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創業鋼鐵人 – Elon Musk

程式人雜誌
・2013/12/18 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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Elon_Musk
Elon Musk 在 SpaceX 控制中心的照片

如果說「賈伯斯」完成了所有科技人的夢想,那麼「伊隆·馬斯克」的夢想,應該連賈伯斯本人都難以想像。

成長背景

伊隆·馬斯克(Elon Musk,1971年6月28日-) 的母親是加拿大人,而父親則是南非人,他出生於南非、高中畢業後到加拿大上大學、並在美國連續創辦了 PayPal, SpaceX 與 Tesla 等公司 (下圖是 SpaceX 與 Tesla 公司的照片)。

MuskCompanyBuilding

鋼鐵人的導演 Jon Favreau 曾經說他受到 Elon Musk 的啟發進而塑造出主角 Tony Stark (東尼、史塔克) 的性格,因此後來 Elon Musk 就被戲稱為「創業鋼鐵人」。

Elon Musk 在 10 歲那年買了第一台電腦,並且自學了程式設計。12歲時就以 500 美元的價格出售了自己的第一個太空遊戲軟體 Blastar。

17歲時(1988年) Elon Musk 從南非 Pretoria Boys High School 畢業後,為了避開南非的兵役制度,他透過母親取得了「加拿大公民」的身分, 並到「皇后大學」就讀,兩年後轉而到「賓州大學」研讀商業與物理,並在該校取得了沃頓商學院的經濟學學士學位。取得學位後繼續修讀該校 的「物理課程」,一年後又取得物理學學士學位。

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Elon Musk 接著移往美國加州的矽谷,並打算在史丹福大學念應用物理與材料科學的碩博士學位,然而卻在入學兩天後就決定輟學了。

初創事業 – Zip2 與 PayPal

輟學後他和弟弟 Kimbal Musk 一起開發了一個稱為 Zip2 的線上出版軟體,並在 1999 年以「3.07億美元+3400萬美元股票期權」 賣給了 Compaq 的 AltaVista 的部門。

接著他成立了 X.com 這家公司,並在 1999 年購併了由 Max Levchin, Peter Thiel, Luke Nosek, and Ken Howery 等人於 1998 年 創立的 Confinity 公司,購併時 Confinity 已經在開發 PayPal 這個軟體幾個月了。

Elon Musk 認為 PayPal 應該有更大的用途,2000 年 10 月 Elon Musk 決定停止 X.com 的其他專案,專注於 PayPal 的開發, 並將 X.com 公司重新命名為 PayPal,接著在 2001 年將該技術用於全球最大拍賣網站 eBay 的拍賣結帳方式中。

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2002 年 10 月,eBay 以 15 億美元收購了 PayPal,進一步使得 PayPal 成為全球性的網路交易結帳方案。後來 2004 年時,中國大陸也學習了這類的方案,創造了支付寶。

雄心勃勃的 SpaceX

2002 年 6 月,Elon Musk 獨自投資了 1 億美元於加州霍桑市火箭路 1 號創立了第三家公司:SpaceX(space exploration technologies)。SpaceX 是一家不可思議的公司,他們經營太空發射業務, 近期目標是發射衛星與月球探索,遠期目標是在火星打造生態環境。

換句話說,SpaceX 想要和美國國家航空暨太空總署(NASA)以及各國的太空發射中心搶生意。

Elon Musk 認為太空發射服務價格之所以高,部分原因是官僚架構沒效率所導致的,所以可以藉由十個因素去降低成本並提高太空服務的可靠性,他認為 「1100美元/公斤」每趟的價格是可以達到的。

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為了達到這個目的,SpaceX 已經做出了下列的重要成績:

