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地球之水來自碳質球粒隕石的可能性比較大

臺北天文館_96
・2012/08/06 ・707字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

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科學家長久以來都相信:彗星和一種稱為碳質球粒隕石(carbonaceous chondrites)的極原始隕石,是地球早期揮發性元素(volatile elements)的來源,這些揮發性元素包含氫、氮和碳等,也或許包含了有機物質。瞭解這些揮發性元素來自何處,是決定地球上水和生命起源的關鍵。卡內基科學研究所(Carnegie Institution for Science)Conel Alexander等人最新研究顯示:太陽系早期這類冰凍的水幾乎遍佈整個太陽系,但地球上的水並不是來自彗星,而較可能是由碳質球粒隕石及其原本所屬的小行星帶來地球的。

Alexander等人檢測水冰中的氫和它的同位素「氘」的比例,便可得知含有此種水冰的天體是在距離太陽多遠的地方形成的。水冰中氘含量較多的天體通常是在離太陽較遠之處形成,而在同一區域中誕生的天體通常會有相同的氫同位素比例。因此,藉由比較碳質球粒狀隕石和彗星中所含有的水冰中的氘含量,便可得知它們是否在太陽系相近區域中形成。

一般認為,彗星和碳質球粒隕石都是在木星軌道以外、甚至是在太陽系邊緣之處形成的,之後才逐漸向太陽系內側移動,帶著大量揮發性元素和有機物質到地球上。如果這個假設為真,那麼彗星和保留在碳質球粒隕石中的水冰應該是如黏土之類的含水矽酸鹽,且其所含之水冰成分中應含有類似的同位素比例。

Alexander等人總共檢測分析了85個碳質球粒隕石樣本,結果顯示碳質球粒隕石的氘含量比彗星低得多,顯見不是於同一位置形成的。這個結果直接排除了其中兩個關於太陽系形成並發展呈現今樣貌的著名理論,並顯示地球上絕大部分的揮發性元素應該是來自各式球粒隕石,而非彗星。

資料來源:Solar System Ice: Source of Earth’s Water[2012.08.6]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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為何人類對火星如此執著?火星曾有過生命嗎?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/24 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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火星 vs. 地球

長久以來,人類對火星充滿好奇,火星上有沒有水?那裡住著火星人嗎?這些未知,讓人類發射各種探測器和太空船前往火星,希望一探火星的奧秘!

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山,它比地球上最大的茂納開亞火山(MaunaKea)還巨大,如果從火山底部算起,奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半!火星的直徑大約只有地球的一半,為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢?

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點(hotspot)火山,這類火山的岩漿來自地函,熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動,地球的地殼會移動,這造成熱點穿出地殼的位置改變,時間久後,會形成一長串的火山,其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山,目前大島就位在熱點上,夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老,而且離大島愈遠愈老。

地函熱點往上冒出地殼會形成火山,因為板塊運動,熱點穿出地殼的位置會改變,所以地球上會形成一長串的火山島鏈。火星上沒有板塊運動,熱點冒出的岩漿不斷在地殼上重複累積,形成比地球上高大的火山。圖/麥浩斯出版

地球上因為板塊運動,熱點火山不會長得太大,長到一定程度,就會因為板塊運動移開熱點,沒有熱點提供岩漿,火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同,火星沒有板塊運動,地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出,岩漿在同一熱點一直堆積長高,所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究,火星早期有較厚的大氣,溫度適中,甚至表面有河川流水,跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢?

火星早期曾經有磁場,後來磁場消失,讓火星大氣失去防護,漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小,地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣,大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧,流失到外太空,最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一,而且還持續流失中!

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小,所以散熱較快,造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識,我們才明白地球原來如此特別!

真的有火星人嗎?

