膠子都凝結成為強子,要產生宇宙剛爆炸時的能量密度,科學家所使用的方法是讓重離子(Heavy Ion)對撞——把重離子(重元素的原子核,如鉛原子核、金原子核)加速到接近光速的狀態,這時候重離子因為羅倫茲收縮(Lorentz Contraction)的緣故,變成像兩個「煎餅」一樣,這兩個「煎餅」對撞之後,會將大量的動量釋放在一個極小的空間裡面,產生一個超高能量密度的環境,進而重現宇宙大爆炸的狀態(如圖二)。

夸克–膠子電漿產生之後,由於極高的能量密度與壓力,其體積快速的擴張,很快的冷卻碎成許多的強子。這個過程發生的飛快,大概只有10-23~10-24秒的時間。因此要研究夸克–膠子電漿的性質十分不容易。事實上,在實驗中我們只能藉由這些由夸克–膠子電漿冷卻凝結成的強子,以及其他不同的粒子,來了解這種新物質的特性。

位於美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的相對論重離子對撞機(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC),是第一個進行高能重離子對撞的加速器。金原子核在加速器中最高被加速到1000億電子伏特,並且進行對撞。在布魯克海文國家實驗室的實驗結果中,第一次證實了夸克–膠子電漿的存在。

到了2010 年的冬天粒子物理學界有了重大的突破,位於歐洲的大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)成功的完成鉛原子核對撞,並且將鉛原子核加速到1.38兆電子伏特,開創了一個超高能量密度的新紀元。1.38兆電子伏特這個數字或許不太易懂,其實這代表著每一個在鉛原子核中的質子與中子,都帶有相當於蚊子飛行時所擁有的動能。理論計算預測在大強子對撞機中將產生體積更大、溫度更高的夸克–膠子電漿,將對宇宙的起源以及高密度環境中量子色動力學的了解做出的貢獻。

圖三:緊湊渺子線圈(CMS)主要是由 超導磁鐵、矽晶軌跡追跡系統、量能器 (Calorimeter)以及渺子偵測器所組成, 可用來測量由夸克膠子電漿冷卻後所產 生的各種粒子,以重現宇宙大爆炸。

科學之眼—粒子偵測器

為了測量由夸克–膠子電漿冷卻後所產生的各種粒子,我們使用粒子偵測器來測量這些粒子的角度分布、動量以及能量。以緊湊渺子線圈(Compact Muon Solenoid,簡稱CMS偵測器)為例,偵測器主要是由超導磁鐵(Superconducting Magnet)、矽晶軌跡追跡系統(Silicon Tracker)、量能器(Calorimeter)以及渺子偵測器(Muon detector)所組成的。

CMS偵測器使用超導磁鐵產生強大的磁場(3.8 特斯拉)。碰撞中產生的帶電粒子往外飛散時,會受到磁場的影響而轉向,高動量的帶電粒子轉向程度較低,行進的軌跡比較接近直線,而低動量的帶電粒子則是以接近螺線的方式向前移動。CMS偵測器中的矽晶軌跡追跡系統就像是個3D 的數位相機一樣,記錄在對撞中所產生的帶電粒子軌跡,使CMS偵測器能夠測量帶電粒子的動量分布以及數量。電磁量能器是由鎢酸鉛晶體(Lead Tungstate)所組成的,可用來測量光子以及電子的能量。強子量能器可以用來測量中性以及帶電強子的能量,並且用於夸克與膠子噴流(Jet)的重建。由於渺子經過量能器時所損失的能量很低,可以穿過這些偵測器,因此在CMS 的超導磁鐵外層,還裝設了渺子偵測器,用來偵測渺子的訊號。

