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同位素資料支持月球大撞擊起源理論

臺北天文館_96
・2012/10/23 ・2224字 ・閱讀時間約 4 分鐘

美國華盛頓大學行星科學家Frédéric Moynier等人發現證據,證明月球的確是由火星大小的天體撞擊到早期地球而形成的暴烈過程。這項證據並不會令一般民眾感到敬畏,因為它們是月岩中微小的鋅同位素。不過,Moynier等人測出的鋅同位素含量極豐富,很可能是撞擊過程讓岩石蒸發成雲,而較重的鋅同位素比較新的鋅元素還快凝結,輕的鋅元素則在凝結之前變隨這團雲逸散到太空了。

從1970年代阿波羅任務從月球上將月岩帶回地球之後,科學家便曾嘗試尋找所謂的同位素分離作用(isotopic fractionation)來進行研究。月岩的化學組成與地球岩石類似,都缺乏易揮發物質(volatile)。之前利用猛烈撞擊可解釋此一缺失,另一月球起源理論則無法解釋這個現象。所謂的同位素,是指某種元素的原子核中具有不同中子數,使其同位素與元素本身的質量稍有不同。

月球的撞擊起源理論已提出30幾年了。按理來說,這個讓易揮發物質消失的造月撞擊事件,應該也會產生同位素分離;先前的同位素分離搜尋作業都一無所獲,導致撞擊起源說無法獲得確切的證明,也無法排除其他的月球起源理論。

Moynier表示:他們在月岩中測量出的同位素分離程度,約為地球岩石和火星岩石的10倍左右。這項差異甚為明顯而重要,因為這是繼發現月岩中缺乏易揮發物質的現象之後,科學家第一次有物理證據可以證明月球上曾經歷大規模蒸發事件。

根據科學家於1975年提出的大撞擊理論(Giant Impact Theory),月球是在地球形成早期時,一顆被稱為「忒伊亞(Theia)」的小行星與地球發生劇烈撞擊後的撞擊碎屑形成的。其中,希臘神話中,忒伊亞是月球女神(Selene)的母親。一般人可能很難想像這場撞擊的慘烈程度,不過與讓恐龍滅絕的那顆小行星僅約10公里左右(約比臺北市小)相比,可能就比較能理解直徑與火星相似(約6800公里)撞擊到地球可能引起的危害有多大。

這場劇烈撞擊不僅讓忒伊亞融化甚至蒸發,也讓原始的地球很大一部份的地函隨之融化蒸發。這些在撞擊過程中蒸發的岩石物質最終逐漸凝結而形成月球,另有一部份則落回地球。這個理論看起來似乎很奇怪,但電腦模擬顯示這樣劇烈的撞擊,的確可以產生現今所見的地月系統軌道狀態,且可以解釋月岩中缺乏易揮發物質的關鍵特徵。

一朝將真的月岩帶入實驗室中進行分析後,科學家很快地發現月岩中缺乏地質化學上所謂的中等揮發元素(moderately volatile element),包含鈉、鉀、鋅和鉛等。如果缺乏這些易揮發物質的確是因為在巨大撞擊期間蒸發的結果,那麼必定就會有同位素分離。

當岩石融化並蒸發時,比較輕的同位素進入蒸汽階段的速度會比較重的同位素快,所以基本上撞擊結束後,輕的同位素大多在蒸汽中,而重的同位素則會留在在固體殘餘中。一旦蒸汽消散,剩下的固體殘餘和原始物質相比之下,重同位素比例自然會比較高。道理說起來簡單,可是科學家就是找不到同位素分離的證據,直到Moynier等人的研究結果呈現在世人面前。

Moynier等人為排除其他可能造成同位素分離的原因,確定這種同位素分離的現象遍及整個月球,因此分析了阿波羅11, 12, 15, 17任務從月表不同地方帶回的20個月岩標本。這些標本收存於美國休士頓的詹森太空中心(Johnson Space Center)。由於阿波羅任務帶回的月岩數量並不豐富,Moynier等人得提出計畫書並說服負責管理月岩的委員會,才能取得所需的月岩樣本進行研究。Moynier等人分析的是月岩中的玄武岩部分,因為玄武岩是來自月球內部的岩漿冷卻而形成的,比較能代表月球內部真實的組成成分。下方照片是阿波羅任務帶回之第12021號標本的岩石薄片正交偏光影像。

不過,月球玄武岩的組成成分有差異,其中的鈦含量差異頗大。同位素也能在從液態逐漸凝固的過程中而被分離出來。雖然這種方式產生的效應很小,但仍須小心檢視以排除所有可能影響結果的因素,因此Moynier等人分析的樣本中同時包含了富鈦和貧鈦兩種化學成分極端的玄武岩,結果得出無論富鈦還是貧鈦,鋅同位素的比例都相同。

而為了做比較,他們分析的10個火星隕石標本。這些火星隕石有些是在南極洲採集到的,其他的則是田野博物館(Field Museum)、史密松研究所(Smithsonian Institution)和梵諦岡(Vatican)的收集品。如同地球一樣,火星岩石富含揮發性元素,岩石中含有豐富的鋅,所以只需一點點就足以測量出有無同位素分離,隕石標本因而比較容易取得。

分析結果,月岩中的鋅元素濃度與地球或火星岩石相較之下低很多,但重一點的鋅同位素的比例卻明顯的高多了。地球和火星所含的同位素成分與球粒隕石(chondritic meteorites)類似,可已呈現太陽系形成之初的原始塵埃氣體雲成分。這種差異最簡單的解釋,就是在月球形成之後的情況,比地球和火星更能讓更多揮發性元素逸散,也更能產生同位素分離作用。而月球物質的同位素同質性,則顯示月球上引發的同位素分離作用是大規模的過程,而不是區域性的。

給定上述線索後,最可能造成這些現象的大尺度事件,就是在月球形成過程中有大規模的融化。鋅同位素資料因而支持月球的大撞擊起源理論。不僅如此,這項研究工作同時也牽涉到地球起源,畢竟月球有很大一部份是來自地球。

如果少了月球的穩定影響,或許地球會和今日所見截然不同。行星科學家認為少了月球,地球的自轉速度會比現在快很多,一天的長度比現今短很多,天氣變化會比現今劇烈,氣候比現在更為混亂而極端。事實上,少了月球,地球可能變成一個嚴苛的世界,無法再成為像人類這樣的生物最喜歡的演化環境,想當然爾,也不會再有「人」在此討論月球的起源問題了。

http://www.youtube.com/watch?v=50gxyyU0V7U

資料來源:Moon was created in giant smashup. WU St. L [October 17, 2012]

轉載自 網路天文館

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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

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…...
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