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到了打給我-好奇號如何向地球報平安?

陸子鈞
・2012/08/06 ・836字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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2001年自地球出發,隔年成功部屬在火星軌道上的奧德賽衛星。

有史以來最大的探測車-好奇號(Curiosity)即將在台灣時間今天下午一點半登陸火星。航行八個月半,兩億五千萬公里的旅程,這位「大男孩」平安到達目的地後,得向地球上焦急的航太總署(NASA)任務指揮中心報平安。不過這通長途電話卻不簡單。

地球和火星距離兩億五千萬公里,即使接近光速的無線電波,在兩星球間傳遞也需要費時13分鐘。這表示好奇號發生了狀況,13分鐘後位在地球上的指揮中心才會接到消息,再花13分鐘才能將指令送達位在火星上的好奇號;對於收聽地球上即時廣播的我們來說,非常難想像這有多困擾。因此,好奇號具備一定的自動反應能力,能即時應付在火星上遇到的狀況。

另一個大問題是,火星和地球都會自轉,要是好奇號在火星上的位置背對地球,便無法順利將電波訊號直線傳送到地球。對此,兩部先前由航太總署送出,環繞在火星軌道上的衛星-奧德賽衛星(Mars Odyssey probe)火星偵察軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)就派上用場了。

位於火星上空四十萬公里處,佈署於同步軌道上的奧德賽衛星,是由洛克希德·馬丁製造,2001年從地球升空。在前兩次火星探測車任務中,也扮演重要的角色,除了負責任務中的通訊,任務前的著陸地點規劃也都依靠奧德賽對火星地表的了解。奧德賽衛星和2005年部屬的火星偵察軌道器構成航太總署的太空通訊網(Deep Space Network);作為火星探測車資料傳輸的中繼站,無論火星怎麼轉,訊號都能輾轉傳送回地球。

至於好奇號能否順利度過「驚魂七分鐘」成功著陸,然後透過通訊網向地球報平安呢?屏息以待吧。

▲航太總署介紹火星探測車通訊方式

參考資料:How Mars Odyssey Works|How Stuff Work

相關報導:好奇號探測車預計今天登陸火星|泛科學 [2012 八月 6日]

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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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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從太空窺探金星表面的派克太陽探測器
Heidi_96
・2022/03/04 ・3829字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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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。

圖一:伽利略透過望遠鏡發現金星和月亮一樣有盈缺變化。圖片上半部分別是土星、木星和火星。圖/NASA

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]

圖二:1975 年 10 月 22 日,Venera 9 拍下第一張金星表面的照片。圖/NASA 

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]

圖三:根據麥哲倫的數據資料製作的金星視圖。圖/NASA

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
圖四:準備發射升空的派克號。圖/NASA

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。

圖五:VGA3 觀測到的金星可見光影像(黑白)與麥哲倫雷達地形圖(彩色)的對比。圖/NASA

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。

圖六:VGA4 觀測到的金星可見光影像(黑白)與麥哲倫雷達地形圖(彩色)的對比。圖/NASA

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。

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!

NASA 官方針對派克號金星探測任務的介紹。影/YouTube-NASA

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

Heidi_96
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PanSci 編輯部角落生物|外語系還沒畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

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各國意識抬頭,太空碎片帶來的災難有多嚴重?
黃 正中_96
・2022/02/22 ・2181字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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。

地球周圍的太空充斥著碎片。圖/歐洲太空總署

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。

空間碎片撞擊試驗:以輕氣槍射擊鋁板的方式,模擬一片 14.2 克的塑料,以 5.334 公里/秒的飛行速度在太空低軌道與鋁板碰撞的情況。圖/前 NASA 工程師 Megs H. 推特貼文

「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
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黃 正中_96
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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…...