圖四:粒子在CMS偵測器中留下的軌跡。光子不會在矽晶追跡系統中留下軌跡,但是會在電磁量能 器中被破壞,留下能量;電子會在矽晶追跡系統中留下軌跡,並且將能量釋放在電磁量能器中;帶電 強子的軌跡可被矽晶追跡系統記錄下來,且會穿過電磁量能器,到達強子量能器並釋放能量。渺子因 不帶有色荷不參與強作用,質量又比電子重,因此渺子能夠穿過所有的偵測器以及磁鐵,在超導磁鐵 外的渺子偵測器中留下信號。

在CMS偵測器中(圖四),可以看到電中性的光子,不會在矽晶追跡系統中留下軌跡,但是會在電磁量能器中被破壞,留下能量。帶電的電子(反電子)則會在矽晶追跡系統中留下軌跡,並且將能量釋放在電磁量能器中。帶電強子(Charged Hadron)的軌跡同樣可被矽晶追跡系統記錄下來,與電子不同之處是帶電強子不只會在電磁量能器中留下能量,通常也能穿過電磁量能器,到達強子量能器,然後將能量釋放在強子量能器中。帶電的渺子更加特殊。由於渺子不帶有色荷不參與強作用,質量又比電子重約300倍,這些性質使得渺子通過介質時損失的能量較少,因此渺子能夠穿過所有的偵測器以及磁鐵,並且在超導磁鐵外的渺子偵測器中留下信號。這些探測到的高能渺子可用於Z 玻色子(Z Boson)的重建(經由Z 玻色子衰變至渺子與反渺子的管道)。利用CMS這個「科學之眼」,我們可以捕捉碰撞中除了微中子以外所產生的粒子,並且分辨他們。而藉由觀測這些由夸克–膠子電漿冷卻凝結而成的碎片,我們可以推測在碰撞中產生的新物質的特性。

新物質—夸克–膠子電漿

實驗物理學家常將電子射向想研究的物質,利用電子偏折的角度來研究物質的結構。然而重離子對撞所產生的夸克–膠子電漿存在時間極為短暫,且體積微小,因此測量這種新物質的性質非常不容易,也是實驗中最具挑戰性的問題。基本上測量夸克–膠子電漿的方法大致可以分為兩類:第一種是測量夸克–膠子電漿散開後所產生的粒子。從這些粒子的數量,角度分布以及能量大小,來推測夸克–膠子電漿的性質。第二種方法是在碰撞中,利用與夸克–膠子電漿同時產生的高能量夸克、膠子以及光子,讓這些粒子穿過夸克–膠子電漿,然後觀察電漿如何改變這些高能量的粒子。

圖五:當鉛對撞發生時,成千上萬的粒子在碰撞中產生,並且在軌跡追跡系統中留 下信號。此圖為CMS 偵測器所記錄下來的一個鉛對撞事件。

圖五是CMS偵測器所記錄下來的一個鉛對撞事件,由圖中可以看出,成千上萬的粒子在碰撞中產生,並且在軌跡追跡系統中留下信號。經由電腦人工智慧辨識,可以重建出碰撞中所產生的帶電粒子軌跡(圖中位於核心、顏色較淡的細絲線狀)以及動量大小。從強子的數量估計,我們發現在大強子對撞機中鉛對撞所產生的夸克–膠子電漿,能量密度比日常生活中常見的其他原子核的密度還要高5~10 倍。換句話說,在一個質子大小的空間裡,要擠下5~10倍質子的能量。因此很顯然的,這種物質不太可能是由質子與中子等強子所組成,而是由更高密度的夸克與膠子所組成。圖中也可以看到許多正方體,所顯示的是電磁量能器所測量到的能量大小。而在最外圍的長柱狀體則顯示強子量能器所測量到的能量。利用量能器所測量到的能量大小,也可以推出與帶電粒子相同的結論,我們在對撞中確實產生了極度緻密的物質。而且所測量到的總能量,大約是在前一個實驗「相對論重離子對撞機」(Relativistic Heavy Ion Collider)的金原子核對撞中總能量的2~3 倍。

