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六年半漫長航行–信使號(MESSENGER)探測船進入水星環繞軌道

futaichuang ・2011/03/29 ・1391字・閱讀時間約 2 分鐘・SR值 511 ・六年級

圖片引用自NASA信使號任務網頁 http://www.nasa.gov/mission_pages/messenger/multimedia/orbit_concept.html

美國太空總署(NASA)宣布將於2011年3月29日將信使號MESSENGER第一次環繞水星軌道的照片公布，這艘命名為MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging(實在有夠長，翻譯起來為水星表面太空環境地質化學漫遊者，取其中大寫部分構成MESSENGER，我還以為是Yahoo出品的哩！)的太空船是第一艘環繞水星軌道的探測船，已於3月17日成功進入水星軌道繞行，隨後將每12小時繞行水星一次並進行各項探測，進入軌道後最初幾天將以測試太空探測船各項儀器在如此嚴苛酷熱的環境下運作的狀態為主，不過目前看來比預期要好很多，原先預計進入軌道後第一批照片將於4月4日公布，目前已決定於3月29日公布。

信使號(MESSENGER)太空船是一個計畫非常長久的太空觀測計畫，接續了水手號系列(十個架次的太空探測，其中七次成功三次失敗，用以觀測類地行星)探測計畫，信使號的基本事件如下：

2004年08月03日發射
2005年08月02日在2,348km高空飛掠(flyby)地球
2006年10月24日在2,987km高空飛掠金星
2007年06月05日在338km高空再次飛掠金星
2008年01月14日在200km高空飛掠水星表面，並向地球發回了第一批水星照片。
2008年10月06日在200km高空再次飛掠水星
2009年09月29日在228km高空第三次飛掠水星
2011年03月18日12時45分(UTC時間)進入水星軌道(orbit),成為首艘圍繞水星運行的太空探測船。

為什麼會選擇水星作為探測的目標？水星因為大氣即為稀薄、太靠近太陽，這樣的環境並不利於生命，但為何還要去探測它，我們知道類地行星包含水星、金星、地球和火星，以往雖然有水手十號探測船飛越水星，但並不是軌道太空船，所以沒有長期觀測的資料，作為類地行星的一員，我們對水星的了解最少，但是，水星是類地行星中體積最小、密度最大的一個，也擁有最古老的地表（因為很少有風化和侵蝕作用）和最大的日夜溫差變化，這個行星對於太陽系類地行星演化的了解相當重要，這次MESSENGER計畫的主要任務包含：

水星為何有如此大的密度？由水星的密度顯示，富含金屬的核心(相當於地核)至少占有整個星球質量的60%，這個比例幾乎是地球的兩倍！MESSENGER將收集水星組成和礦物學資料以便由現代理論了解水星密度為何這麼大。
水星的地質歷史為何？在過去的探測中僅約有45%的水星表面被拍攝(水手十號曾經飛越水星觀測)，MESSENGER將以更好的觀測儀器和更高解析度(其照相機解析度為18公尺，水手十號為1600公尺)探索水星的地質歷史，並觀察水手十號從未觀測過的其他水星表面
水星磁場有何特性？水星和地球一樣都有一個遍布全星體的內部磁場，但金星和火星則沒有，透過對水星磁場特性的理解，MESSENGER將試圖解答為何內行星有磁場的差異。
水星的核心(core)結構為何？透過重力和雷射高度計的雙重觀測資料，MESSENGER將測量水星核心的大小及外核是否為熔融狀的液態(地球的外地和也是液態)
水星極區不尋常的物質是甚麼？在水星的極區，部分隕石坑內長期被遮蔽的地方有些對雷達波呈現高反射率的物質存在，在這麼接近太陽的星球上，這些物質可能是冰嗎？MESSENGER將回答此一問題。
水星主要的揮發氣體有哪些？MESSENGER將觀測水星非常稀薄的外氣層(exosphere)的主要成分，以探討水星外氣層形成的過程

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太空天文專欄文明足跡科學傳播萬物之理

什麼是「造父變星」？標準燭光如何幫助人類量測天體距離？——天文學中的距離（四）

CASE PRESS ・2021/10/22 ・3032字・閱讀時間約 6 分鐘

撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

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「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

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圖二：造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間，縱軸可以看成亮度。圖片來源：ThomasK Vbg^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

圖四：造父變星的週光關係。縱軸為平均光度，橫軸是週期。光度愈大，週期就愈久。圖片來源：NASA ^[11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

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圖五：M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源：NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team ^[1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]