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為愛與夢想燃燒的はやぶさ-隼鳥號(上篇)

活躍星系核_96
・2012/10/11 ・3107字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文 / 台南隊長

之前曾看過一些資料,提到日本在外太空有顆充滿傳奇的研究衛星,該衛星發射後就開始前往3億公里外的目的地進行樣本採集。後來這顆衛星在遙遠的外太空故障了,在地球上的工程科學家們很努力地用各種方法想修好她。但最終還是無法把她救回來。最後科學家們決定,在這顆衛星生命結束之前,讓她轉向地球,再看地球一眼;並拍下最後的一張照片… 這顆衛星叫「はやぶさ」(HAYABUSA)隼鳥號。隼鳥號的誕生是源自於日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的小行星探測計劃,任務是前往距離地球3億公里外,一顆會穿越火星軌道的阿波羅小行星25143採集行星上的樣本,並將樣本送回地球。

要前往的行星25143 又名叫「糸川」( Itokawa );該行星的名字是為了紀念日本火箭之父-糸川英夫。而糸川英夫也是太平洋戰爭期間,中島九七式戦闘機一式戦闘機 隼二式単座戦闘機 鍾馗的設計師之一。

若隼鳥號成功地採集到了小行星「糸川」的樣本,也成功飛回到地球,那麼她就是第一顆前往月球、彗星以外的陌生地區探勘;並帶回樣本的太空飛行器。而JAXA也將完成了一件連美國太空總署(NASA)都做不到的事情!因為JAXA每年的研究預算只有NASA的1/10,在這樣的經費下,連拍一部《阿凡達》都辦不到!而選擇小行星「糸川」的原因是:科學家相信這是一顆在太陽系形成之時所遺留下來的原始地區;未來將可透過研究分析;了解太陽系早期歷史、星球如何誕生,並協助降低未來隕石撞擊地球的威脅。 這顆起初連日本國民自己都沒人看好的衛星,在2003年5月9日13時29分25秒經由M-V 5號火箭從鹿兒島内之浦宇宙空間観測所發射升空,飛往位於地球和火星之間的「糸川」,開始了一段三億公里的長程旅行…

MVロケット.ハヤブサ搭載 經過6個月在太空的孤單漫長飛行,隼鳥號在2003年11月遭遇到人類觀測史上最大規模的(X28)太陽黑子風暴!而這風暴或許也在隼鳥號的身上埋下了未來任務的不確定性…

隔年5月19日,隼鳥號成功完成了〝世界上第一次〞合併離子推進器的地球重力助推飛行;並在2個月後捕捉到小行星「糸川博士」的身影!但沒想到就在看到糸川博士的2天後,隼鳥號的三組姿態控制器中其中有一組發生故障。

同年9月12日,隼鳥號在糸川上空20公里處靜止成功與行星軌道銜接!可惜隼鳥號的另一組姿態控制器此時也發生故障,這使得隼鳥號無法改變飛行姿態。在地球上的科學工程師們花了1個多月的時間研究、並修復後,隼鳥號在11月20日成功降落糸川;並且進行最重要的成分採集任務。

不料6天後,隼鳥號在又再次降落在不同地區進行採集時,不幸發生燃料外洩的事故,接著隔日又發生飛行姿態調整失敗、電瓶不明漏電等問題…。後續更遇到收集塵土用的揚塵砲無法發射、12組化學火箭故障、離子推進器無法啟動、操作指令失效、太陽能板無法蓄電、通訊天線偏離地球導致失去連絡將近7周…等一連串不在任務計畫中的故障意外。

當外界開始認為計畫失敗;隼鳥號將無法返回地球的時候,某日突然接收到來自隼鳥號斷斷續續的微弱訊號!工程人員意外驚喜;趕緊把握短短的時間傳送訊號檢測並嘗試修復。

雖然隼鳥號曾二度降落在糸川行星上;但科學家們內心其實也不確定是否有完整收集到小行星上的物質。但想著降落在糸川上的時間總計也有30分鐘以上,科學家們認為在降落的時候多少揚起的塵土應該會收集到一些灰塵,因此努力修復隼鳥號令其返航…隼鳥號的返航過程仍是大小故障不斷,只能用遍體麟傷,跌跌撞撞來形容這段歷程。

2010年3月,返航的第二期軌道切換完畢,已經確定進入地球軌道,隼鳥號即將締造歷史的消息在日本本土與宇宙科學界之間傳開,這振奮人心的消息,也爲隼鳥號贏得了〝不死鳥〞的封號。但在振奮人心的同時,也帶了些感傷。隼鳥號原本的計畫是將採集到的行星樣本裝入小型耐熱密封艙投送回地球後,便轉身加速再前往宇宙進行其他探測計畫!

