天文學未來 10 年的 3 大目標：探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告

這個成語出自《莊子》秋水篇。戰國時，公孫龍自認學問、口才高人一等，可是聽到莊子的言論卻大惑不解。他的一位朋友說，是他眼界狹小，有如用管子看天，只能看到天空的一小部分，以為天空就這麼小。

後來「以管窺天」演變成一個成語，比喻見識淺薄狹窄。談到這裡，讓我們造兩個句吧。

沒讀幾本書，就說自己了解明史，猶如以管窺天，所知太有限了。

這篇討論新冠肺炎的論文，只是以管窺天，並沒看到問題的全貌。

成語「以管窺天」，常和「以蠡測海」並用。蠡，指用葫蘆做的瓢。用瓢測量海水，能測得完嗎？以蠡測海，也是比喻見識淺薄狹窄。

成語「以蠡測海」，純粹是個比喻，沒什麼科學意義。成語「以管窺天」則不然，原來用來窺天的「管」，是古人的天文觀測儀器啊！

古時沒有望遠鏡，只能用肉眼觀看星空。用肉眼觀測大範圍的天象尚能應付，觀測細微的天象就不敷需要了，所以古人想出一個辦法，用竹管的管孔來縮小觀測範圍，這種觀測天象的管子，特稱「窺管」。

窺管能「窺」出什麼呢？首先，能夠消除側光的影響，一些較暗的星，看起來就變亮了。小朋友可以做個實驗，用手握出個孔洞，湊近一隻眼睛，望向遠處目標，是不是看得更清楚了。

窺管除了可以增加亮度，還可以觀測星星的經度和緯度，這就得談談古代的天文觀測儀器渾儀。大約西元前 1 世紀，古人發明了渾儀。渾儀由 1 至 3 重的金屬環構成，外重是固定的，內重可以轉動，窺管嵌於其中。後來環數加多，構造變得複雜，但基本原理是一樣的。

自古以來，天文學家就假想「天」是個球體——天球，做為觀察星空的依據。假想中的天球，是以地球為中心、向外擴充的無限大球面。地球的南北極，向外擴充，就成為天球南北極；地球的赤道，向外擴充，就成為天球赤道。地球有經緯度，天球也有經緯度，稱為赤經、赤緯。

根據《隋書．天文志》，當時渾儀上的窺管，長 8 尺，有直徑 1 寸的圓孔。觀測時，轉動內層的環，將窺管導向某一星星，經過微調，根據環上的刻度，就可以定出這顆星星在天球上的座標，也就是它的經緯度。

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2016 年 9 月 8 日，歐西里斯探測器（OSIRIS-REx）由擎天神五號火箭發射升空，追隨著前輩們 ── 隼鳥號與隼鳥二號 ── 的腳步，前往近地小行星貝努（101955 Bennu），執行人類史上第三次的小行星取樣任務。

經過兩年多的飛行，歐西里斯號於 2018 年底成功抵達貝努，並在幾個月後成功採集樣本，預計在今年 9 月 24 號返回地球。透過採集小行星上的原始樣本，科學家將能夠推論 46 億年來太陽系的演變歷史，但除此之外，歐西里斯探測器也在環繞貝努的過程中進行了眾多觀測，也為小行星研究貢獻許多，現在就讓我們回顧歐西里斯號的浩瀚之旅！

歐西里斯基本介紹

要了解歐西里斯號的觀測目標，我們只需要把他的英文全名攤開來看：

Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer

翻譯作太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者。其縮寫歐西里斯，是埃及神話中的冥神。儘管你可能無法了解各個專有名詞，但在看過那麼長的名字後，應該也能知道歐西里斯探測器的任務可不僅是採集樣本而已。

歐西里斯號的目標是小行星 101955 號「貝努」。

這是一顆於 1999 年由林肯近地小行星研究小組（LINEAR）發現的近地小行星。之所以選擇貝努作為觀測目標，是因為貝努的軌道與地球十分接近，有撞擊地球的潛在風險，另一方面距離近，也可以讓探測器在較短的時間內抵達。

