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不可思議的照片:向土星揮手的人類

Write Science
・2014/01/28 ・2870字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 485 ・五年級

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螢幕截圖 2014-01-27 14.16.39

我的一位朋友 (在此姑且不具名) 跟我抱怨起 2013 年 7 月那場大獲成功的「向土星揮手」(Wave at Saturn) 活動。「那什麼鬼啊?卡西尼號 (Cassini) 拍的照片裡面哪有可能拍得到我們!而且這些人跑出去對著土星揮手的時候根本連土星都看不到,因為當時太陽高掛啊!到底為什麼要去揮手?鬼才知道!」相較於這種臭脾氣老頭式的抱怨,Sky & Telescope 雜誌以討論帶出教學,簡單分析卡西尼號的影像系統究竟能不能捕捉到你揮手時反射的光線 (「卡西尼號拍得到你嗎?」”Will Cassini See You?”)。對於這麼點數學運算的結果,我一清二楚,而且我自己也做了類似的計算評估,不過我還是跑到外面去跟土星揮手了!

我想我這位朋友 (或是其他壞脾氣的老科學家) 是不會瞭解的,所以我們得要好好討論說明一下。先從簡單的問題談起吧,我為什麼要去外面對土星揮手呢?因為我不希望等到自己成了個彎腰駝背的老頭,連吃思樂冰都要看護來餵的時候,才在回首往事時後悔那天沒有跟大家一起去外面向土星揮手。所以,我就跑出去揮手了!

wavesaturn

等我 107 歲的時候,我會跟我的看護說:「我有沒有告訴過你,我在你這個年紀的時候曾經去跟土星揮手過?」看護會對我微笑,拍拍我的手臂說:「Larson 先生,來,再吃一口思樂冰吧。」我不但有去,還拿到了 NASA 發的證書!希望他們可以幫我把證書掛在養老院的床頭。

我的「向土星揮手」證書。我跟土星揮手了!

為了說明這件事情有什麼意義,我想先問一個稍微不一樣的問題:人們到底為什麼要特地到外面去對土星揮手?全國各地的人們紛紛在晚餐後帶著孩子到外面來,或是在上班時抽出 15 分鐘到外面站在人行道上,對著一顆遠在 8 億 9 千 8 百萬英里之外的星球用力揮手。到底為什麼呢?

因為這個想法「很了不起」,它會在你腦中激發出一點好奇的念頭,讓你開始去思考:一顆石頭、一片雲朵、一汪水窪、一片汽車擋風玻璃、一棵樹、一片屋頂、一個被丟棄的馬卡龍紙盒,還有一個人揮動的手臂,這些物體所反射的光線要行進大約 80 分鐘才能抵達土星,讓遠在另一個世界的機器拍攝下來。光是想到這件事情有可能成真,就足以在我們每個人心中激起驕傲之情,更覺得自己能夠抬頭挺胸揚眉吐氣。大約一世紀以前,我們甚至還不知道該如何讓一架飛機靠自身的動力飛行。但是,才經過不到三個世代,今天人類已經掌握了穩定成熟的技術,能夠飛越我們這小小世界的疆界,將太空船送入行星之間浩瀚無垠的太空,從星際間帶回一則又一則精彩迷人的歷險故事。

這真的是很了不起。有許多太空船曾經探索過我們所生存的太陽系,卡西尼號屬於其中較為近期的計劃,它將大量令人嘆為觀止的照片傳回地球,其中包括了在土衛六 (Titan,又稱泰坦星) 地表拍攝到的照片、佈滿冰火山的土衛二 (Enceladus) 那一片冰藍與雪白組成的迷幻世界,當然也少不了擁有讓人目眩神迷的行星環的土星。

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土衛六的表面
有冰火山活動的土衛二

 

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卡西尼號所拍攝到的土星
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土星上的颶風

對於過去數千個世代的人類而言,土星只不過是天空中稍微大一些的光點。伽利略那個年代的望遠鏡性能不夠好,因此甚至看不出土星有行星環,他在觀測紀錄中寫的是:「土星長了耳朵。」但是時至今日,我們已經可以打造出不需太空人駕駛的機械飛船,能夠前往土星上方的高空,拍攝大小足以吞噬半個北美洲的颶風;這個颶風固定存在於土星的北極,位於一個六邊形的雲系中,人們將這個雲系稱為「六角雲 (The Hexagon)」。

這真的是很了不起。我想大家也都明白這件事情有多棒,這就是為什麼那一天有一百萬人跑到外面去跟土星揮手、去跟卡西尼號揮手;這艘太空船孜孜不倦地繞行土星,那是一個我們大多數人此生無法親眼目睹的世界,而卡西尼號為我們揭開了它的神祕面紗,不只讓我們瞭解土星,也讓我們更瞭解自己。人們內心深處其實都瞭解這一點,而且都渴望能和那個世界產生連繫。這就是為什麼大家放下了手邊正在處理的 Excel 試算表、暫停了行銷會議、把還沒幫汽車裝上去的三個輪胎和待換的機油擱置一邊,紛紛走到外面去加入其他人,一起向土星揮手。

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在美國太空總署噴射推進實驗室外朝土星揮手的群眾 (美國太空總署攝)

人們非常積極地參與這次活動,有不少人拍下自己揮手時的照片上傳到 Twitter、Facebook 及 Instagram 跟朋友分享。這點讓我感到大家其實並不在乎卡西尼號是不是真的能拍攝到他們瘋狂揮動的手所反射的那一點點光線,不過他們的 iPhone 拍到了,他們也因為這些酷炫有趣的照片而感到開心。沒錯,無論原因是什麼,這個讓人們參與科學相關活動的想法雖然聽起來怪誕瘋狂,對人們而言卻具有相當的可信度。這是一次冒險行動,而他們都參與其中!