但因為姿態系統故障頻頻,隼鳥號的密封艙投射準度無法被精確掌控;因此得在更接近地球的地方投送密封艙,這也意味隼鳥號將無法掙脫地球引力;面臨墜入大氣層燃燒殆盡的命運。

消息傳出,日本各界開始為隼鳥號祈福;同時有許多人寫信給JAXA請他們想想辦法別讓她墜落地球…。

 

某日JAXA似乎收到了一位名叫明日香的女孩寄來的信:

「ハヤブサさんお疲れ様でした。でも死んじゃうんだね。帰ってこないほうがいいよ….。」(譯:隼辛苦你了。不過也真是累死你了吧,我建議你最好不要回來比較好喔….。)

那女孩的父親在下面附記了一段話…

「今この子はポロポロと泣きながらこの手紙を書いています。」(譯:現在這個孩子眼淚在眼睛打轉邊哭著寫著這封信要給你。)

2010年6月,密封倉與隼鳥號分離,朝南半球的澳洲沙漠降落,6月13日晚間。隼鳥號收到來自控制中心的最後一道命令…

 

『隼,請迴轉機身180度,並請好好欣賞自己的故鄉。』

在隼鳥號傳送出最後一張地球的照片後…
2010年6月13日晚間約11點,澳洲上空出現了一道璀璨的流星…

這是隼鳥號以每秒12公里的速度奔向地球的景象;這段時間長達7年,來回60億公里的旅行終於結束了。

隼鳥號用燃燒的亮光告訴日本的科學家們與在遠方的糸川博士:

『ただいま…我回來了!』

 

快歌版歌詞中文翻譯與說明註釋

隼鳥號…從07年4月再次執行返航任務,到2010年6月13日回到地球的懷抱為止,已經整整慢了原定計畫3年,感謝這段時間以來一直堅持不放棄的科學家們!

註1:本文主體引用下列網站資料:

  1. Wikipedia-はやぶさ (探査機)
  2. [奇蹟的不死鳥][辛苦了!歡迎回家!隼鳥號][初音ミク- はやぶさ]
  3. JAXA小惑星探査機「はやぶさ」物語
  4. 小惑星イトカワへの長い旅
  5. はやぶさよ、目を覚ませ!
  6. 祝・はやぶさ帰還録画
  7. めざせバッグ職人!修行日記
  8. はやぶさ イトカワ微粒子確認 「500点満点」の成果

註2:本文明日香寄給JAXA之日文信件翻譯由Kaoru協助翻譯,誠心感謝!
註3:本文漫畫翻譯出自[奇蹟的不死鳥][辛苦了!歡迎回家!隼鳥號][初音ミク- はやぶさ]
註4:本文部分圖片來自Google,如有侵權請來信告知,謝謝。

為愛與夢想燃燒的はやぶさ-隼鳥號(下篇)

轉自《台南海軍航空隊》,作者台南隊長授權刊載。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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謎樣的「超快自旋小行星」——什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?
科技大觀園_96
・2021/12/23 ・2604字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

超快自旋小行星的自旋週期小於兩小時。圖/沈佩泠繪

科學家相信,一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成,這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星,這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快,如果自旋速度超過一個極限,整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期 2 小時的極限,因為超過這個極限,小行星就會瓦解。 

圖中的黑點是一般小行星,圖中虛線是 2 小時的自旋週期,藍色圓點是超快自旋小行星,它們的自旋週期比一般小行星快,短於 2 小時。圖/章展誥提供

「凡事都有例外」,這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002 年,科學家發現一顆特別的小行星,它的長度大約 700 公尺,自旋週期只有半小時!這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑,是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?瓦礫堆模型不適用了嗎?還有其他更多的超快自旋小行星嗎?這些問題就成了章展誥的研究主題。

如何量測小行星的自旋週期?