聰明的你也許會問:「如何證實在碰撞中,一個達到熱平衡的夸克–膠子電漿真的產生了呢?也許這麼多的粒子只是原子核中許多質子與中子之間

的對撞疊加在一起所造成的,彼此並不相干!」如果在鉛對撞中,所產生的粒子真的是由許多互不相干的核子對撞所造成的,偵測器所偵測到的粒子角度分布會是對稱的。但如果在碰撞中所產生的物質,是已達到熱平衡的夸克–膠子電漿,這時候由夸克–膠子電漿冷卻所產生的粒子由於壓力的作用,會產生不對稱的角度分布。壓力較大的方向,所測量到的能量及粒子數量較多,而壓力較小的方向則會觀測到比較少的粒子。

在CMS實驗中,由矽晶追跡系統以及量能器所測量到的粒子能量分布,真的可以見到角度的不對稱性,這證實了所產生的新物質的確達到熱平衡,而且與相對論性流體力學(Relativistic hydrodynamics)的理論計算結果相符合。實驗數據顯示,這種新物質甚至比水還更接近理想液體。這個有趣的現象首度在相對論重離子對撞機中被發現,而且再度在大強子對撞機實驗中被確認。而且在大強子對撞機的實驗中,甚至在每次碰撞中,都可以直接看到粒子能量分布的不對稱性(如圖六)。

圖六:從矽晶追跡系統以及量能器所測量到的粒子能量分布,可以見到角度的不對稱性,證實了 所產生的新物質的確達到熱平衡。

更進一步—電漿性質的精密測量

在大強子對撞機的實驗中,由於對撞的能量較相對論重離子對撞機提高了17.5倍,超高能量的夸克與膠子,以及不帶色荷的光子與Z玻色子的產生機率大增,我們可以利用這些穿過夸克–膠子電漿的粒子,測量這些粒子如何與電漿反應,進行電漿性質的精密測量。由於光子與Z玻色子不帶色荷,通過夸克–膠子電漿時,理論預測這兩種粒子不會受到強作用力的影響,會直接穿過這種新物質而不被改變。而高能量的夸克與膠子穿過電漿時,由於帶有色荷,會受到強作用力的影響而損失能量,甚至因為介質的推力而改變行進方向。

利用CMS偵測器的電磁量能器與渺子偵測器,實驗已經成功的捕捉到光子與Z玻色子的信號(如圖七:Z玻色子衰變至渺子與反渺子),並且發現這兩種不帶色荷的粒子不受夸克–膠子電漿的影響,首度證實了理論的預測。而在夸克與膠子的噴流分析中, CMS偵測器直接測量到這些噴流損失了很多的能量,這個直接證據告訴我們在鉛對撞中真的有新物質產生。而且當高能夸克與膠子穿過電漿時,受到非常強大的阻力。每前進1個費米的距離,就會損失約數十億電子伏特的能量。然而奇怪的是,雖然高能量夸克與膠子在通過介質時損失了不少能量,但行進方向卻出乎意料之外的沒有任何變化!研究夸克與膠子如何損失能量可與許多理論模型做比較,初步的結果發現這些夸克與膠子所損失的能量遠高於預期,而行進方向卻沒有改變,與在真空中的狀態無異!這些新現象沒有辦法使用目前的模型解釋。許多更進一步的實驗分析正在進行中,如尋找夸克–膠子電漿中的聲波以及底夸克(Bottom Quark)的測量等等,將提供許多以量子色動力學以及弦論所建構的理論模型和許多珍貴的資訊。

揭開早期宇宙之謎

在2010年大強子對撞機成功的加速鉛原子核到1.38兆電子伏特,並且完成人類史上最高能量的重離子對撞實驗。2011年大強子對撞機更提供了比2010年多20倍的鉛原子核對撞。緊湊渺子線圈的實驗結果再度證實夸克–膠子電漿在鉛對撞中產生了,並且首度完成光子、Z玻色子以及高能夸克(膠子)噴流的分析。這種超緻密的物質,也許與宇宙大爆炸後1微秒後的狀況十分類似,也可能存在於中子星的核心之中。

