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蒼藍一粟:航海家 1 號的特別任務

科學月刊_96
・2020/03/25 ・3013字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 491 ・五年級

  • 文/金升光,任職於中央研究院天文及天文物理研究所、國際天文聯合會會員。

「再仔細看一眼那小點吧。那是這兒。那是家。那是我們。
Look again at that dot. That’s here. That’s home. That’s us.

-卡爾.薩根 (Carl Sagan)

翻開相簿,往往能找到幾張自己和親朋好友或家人們的合照,化剎那為永恆。

1990 年 2 月 14 日,航海家 1 號太空船 (Voyager 1) 在距離地球約 60 億公里遠處,為太陽系家族拍下了第一張全家福,迄今剛好 30 年。

而這組太陽與行星的大合照是由 60 幅影像拼接而成,地球的大小在照片中只是未滿一個畫素、不起眼的小點,幾乎淹沒在太陽強光於相機內產生的雜散光之中。

航海家 1 號所拍到的太陽系行星,第一行從左到右分別是金星、地球、木星,第二行從左到右分別是土星、天王星、海王星。圖/NASA

大力推動這次特別任務的美國天文學家薩根稱之為「Pale blue dot」,意思是暗淡藍點、蒼藍小點或淡藍色的小圓點。

現今提到自拍,就是使用左右手、自拍棒、三腳架或高檔的遙控空拍機。而太陽系全家福,只要透過 1977 年發射的最先進太空船,讓相機瞄準適當的角度,按下快門就可以了嗎?每位攝影家總是有自己獨特的眼光;不過,讓我們先從外太空的角度,稍微深入了解一下這次任務。

目標

航海家 1 號的兩大主要目標是木星 (1979 年) 和土星 (1980 年)。太空船上共搭載 11 組的科學儀器,其中的影像科學系統 (Imaging Science System, ISS) 包括兩台相機。窄角相機焦比 F/8.5,焦長約 1500 毫米 (mm),水平與垂直方向的視角略大於 0.4 度;廣角相機 F/3.5,焦長約 200 毫米,兩方向視角都接近 3.2 度。

換句話說,窄角相機可以一次拍下大部分的滿月(視直徑約 0.5 度),解析度高;廣角相機視野內則可填滿 6 × 6 共 36 個滿月,但解析度較低。

月亮:我等著你來拍我呢(開玩笑的)。圖/GIPHY

相機的焦平面上使用的自然不是傳統底片,也不是現代常見的固態電子元件1,而是承襲自先前水手號計畫 (Mariner Program) 改良後的光導攝像管 (vidicon tube),比較類似早年的陰極射線管。水平與垂直方向各有 800 條掃描線,相當於 800×800 或 64 萬畫素的相機。

拍攝後的影像經過 8 位元的類比數位轉換後可存入磁帶或直接回傳地球。兩台相機都配備了 8 組濾鏡,最後太空船回傳了 39 幅低解析度的單色影像,另外 21 幅高解析度影像分別使用三組濾鏡瞄準行星,合成後可以產生彩色影像。

透過簡單的星空模擬軟體或精確的星曆計算程式,不難重現當年行星排列的概況。

首先,冥王星太暗不在拍攝計畫內、水星太靠近太陽,而火星幾乎背對著鏡頭,在太陽的強光中無法辨識。金星和地球「恰好」在最適合觀測的位置附近,也就是說,行星-太空船(觀測者)-太陽三者所夾的角度接近最大值,受太陽光的影響最小;同時,行星本身不發光,相對於太陽和觀測者的相位如同月亮的圓缺,不同方位看起來也呈現不同的亮度,必須一併考慮。

拍攝計畫考慮了非常多的因素呢!圖/GIPHY

當年航海家 1 號放棄造訪冥王星的機會,在完成了土星環和土衛六(泰坦)的觀測任務之後,以約 35 度的角度遠離行星繞太陽公轉的平面。60 億公里約相當於地球和太陽平均距離的 40 倍,也就是 40 天文單位 (au)。

換個角度來說,這時從太空船觀測地球和太陽之間的夾角,最大不會超過 1/40 弧度,約等於 1.4 度;而相機看到的太陽依然比地球上看到的天狼星亮 800 萬倍,相差超過 17 個星等。