2005 年 1 月,SpaceX 購買了薩里衛星技術公司 (Surrey Satellite Technology Ltd) 10%的股份。

2006 年 8月18日,SpaceX宣布它獲得美國國家航空暨太空總署商業軌道運輸服務的合同,證明了這可以是一個運送貨物到國際空間站的選項。

2008 年 12 月 23 日,SpaceX宣布它獲得價值 16 億美元的商業補給服務的合同,從而保證太空梭在2010年退役後國際空間站補給的任務。

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2012 年 8 月,公司與NASA簽署了一項大型開發合同,旨在設計下一代載人太空飛行器,以在2017年能夠重新啟動美國載人太空計劃。另外2家公司, 波音和Sierra Nevada也參與了類似的合同。該計劃由 NASA 的 CCiCap (商業船員綜合的能力) 制定相關標準。這將導致政府和商業公司都有能力提供商業載人太空飛行服務。作為該協議的一部分,‬SpaceX 公司獲得了一份合同,價值高達 4.4 億美元,於 2012年 至 2014 年 5 月交付。

Spacex 也參予了美國的火星計劃,截至 2011 年 7 月美國太空總署下屬的阿姆斯研究中心(Ames Research Center)已經開發出了一個低成本的火星任務設想,在這一設想中將使用「重型獵鷹」火箭作為發射和火星中途—入軌載具,運送「天龍」太空艙進入火星大氣層。這個代號「紅龍」的設想將會在 2012/2013 年度作為一項美國太空總署的探索任務提出以便籌集資金,計劃在 2018 年進行發射,並於數月後抵達火星。這項任務的科學目標是尋找生命存在的證據,包括搜索「可以證明生命存在的分子,例如 DNA 和高氯酸鹽還原酶……通過生物分子證明生命的存在。『紅龍』將鑽探至地下一米(3.3英尺)左右,以獲取已知潛藏於紅色土壤之下的水冰儲藏的樣本」。不包括發射成本在內,這次任務的費用預計將低於 425,000,000 美元。

為了達到「太空旅行商業化」的目的,Space X 的設計目標就是簡單,這樣既能保證最大的安全性,也能節省成本。

SpaceXShip目前 SpaceX 已經參與過「獵鷹1號 (Falcon 1)、獵鷹9號 (Falcon 9) 與天龍號太空船 (SpaceX Dragon)」等載具的設計,上圖是這些 火箭與太空的圖片」,而下圖 (a) 則是天龍號太空船的實體, (b) 則是藝術家繪製的天龍號太空船與國際太空站對接的示意圖。

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SpaceXShip2

不過、事情沒有絕對順利的,在 2008 年時, SpaceX 差點因為資金不足而倒閉,還好後來得到資金挹注與合約而度過了難關。

獨步全球的 Tesla 電動車

當初 Elon Musk 之所以去史丹福修應用物理和材料科學的博士學位,目標就是研發出超級電容器能夠給電動汽車提供足夠能量。因此他會創辦 Tesla (特斯拉電動車公司) 並不令人意外。

Tesla 目前已經出過三款車型,Tesla Roadster、Model S 與最新的 Model X,2013 年的主力車 Model S 充電一次就能夠馳騁 300 公里以上,整台車的底盤全部都是電池,由於節省的引擎的空間,因此內部相當寬敞。下圖是 Tesla Roadster 與 Model S 的實體照片。

TeslaCars

特斯拉汽車公司的第一款電動跑車 Tesla Roadster,已在31多個國家銷售超過 2300 Roadster 的美國最低售價為 109000 美元。在英國的最低售價為 86950 英鎊,在歐洲大陸的最低售價為 84000 歐元。身為電動車,Roadster在歐洲也有資格享有政府補貼。

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2012 年 6 月 22 日正式發布旗下第一台商務純電動車 Tesla Model S ,售價區間在 4.99 萬- 9.79 萬美元,並沒有比同級別的汽油車,如 BMW、奧迪 A6 和 A8 貴很多,而且純電動車在許多地區可以獲得政府補貼, 因此未來進入歐洲乃至中國的可能性也不低。同時具備了舒適性、高性能、合理的售價和絕大部分純電動車所不具備的長續航里程。