初步的實驗結果告訴我們,如果有一台火箭,在早期宇宙的環境中被發射升空,我們只需要不到1奈米厚的夸克–膠子電漿,就可以將火箭瞬間停下來,而與火箭一起前進的高能量光子,則不受影響,可以順利的穿透夸克–膠子電漿繼續往前傳播。如果有一個高能量的夸克在早期宇宙中「游泳」,這個夸克會受到夸克–膠子電漿的影響而很快的減速,但「游泳」的前進方向卻不會改變!

由於在大強子對撞機中的高能量鉛原子核對撞,許多高能光子、Z玻色子、以及高能量的夸克與膠子與夸克–膠子電漿一起產生,開創了一個全新的研究方向。由於光子與Z玻色子不參與強作用力,因此測量這些不帶色荷的粒子,可以得到夸克–膠子電漿剛產生時的初始狀態,就像是利用微中子可以探測太陽的核心一樣。利用超高能量的夸克與膠子穿過電漿,我們可以進行類似拉塞福(Rutherford, 1871~1937)實驗的研究,只是這次不是利用電子去探測原子核,而是用這些高能夸克與膠子來探測夸克–膠子電漿的結構。

在大強子對撞機有了這些有趣的研究工具,將有助於了解高密度環境下的量子色動力學,並且解答早期宇宙之謎。近年來在弦論模型的計算與發展,更提供了嶄新的方向,幫助我們在夸克–膠子電漿研究中所學習到的知識,運用在各種其他的強交互作用系統(Strongly interacting system)。許多精彩的實驗分析與理論計算,正如火如荼的進行中!

圖七:利用CMS偵測器的電磁量能器,成功的捕捉到Z玻色子衰變至渺子與反渺子,並且發現這兩種不 帶色荷的粒子不受夸克膠子電漿的影響,首度證實這兩種粒子不會受到強作用力的影響。

李彥頡:任職歐洲核子物理研究中心

原文發表自科學月刊第四十三卷第五期

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科學月刊_96
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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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為何人類對火星如此執著?火星曾有過生命嗎?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/24 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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火星 vs. 地球

長久以來,人類對火星充滿好奇,火星上有沒有水?那裡住著火星人嗎?這些未知,讓人類發射各種探測器和太空船前往火星,希望一探火星的奧秘!

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山,它比地球上最大的茂納開亞火山(MaunaKea)還巨大,如果從火山底部算起,奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半!火星的直徑大約只有地球的一半,為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢?

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點(hotspot)火山,這類火山的岩漿來自地函,熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動,地球的地殼會移動,這造成熱點穿出地殼的位置改變,時間久後,會形成一長串的火山,其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山,目前大島就位在熱點上,夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老,而且離大島愈遠愈老。

地函熱點往上冒出地殼會形成火山,因為板塊運動,熱點穿出地殼的位置會改變,所以地球上會形成一長串的火山島鏈。火星上沒有板塊運動,熱點冒出的岩漿不斷在地殼上重複累積,形成比地球上高大的火山。圖/麥浩斯出版

地球上因為板塊運動,熱點火山不會長得太大,長到一定程度,就會因為板塊運動移開熱點,沒有熱點提供岩漿,火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同,火星沒有板塊運動,地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出,岩漿在同一熱點一直堆積長高,所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究,火星早期有較厚的大氣,溫度適中,甚至表面有河川流水,跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢?

火星早期曾經有磁場,後來磁場消失,讓火星大氣失去防護,漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小,地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣,大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧,流失到外太空,最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一,而且還持續流失中!

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小,所以散熱較快,造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識,我們才明白地球原來如此特別!

真的有火星人嗎?