人類對火星上有沒有生命充滿想像,其中最有名的可能是帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪,對火星非常著迷。1890 年代,他用自己建造的天文台觀看火星,並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河,建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道,這是火星有智慧生物存在的證據。

目前火星的表面沒有穩定流動的水,不過火星上的水可能在地底下,科學家推測火星生命可能潛藏在地底。圖/麥浩斯出版

1965 年,美國的水手 4 號太空船飛掠火星,發現火星表面一片荒蕪,根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過,火星有生命存在的想法太吸引人,人類還是不斷用各種方式探索火星,尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢?一方面是科學上的原因,希望找到地球外的生命形態,不管這種生命形態是不是跟地球一樣,都是非常重大的發現;另一方面可能是情感上的因素,不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方,孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗,只要有水的地方幾乎都找得到生命,水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖,地表有水流動,所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物,因為水存在火星表面的時間並不長,無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水,不過水還是有可能存在地表下,所以,生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星,不久的將來人類也會登上火星,到時候火星有沒有生命的問題,可能就會有答案。

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版
麥浩斯
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披著喜劇外皮的警世寓言:《千萬別抬頭》背後的科學真相
PanSci_96
・2022/01/06 ・3626字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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2021 年底在 Netflix 上架的《千萬別抬頭》(Don’t Look Up)講的是一個彗星撞地球的故事,但這並不是一部普通的科幻災難片,而是帶有黑色幽默的諷刺電影,用來嘲諷拒絕科學、對科學冷漠的社會大眾。雖然製作團隊原先是想諷刺那些否認全球暖化的言論,但在 COVID-19 疫情肆虐的現在,恰巧也能影射抵制口罩和疫苗的行為、煽動對立的政治操作,以及人們對於社交媒體的過度依賴。即使整部電影看似穿插了不少笑點,仍能從中感受到一股壓抑和無力感。

《千萬別抬頭》還請來了星光熠熠的卡司陣容,包括李奧納多.狄卡皮歐、珍妮佛.勞倫斯、喬納.希爾和凱特.布蘭琪等多位奧斯卡得主。飾演美國總統的梅莉.史翠普更表示這是她拍過最重要的電影!

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《千萬別抬頭》的演員陣容十分豪華,主演群包括李奧納多.狄卡皮歐、珍妮佛.勞倫斯等人。圖/WIKIPEDIA

製作人亞當.麥凱(Adam McKay)希望這部電影能夠如實描繪科學事實以及科學家面臨的挑戰,於是,他邀請知名天文學家艾米.邁因策爾博士(Dr. Amy Mainzer)擔任電影的科學顧問。

邁因策爾博士現為亞利桑那大學月球與行星實驗室的教授、全球頂尖的小行星探測和行星防禦專家,以及 NASA NEOWISE(Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer)計畫的首席研究員,負責監督這項史上規模最大的小行星探測計畫。在 2020 年 3 月,計劃內的一名天文學家成功發現了一顆新的彗星,並且將它命名為 NEOWISE,就跟計畫名稱一樣。

Photo of Dr. Amy Mainzer
邁因策爾博士。 圖/NASA

科學家眼中的災難片

本片的科學顧問邁因策爾博士與北美天文學新聞網站《今日宇宙》(Universe Today)的編輯南西.阿特金森(Nancy Atkinson)聊了《千萬別抬頭》這部片,以及電影中的科學。

邁因策爾博士醉心於彗星和小行星的研究,所以她表示,自己非常喜歡隕石浩劫這類電影題材!非常開心能看到以彗星為主題的電影,也十分慶幸能夠成為災難電影的科學顧問。

雖然目前實際上沒有任何小行星或彗星運行在可能撞擊地球的軌道上,也沒有任何一顆即將撞上地球。但本片畢竟是科幻電影,需要設定一顆真的即將撞上地球的彗星,更像是「拋磚引玉」的功能。邁因策爾博士以「科學實在論」打造故事框架,希望觀眾重視科學家的警告,不再相信虛假的謠言。