因為 Tesla 電動車底盤由七千多個多個鋰電池組成的超級電池重量就超過 590公斤,所以 Tesla 採用全鋁製車身來減低整台車的重量。 Tesla 電動車可在 90秒內換好電池,而 MODEL-S 使用特殊加壓器時充滿 50% 電力僅需 20 分鐘,這些技術都讓 Tesla 的電動車對富人而言極具吸引力。因此 Tesla 電動車在加州光是 2013 年上半年就賣出了8900 年,銷量比保時捷更高。

同樣的、經營企業總是會遇到困境,Tesla 曾經因為幾起電動車起火案件而股價大跌,消費者對電動車的態度如何還需要進一步觀察。

故事的背後

然而、凡事都是有代價的,Elon Musk 創業的背後,隱藏著一些遺憾, Elon Musk 於 2000 年與 Justine Musk 結婚, 並接連生下了一對雙胞胎與一對三胞胎,總共 5 個小男孩。但是妻子 Justine 無法忍受 Elon Musk 的奇特創業家個性, 因此在 2008 年訴請離婚。於是 Justine 寫下了以下這篇被翻成中文的文章。

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創業家的老婆,比創業家的女友更苦:鋼鐵人 Elon Musk 前妻的心酸告白

但是在離婚訴訟提出六星期後, Elon Musk 就發了簡訊告訴前妻 Justine ,他已經和 Talulah Riley 這位英國女星訂婚了。

三年後 (2012 年)、Elon Musk 又和 Talulah Riley 離婚了。看來、「每個成功的男人背後、都有一位偉大的女性」這句話 或許應該改寫了,至少在 Elon Musk 身後的那位偉大女性,到現在為止都還沒有出現。

家庭與夢想之間,有時候真的很為難!

或許正是因為如此,Elon Musk 才能有更多時間專注在創業這件事情上吧!

Elon Musk 曾經在 TED 上接受專訪時談到了他這些創業背後的動機,您可以發現除了早期在程式設計領域展現的才華之外, Elon Musk 所擅長的其實是在大學裏關注的「物理」領域,他對能源科技的著迷程度,促使他創造了電動車工業的 Tesla、 以及太空工業的 SpaceX。

TED:Elon Musk: 關於Tesla, SpaceX, SolarCity 的構思與計劃

或許也正因為相同的驅動力,所以 Elon Musk 才會參與了 SolarCity 這個太陽能公司的創建工作,他們為民宅住家 裝上太陽能板,並租用給屋主,然後透過發電慢慢回收這些投資,該公司的執行長是 Elon Musk 的表兄弟 Lyndon Rive。

2012 年七月,Elon Musk 再度提出一個令人耳目一新的「超迴路列車」(Hyperloop) 計畫,企圖建造一種結合「協和號飛機、磁軌炮、空氣曲棍球桌」原理的全新交通運輸系統,預計時速可達 1102 公里, 他認為 Hyperloop 會成為汽車、飛機、火車、船之外的第五大交通支柱。由於超迴路列車可自行利用太陽能發電,但實際上需要能源不多, 因此還能發出電力提供給電廠使用。

如果開公司提供太空服務都是可能的,那麼創建時速一千公里以上邊開還能邊發電的「超迴路列車」又有甚麼不可能呢?

Elon Musk 總是一次又一次的讓我們感到驚奇,下次如果他真的像鋼鐵人那樣在胸腔裝一個核反應爐,我應該也不會感到驚訝了!

參考文獻

【本文由陳鍾誠取材並修改自 維基百科,採用創作共用的 姓名標示、相同方式分享 授權】

轉載自程式人雜誌

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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Starship 試射雖敗猶榮?萬眾矚目的星艦還有哪些新設計?
PanSci_96
・2023/05/07 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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你有看到幾天前馬斯克的超大火箭爆炸新聞嗎?怎麼火箭快速非計畫解體了,SpaceX 的員工們還歡聲雷動、雀躍不已呢?