小行星本身不發光,只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形,當太陽照射到面積最大那一側,小行星看起來最亮;當太陽照射面積最小那一側,小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。 

從小行星的亮度變化可以推算出它的自旋週期。圖/沈佩泠繪

章展誥於 2011 年取得中央大學天文所博士學位,當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究,後來轉跟隨葉永烜教授,與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型,自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星,章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠(Palomar Transient Factory)的 1.2 公尺廣視野望遠鏡,進行大量小行星自旋週期的測量。2014 年春季,他發現一顆疑似超快自旋小行星,這顆小行星的亮度相當暗,無法確定它是不是真的轉得很快,就像聽音樂時,音量很低,很難聽清楚是哪一首歌;這時如果你有一對大象般巨大的耳朵,就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號,章展誥需要大口徑的望遠鏡,進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。 

加州理工學院帕洛馬瞬變工廠的執行地——帕洛馬天文台。圖/Wikipedia

當時他正在加州理工學院訪問,便與加州理工學院的合作者使用他們的 5 公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認,結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現,證實了 2002 年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單,超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗,章展誥心中除了喜悅還有震撼,原來美國一流名校是這樣做研究的!取得 5 公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易,資源如此豐富,做研究自然得心應手。

除了轉得快,與其他小行星有什麼不同?

因為超快自旋小行星的相關研究成果,在 2017 年 4 月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」(Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017)上,國際天文學會(IAU)宣布將編號 10679 的小行星命名為 Chankaochang——章展誥小行星。到 2020 年 3 月為止,已知的超快自旋小行星一共有 26 顆,其中的 23 顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星,章展誥還進一步研究它們的組成和分佈,比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠,天文學家要如何研究小行星的組成呢?假設建築工地裡有三種建材,分別是磚頭、水泥和大理石,如果它們放在手碰不到的距離,要如何分辨?你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質,紅色是磚頭,灰色是水泥,白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法,他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現,這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間,這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎?它們比較靠近火星或木星?章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別,與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快,它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解,目前仍是未解之謎,期待未來章展誥能夠解開謎團,告訴我們答案。 

章展誥目前是中央大學天文所的助理研究學者。圖/章展誥提供

從星團到小行星 章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系,修過普通天文學後,覺得天文容易上手,後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生,開始他的天文研究之路。當時的時空背景,大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班,章展誥覺得天文比較親近,所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所,繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後,章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈,紅色精靈是一種高空閃電現象,他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈,這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後,章展誥曾經到科技業工作,後來覺得不同部門之間,對解決問題方式存在很大的差異,因此在一年後離開企業界,回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理,工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗,讓他可以幫助學弟解決研究上的問題,這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在 2006 年,他進入中央大學天文所博士班就讀,研究銀河系;博士後一直到現在,則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星,章展誥跨足天文、太空多個研究領域,至於未來,且讓我們拭目以待!

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?
EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2764字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會不會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大。這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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我們的征途是星辰大海:回顧隼鳥二號的億里長征
EASY天文地科小站_96
・2021/01/22 ・4050字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/林彥興(EASY 天文地科團隊總編輯,現就讀清大理學院學士班)、黃子權(EASY 天文地科團隊成員,現就讀台大地質系)

日本的小行星探測船「隼鳥二號 Hayabusa 2」於 2014 年搭乘 H-IIA 火箭升空後,經過四年的飛行與重力助推,在 2018 年抵達目的地「龍宮」小行星採集樣本。最終在 2020 年底帶著珍貴的樣本重返地球,完成它長達六年,橫跨數十億公里的星際旅程。

隼鳥二號想像圖。圖/Wikipedia

前輩「隼鳥號」的旅途

在細談隼鳥二號之前,讓我們先來簡單複習一下它的前輩「隼鳥號」的故事。隼鳥號是日本「宇宙航空研究開發機構 JAXA」旗下的無人小行星探測船,於 2003 年發射升空,目標是前往近地小行星「糸川 (25143 Itokawa)」採集樣本並返回地球。

然而,隼鳥號的旅途並不順利,路程中各種差錯與搶救有如電影般曲折離奇……噢不,是真的精采到有被改編成電影,片名就叫做《隼鳥號(はやぶさ/HAYABUSA)》。這些故事也可以在往期的 Pansci 文章中找到。

但無論過程如何,最後隼鳥號仍然排除萬難、成功在 2010 年返回地球。而隼鳥號的勵志故事,對日本各界產生了相當重大的影響,使原本默默無名的隼鳥二號計畫獲得了廣大的支持[註1, 1]。最終,隼鳥二號於 2014 年由 H-IIA 火箭發射升空,展開它前往小行星「龍宮(162173 Ryugu)」的旅程。