而《千萬別抬頭》之所以涵蓋這麼多科學知識,是因為製作團隊對科學深感興趣,非常重視電影中的科學。因此電影畫面中,團隊設計的彗星既要符合電影的視覺需求,又要符合科學上真實彗星的樣貌。劇情不僅描述了發現彗星的過程,包括如何識別、確定彗星軌跡,還刻畫了科學家在探索未知事物時的反應。這不只描繪了科學家的形象,也告訴觀眾科學家是什麼樣的人,還有他們是如何傳播科學知識——有時很順利,但有時真的困難重重。

這部電影讓《今日宇宙》編輯印象最深刻的是,科學家試圖警告災難,卻沒有被當一回事。若是套用在氣候變遷和傳染病肆虐等全球議題上,這種冷漠的態度似乎有點太寫實了。

邁因策爾博士也認為,這齣電影想強調人們對於科學新聞的態度。就像《今日宇宙》編輯平時所從事的科普工作,將複雜的概念轉化為淺顯易懂的文字是很困難的,因為科學家慣用的詞語與日常生活中的用詞完全不同。

例如,「不確定性」(Uncertainty)代表測量結果是一個可能的數值範圍,而不是指我們不確定自己測量的是什麼。在不同的情境下,詞語意思也會不一樣,確實有可能造成溝通障礙——這只是其中一個例子而已。

對邁因策爾博士來說,這部電影講述的是科學家如何傳播知識,如何讓眾人瞭解這些知識,還有如何根據科學做出明智的決定。這樣的題材很有挑戰性,因為這是一部喜劇,希望觀眾可以在笑著看完的同時,能夠更加理解科學家們多麼努力想做到這些事,「可是也請容許我們偶爾做不到。」

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《千萬別抬頭》希望透過反諷與幽默,能讓更多人抬起頭、睜開眼,開始關心環境議題。圖/Pixabay

幕後花絮:真正的 NEOWISE 計畫在做什麼?

其實,現實中新發現的 NEOWISE 彗星就是電影裡那顆彗星的原型。那是一顆長週期彗星,以驚人的速度從遠方朝太陽系飛來。邁因策爾博士在 2020 年 3 月發現 NEOWISE,7 月時它就接近地球了,就真的像電影中的彗星一樣,我們來得及反應的時間非常短。 

好消息是,我們已經開始監視那些能釀成全球性災難的近地小行星。以超過 1 公里的近地小行星來說,科學家已經找到了其中 90%,而且沒有一個會對地球造成威脅。

但長週期彗星就是另一回事了。比起小行星,長週期彗星相當稀有,但這不代表它們不存在。雖然科學家持續監測,還是無法推估總數到底有多少。在邁因策爾博士看來,任何物體接近地球的機率都不是零,我們需要獲得更多知識,才能做好準備,方法就是不斷尋找彗星和小行星,並且全面性地監測、追蹤。

邁因策爾博士也花了很多時間和導演討論小行星監測系統。當科學家們發現未知的小行星或彗星時,會透過這個系統比對所有已知的星體,如果確定是未知星體,系統就會公開觀測資訊,讓其他天文學家看見。從科學家的角度來看,他們努力地傳播科學資訊,但問題在於每個人對於科學的接受程度不同,這樣的矛盾在劇情中也有不少著墨。

電影中的科學家發現彗星只是湊巧,他本身並不是研究彗星的專家,但製片團隊仍花了不少時間呈現他們識別彗星、確定軌道,以及將結果轉告其他科學家的過程。雖然這畢竟是電影,多少美化了實際情況,但還是希望能藉此讓觀眾看見科學論證的嚴謹之處。

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NEOWISE 彗星 或音譯尼歐懷茲彗星 ,又稱為 C/2020 F3,是一顆具有接近拋物線軌道的逆行長週期彗星。圖/WIKIPEDIA