我認為,我們這些以科學研究為職志的人都應該重視這件事情,尤其是那種壞脾氣的老科學家 (其中很多人其實沒那麼老,卻因為自己的思維而落伍了--這些人很可能不讀網誌的,所以你還得多花些時間跟他們討論這個觀念)。想想看,人們自動參與了科學相關的活動,而且是「為數眾多」的人自動參與了科學相關的活動。他們在過程中享受到樂趣,很可能還學到了一點點知識 (比方說天空中有土星,即使是白天時也一樣),在離開的時候,對某些事情抱持著正面樂觀的想法,而且是與綜藝節目和好萊塢明星無關的事情。

身為科學家,我們總是怨嘆反科學的論調與政治的關聯逐漸變得密切、堂而皇之,令人對現在社會的科學素養不勝擔憂。確實,有人否認氣候變遷,也有人反對接種牛痘,但是當我知道有一百萬人在那個陽光燦爛的下午走到室外,從地球上對著一台距離遠到無法想像的相機遙遙揮手,我心中浮現了一絲希望。

不僅如此,我們還能收到參與這場活動的回饋!NASA 公佈了卡西尼號為我們拍下的照片,更是吸引世人矚目。就是這張照片:

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從土星拍攝到的地球

在壯麗的土星環下面,有沒有看到幾乎要沒入黑暗之中的那一個小小亮點?那就是我們,那就是我們的家園。在這張照片裡面,你正揮著手;在這張照片裡面,你媽媽也揮著手;我也在裡面,一樣揮著手。所有的人類,無論當時有沒有揮手,都在這張照片中。這張照片拍下的那一瞬間,我們全都在關注著,在這樣史無前例、不可思議的一刻,一台小小的機器進行著不可思議的任務:探索新事物、學習新知識,然後把所得的資訊回報給創造者。

這真的是很不得了。

今晚就空出一些時間,在關上筆電之前,花點時間仔細看看卡西尼號拍攝的這些照片,看看大家在向土星揮手時拍下的瞬間,還有卡西尼號傳回來的影像,並且牢牢記住全球人類是如何投入參與這次的活動。這些照片很不可思議,這樣的參與程度也同樣不可思議,但卻獲得了驚人的成功。

NASA,你們做得真的很不錯,真的。再接再厲吧!


作者:猶他州立大學 物理教授 Shane L. Larson
翻譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com)
原文:〈Improbable, Awesome Pictures〉刊登於 2013 年 8 月 23 日

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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從太空窺探金星表面的派克太陽探測器
Heidi_96
・2022/03/04 ・3829字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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在天文觀測中,自古以來就有許多關於金星的紀錄。從 1960 年代起,蘇聯、美國太空總署(NASA)、歐洲太空總署(ESA)和日本也都相繼發射探測器,執行不同類型的太空任務,希望能夠更認識金星。

2020 年,NASA 的派克太陽探測器(Parker Solar Probe,簡稱「派克號」)首次在太空中以可見光拍攝金星表面,並在 2021 年 2 月再次拍攝一系列可見光照片後,將他們的分析成果公諸於世。

本篇文章將依序介紹金星探測史、派克號的探測方法、可見光照片的分析成果,以及金星探測的未來展望。現在,就讓我們從頭認識這位閃閃發亮的鄰居吧!

始於科學革命的金星之旅

對地球上的我們來說,月亮是夜空中最亮的天體,但你知道最亮的「行星」是哪一顆嗎?那就是本篇文章的主角——金星!金星的平均視星等,也就是肉眼所看到的平均星體亮度,大約是 -4.14,僅次於月亮的 -12.74 與太陽的 -26.74(數字越小就越亮)[1],不只是地球夜空中最亮的行星,更是太陽系第三明亮的星體。

有個這麼耀眼的酷東西掛在天上,想必科學家絕不會輕易放過!就在科學革命(1543–1687 年)期間,天文學領域突飛猛進——哥白尼提倡日心說、牛頓發現萬有引力、克卜勒導出行星運動定律等等。同時期的知名科學家還有伽利略,他改良望遠鏡,透過觀測金星相位(圖一),也就是金星表面的光照變化,得知金星並不是繞著地球運行,進而推翻當時蔚為盛行的地心說。