值得一提的是，「貝努」這個名字源自古埃及神話的神鳥，同時也是引領前往冥界的諸神之嚮導。同時，貝努小行星上的各式地形或是地點，也都是以不同神話中的鳥類來命名。

在發射後過了兩年，2018 年，歐西里斯號逐漸接近貝努，並以相機模組中的 8 吋望遠鏡（Polycam）不斷進行觀測，直至十二月成功抵達貝努。

而抵達後的第一項任務，就是詳細繪製全小行星的地圖，過去科學家曾經透過金石太陽系雷達來（GSSR）來探測貝努的模樣，但地面上的雷達雖然可以看到貝努的大致形狀，解析度卻仍不足以窺見小行星上詳細的地形起伏，也就無法事先決定採集樣本的地點但藉由探測器上攜帶的雷射測高儀（OSIRIS-REx Laser Altimeter, OLA），歐西里斯號得以透過發射雷射訊號與接收的時間差， 像是測量海底深度的聲納一樣，繪製全小行星的地形高度圖。另外其配載的高解析度相機（MapCam），也可以讓科學家一覽高解析度的貝努影像。

除了解地形以外，決定採樣地點時，另一項重要的考量是採樣地礦物或化學組成。正如同地球上各處的岩石化學組成不盡相同，不論是含水量、顆粒粗細程度以及有機物的有無，皆是採樣任務執行時需要考量的情況。於是，歐西里斯號使用了三種方法來探測小行星表面上的礦物。

第一種方法是透過風化層 X 射線成像光譜儀（Regolith X-Ray Imaging Spectrometer, REXIS）來觀測 X 射線光譜。讀者或許會想，X 射線多用來觀測高能天體的輻射，像是黑洞、超新星爆發等事件，並且小行星本身也不會發出 X 射線，為何要攜帶這樣的探測儀器？

事實上，當元素吸收到宇宙射線或太陽所發出的 X 射線時，內層的電子會吸收能量並游離，而外層的電子便會向下躍遷，補上原本內層電子的位置，更外層電子又再補上外層電子的位置。在這一連串的過程中，便會發出 X 射線。而由於每個元素的能階都是獨一無二的，藉由觀測X射線的光譜，我們便能了解小行星上各處的元素豐度。

這樣的分析方式被稱作 X 射線螢光分析（X-ray fluorescence, XRF），是一種非破壞性的元素鑑定方式，地質考察、考古甚至是博物館文物鑑定都常利用此方式進行探測。

另外，歐西里斯號上還配戴可見光與紅外線分光儀（OVIRS），也能夠獲取小行星可見光與紅外線波段的光譜來辨別來辨別礦物或是有機物的種類。並且由於不同礦物的熱導率差異，歐西里斯還可以藉由熱輻射光譜儀（OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer, OTES）掃描全小行星的熱輻射地圖來了解礦物與化學豐度。

熱輻射儀也可以更進一步用於研究小行星上的熱量傳輸問題。當小行星吸收太陽光後將以輻射的方式將能量釋放時，其光壓會給予小行星一個微小的作用力。在經年累月的作用下，便會對其軌道產生改變，此現象稱之為亞爾科夫斯基效應（Yarkovsky effect）。

由於亞爾科夫斯基效應的強弱會受到小行星的反照率、表面材質甚至是地形而影響，如果對小行星不夠了解，那預測小行星軌道的難度將大幅提升。因此歐西里斯號的近距離探測，對精準預測貝努的軌道非常重要。

樣本採集：歐西里斯與貝努的零距離接觸

在近兩年的搜集數據後，歐西里斯號便開始執行此次任務的最終目標：採集樣本。

一開始，科學家們有四個候選地點：夜鷺（Nightingale），此處位於年輕的隕石坑上，且具有最細顆粒的礦物；翠鳥（Kingfisher）為新的隕石坑並具有豐富的含水量；魚鷹（Osprey）具有較低反照率的岩石樣本；鷸（Sandpiper）位於兩個隕石坑之間，可能含有水合礦物。

在科學家掙扎的選擇後，最終決定在名為「夜鷺」的地點進行採樣。因為此處較年輕的地質特性，能夠讓我們採集到貝努更原始的樣本，以此探討貝努在太陽系闖蕩時所遺留的痕跡，再加上較細的礦物也能讓執行任務時能有較高的成功率。至於其他候選地點，只能說後會有期了。

2020年10月20號，歐西里斯號伸出他的機器手臂，名為 Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism（TAGSAM），顧名思義便是碰一下小行星表面後便離開。其運作原理，是在碰觸到小行星表面時釋放加壓氮氣產生爆炸，再搜集飛散出來的碎屑樣本。

說起來雖然簡單，但降落在微小重力的且未知內部構造的小行星上其實非常困難，科學家們需要考量到所有可能影響的作用力，甚至是太陽光所造成的輻射壓都必須考慮進去。

現在，想像你是個科學家，坐在任務的控制室中，透過相機模組中的 SamCam，望著歐西里斯號逐漸靠近小行星，3，2，1⋯⋯，碰！（狀聲詞，事實上，太空中是沒有聲音的。）