科學講述事實,但藝術掌管對事實的感受

本片中有許多大咖演員,他們才華洋溢,而且都有自信能展現出科學家感性的一面。他們都熱衷科學、關心科學在日常生活中扮演的角色,也相信如果人們根據科學做決定,就能找到更好的問題解決方法。邁因策爾博士還花了很多時間陪演員練習台詞,因為劇本裡有很多艱澀的科學術語。這麼做還有另一個好處,就是當他們沒有在聽博士講話時,博士可以表達身為科學家的感受,供他們揣摩。

邁因策爾博士一直覺得科學和藝術之間的關係很有趣。科學告訴我們事情的本質,但藝術掌管我們對這些事情的感受。這部電影呈現出科學家和大眾對於科學的看法:科學家想改變社會,以做出基於科學的決定,但也必須設法讓大眾傾聽科學的聲音——這種矛盾和拉扯,就是這部電影的核心所在。

科學家有所隱瞞?他們更想說個沒完

那些拒絕科學的大眾普遍認為 NASA 或政府隱瞞了一些事情,可是所有科學家卻都說,如果他們發現太空有危險物體,絕對會爬上屋頂告訴全世界。

如果換成是邁因策爾博士,她也會這樣做!當科學家學到新的酷東西時,就像一班人去了一趟很棒的旅行,回家後,他可能會讓其他人感到厭煩,因為他不斷提起旅行中的所見所聞。大多數科學家不會停止談論自身所學,因為他們熱愛這些知識,也希望其他人知道這些酷東西,或許他們就會因此愛上科學!

邁因策爾博士希望觀眾看完這部電影後,能夠理解科學家也是人,而且和一般人沒什麼兩樣。「作為科學家,我們經常遇到溝通方面的挑戰,但我們正在努力,而且我們不會放棄!」

圖/twitter @dobrienloml
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PanSci_96
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Just Look Up!小行星監測系統「哨兵」全面升級
EASY天文地科小站_96
・2022/01/03 ・2549字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/陳子翔|師大地球科學系、EASY 天文地科團隊創辦者

看到下圖密布於太陽系的小行星軌道,你是否會對小行星撞地球這樣的災難感到擔心呢?

對地球有潛在撞擊威脅的 2200 個小行星軌道。圖/NASA/JPL-Caltech

事實上面對小行星的撞擊風險,科學家也是嚴陣以待。畢竟即便是一顆直徑只有數十公尺的小行星撞上地球,其威力也足以摧毀一座城市。更何況還有許多直徑數百公尺,甚至數公里的近地小行星(near-Earth asteroids)存在。因此,對於這些小行星的觀測、研究與監控就顯得格外重要。

揪出藏身夜空中的小行星

對近地小行星監測的第一步,就是要先找出「它們在哪裡」。如同在戰場上比起收到敵方要發動攻勢的情報,更可怕的就是連敵人是誰、敵人在哪裡都還不清楚就被暗中襲擊了。

然而棘手的是,由於直徑小,反照率低的特性,小行星的亮度往往非常低,需要仰賴觀測性能強大的天文台才有辦法看見它們。但大型天文台的觀測視野卻通常很小,難以有效率的「掃描」廣大的夜空,而且這些天文台本來就有很多天文研究工作要進行,能撥給小行星觀測的時間也相當有限。

有鑑於這些因素,專門設立搜尋近地小天體的計畫與望遠鏡,就成了更合適的選項。像是林肯近地小行星研究小組(Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LINEAR)、卡特林那巡天系統計畫(Catalina Sky Survey, CSS)以及泛星計畫(Pan-STARRS)等。它們扮演「小行星獵人」的角色定期掃視夜空,尋找移動中的可疑光點。目前透過這些計劃發現的近地小行星已經多達數萬個。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Neo-chart.png
每年由近地小天體搜尋計畫找到的近地小行星數量,藍色為林肯近地小行星研究小組,綠色為卡特林那巡天系統計畫,紫色為泛星計畫。圖/Wikipedia