就讓我們來一起認識乘載 SpaceX 火星夢的下一代超重型運載火箭:星艦 Starship!

雖敗猶榮的首飛

萬眾矚目的 Starship 首次飛行於 2023 年 4 月 20 日登場。

倒數三秒開始,超級重型的三十三顆引擎在六秒內依序點火。在七千噸強大推力激起的漫天煙塵中,世界最大的火箭開始緩緩升空,並在幾秒後成功離開發射台,在朝陽中飛向深藍的天空。

但此時其實從直播畫面中就可以看到,並不是三十三顆引擎都成功點燃,其中有三顆一開始就沒有正常運作。但這不是什麼大問題,得益於先進的當代飛控以及火箭設計時保留的推力冗餘,星艦本來就可以在有幾個引擎失效的情況下繼續飛行。

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升空後一分十八秒,即使陸陸續續有引擎故障等問題,火箭還是通過了最大動壓點(MAX-Q)。可以想像成火箭在飛行過程中,其箭身結構承受最大壓力、也就是最可能出現結構問題的時候。通過 MAX-Q 對任何一款新火箭都是重要的里程碑,這代表無論其他部分如何,至少火箭的整體結構設計是達標的。

升空後兩分二十一秒,火箭的飛行高度來到 28 公里,速度約兩馬赫。

此時也許是因為控制火箭推力方向的液壓系統故障,火箭的姿態開始明顯出現偏移,並漸漸失去控制,開始在空中翻滾。最終在翻滾六圈後,火箭的飛行終止系統(FTS)啟動,將火箭自行炸毀以降低火箭碎片造成傷害的風險。於是星艦與超級重型就在加勒比海上空,化成了一片超大型煙火。星艦的首次試射,帷幕就此落下。

Starship 試射影片。/
SpaceX YouTube

關於這場試射中火箭為何失控?達成多少測試目標?這些問題還有待 SpaceX 正式發布報告才能清楚知道。但無論如何,本次發射無疑是 Starship 開發的重大里程碑。對很多人來說,能夠飛離發射台、通過最大動壓,就已經是了不起的成功了。

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SpaceX 的可重複使用之路

說到 SpaceX,大家首先想到的應該就是他們舉世唯一的可重複使用火箭——獵鷹九號(Falcon 9)。藉由在每次發射之後,讓第一節自行降落並重複使用在多次任務上,SpaceX 得以大幅降低每一次發射任務的成本,並在過去幾年中橫掃全世界的商業太空發射市場。

然而受限於先天設計,獵鷹九號只是一款「部分可重複使用」的發射系統。雖然火箭的第一節和前端的整流罩可以回收使用,但每一次發射,都還是會消耗一枚第二節火箭。

多年來,SpaceX 研究過各式各樣的方法,試圖把第二節火箭也帶回來。包括在火箭前端安裝隔熱盾,讓火箭可以承受高速重返大氣層產生的高溫;又或是異想天開地在火箭上安裝巨大氣球,讓第二節火箭可以在稀薄的大氣中盡可能減速,以降低火箭重返大氣層時會產生的熱量;但這些想法,最終都因為技術和成本上的考量而作罷。

獵應九號以星際大戰系列中的「千年鷹(Millennium Falcon)」,和第一節擁有的 9 個引擎作為命名依據。圖/維基百科

SpaceX 最終決定,放棄升級獵鷹九號,直接開發一款更大、更強而且完全可重複使用的次世代運載火箭。這就是我們今天的主角——星艦 Starship 。

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星艦的設計理念

星艦的概念首度於 2016 年出現在世人面前。當時,馬斯克在國際太空航空會議(IAC)上宣布 SpaceX 將打造一款全新的運載火箭,以達成讓人類走出地球、成為跨行星物種(Multiplanetary Species)的理想,而火星就是第一個目標。