星點

每 5 星等,亮度相差 100 倍。天狼星是地球夜空中最亮的恆星,視星等約 -1.5 等。

然而,反射陽光的行星有時候看起來比天狼星更亮,這和行星的距離、大小、相對相位、大氣和表面組成都有關係。

地球上看金星最亮時約 -5 等,如果有機會從金星軌道看地球應該比從地球上觀測火星大接近更壯觀。粗略估計,人們可以說地球型的行星亮度大約和太陽相差 10 星等以上,因為直徑就相差兩個數量級;木星直徑約地球的 10 倍大,反射面積增加 100 倍,相當於 5 星等,相對的也比較容易觀測。

土星外觀。圖/GustavoAckles@Pixabay

經過多年努力,面對不同意見、疑慮和實務上的困難,其實薩根也承認,即使從土星軌道看,地球和幾顆較小的行星仍然只會是照片中的一個星點,不會有太多的科學內涵;但另一方面,這是人類第一次有機會從如此遙遠的太空回頭認識自己的世界。

這也是影像科學系統的最後一組照片:為保留太空船電力等資源進行星際空間研究,ISS 在完成任務後隨即關閉。

從太陽系行星的邊陲地帶以光速行進 5 個多小時才到達地球,而照片在 3 月到 5 月間陸續回傳分析。 NASA 在美東時間 6 月 6 日召開記者會,正式公布這次觀測的結果。

記者會上,同時擁有普立茲獎桂冠的薩根指著照片中的微弱光點,向眾人介紹:這就是我們生活的地方,在一個藍色的小點上。

蒼藍

在 1968 年耶誕節前夕,首度脫離地球引力進入月球軌道的阿波羅 8 號的 3 位太空人,正執行繞月飛行任務為將來的登月做準備。

窗外單調的月球表面和坑洞、漆黑的夜空和繁星,彷彿進入幾乎黑白的世界。當地平線上忽然出現一顆藍色的行星冉冉上升,美麗的景象立即吸引 3 人的目光,放下手邊的工作按下快門,這意外的「地球初升」或「地出 (Earthrise)」也成為史上傳頌最廣的照片之一。

這就是當年拍下的「地出 (Earthrise)」照片。圖/Wikipedia

如果把鏡頭拉遠到航海家的軌道或更遠,加上若干比例的雲層反射就成了「蒼藍」。但是,同樣反射陽光的其他太陽系天體為什麼呈現不同的顏色?地球很特別嗎?未來人工智慧程式能夠從萬千個遙遠世界中分辨出具有獨特生命力的光點嗎?

1990 年代初期,太陽系仍是宇宙中所僅知的行星系統。2019 年諾貝爾物理獎頒給了宇宙學理論和類太陽恆星旁系外行星的新發現,是因為他們改變人類對於宇宙演化和地球在宇宙中地位的理解與認知2。近 30 年來,已有數千顆系外行星被發現,然而,能夠偵測到行星大氣吸收譜線或反射光譜的目標仍屬鳳毛麟角。

透過未來更大口徑的望遠鏡和特殊技術,佐以行星物理、大氣化學等分析,科學家有可能分辨出類似地球表面植被和大氣循環特徵等生命存在的可能信號,這正是目前天文生物學 (astrobiology) 熱門的研究主題之一。

也許有一天,比 AlphaGo 更先進的程式會突然暫緩執行中的枯燥任務,轉頭拍下傳世的照片?也許,另個程式能看透來自遙遠宇宙的蒼藍微光,如薩根寫下他對這微光背後人文歷史的關懷?

歷史其實有些弔詭。就在航海家 1 號相機完成終極任務之前不久,1989 年 11 月 9 日,柏林圍牆倒下了;30 年後的今天,人們透過新的科技又豎立起各種有形無形的高牆。持續破紀錄的氣象數字、災難成為常態、環境汙染進入生態循環,大自然並不在乎這些人為的疆界。

就在獅子座編號 HD 100655 的 6 等巨星旁有顆行星叫做「水沙連 (Sazum)」;或許附近軌道上還有一個暗淡藍點,上面有群外星天文學家正在研究著超級先進望遠鏡在寶瓶座方向拍到,一顆 10 等暗星——我們的太陽旁邊的奇異光點。

那是這兒。那是家。那是我們。同一個地球,同一片天空。

註解

  1. 詳請參閱《科學月刊》2009 年 12 月諾貝爾物理獎報導—〈奠定現代網路生活的發明〉。
  2. 詳請參閱《科學月刊》2019 年 12 月號諾貝爾物理獎報導—〈宇宙學〉與〈系外行星〉。

延伸閱讀

  1. 國際天文聯合會 (International Astronomical Union, IAU) 100周年
  2. Solar System Portrait – View of the Sun, Earth and Venus, NASA
  3. Krissansen-Totton, J. et al., Is the Pale Blue Dot Unique? Optimized Photometric Bands for Identifying Earth-like Exoplanets, Astrophysical Journal, Vol. 817: 31, 2016.