用自動化的監測系統,找出小行星中的「危險份子」

發現這些小行星的下一步,就是由觀測資料計算出它們的軌道,並找出哪些小行星對於我們的威脅比較大。而面對數量龐大的近地小行星資料,NASA 噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)早在 2002 年就開發出一套名為「哨兵(Sentry)」的監測系統,運用設計好的演算法,自動化的評估每個近地小行星撞擊地球的機率,並列出對地球威脅比較大的小行星名單。

以目前的速率來看,每年大約有 3000 個新的近地小行星被發現。而未來隨著更多更先進的天文台投入小行星搜尋的計畫,可以預期小行星的發現數量還會出現顯著的成長。因此就在不久前,NASA 的天文學家已發展出下一代更先進的小行星監測系統:哨兵 II(Sentry II),以因應未來更龐大的資料,同時也對已經使用了近 20 年的哨兵系進行補強。

監測系統升級上線,更完善的為地球把關

就如同各種應用程式都會進行版本更新,並在更新中修正上一個版本的缺點,這次哨兵 II 系統的升級,也從哨兵一代系統多年累積的經驗進行修正。

首先,第一代哨兵系統只有計算萬有引力對小行星軌道的影響,並沒有考量其他外力,例如來自太陽的輻射壓等等。這些力量雖然相對微小,但積少成多、聚沙成塔,長期下來也能影響小行星運行的軌道。另一方面,由於小行星本身會自轉,因此小行星的受光面和背光面會不停改變方向,如此一來熱輻射對小行星造成的力,也會隨著轉動而變化,這個效應被稱作「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。而哨兵 II 的演算法都有將這些因素納入考量,讓小行星的軌道估計算更為精準。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

再來,當小行星的非常靠近地球時,受到地球引力的影響,軌道以及速度都會大幅改變。其原理與太空探測器借助行星的引力來改變自身的軌道和加減速的「重力彈弓」效應相同。

然而太空探測器上面有很多精密的儀器提供科學家精準的定位,小行星卻只能透過地面觀測來估算出它的軌道,科學家其軌道掌握的精確度當然就比較差。而當小行星接近地球時,軌道的計算誤差就會被大幅放大。一個小行星飛掠地球時幾百公尺的誤差,到了下一次來訪時可能就成了幾千公里的差別了。而這幾千公里,就有可能是「撞上地球」和「安全通過」的差距。好消息是,由於在軌道計算上考量的因素更全面,演算法也更加精密,讓哨兵 II 即使在面對這樣的狀況,也能計算出更為精準的結果。

最後,哨兵 II 系統在計算小行星的撞擊風險時,判斷的方式也相較上一代系統更縝密。如同任何觀測與測量,小行星的軌道也會存在誤差,而哨兵 II 會從小行星軌道的誤差範圍內隨機取樣進行計算,以檢查小行星有沒有撞上地球的可能性。相比於第一代哨兵系統預先將有撞擊風險的軌道推算出來後才評估撞擊機率的做法,這樣的更新能降低漏網之魚出現的可能性。

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隨著科技不斷在更新換代,人類對小行星的認識越來越深入,但我們也仍未擺脫小行星撞擊的威脅。圖/Pixabay

持續探索可能的威脅

小行星、彗星等天體的撞擊一直以來都是很多科幻作品的題材。從科學的角度來看,太陽系中也的確存在非常多小天體,可能對地球上的生命構成威脅。雖然對於近地小天體的災害預防,當今的科學與科技還遠達不到萬無一失的程度,但過去三十年,人類對近地小行星的認識已有了顯著的進展。從搜尋小行星的各個計畫,到針對小行星的太空探測任務,以及本篇文章介紹的兩代哨兵監測系統,都帶給我們許多重要資訊,立下人類面對小行星撞擊風險時不可或缺的基石。

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EASY天文地科小站_96
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