採集任務看似十分成功，歐西里斯號將 TAGSAM 的頂端放入樣品返回艙（Sample Return Capsule, SRC）中，SRC 也使用了眾多隔板將散落在太空中的碎屑放入其中，兩天後，歐西里斯號回傳了樣本採集艙的影像，確認歐西里斯號已搜集足夠的樣本，但此時卻發現了些意外，由於採集的樣本太大顆，艙門無法完全緊閉，導致有部分樣本散逸至太空中，還好這不影響任務的完成，算是有驚無險。

2021 年 4 月 7 日，歐西里斯號展開他的最後一次飛越任務，此次他以超近距離（約 3.5 公里）觀測「夜鷺」在採集後的模樣，可以清楚看見採樣任務前後的區別，中心區域產生了一個深度超過45公分的凹痕！ 周圍的岩石也因此錯位。

過去天文學家們透過眾多觀測數據推論，大多數的小行星比起堅硬的石頭，更像是散亂的碎石堆。後來科學家們也透過此次採樣任務確認貝努表面並非像是地殼般的堅硬固體，而比較像是流體般，才產生如此大的凹痕。

在做完惜別任務後，2021 年 5 月 10 號，歐西里斯號啟動了他的主引擎，開始返回地球的旅程。預計在今（2023）年 9 月 24 號，裝載著貝努樣本的樣本返回艙將與歐西里斯號脫離，並以秒速 12 公里的高速衝入地球大氣層，並著陸於猶他州的沙漠中，由研究人員回收後取出樣本進行更近一步的分析。

然而歐西里斯號的旅程仍尚未結束。

接下來它將在 2029 年對另一個有潛在撞擊地球風險的小行星 99942 阿波菲斯（APophis）進行觀測。就讓我們歡迎冥神與他所攜帶的樣本歸來，以及期待未來科學上的重大發現吧！

延伸閱讀

• 夜空中的守望者－ 望遠鏡如何保衛地球? – 科學月刊Science Monthly
• What Would Happen If Asteroid Bennu Hit Earth?
• NASA’s OSIRIS REx Mission Ends Up With More Than It Expected

古老星系中發現有機分子？我們離第三類接觸還有多遠？

韋伯正式展開拍攝任務已經屆滿週年，最近也傳回來許多過去難以拍攝到的照片。六月初，天文學家在《自然》期刊上發表了這張照片，在藍色核心外，環繞著一圈橘黃色的光環。

這是一個星系規模的甜甜圈？這是一個傳送門？還是外星文明的戴森環？

——都不是！其實，這是一個含有有機物多環芳香烴的古老星系，其名為 SPT0418-47。因為名字很長，以下我們就簡稱為 SPT0418 吧！

這個觀測結果有什麼特殊意義？這代表我們發現外星生命了嗎？

SPT0418 是怎麼被拍到的？扭曲時空的重力透鏡！

一年前，在韋伯望遠鏡傳回第一組令人震撼的照片時，我們製作了兩期節目來介紹韋伯望遠鏡，和它在天文觀測史上跨時代的重要意義。在那之後，也有不少泛糰敲碗，希望我們可以再繼續介紹韋伯望遠鏡的後續發展。

這次在週年前夕公開的這張 SPT0418 照片，是一張標標準準因為重力透鏡而形成的美麗照片。「重力透鏡 Gravitational Lensing」這個概念，相信有在關注天文物理的泛糰們，應該都有聽過。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，星系與星系團的龐大質量會扭曲它們周圍的時空，就像一面星系尺度的超級放大鏡一樣，可以在光線通過時改變它們的走向，從而扭曲背景星系的影像。而如果背景星系與前方的前景星系剛好前後對齊的話，重力透鏡效應還能將背景星系扭曲成美麗的環型，這個環型被稱為「愛因斯坦環 Einstein Ring」。

乍聽之下，重力透鏡會扭曲背景星系影像，好像會干擾觀察，是個缺點。但實際上重力透鏡在扭曲影像的同時，也會聚焦背景星系發出的光，從而讓背景星系變得更加明亮而容易觀測，讓天文學家可以看到更遠或更暗的天體。因此雖然扭曲的影像會增加分析上的麻煩，但天文學家其實非常喜歡觀測這些受重力透鏡效應影響的天體們。甚至會專門安排觀測計畫，拍攝這些受重力透鏡效應影響的區域。這次的主角 SPT0418，正是韋伯太空望遠鏡針對重力透鏡效應開展的「TEMPLATES 」觀測計畫的其中一個觀察對象。

