中子星核心中有超流體

• 文／語星葉

2018 年，在特大天線陣巡天計畫（VLA Sky Survey, VLASS）的資料中，一個來自遙遠星系的不尋常電波源，吸引了天文學家的注意。經過四年的觀察與分析，他們認為這個未知電波源，最可能是來自一個非常年輕且威力強大的中子星。

這個電波源在二十年前，在特大天線陣的第一個巡天計畫「FIRST」資料中尚不存在，代表這是個「瞬變天體（Transient）」，即在人類的時間尺度中，可觀察到明顯變化的天體——別忘了，人類的千年歷史，在宇宙時間尺度下都只是一瞬。

在當今望遠鏡技術的快速推進下，瞬變天體其實並不罕見。每天都有許多新的瞬變天體被望遠鏡捕捉。然而，至今仍有許多瞬變天體覆著未知的面紗，例如 21 世紀新發現、被稱作「快速電波爆（Fast radio burst, FRB，圖二）」的瞬變天體，便是今日天文物理學的熱門主題。

科學家對其極高光度、極短時距的成因和來源都還沒有定論。不過，這個新發現的電波源未來有望為我們帶來解答！

天文學家認為，這次的未知電波源，最可能是來自一顆脈衝星（Pulsar，圖一）、甚至可能同時是一顆磁星（Magnetar，圖六），與周遭氣體交互作用所產生的星雲亮光。脈衝星和磁星都是中子星的一種，至於它們分別是什麼，以及為何會有這些不同的名稱，則要回顧一下中子星的發現史。

理論推演中子星、觀測發現脈衝星，證明中子星的存在

在 1933 年的美國物理年會上，也就是查兌克宣布發現中子後一年，兩個不相干的理論團隊雙雙提出，因恆星塌縮後反彈而形成的「超新星」爆發，會促使中心區域坍縮形成「中子星」，即體積極小、非常緻密，由中子擠在一起形成的天體。這無疑是一重大突破，在此之前，天文學界還不清楚超新星跟新星（Nova）是來自不同的物理機制，而「中子星」更是沒人提過的概念。

• 延伸閱讀：宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星 – PanSci泛科學

此後，超新星的概念快速普及，觀測上古往今來的超新星也如雨後春筍般被識別與發現。然而，中子星的概念，還要等到三十多年後脈衝星的發現，才被廣為接受。^[3]

1967 年，一位年僅 24 歲的劍橋大學研究生約瑟琳．貝爾．伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell，圖四）和她的指導教授安東尼．休伊什（Antony Hewish），在無線電望遠鏡資料中，發現了一種會以極短的週期快速閃爍的未知無線電波源，她們稱之為「脈衝星」。然而究竟是什麼原因產生這樣的訊號？他們沒有頭緒。

一開始，休伊什甚至認為可能是收到了來自遠方智慧生命的訊號，還暱稱為「小綠人（Little green man，20 世紀電影中外星人時常是綠色皮膚）」。因為他難以想像這樣短促而準確的週期性訊號，不是生命體、而是自然現象產生的。^[4]

此時，被猜疑了三十多年的中子星概念再次登場，而且馬到成功，完美地解釋了這種短週期出現的電波訊號。原來脈衝星是高速旋轉的中子星，其高轉速及強磁場會在中子星的兩極產生高能帶電粒子，從而發射出無線電波波段的輻射。於是兩極的電波束便隨著中子星的高速自轉，如燈塔般週期性的指向地球，被電波望遠鏡所接收，這便是脈衝星的由來（見圖五）。電波脈衝星的自轉週期只有 0.1～10 秒，如此極端的物理性質，也只有中子星可以滿足了。

至於磁星，一種擁有超強磁場的中子星，其發現就更加戲劇性了。

發現磁星

1979 年是磁星粉墨登場的一年。時年 3 月 5 日，先是蘇聯的金星 11 號和 12 號兩顆人造衛星被不明的伽瑪射線給擊中，其搭載的光子計數器瞬間就被「打爆」，超越計數器所能計量的數額，接著這波伽瑪射線接連爆擊了 NASA 的繞太陽衛星和繞金星衛星的伽瑪射線接收器，而後通過地球（還好我們的地球大氣層會把伽瑪射線隔絕在外），襲擊數個繞地衛星後揚長而去。

當年天文學家接收到數個類似的伽瑪射線閃光，其中最亮的閃光（也就是 3 月 5 日那波）在 0.2 秒內釋放了相當於太陽燃燒 1000 年的能量！

這些閃光還具有週期性，在約一週內反覆出現並逐漸消失，有的甚至幾個月或幾年後還會再度出現。經過數十年的研究，如今天文學家認為這些訊號同樣來自中子星，但這類中子星的磁場比一般中子星強上數百到數萬倍，因此被冠以「磁星」之名。

