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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

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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:

  1. 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。
  2. 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
  3. 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。
  4. 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)
  5. 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。
  6. 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

本文同步發表於科學閱讀與學習網誌

參考資料:

  1. http://messenger.jhuapl.edu/why_mercury/index.html
  2. 維基百科:水手號計畫條目
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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太陽系裡最大的峽谷、最高的火山,都在火星上!——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/23 ・769字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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布滿鐵鏽的紅色沙漠:火星

在地球上用望遠鏡觀察火星,火星上的地形很難看清楚,只能看到最明顯的三種顏色色塊:紅、黑和白色。

比起水星和金星,火星算是比較宜人的行星,人類已經發射許多太空船前往探索,未來甚至可能移民到火星上生活,火星很可能成為人類下一個家園。圖/麥浩斯出版

火星表面充滿紅色塵埃,這些紅色塵埃由氧化鐵組成,也就是鐵鏽,火星表面絕大部分被氧化鐵覆蓋,所以表面看起來是紅色。

火星表面還有黑色的玄武岩,這些黑色玄武岩不會一直在那裡,有時黑色玄武岩會被紅色塵土覆蓋,當紅色塵土被吹散,黑色玄武岩又裸露出來。火星在南北兩極有白色的極冠,極冠是由水冰和乾冰組成,南北兩極的極冠會隨著季節變換而改變大小。

在火星上,除了兩極的白色極冠,還可以看見一些由冰晶組成的藍白色水冰雲。

壯觀的峽谷和火山

雖然火星的直徑只有地球的一半,不過火星上的峽谷和火山卻非常壯觀。

水手峽谷(Valles Marineris)長度約四千公里,這相當於美國的寬度,最深可達 7 公里,是太陽系裡最大的峽谷之一。火星表面有一座太陽系裡最高的火山:奧林帕斯山(Olympus Mons),奧林帕斯山是座盾狀火山,如果從附近的平原算起,它的高度約 26 公里。

圖/麥浩斯出版

比起荒涼死寂的水星和高壓炙熱的金星,火星似乎有趣多了!

──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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人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀 aka 星象儀
黃 正中_96
・2021/08/17 ・2131字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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文/黃正中 研究員、丘政倫 博士|國家太空中心

幾千年來,航海者觀察著星星來確定他們在海上的位置,這種「看到而知之」的概念,也被運用在人造衛星的「恆星追蹤儀」上,用來確認所在位置與控制人造衛星的姿態,因此也被稱為「人造衛星的眼睛」。

福爾摩沙五號衛星的恆星追蹤儀。圖/太空中心

人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀

恆星追蹤儀,又稱星象儀,是人造衛星的關鍵元件,工程師們利用恆星追蹤儀所記錄宇宙中的星光比對恆星(如下圖),參考地球自轉速率,以及人造衛星飛行的慣性,經過演算,可以判斷目前人造衛星飛行的位置和姿態。

恆星追蹤儀比對恆星軟體。圖/wikipedia

在宇宙中任何兩顆明亮的星星,星星之間的角度、間隔都是獨特的,沒有一對間隔完全相同的明亮的恆星。恆星追蹤儀使用分離角度來識別相機所指向的恆星,利用這些信息,人造衛星可以演算出在太空中的相對位置。

但是,約莫二十年前的發射的福衛一號,其實並沒有裝上恆星追蹤儀喔!這沒有眼睛的人造衛星到底是怎麼一回事呢?

沒有眼睛的福爾摩沙衛星一號

國家太空中心所研製的福爾摩沙衛星一號,在研發階段時,恆星追蹤儀尚未成為標準元件,而是使用慣性導航系統(inertial navigation systems, INS),慣性導航系統所選擇的引導星取決於地球自轉的時間和目標的位置,利用加速計和陀螺儀測量物體的加速度和角速度,估算連續運動物體位置、姿態和速度。慣性導航系統的優勢在於給定了初始條件後,不需要外部參考外部資訊 (例如恆星資料庫),就可確定當前位置、方向及速度,然而,隨著遙測衛星的照相的需求,對於地理位置判斷,姿態控制的精確度已經跟不上任務需求。

因此,後續發展的福爾摩沙二號衛星,便使用了「恆星追蹤儀」,以參考恆星資料庫與相對角度的方法,大幅提高了姿態控制的姿態控制精確度。當時的「恆星追蹤儀」是外購衛星元件,然而從福爾摩沙八號衛星開始,我國衛星採用自主研發成功的恆星追蹤儀,成為我國衛星姿態控制的標準配備。

恆星追蹤儀的結構

恆星追蹤儀是光學裝置,若使用光電池作為主要偵測器,準確度比較低;偵測器若使用照相機則靈敏度較高,可以獲得相對比較好的解析度;恆星追蹤儀主要的配置包括遮光罩、鏡頭、影像感測器(CCD 或 CMOS)、驅動控制器、處理器、軟體、電源供應以及介面。

恆星追蹤儀主要配置。圖/作者提供

目前天文學家已經精確測量了許多恆星位置,並記錄在恆星資料庫中,因此人造衛星可以用來比對恆星資料庫,經由偵測器獲取鏡頭視野中恆星分布的圖像,經由演算法可以測量人造衛星在參考座標中的所在位置,用以確定衛星飛行的方向或姿態。

恆星追蹤儀的發展

恆星追蹤儀經過廿年來的發展,市面上已經出現許多高靈敏度的恆星追蹤儀型號,具有過濾錯誤光源的功能,例如人造衛星表面反射的陽光或人造衛星推進器產生的廢氣羽流,以排除陽光反射或恆星追蹤儀窗口受到污染等干擾。除了各種誤差源,新型的恆星追蹤儀能修正包括球差、色差,以及低空間頻率、高空間頻率、時間等的各種誤差。

恆星追蹤儀的識別機制

一般恆星追蹤儀的識別算法,主要利用宇宙中共有約 57 個常用的明亮導航星星;但是,對於更複雜的任務,則需要更多數量的恆星數據庫以確定人造衛星的方向;通常高精度姿態需要數千顆恆星的目錄以確保全天各角落都有足夠星數落在視野內可供辨識,比對並過濾以去除有問題的光點,例如大尺度的星際變化,顏色指數不確定性,或在資料庫中的位置顯示不可靠的情況。這些類型的恆星目錄經演算法最佳化後,即儲存為衛星上的機載恆星資料庫。

恆星追蹤儀發展恆星識別算法,還要注意很多潛在的混淆源,例如行星,彗星,超新星等相鄰天體;除此之外,太空中鄰近的人造衛星,地球上大城市的燈源或光污染等光點,則需要擴散函數的雙峰特徵加以排除。

商用恆星追蹤儀

近年來商用恆星追蹤儀如雨後春筍,相繼出現在大型航太展;看到了立方衛星的商機,恆星追蹤儀也出現微小化,麻雀雖小卻五臟俱全,誤差精度已表現不俗,可以裝置在衛星上。

上圖是微小型恆星追蹤儀影用在立方衛星上(下圖)。圖/NASA

國家太空中心恆星追蹤儀研發

近幾年來國際上許多單位相繼投入恆星追蹤儀的研發,包括我國的國家太空中心將恆星追蹤儀列為前瞻關鍵研發項目,並已掌握跨領域整合之關鍵技術,取得不錯的研發成果,國產恆星追蹤儀將會應用在福爾摩沙八號衛星。

參考資料

  1. 國家太空中心網站 
  2. 恆星追蹤儀維基網站
  3. NASA 網站
黃 正中_96
8 篇文章 ・ 5 位粉絲
國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...