為了達成這個理想,這款火箭必須具備四大特色:

  1. 完全可重複使用;於每次執行任務後,整支火箭都必須可以回收再利用,才有辦法大幅降低發射成本。
  2. 能夠在軌道上重新加入推進劑(以下簡稱在軌加油);如此一來火箭可以先滿載貨物進入地球軌道,然後藉由多次的在軌加油把推進劑補滿,再出發前往目的地。
  3. 使用的推進劑必須能在火星製造;如此一來火箭就不需要攜帶回程的推進劑,從而攜帶更多的貨物。
  4. 必須使用正確地推進劑組合;除了要能在火星製造之外,推進劑最好便宜、容易儲存和傳輸。

針對這四項要求,SpaceX 最終開發出一款由不鏽鋼打造,使用甲烷與液態氧作為推進劑的兩節式超重型運載火箭。

火箭的第一節稱為「超級重型 Super Heavy」,其底部裝有 33 顆 SpaceX 開發的「猛禽 Raptor」火箭引擎,總共能夠輸出近 7600 公噸的推力,比冷戰時代送人上月球的農神五號火箭還要高一倍。

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第二節則稱為「星艦 Starship」,高度 50 公尺底部裝有六顆猛禽引擎,並有兩對機翼可以在大氣層中控制火箭的姿態。能在重複使用的前提之下,將 100 至 150 公噸的酬載送入近地軌道,是人類歷史上最大、最強的運載火箭。

星艦(Starship)與超重型推進器(Super Heavy)原型機。圖/維基百科

不過,要注意的是,火箭的第二節叫做 Starship,但整個火箭系統(第一節+第二節)也稱為 Starship,有時要仔細聽上下文,才知道說的是整支火箭,還是只有單指第二節而已。

Starship 將怎麼完成 SpaceX 的火星夢?

假設今天 Starship 已經開發完成了,它將怎麼幫助人類完成未來的火星任務呢?

Starship 的全套系統運作原則如下:

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火箭從地球升空後,第一節會像獵鷹九號一樣可以自行重返大氣層,並精確地回到發射台降落。而第二節則會帶著貨物與太空人先停泊於近地軌道,等待後續發射的多艘加油版星艦(Tanker)與它會合,把它的推進劑槽補滿。接著,星艦就可以啟程前往火星。

而在登陸火星後,太空人可以將火星上的二氧化碳與水轉變成甲烷與液態氧。利用這些火星製造的推進劑,太空人就能再次搭上星艦返回地球。

除了前進火星之外,還有許多重要任務也已經預訂要由 Starship 執行。

舉例來說,SpaceX 將開發一款「月球特化版 Starship」,用於在 NASA 的阿提密斯三號以及後續的登月任務中,負責將太空人從月球軌道帶到月球表面。Starship 也將用於發射數以萬計的第二代星鏈衛星,提供更強大的通訊服務。星鏈的成功,將為 SpaceX 帶來比發射火箭更多更穩定的收入。

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隨著 Starship 逐漸成熟,其強大的運輸能力和低發射成本,將進一步將太空工程師們,從當前嚴苛的成本和重量限制中解放出來,得以放手設計更強大的衛星、太空船、太空望遠鏡,造福人類文明的各個領域。

當人類為了成為跨行星物種邁出第一步時,希望 Starship 已替那一步提供堅固的墊腳石。

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太陽系如何形成、如何演化?就讓「靈神星」來解答!
EASY天文地科小站_96
・2023/04/12 ・2962字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/黃子權|掉入岩石堆中的研究生,現就讀台大地質所
  • 文/林彥興|現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

M 型小行星與行星的誕生

了解太陽系的形成歷史與演化,是行星科學最重要的使命之一。然而,身在太陽系形成後 46 億年的我們所看到的行星,都是經過漫長演化後的結果。它們的表面特性、內部結構,早已與剛形成時大相逕庭。