• 延伸閱讀：磁星形成之謎應該解開了吧！ – PanSci泛科學

威力相當於「一萬個螃蟹」的脈衝星風星雲

回到正題，天文學家分析 2018 年特大天線陣接收到的新電波源後發現，這個電波源來自約 4 億光年遠的一個矮星系，且坐落在許多大質量恆星之間，因此極可能是大質量恆星爆發後的殘骸。

超新星爆發之際，剛形成的中子星擁有超強磁場、極高速的自旋，但仍被爆炸所拋出的恆星碎片層層包裹而不可見。需待這層外殼緩緩擴張、物質密度降低以後，中子星所發出的光才得以「撥雲見日」，進入我們眼中。

與此同時，中子星強烈的磁場會拉扯外圍的帶電粒子，使其高速撞擊周遭星際物質，從而發出強烈的電磁輻射、形成圍繞中子星的明亮星雲，稱之為脈衝星風星雲（Pulsar wind nebula, PWN）。最有名的脈衝星風星雲——蟹狀星雲（Crab nebula，圖七）距離我們僅數千光年，因此我們對它有深入的觀察。

根據分析，這個電波源隨時間的光度變化和已知的脈衝星風星雲相似，因此研究人員認為最有可能的解釋，便是一個前所未見的超明亮脈衝星風星雲。

這個 20 年內便突破超新星爆炸煙塵的脈衝星，不僅是人類已知年紀最輕的中子星，更是一個威力強大的中子星。其發出的 X 光強度高達「一萬螃蟹」——不是筆者亂用，「螃蟹（Crab）」真的是一個天文學單位！

就像天文學家也常用「太陽質量」作為天體質量的單位，或是用「天文單位」衡量距離，一個「螃蟹」指的是一個蟹狀星雲發出的 X 射線強度。一個天體發出的 X 射線有幾個螃蟹，就是其亮度是蟹狀星雲幾倍的意思。之所以選擇蟹狀星雲作為標準，是因為在這個領域，它實在太近、太經典了。

言歸正傳，天文學家認為這顆脈衝星不僅是隻超級螃蟹，可能還是顆磁星——其磁場是人類目前所能製造的最強磁場的數億倍！由於磁星被認為可能是快速電波爆的來源，因此可以預期接下來這個年輕的候選磁星，將被天文學家們用望遠鏡細細關照，於其中能探究多少蛛絲馬跡，又有多少新發現尚待挖掘，讓我們引頸期待。

參考資料

1. Astronomers Find Evidence for Most Powerful Pulsar in Distant Galaxy – National Radio Astronomy Observatory
2. Dong, Dillon ; Hallinan, Gregg (2022). arXiv e-prints. 
3. Baade and Zwicky: “Super-novae,” neutron stars, and cosmic rays
4. Cosmic Search Vol. 1, No. 1 – Little Green Men, White Dwarfs or Pulsars?
5. Kouveliotou, C.; Duncan, R. C.; Thompson, C. (February 2003). “Magnetars“. Scientific American.

• 本文編譯自《Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus》

在天文觀測中，自古以來就有許多關於金星的紀錄。從 1960 年代起，蘇聯、美國太空總署（NASA）、歐洲太空總署（ESA）和日本也都相繼發射探測器，執行不同類型的太空任務，希望能夠更認識金星。

2020 年，NASA 的派克太陽探測器（Parker Solar Probe，簡稱「派克號」）首次在太空中以可見光拍攝金星表面，並在 2021 年 2 月再次拍攝一系列可見光照片後，將他們的分析成果公諸於世。

本篇文章將依序介紹金星探測史、派克號的探測方法、可見光照片的分析成果，以及金星探測的未來展望。現在，就讓我們從頭認識這位閃閃發亮的鄰居吧！

始於科學革命的金星之旅

對地球上的我們來說，月亮是夜空中最亮的天體，但你知道最亮的「行星」是哪一顆嗎？那就是本篇文章的主角——金星！金星的平均視星等，也就是肉眼所看到的平均星體亮度，大約是 -4.14，僅次於月亮的 -12.74 與太陽的 -26.74（數字越小就越亮）^[1]，不只是地球夜空中最亮的行星，更是太陽系第三明亮的星體。