〈本文選自《科學月刊》2020 年 3 月號〉

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月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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18世紀的金星變形秀:行星凌日與黑滴效應
全國大學天文社聯盟
・2022/06/28 ・3216字 ・閱讀時間約 6 分鐘

1761 年 6 月 6 日,歐洲的天文學家們乘船抵達世界各地的天文台,爭相用最先進的儀器紀錄一個罕見的天文現象──金星凌日, 因為此天文現象可以幫助人們精確測算地球與太陽的距離。在英法七年戰爭的氛圍下,兩國的天文學家尤其較勁,都想要第一個量出日地距離,為天文學史畫下濃墨重彩的一筆。然而當大家拭目以待地望向剛與太陽重疊的金星時,卻都露出了驚訝的表情──金星變形了!

說到金星凌日,大家最有印象的或許是 2012 年的一次金星凌日,從天文學家到各個職業的人們都拿著減光濾鏡共襄盛舉,畢竟下一次的金星凌日要到 2117 年才會再發生。然而在過去,金星凌日並不只是歡樂的娛樂事件,也是非常嚴肅的科學事件。

在十八世紀時,多數天文學家都接受哥白尼的日心說,而克卜勒提出的行星運動三大定律,則可以推導出各行星軌道半徑與地球軌道半徑之間的相對長度,然而最大的問題是當時的人們並不知道地球軌道半徑(地球到太陽的平均距離)的絕對長度。為了解決這個問題,英國天文學家愛德蒙.哈雷於 1716 年提出了使用金星凌日來測量日地距離的方法。如圖一所示,金星凌日的軌跡長短與在地球上的何處觀測有關,在軌跡較長處金星凌日的時間較長,反之則較短,這是因為在地球上不同處觀測金星的視角不同造成的。

假設我們在地球上的 A 與 B 兩處量測金星凌日的時間,我們可以量出兩地觀測金星時的視角差,在知道 A 與 B 間距的前提下,我們可以用視差法量出地球到金星在金星凌日發生時的距離(見圖二)。最後根據克卜勒第三行星運動定律─行星公轉太陽週期平方與行星到太陽的平均距離立方成反比─可以得出金星到太陽的距離約為地球到太陽距離的 0.7 倍,我們也可以得知地球與金星在金星凌日時的距離是地球到太陽距離的0.3倍,由此可以推導出太陽與地球的距離。



圖一(左):金星凌日軌跡。圖二(右):視差法算金星與地球距離。

此方法在當時極大鼓舞了天文學家的士氣,大家都摩拳擦掌的為 1761 年的金星凌日作出準備,共一百多名天文學家乘船至世界各地以測量不同地方金星凌日的時長,其中較為著名的有英國派出的庫克船長於大溪地觀測金星凌日,以及荷蘭則派出的 Johan Maurits Moh 到歷史課本中提過的荷蘭東印度公司巴達維雅總部進行觀測(圖三)。

然而正當金星與太陽重疊時,大家卻不知道何時該按下碼表記錄金星凌日開始的時間,因為金星變形了。圖四是最早關於金星變形的紀錄,在金星靠近太陽的邊緣時金星的旁邊會出現黑色的陰影與太陽邊緣相連接,而這樣的陰影狀似水滴,因此這個現象也被稱作「黑滴現象」

圖三(左):巴達維雅總部,Johan Maurits Mohr 的私人天文台。
圖四(右):於1761年被Torbern Bergman 記錄之黑滴現象。

當時的天文學家們為黑滴現象提出了各種不同的解釋,有些天文學家認為黑色的陰影是金星大氣對太陽光的散射與折射造成的錯覺,也有人認為這是地球大氣擾動造成的現象,還有人認為是太陽光通過金星時繞射所造成的陰影。

前面兩種解釋在 1999 年 NASA 的 TRACE 太空望遠鏡對水星凌日的觀測後被否定,因為太空中沒有地球大氣干擾,水星上則沒有大氣可以散射或折射太陽的光線,而觀測的照片中卻仍出現黑滴效應(圖五)。光的繞射所能造成的影響則不足以產生黑滴現象(繞射影響在約 10^{-9} 角秒,可忽略[1])。