因此,想要研究太陽系的形成與演化,小行星是相當重要的目標。由於小行星質量小、冷卻快,更不會有複雜的風化和地質運動,因此它們從太陽系形成之初到現在都沒有什麼改變,就像活化石一般。而過去幾十年,人類也確實對小行星進行了廣泛而詳細的研究,比如拍攝照片計算它們的軌道,用光譜分析化學組成,甚至派遣太空船(如 JAXA 的隼鳥一號、隼鳥二號、NASA 的 OSIRIS-REx)直接前往小行星,將樣本採回地球分析。

而在太陽系目前已知的一百多萬顆小行星中,有一個相當特殊的族群,它們大多具有較大的密度和較高的雷達反照率,同時在光譜上缺乏特徵。基於上述特點,科學家們認為它們的組成中有含有不少金屬,因此稱之為 M 型小行星。

根據目前天文學家對行星形成的理解,原行星盤(protoplanetary disk)中的金屬元素分布理應相當分散,因此能夠自然產生元素分異並聚集大量金屬的地方,只有足夠大、足夠熱的原行星(protoplanet)的行星核。所以傳統上,M 型小行星被視為受到撞擊後裸露的行星核,同時也是鐵隕石的來源之一。但截至目前,仍未有探測器直接造訪 M 型小行星,確認這個假說是否正確。

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近期,新的觀測資料更顯示,某些 M 型小行星似乎比人們預想的還輕,各種特徵也和人們對行星核的認知不盡相同(例如,在表面觀測到含水礦物的訊號)。這表示傳統的行星形成與演化模型,也許不盡正確。換個角度看,這也代表對 M 型小行星的研究,也許將能幫助我們揭開行星演化理論中的盲區。

M 型小行星是由什麼構成的?它們的演化歷史又是如何?苦於距離遙遠,過去人們對這些問題往往只能止於粗略的推測。但隨著靈神星號任務逐漸上軌,我們離解答這些問題(的一部分)只有一步之遙了。

靈神星號探測器。圖/NASA/JPL-Caltech/ASU

靈神星探索任務

靈神星探索任務(Psyche)是 NASA 發現計畫(Discovery Program)的一部分。發現計畫始於 1989 年,每隔幾年就會向全美國徵求任務提案,經過重重篩選後,最具有科學價值且最可行的團隊,就可以獲得 NASA 提供的經費,將他們的構想付諸實行。從 1996 年的 NEAR 任務開始,發現計畫已經為十幾個重要的太陽系探索任務提供機會,包含近期因太陽能板發電量降低而終止的火星「洞察號(InSight)」任務。2014 年,第 13、14 次發現計畫徵選開始,最後脫穎而出的其中一個計畫,正是靈神星探索任務。

而計畫要觀測的目標靈神星(16 Psyche)於 1852 年被義大利天文學家加斯帕里斯(Annibale de Gasparis)發現,並以希臘神話中靈魂之神「賽姬」命名。祂是第 16 個被發現的小行星,雖然不是最大的小行星(平均寬度約 220 公里)但卻是目前已知小行星中第 10 重的,其質量佔小行星帶總質量的 1%。根據估算,靈神星的密度大約為 3.9 g/cm3,遠低於鐵鎳隕石的 7.9 g/cm3,因此靈神星不太可能真的完全由金屬構成,比較可能是類似石鐵隕石那樣,由金屬與岩石共同組成。

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科學家對靈神星的想像。圖/ NASA/JPL

作為發現計畫的一員,靈神星計畫切實地反映了該系列任務的宗旨:便宜、快速的解答重要的疑問。M 型小行星是行星形成與演化中相當重要的一片拼圖,而靈神星又是體積最大的 M 型小行星,其重要性不言而喻。對靈神星的探測,勢必能更加推進人們對行星演化的認知。

靈神星號的科學目標及預期解答的問題為:

  1. 靈神星是行星核還是未熔結物質?
  2. 靈神星表面的相對年齡為何?
  3. 小型金屬天體是否含有和高壓地核同比例的輕金屬?
  4. 靈神星形成環境的氧化還原性?
  5. 靈神星地表及撞擊坑特徵?