有個這麼耀眼的酷東西掛在天上，想必科學家絕不會輕易放過！就在科學革命（1543–1687 年）期間，天文學領域突飛猛進——哥白尼提倡日心說、牛頓發現萬有引力、克卜勒導出行星運動定律等等。同時期的知名科學家還有伽利略，他改良望遠鏡，透過觀測金星相位（圖一），也就是金星表面的光照變化，得知金星並不是繞著地球運行，進而推翻當時蔚為盛行的地心說。

此後，眾多業餘天文學家和天文愛好者也都一窩蜂利用望遠鏡觀測金星。有許多人聲稱在背光側看見了微弱的灰白色光芒，並將其稱作「灰光」（Ashen light）。

有些人認為是灰光是金星上的閃電，有些人則認為是紫外線穿透金星大氣時，氧離子游離而輻射出的暗綠色光芒（類似地球上的極光現象），可是沒有人能夠確實拍照紀錄，因此當時普遍認為灰光只是一種視錯覺。時至今日，這些假設也都還沒有確切的科學根據。^[2]

不斷演進的金星探測技術

時間來到 1960 年代，繼水手 2 號（Mariner 2）在 1962 年掠過金星後，金星 4 號（Venera 4） 在 1967 年進入金星大氣層進行分析，結果顯示金星大氣約含有 90-93% 二氧化碳、7% 氮氣，以及少許氧氣和水蒸氣。^[3] 緊接著在 1975 年，金星 9 號（Venera 9）測出表面溫度約 485 °C、雲層厚度約 30–40 公里。除此之外，還拍下金星表面的 180 度全景照片（圖二），是史上第一個將金星照片傳回地球的探測器。^[4]

金星大氣層布滿厚厚的硫酸雲，不僅反射了大約 75% 的陽光，也阻擋了來自金星表面的大部分可見光。因此，科學家決定改用雷達儀器測繪金星表面。1990 年代，麥哲倫（Magellan）多次以雷達測繪金星表面的火山和隕石坑等地貌結構，其清晰程度與可見光測繪不相上下，可說是目前最詳細的金星地圖（圖三）。^[5]

此後，科學家進一步利用近紅外線（NIR）觀測金星背光面，因為近紅外線（波長 0.75–1.5 μm）有利於影像在低光環境下生成，而這個波段恰好也是大氣透明度最高的範圍，可以更清楚地看見金星表面。1998 年，卡西尼號（Cassini）以 0.85 μm 的波段觀測金星，可惜這種方法在技術上難以突破，因為輻射強度會隨著波長變短而迅速下降。直到 2020 年，派克號才終於以更短的波長捕捉到金星表面的輻射。

飛越金星七次的「派克號」

2018 年 8 月，派克號發射升空，飛往太陽（圖四）。為了在這漫長的旅途中節省燃料，派克號總共得進行七次重力輔助飛越（VGA），利用金星的引力逐步修正飛行軌道，最終在 2025 年抵達距離太陽中心 10 個太陽半徑（約 690 萬公里）的地方，進行日冕和太陽風的測量任務。

七次重力輔助飛越（VGA）的時程分別如下^[6]：

• VGA1：2018 年 10 月 3 日
• VGA2：2019 年 12 月 26 日
• VGA3：2020 年 7 月 11 日
• VGA4：2021 年 2 月 20 日
• VGA5：2021 年 10 月 16 日
• VGA6：2023 年 8 月 21 日
• VGA7：2024 年 11 月 6 日

截至目前（2022 年 3 月），派克號順利完成了前 5 次 VGA。在 VGA1 和 VGA2 期間，派克號都沒有任何動作。

後來，科學家認為可以利用其搭載的 WISPR 望遠鏡（Wide-Field Imager for Parker Solar Probe）觀測金星雲層。WISPR 可說是派克號的靈魂之窗，但它並不只是一座望遠鏡，而是兩座寬頻光學望遠鏡—— WISPR-I（Inner）和 WISPR-O（Outer），兩者配備的濾光片都只能讓可見光（波長 0.5–0.8 μm）通過。

於是，在 VGA3 和 VGA4 期間，科學家突發奇想，讓 WISPR 對準金星的向光面和背光面，分別拍下照片，想藉此測量雲的速度。沒想到 WISPR 竟然直接穿透了厚重的雲層，以可見光拍攝到明暗不一的表面，同時達成「以光學望遠鏡觀測金星表面」和「從太空拍攝金星表面的可見光照片」兩項創舉。

這時候，問題來了！WISPR 的最短曝光時間是 2 秒，但金星的向光面太亮了，拍出來的照片張張過曝、過飽和，還產生假影，使得原圖和電腦重組照片有所誤差。為了避免這樣的問題，科學家只好放棄拍攝向光面，改以背光面的照片作為研究材料。