人類對火星上有沒有生命充滿想像,其中最有名的可能是帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪,對火星非常著迷。1890 年代,他用自己建造的天文台觀看火星,並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河,建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道,這是火星有智慧生物存在的證據。

目前火星的表面沒有穩定流動的水,不過火星上的水可能在地底下,科學家推測火星生命可能潛藏在地底。圖/麥浩斯出版

1965 年,美國的水手 4 號太空船飛掠火星,發現火星表面一片荒蕪,根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過,火星有生命存在的想法太吸引人,人類還是不斷用各種方式探索火星,尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢?一方面是科學上的原因,希望找到地球外的生命形態,不管這種生命形態是不是跟地球一樣,都是非常重大的發現;另一方面可能是情感上的因素,不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方,孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗,只要有水的地方幾乎都找得到生命,水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖,地表有水流動,所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物,因為水存在火星表面的時間並不長,無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水,不過水還是有可能存在地表下,所以,生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星,不久的將來人類也會登上火星,到時候火星有沒有生命的問題,可能就會有答案。

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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電生磁,磁生電,就讓場論來說明吧!——《物理學的演進》
商周出版_96
・2021/04/18 ・2811字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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  • 作者|Albert Einstein, Leopold Infeld
  • 譯者|王文生

電場的變化,伴隨磁場的產生。」如果我們把「電場」和「磁場」的位置交換,剛剛的句子變成:「磁場的變化,伴隨電場的產生。」只有實驗才能確定這個敘述是否屬實。不過,這個問題是透過場的語言組織而成。

100 多年前,法拉第做了一個實驗,結果是感應電流的偉大發現。演示的過程很簡單。我們只要準備一根螺旋管,一根棒狀磁鐵,還有一個檢測電流存在的儀器,這種儀器有很多種。開始時,讓螺旋管形成一個封閉電路,再把棒狀磁鐵放在靠近螺旋管的地方,保持靜止(下圖)。導線上沒有電流,因為沒有源頭產生電流。現在只有棒狀磁鐵的磁場,不隨時間改變。現在,我們很快改變磁鐵的位置,隨喜好讓它靠近或遠離螺旋管。在這個時間點,會產生一個電流,持續時間非常短,隨即消失。當磁鐵的位置改變,電流就會出現,而且可以被足夠敏感的儀器偵測到。但是一個電流—從場論的角度看來—代表一個電場存在,迫使電流體在導線上移動。電流及電場,在磁鐵再次靜止時會消失。

螺旋管形成一個封閉電路,再把棒狀磁鐵放在靠近螺旋管的地方,保持靜止。圖/《物理學的演進

想像一下,如果場的語言還是未知,我們必須用機械論的舊有觀念,也即定性和定量地描述這個實驗結果。那麼,我們的實驗結果顯示:因為磁極的運動,創造出一個新的力,使電流體在導線上移動。下個問題是:這個力和什麼有關?這會是很難回答的問題。我們得研究力與磁鐵速度的關係,以及力與磁鐵形狀、電路形狀的關係。不僅如此,如果用舊有語言詮釋這個實驗,我們完全沒有線索能推測,如果不是棒狀磁鐵,另一個通電的電路是否能引起感應電流。

法拉第鐵圈實驗室意圖:左邊線圈通磁量的改變,會在右邊線圈感應出電流。圖/Wikipedia

如果用場的語言,事情會變得很不一樣。我們再次相信我們的原理,也就是場可以決定作用。我們見過一次,通電的螺旋管的作用與棒狀磁鐵類似。下圖畫出兩根螺旋管,一根較小,並帶有電流;另一根較大,我們偵測到它帶有感應電流。就像我們之前移動棒狀磁鐵,我們可以移動小螺旋管,在大螺旋管上製造一個感應電流。不僅如此,即使不移動小螺旋管,我們也能透過創造和消滅電流的方式,也就是接通或斷開電路,藉此創造或消滅磁場。場論預期的新現象,再次被實驗證實!