圖五:1999年水星凌日,攝於 NASA’s Transition Region and Explorer (TRACE) 太空船(Schneider, Pasachoff, and Golub/LMSAL and SAO/NASA)

關於黑滴現象的成因一直到 2004 年才得到令人信服的解釋,天文學家 Glenn Schneider 認為黑滴現象是由望遠鏡的點擴散函數(Point Spread Function, PSF)以及太陽的周邊減光造成的 [2]

為了簡單瞭解他所提出的概念,大家可以將大拇指與食指放在一光源之前漸漸靠近(直視強光源會傷害眼睛,請注意光源強度不可以太強),在兩指快要靠在一起時,可以看見兩指中間突然浮現出一段陰暗的橋將兩指相連(如圖六)。

這是因為非點光源會在兩指的邊緣製造出模糊的陰影,而人眼對模糊的陰影並不敏感,因此直到兩指特別靠近時,兩指的陰影重疊導致陰影變明顯才看得出來。圖七與圖八中的兩塊陰影可以幫助大家更好地破除這個錯覺,圖七單純顯示兩塊模糊的陰影,而圖八將陰影的等暗度線畫出來。比較兩圖我們可以發現雖然圖七中兩塊陰影像是連接在一起,然而實際上圖八卻顯示兩陰影並沒有連接在一起 [3]

圖六(左):大拇指與食指之間的暗橋。圖七(中):兩個模糊陰影 [3]。圖八(右):同中間圖,但是增加了等暗度線 [3]

金星凌日所產生的黑滴效應也是透過類似的方式產生的,不過金星模糊陰影與太陽邊緣模糊的成因不同。金星陰影在望遠鏡的觀測中,會因為望遠鏡的點擴散函數而在成像時顯得模糊。望遠鏡的點擴散函數,指的是一望遠鏡在觀測點光源時成像的樣子,不同望遠鏡的點擴散函數有所不同,但通常口徑小做工差的望遠鏡會有較大之點擴散函數,點光源被模糊化的程度也越高,看的也就越不清晰。

回到金星的陰影,當古代人們用做工差且口徑較小的望遠鏡觀測金星時,其陰影非常模糊、黑滴現象較現在的望遠鏡明顯的多,這也是為什麼各地回報黑滴現象的次數隨著望遠鏡的進步逐漸地減少 [4]

太陽邊緣的模糊則主要是因為太陽是一團沒有銳利邊緣的發光電漿。如圖九所示,假設每單位體積電漿能發出的光相同,我們可以看到往太陽邊緣的線上通過的電漿比往太陽中心的線上通過的電漿要少,這也代表著往太陽中心看去的光線較亮,而越往太陽邊緣看去亮度會逐漸減少。圖十是一個比較誇張的示意圖,圖中一模糊的黑影為金星,一模糊的白色邊緣則代表太陽邊緣,即便兩者的邊緣沒有接觸,我們仍能看到金星的邊緣伸出了黑影,與太陽邊緣相連接,這便是黑滴現象的由來。

圖九(左):太陽周邊減光成因示意圖。圖十(右):黑滴現象示意圖。

回到日地距離的問題上,難道在這兩百多年的時間中沒有其他方式能量測金星與地球的距離嗎?實際上在雷達與遙測技術的加持下,人們早在 1964 年就能夠以高精度量測地球到金星間的距離了,因此如今的日地距離測量早已與金星凌日無關。

不過黑滴現象這一歷史悠久的問題,仍在一代一代天文學家的不懈努力下被解決了;時至今日,我們仍面臨著宇宙的諸多未知,而我由衷的期待這些現在看似無解的問題,能在未來的某一天被解決,無論花上幾十年、幾百年的時間。

參考資料:

  1. The Transit of Venus and the Notorious Black Drop, Schaefer, B. E. (2000) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000AAS…197.0103S/abstract
  2. TRACE observations of the 15 November 1999 transit of Mercury and the Black Drop effect: considerations for the 2004 transit of Venus, Glenn Schneider (2004) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103503003841?via%3Dihub
  3. Stackexchange, Why do shadows from the sun join each other when near enough? (2014) https://physics.stackexchange.com/questions/94235/why-do-shadows-from-the-sun-join-each-other-when-near-enough
  4. The black-drop effect explained, Jay M. Pasachof (2005) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2005tvnv.conf..242P/abstract