WISPR 拍攝的可見光照片

VGA3 期間拍攝的照片只有兩張可以用，其中一張如下（圖五，黑白部分）。在這張照片長達 18.4 秒的曝光期間，派克號不斷被宇宙塵埃（漂浮在太空中的小顆粒）撞擊，造成隔熱罩上的材料燒毀，留下許多水平方向的刮痕。若是忽略刮痕，可以清楚看到明暗不一致的區域，而造成顏色深淺不一的主要原因就是金星的地形特徵。

藉由比對 WISPR 照片與麥哲倫的雷達地形圖（圖五，彩色部分），科學家得以了解溫度如何隨高度變化。圖中黑色（紅色）部分是金星最大的高地區域，位於阿芙蘿黛蒂高地（Aphrodite Terra）西邊的奧瓦達區（Ovda Regio）——越接近白色的區塊越熱，是低海拔地形；越接近黑色的區塊則越冷，是高海拔地形。

有了 VGA3 的失敗經驗後，VGA4 的照片就沒有出現刮痕了，而且還從不同的角度拍到了金星表面（圖六）。在 VGA3 期間，派克號是從金星後方飛越，因此 WISPR 拍到的是金星的東側邊緣；在 VGA4 期間，派克號則是從金星前方飛越，因此 WISPR 拍到的是金星的西側邊緣——這讓科學家能夠更細微、更全面地觀察金星的背光面。

金星探測的未來展望

雖然金星、地球和火星都是在同一時間形成，現在卻大不相同——火星的大氣層非常稀薄，而金星的大氣層非常厚重。為了解開這個謎團，NASA 和 ESA 在 2021 年 6 月宣布了 3 項全新的金星探測任務，分別是 VERITAS^[7]、DAVINCI^[8] 和 EnVision^[9]。這些任務將進一步探測金星的大氣、地質和其他條件，瞭解這顆星球是否曾經宜居，又是如何演變成現在的樣貌。

• 延伸閱讀：為什麼我們住在地球而不是金星？
• 延伸閱讀：向來為熾熱煉獄的金星居然有酷寒之境
• 延伸閱讀：全球暖化的物理：金星證實，都是二氧化碳惹的禍

至於派克號，不幸的消息是，2021 年 10 月的 VGA5 不利於背光面拍攝，而 2023 年 8 月的 VGA6 也將是如此。如果你也和我一樣想看更多 WISPR 拍攝的可見光照片，就讓我們期待 2024 年 11 月的最後一次飛越（VGA7）吧！

註解

1. Apparent magnitude – Wikipedia
2. Ashen light – Wikipedia
3. Venera 4 – Wikipedia
4. Venera 9 – Wikipedia
5. Magellan (spacecraft) – Wikipedia
6. Parker Solar Probe: The Mission
7. In Depth | Veritas – NASA Solar System Exploration
8. DAVINCI Homepage – Probe and Flyby Mission to Venus Atmosphere
9. EnVision: a mission for understanding planets everywhere

參考資料

• Wood, B. E., Hess, P., Lustig-Yaeger, J., Gallagher, B., Korwan, D., Rich, N., et al. (2021). Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL096302. https://doi.org/10.1029/2021GL096302
• First visible light images of venus’ surface from space captured by parker solar probe
• We finally know why Venus is absolutely radiant
• Galileo’s Phases of Venus and Other Planets
• Venus – NASA Solar System Exploration
• NSSDCA Photo Gallery: Venus
• Atmosphere of Venus – Wikipedia
• List of missions to Venus – Wikipedia
• Parker Solar Probe: Humanity’s First Visit to a Star
• NASA’s New Views of Venus’ Surface From Space

十年前（2011 年）美國國家科學委員會（NRC）發布了一份報告，對於環繞地球的碎片數量發出了警報^[1]。當時根據美國太空總署的估計，碎片已達到「臨界點」，導致在軌道上的碎片，不斷碰撞並產生更多碎片，從而增加了人造衛星故障的風險。十年過去了，繞地球運行的碎片數量越來越多，甚至風險增加得更快；是否太空碎片數量的臨界點正在逼近？沒有人知道答案，但可能很快。

何謂太空碎片？

首先，我們先來談談什麼是太空碎片。

依據美國航空太空總署（NASA）定義，太空碎片泛指不提供有效服務，且繞行地球運行的人造物，如廢棄衛星、留在軌道上的火箭與其零件、大碎片相互碰撞後產生的小碎片，均可為之。而太空碎片最主要來源為火箭殘餘燃料爆炸而產生的碎片。