為了達到這些目標,靈神星號上搭載了以下儀器:

  • 多光譜成像儀 (Multispectral Imager)
  • 伽馬射線/中子光譜儀 (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer, GRNS)
  • 通量閘磁強計 (Fluxgate Magnetometer)
  • X頻無線電實驗 (Radio Science (X-band))

整體而言,靈神星號的載酬相當簡要,科研儀器加總起來只占約 30 公斤,且每項儀器都是經過「實戰」驗證過的:多光譜成像儀來自火星好奇號探測車,GRNS 來自水星的信使號任務、磁強計參與了洞察號任務、X 頻無線電實驗(利用通訊時訊號的都卜勒效應測量重力強度變化)更是有多項成功紀錄。使用這些驗證過的儀器不僅能減少任務風險,同時能省下不少研發經費,提高任務的 CP 值。另外,靈神星號同時也會為深空網路(Deep Space Network, DSN)測試全新的「深空光學通訊(Deep Space Optical Communication, DSOC)」系統,利用雷射作為資料載體進行傳輸,科學家估計 DSOC 的資料傳輸速度,將比過去使用無線電的 DSN 快 10 到 100 倍。

靈神星號各項儀器位置圖。圖/修改自NASA/JPL-Caltech/ASU
靈神星號的伽馬射線光譜儀及中子光譜儀。圖/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

另外,隨著科技進步,太空探索不再是國家機構的天下,各種商業公司紛紛加入了衛星製造的行列。因此重視任務 CP 值的靈神星號,從設計初期,科學家們便決定向商業公司尋求成熟、有發射紀錄且搭載了離子推進系統的衛星載具。最終他們選定了 Maxar 旗下的 Space Systems/Loral(SSL)公司的 1300 系列框架作為靈神星號的主體,並由噴氣推進實驗室(JPL)整合飛行系統(包含指令及資料處理系統)。靈神星號的推進系統是一具 SPT-140 霍爾效應推進器(Hall effect thruster),藉由游離氙氣並透過磁場將其加速噴出以獲得推力。搭配發電量達 20 千瓦的太陽能板及 922 公斤的氙氣,足夠支持靈神星號走完將近六年的航程。

抵達靈神星後,探測器將嵌入軌道開始環繞靈神星。科學家為靈神星號安排了四個逐漸降低的軌道(A 到 D),每個軌道都有各自主要的研究目標:

  1. 最高也是最初始的軌道 A 半徑約 700 公里,靈神新號將會在這裡測量靈神星的磁場。
  2. 56 天後,探測器將降至軌道 B(半徑 290 公里)並且開始對靈神星的地貌進行調查。
  3. 76 天後,靈神星將下降至半徑 170 公里的軌道 C,這是最小的穩定繞極軌道,同時也是最適合用來探測靈神星重力場的高度。
  4. 100 天後靈神星號將會降至最後、最低的軌道 D,軌道半徑僅 85 公里,在這探測器將利用 GRNS 調查靈神星表面的元素分布。
靈神星號任務示意圖。圖/修改自 NASA/JPL-Caltech

靈神星號原訂的發射日期為 2022 年 9 月。然而在飛行前的測試中,任務團隊發現飛行軟體異常,導致它錯過了 2022 年的發射窗口。經過幾個月的調查和調整,目前 NASA 公布的下個發射窗口為 2023 年 10 月 10 日以後,屆時靈神星號將會搭乘 SpaceX 的獵鷹重型火箭進入太空,就讓我們好好期待靈神星號傳回來的各種資料吧!

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