畫出兩根螺旋管,一根較小,並帶有電流;另一根較大,我們偵測到它帶有感應電流。圖/《物理學的演進

我們看一個更簡單的例子。有一條封閉的導線,上面沒有任何電流的源頭。導線的附近有一個磁場。這個磁場來自另一個通電的電路,或是某個棒狀磁鐵,對我們來說並不重要。我們的下圖,畫有封閉電路和磁場的力線。透過場的語言,感應現象的定性與定量描述會非常簡單。如同圖中所繪,有些力線穿過了導線圍繞範圍內的平面,我們必須考慮穿過該平面的力線。不論場的強度有多大,只要場沒有變化,就不會有電流。但是,只要穿越導線圍繞範圍內的平面的力線數量有所變化,環狀的導線上就開始有電流通過。電流由穿越平面的力線的數量變化所決定,不論數量變化的原因為何。力線數量的變化,是感應電流的定性與定量描述中唯一的必要觀念。「力線數量的變化」,代表力線密度的改變,我們也記得,力線密度的變化,其實就是場的強度變化。

畫有封閉電路和磁場的力線。透過場的語言,感應現象的定性與定量描述會非常簡單。圖/《物理學的演進

接下來,是我們的論證鏈中必要的論點:磁場變化→感應電流→電荷移動→某個電場存在。

因此:一個變化中的磁場,伴隨著一個電場。

於是,我們發現兩個電場和磁場理論中最重要的兩根支柱。第一,是電場的變化和磁場的連結。這是從厄斯特針對磁針偏轉的實驗產生的結果,實驗的結論是:一個變化中的電場,伴隨著一個磁場。

第二根支柱連結了變化中的磁場與感應電流,是法拉第的實驗得出的結果。兩根支柱,都成為量化描述的基礎。

又一次,伴隨變化的磁場產生的電場,似乎是某種真實的東西。我們必須想像,先前電流的磁場存在於沒有測試磁極的狀況。同樣的,我們必須宣稱,在測試導線上的感應電流不存在的狀況下,電場依然存在。

事實上,我們的雙支柱架構可以簡化成只有一根支柱,也就是從厄斯特的實驗得到的結果。法拉第的實驗結果,可以從第一根支柱,加上能量守恆定律推導出來。我們之所以使用兩根支柱的架構,只是為了清楚和有效率地表達。

應該再提一下場的描述產生的另一個結果。有一個通有電流的電路,電流來自伏特電池,舉例來說,導線和電流的來源突然被分開。現在當然就沒有電流了!但是,在為時短暫的分離之中,發生了一個有趣的過程。場論再次預期到這個過程的發生。在電流斷開前,有一個環繞導線的磁場。在電流斷開的瞬間,這個磁場也消失了。因此,有一個磁場經由斷開電流而消失。穿過導線圍繞的平面的力線數量,發生了快速的變化。但是這個快速變化,不論產生的原因為何,必須創造一個感應電流。實際上更重要的是,如果磁場的變化越大,感應電流也將隨之增強。這個結果是測試場論的另一個機會。斷開電流時,必定伴隨另一個更強、暫時產生的感應電流。實驗又一次證實了這個預測。每一個嘗試斷開電流的人,一定有注意到產生的火花。這個火花展現的是快速的磁場變化所造成的巨大電位差。

同樣的過程可以用另一個角度檢視,能量的角度。磁場消失,一個火花產生。火花代表能量,因此磁場也必須如此。為了在使用場的觀念和語言時,保持物理定律的一致性,我們必須把磁場視為能量的保存地點。只有這個辦法,我們才能在描述電與磁的現象時遵守能量守恆定律。

剛開始,場只是有用的模型,後來變得越來越真實。我們透過場了解了舊現象,它也帶我們發現新的。更進一步,是能量和場的整合,場的觀念又一次被強調;同時,對機械觀來說,至關重要的物質的觀念之重要性,日漸下降。

——本文摘自《物理學的演進》,2021年2月,商周出版。
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