隼鳥二號的設計與隼鳥號大同小異。其中最明顯的就是隼鳥二號將隼鳥一號上的碟型通訊天線,換成兩片盤狀的天線。此外,太陽能板、離子引擎與反應輪的設計也經過更新。
圖/DLR German Aerospace Center/JPL

飛向宇宙浩瀚無垠:隼鳥二號的精彩旅途

隼鳥二號任務的簡單回顧。影/DLR Youtube

相較於它命途多舛的前輩,隼鳥二號的旅程幾乎是一帆風順。發射升空四年後,隼鳥二號成功在 2018 年夏天抵達龍宮小行星,展開探測任務。龍宮小行星(162173 Ryugu)是一顆運行軌道與地球十分接近的阿波羅型近地小行星。也就是說,這顆小行星不只離地球近,而且軌道還與地球相交,有可能在遙遠的未來與地球相撞。這樣的危險鄰居,當然值得我們好好了解。

隼鳥二號首先從距離龍宮 20 公里處用它的相機與光達觀察小行星的表面,了解龍宮的大致性質與地形,為接下來的任務打下基礎。經過大半個月的觀察後,隼鳥二號進一步往龍宮靠近,直到距離僅剩 60 公尺處,像運輸機空投傘兵一樣釋放它第一項法寶:四輛「探測車 (Rover)」,分別是日本研發的「Rover 1A (HIBOU)」、「Rover 1B (OWL)」、「MINERVA-II-2」,以及德國航太中心開發的「MASCOT」。

很可惜,MINERVA-II-2 在隼鳥二號前往龍宮的半路就已經故障,因此沒有一起被投放。不過,其他三輛探測車都在投放之後順利降落在小行星表面,進行拍攝照片、分析表面物質組成等工作,讓科學家能夠近距離的觀察小行星的地表組成。

它們名為雖然被稱作是「探測車」,卻不像大家印象中的火星探測車一樣有一排輪子。相反的,HIBOU 和 OWL看起來就像兩個扁扁的圓柱體,MASCOT 更是一個徹底的方盒子。這樣要怎麼在小行星上移動?沒有辦法移動,又怎麼能叫做「探測車」呢?

原來,龍宮表面的重力非常微弱,如果像火星探測車一樣採用輪子的設計,當輪子轉動時,由於缺乏足夠的重力將探測車牢牢抓在地上,整輛探測車很容易因為反作用力而漂浮起來,無法好好的移動。因此科學家們在設計這幾個探測車時,選擇不採用輪子,而是以類似「跳躍」的方式讓它們在衛星的表面移動。這些小探測車為我們帶來數以百計的近距離小行星影像,以及地表溫度、磁場強度等珍貴數據。

開炮!暴力的樣本採集!

釋放了小探測車之後,重頭戲才正要開始。

小行星就像是活化石一般,保留著太陽系形成初期的狀態。因此科學家多年來前仆後繼地派出先進的探測船(比如隼鳥號、OSIRIS-REx 等等),希望帶回小行星的樣本仔細分析,了解太陽系的形成與演化。尤其位於小行星內部,不受太空惡劣環境所影響的樣本更是珍貴。而這,正是隼鳥二號最重要的任務。

隼鳥二號首先在 2019 年 2 月 22 日 第一次下降到小行星表面,像前輩隼鳥號一樣,用它的樣本採集器採集龍宮的表面樣本。但是,該怎麼讓探測器拿到小行星內部的樣本呢?

科學家想出了一個簡單暴力的方法:要不我們朝小行星開一砲,把內部物質炸出來再去採集呢?

恩,他們確實這樣做了。

2019 年 4 月 5 日,隼鳥二號利用其搭載的「Small Carry-on Impactor (SCI)」向龍宮發射了一枚 2.5 公斤的銅製砲彈,在小行星的表面砸出了一個直徑十公尺的隕石坑。經過三個月分析後,選擇了最適合的降落地點,在 7 月 11日下降進行採集,珍貴的小行星內部樣本就這樣到手啦!