SPT0418 是一個位於時鐘座（Horologium）方向，距離地球約 123 億光年遠的古老星系。最早在南極望遠鏡（SPT）的觀測資料中被發現，並在後續以阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 ALMA 進行的觀測中，確認了它是一個富含大量塵埃，而且正在以每年約 350 個太陽質量的超高速率生成恆星的星系。

在我們與 SPT0418 之間，還存在著一個前景星系。正是這個前景星系的質量扭曲了周圍的時空，像一片巨大的放大鏡一樣將背後的 SPT0418 扭成了漂亮的愛因斯坦環。

在這張經過調色的照片中，中間的藍色部分就是前景星系，旁邊的橘色環則是因為重力透鏡而扭曲的 SPT0418 。得益於這個重力透鏡，SPT0418 的影像被增亮了三十倍以上，非常適合讓天文學家一窺早期宇宙中星系的狀態，因此被選為韋伯的觀測目標。

那麼，這次的觀測又有什麼重要意義呢？

多環芳香烴是什麼？看見它代表什麼意義？

這次的拍攝結果不能完全說是意外，因為在這個研究中，韋伯的目標非常明確，就是要尋找古老星系中的多環芳香烴。

在天文學上，多環芳香烴通常指兩個以上的苯環所組成的有機化合物的統稱，人們一般以它的簡稱「PAH」來稱呼它。

發現有機分子，難道這代表有生命存在於古老星系中嗎？其實不能這麼快下定論。

因為 PAH 廣泛存在於各式各樣的星系中，與其他由碳和矽組成的塵埃顆粒，同屬於星際塵埃的一部分。甚至在彗星、小行星、隕石中，都能發現各式各樣的 PAH。目前認為，宇宙中可能有超過 20% 的碳原子，都是以 PAH 的方式存在，只是環數不盡相同。

所以，雖然科學家認為，宇宙中的生命誕生，可能與這些這些遍布其中的有機分子有關。但發現 PAH，不能直接與發現生命劃上等號。

過去數十年的天文觀測結果也顯示，PAH 確實廣泛存在於星系之中，但是天文學家對於這些分子究竟如何形成？又是什麼時候形成的？目前還沒有共識。因此迫切需要更多觀測，例如這次的目標 SPT0418 是個距離我們非常遙遠的古老星系，對於研究宇宙早期星系以及 PAH 的起源就很有幫助。

觀察 PAH 的困難及韋伯望遠鏡的重大突破

然而，要觀察 PAH 卻不太容易。原因是這些 PAH 發出的光，波長主要都集中在幾微米到十幾微米的近紅外與中紅外線波段。這個波段的光線受到大氣層的吸收非常嚴重，幾乎無法從地面觀測，因此過去我們很難取得相關數據。想要尋找 PAH 的蹤跡，勢必得使用紅外線太空望遠鏡才行。

這時，就是韋伯大展身手的時候了。比起同樣專注於紅外光譜的前輩史匹哲太空望遠鏡，韋伯的鏡片直徑大了超過七倍，集光面積更是大了將近六十倍，這不僅讓韋伯能夠拍攝遠比史匹哲更清晰的影像，更可以在更短的時間內拍攝到更暗的目標。

得益於韋伯強大的觀測能力，在這個研究中它僅僅對著 SPT0418 曝光了不到一個小時的時間，就在 3.3 微米的波段找到了清晰的 PAH 發射譜線，確認了PAH的存在的同時，也打破了觀測到最遠的 PAH 訊號的紀錄。

此外天文學家也發現，韋伯所拍攝到的 SPT0418 與前幾年使用 ALMA 觀測到的影像並不全然相同。

由於韋伯拍攝的是 PAH 發出的近紅外光，而 ALMA 拍攝到的則是毫米尺寸的大顆粒塵埃所發出的遠紅外線，因此這可能代表 SPT0418 這個星系的不同部分，有著不同的塵埃組成。為甚麼會這樣呢？天文學家目前也沒有肯定的答案，需要更多的觀測來進一步釐清。

任務還在繼續！TEMPLATES 計畫持續追蹤 PAH 足跡

韋伯對 SPT0418 拍攝的照片，不僅打破了人類探測過離太陽系最遠的 PAH 訊號紀錄，更展示了在重力透鏡加韋伯的攜手合作下，能大幅拓展人類觀測遙遠星系的能力。除了 SPT0418 之外，天文學家還預計觀測另外三個被重力透鏡放大的星系，尋找並研究其中 PAH 的足跡，以解開星系與星際塵埃的演化之謎。

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