根據全球最完整追蹤太空碎片的系統——美國太空監視網絡（SSN），所登錄的太空碎片已超過一億個。

衛星送入軌道，依照能量守恆和動量守恆定律，飛行的速度必須達到每秒幾公里，才能繞著地球飛行；因此如果它在軌道上撞到任何太空碎片，比如廢棄衛星撞到一片油漆碎片，即使不是災難性的，也可能造成巨大的損失。

太空碎片造成的災難有多嚴重？

自 1957 年以來，人造衛星和火箭製造了越來越多軌道碎片物體，大小從幾微米到幾米不等。儘管已經達成了一些國際協議，限制碎片的增長速度，各國卻沒有嚴格的計劃來減少現有碎片的數量。

如今越來越多功用的人造衛星被發射進入地球周圍的低軌道，然而其所造成的碎片與衛星數量分佈超過太空碎片容量限制時，則可能發生理論失控的碰撞反應^[2]。

最近，美國太空新聞（Spacenews）報導，非洲的小國家盧安達（Rwanda）向國際電信聯盟（ITU）申請 327,230 顆衛星^[3]，加拿大的開普勒新創公司提出 115,000 顆衛星的超級大型太空網路系統，加上亞馬遜、OneWeb、SpaceX 和 Telesat 等公司已經在積極開發的系統，以及地球靜止軌道上的通訊衛星，這些衛星數量遠遠超過預期需求的容量，達到碰撞臨界點的極限風險；問題是國際電信聯盟沒有執法權，國際電信聯盟對軌道壅塞的規定為零。

2007 年中國反衛星計劃試驗所產生的的碎片擴散，以及 2009 年銥星（Iridium）與俄羅斯 Cosmos 的碰撞，讓人們意識到，並提高了積極管理碎片情況的緊迫性，努力採取緩解方法，並提出了許多減少太空碎片的技術。去年（2021）年底，中國的天宮太空站緊急啟動姿態控制，以規避靠近中的星鏈（Starlink）太空網路衛星潛在的碰撞危機。

「凱斯勒效應」和連鎖反應

美國 NASA 科學家在 1978 年提出凱斯勒效應（Kessler Effect）理論，說明當太空碎片達到或超過容量限制時，由於碎片碰撞而失效的太空船數量將顯著增加。地球軌道上大大小小的物體，數量將變得非常大，它們會不斷相互碰撞，產生更多碎片——最後成為一種被稱為「碰撞級密度」的連鎖反應。緊隨其後，新產生的碎片將呈指數倍增，直到近地太空被各種大小垃圾堵塞。

一旦這樣的衛星碰撞災難發生，整個連鎖反應可能只需要幾天或幾週的時間，最後可能只有幾顆衛星完好無損。

若是繼續毫無限制地增加巨型衛星星系，可能會導致數十年，甚至更長時間的太空活動完全喪失。

太空碎片一旦超過臨界點，造成碰撞災難，無論是太空網路、衛星導航、通訊衛星、地球監控、氣象預報等等，大部分可能都將失去功能。科技帶給人們的便利，以及所建立的文明，將大幅衰減、倒退。

如何解決太空碎片的問題？

若是我們什麼都不做，可能會導致每年 5 兆美元的太空商業收入損失。重新開放太空將花費至少數千億美元，並且可能需要數十年才能實現。若是能想出補救措施，就能確保太空碎片不會帶來災難性的問題，但這就需要一個非常縝密的計劃，涉及幾個新的太空系統和數十億美元的投資。

美國、歐盟、澳洲和日本以及各國的太空機構都意識到太空碎片問題的嚴重性，相繼提出不同的補救措施，包括：建立太空碎片追蹤機制，由觀測站和天文台精確跟蹤、監控太空物體的軌跡，避免現役衛星與大型物體相撞；提出減少計劃，清除太空小碎片物體的數量；跨國協調衛星的太空交通，以維持安全的飛行路徑；在設計人造衛星時，規劃衛星壽命結束前的退場機制，讓衛星降低軌道返回地球，並且在大氣層燒掉。這些方法目前都正在陸續實驗、進行中。

最近有一個例子，在今年 2 月初所發射的星鏈 （Starlink）太空網路衛星，發射時正好受到太陽風暴衝擊，有 40 顆衛星被風暴摧毀，幸好當時這一批衛星有返回地球的機制，能夠重新進入大氣層並燃燒掉，順利地減少了一批太空垃圾。

註解

1. Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
2. Space debris
3. Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
4. Space Debris: Wall-E’s Future is Real