隼鳥二號投放 SCI (左圖圓柱狀物體) 以及用於拍攝的攝影機 (右圖圓柱狀物體) 之後,即飛到龍宮的另一側避難。當 SCI 發射結束,準鳥二號才會從安全區探出頭來,回去看看這一炮究竟對小行星造成了怎樣的影響。圖/JAXA
投放-躲避-撞擊-採集的示意動畫。GIF/DLR – German Aerospace Center

最後,在 2019 年 11月,隼鳥二號結束了它的科學觀測任務,帶著它採集的樣本,踏上了返回地球的旅途。經過一年的飛行,隼鳥二號於 2020 年 12 月 5 日,在距離地球 22 萬公里處將裝著珍貴樣本的返回艙往地球釋放,降落在澳大利亞。橫跨數億公里的樣本返回任務,圓滿成功。

成功降落在澳大利亞的樣本返回艙。圖/JAXA

拿了石頭回來要幹嘛?
小行星樣本的科學意義

不過,科學家千辛萬苦的花上好幾年的時光和數千萬美金的預算,從太空帶回這麼多俗投,到底有甚麼用呢?

幾個世紀以來,人類對這些遙遠小行星的研究都仰賴遙測:

利用接收分析天體的電磁波了解天體的各式資訊。但遙測能取得的資訊有限,尤其在研究太陽系演化時,物體形成的時間是一個非常重要的資訊。現行的定年法中,幾乎沒有只透過遙測便能進行絕對定年的手段。想知道岩石的精確年齡,唯一的方法,是將樣本送進實驗室,利用各種儀器進行分析。此外,在能夠精確控制環境的實驗室中分析樣本,往往能得到比遙測更好的精確度。

為什麼要從太空帶石頭回來?圖/Dcard 梗圖

最具代表性的例子,當數 1970 年代的阿波羅系列登月任務。在阿波羅計畫六次成功的登月任務中,太空人除了留下腳印、插上國旗之外,還帶回了一共 381 公斤的月球樣本。利用這些樣本,科學家得以精確的定出月球表面的年代。有了月球表面的精確年代後,物理與地質學家喬治·韋瑟里爾在 1975 年以此為基礎,藉由比較月球與水星的隕石坑大小以及隕石坑密度分佈,推測出在太陽系形成一段時間之後,發生過一段隕石撞擊特別密集的時段,稱為「後期重轟炸期 Late Heavy Bombardment」,對太陽系的形成與演化理論是一大突破。

除了月球之外,1999 年發射的「星塵號探測器 Stardust」採集了 81P/Wild 彗星彗尾的塵埃樣本,讓我們知道這顆彗星中含有大量不同種類的有機物。兩年後,「起源號探測器 Genesis」則採集了太陽風粒子,可惜最後在重返大氣時故障,以失敗收場。

最近幾年,除了本次介紹的隼鳥二號(2014 年發射)以外,還有 OSIRIS-REx(2016 年發射)、嫦娥五號(2020 年發射-成功),以及毅力號(2020 年發射)等瞄準小行星、月球與火星的樣本採集任務。即使上太空如此昂貴,世界各國卻仍前仆後繼的送出探測器,可見樣本採集有多麼重要的科學價值啊!

故事尚未落幕:隼鳥二號的未來

從 2014 年升空開始,隼鳥二號走過了數十億公里的星際旅程,經過看小行星、炸小行星、挖小行星的一系列過程,最終將珍貴的樣本平安送回地球。

於是,隼鳥二號的任務也就此畫下了完美的句點……嗎?

不不不,下一段精彩的故事才正要開始呢!

完成了龍宮小行星採樣任務之後的隼鳥二號,將會繼續它的星際之旅。預計在 2026 年飛掠它的下一個觀測目標「小行星 2001 CC21」,並最終在 2031 年抵達最終目標「小行星 1998 KY26」。沿路上,隼鳥二號還會藉由觀測黃道光,來了解太陽系中的塵埃分佈,並利用凌日法觀測系外行星。究竟展開事業第二春的隼鳥二號會再為我們帶來哪些驚人的科學發現呢?就讓我們繼續看下去吧!

銘謝

感謝國家太空中心歐予恩協助校稿。

註解

  1. Preparing for HAYABUSA’s Successor

參考資料與延伸閱讀

  1. 台北星空 隼鳥二號的龍宮任務
  2. What Happens When You Shoot An Asteroid With An ‘Anti-Tank Weapon’
  3. The Power of Sample Return Missions – Stardust and Hayabusa

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