圖一:伽利略透過望遠鏡發現金星和月亮一樣有盈缺變化。圖片上半部分別是土星、木星和火星。圖/NASA

此後,眾多業餘天文學家和天文愛好者也都一窩蜂利用望遠鏡觀測金星。有許多人聲稱在背光側看見了微弱的灰白色光芒,並將其稱作「灰光」(Ashen light)。

有些人認為是灰光是金星上的閃電,有些人則認為是紫外線穿透金星大氣時,氧離子游離而輻射出的暗綠色光芒(類似地球上的極光現象),可是沒有人能夠確實拍照紀錄,因此當時普遍認為灰光只是一種視錯覺。時至今日,這些假設也都還沒有確切的科學根據。[2]

不斷演進的金星探測技術

時間來到 1960 年代,繼水手 2 號(Mariner 2)在 1962 年掠過金星後,金星 4 號(Venera 4) 在 1967 年進入金星大氣層進行分析,結果顯示金星大氣約含有 90-93% 二氧化碳、7% 氮氣,以及少許氧氣和水蒸氣。[3] 緊接著在 1975 年,金星 9 號(Venera 9)測出表面溫度約 485 °C、雲層厚度約 30–40 公里。除此之外,還拍下金星表面的 180 度全景照片(圖二),是史上第一個將金星照片傳回地球的探測器。[4]

圖二:1975 年 10 月 22 日,Venera 9 拍下第一張金星表面的照片。圖/NASA 

金星大氣層布滿厚厚的硫酸雲,不僅反射了大約 75% 的陽光,也阻擋了來自金星表面的大部分可見光。因此,科學家決定改用雷達儀器測繪金星表面。1990 年代,麥哲倫(Magellan)多次以雷達測繪金星表面的火山和隕石坑等地貌結構,其清晰程度與可見光測繪不相上下,可說是目前最詳細的金星地圖(圖三)。[5]

圖三:根據麥哲倫的數據資料製作的金星視圖。圖/NASA

此後,科學家進一步利用近紅外線(NIR)觀測金星背光面,因為近紅外線(波長 0.75–1.5 μm)有利於影像在低光環境下生成,而這個波段恰好也是大氣透明度最高的範圍,可以更清楚地看見金星表面。1998 年,卡西尼號(Cassini)以 0.85 μm 的波段觀測金星,可惜這種方法在技術上難以突破,因為輻射強度會隨著波長變短而迅速下降。直到 2020 年,派克號才終於以更短的波長捕捉到金星表面的輻射。

飛越金星七次的「派克號」

2018 年 8 月,派克號發射升空,飛往太陽(圖四)。為了在這漫長的旅途中節省燃料,派克號總共得進行七次重力輔助飛越(VGA),利用金星的引力逐步修正飛行軌道,最終在 2025 年抵達距離太陽中心 10 個太陽半徑(約 690 萬公里)的地方,進行日冕和太陽風的測量任務。

七次重力輔助飛越(VGA)的時程分別如下[6]

  • VGA1:2018 年 10 月 3 日
  • VGA2:2019 年 12 月 26 日
  • VGA3:2020 年 7 月 11 日
  • VGA4:2021 年 2 月 20 日
  • VGA5:2021 年 10 月 16 日
  • VGA6:2023 年 8 月 21 日
  • VGA7:2024 年 11 月 6 日
圖四:準備發射升空的派克號。圖/NASA

截至目前(2022 年 3 月),派克號順利完成了前 5 次 VGA。在 VGA1 和 VGA2 期間,派克號都沒有任何動作。

後來,科學家認為可以利用其搭載的 WISPR 望遠鏡(Wide-Field Imager for Parker Solar Probe)觀測金星雲層。WISPR 可說是派克號的靈魂之窗,但它並不只是一座望遠鏡,而是兩座寬頻光學望遠鏡—— WISPR-I(Inner)和 WISPR-O(Outer),兩者配備的濾光片都只能讓可見光(波長 0.5–0.8 μm)通過。

於是,在 VGA3 和 VGA4 期間,科學家突發奇想,讓 WISPR 對準金星的向光面和背光面,分別拍下照片,想藉此測量雲的速度。沒想到 WISPR 竟然直接穿透了厚重的雲層,以可見光拍攝到明暗不一的表面,同時達成「以光學望遠鏡觀測金星表面」和「從太空拍攝金星表面的可見光照片」兩項創舉。

這時候,問題來了!WISPR 的最短曝光時間是 2 秒,但金星的向光面太亮了,拍出來的照片張張過曝、過飽和,還產生假影,使得原圖和電腦重組照片有所誤差。為了避免這樣的問題,科學家只好放棄拍攝向光面,改以背光面的照片作為研究材料。

WISPR 拍攝的可見光照片

VGA3 期間拍攝的照片只有兩張可以用,其中一張如下(圖五,黑白部分)。在這張照片長達 18.4 秒的曝光期間,派克號不斷被宇宙塵埃(漂浮在太空中的小顆粒)撞擊,造成隔熱罩上的材料燒毀,留下許多水平方向的刮痕。若是忽略刮痕,可以清楚看到明暗不一致的區域,而造成顏色深淺不一的主要原因就是金星的地形特徵。

藉由比對 WISPR 照片與麥哲倫的雷達地形圖(圖五,彩色部分),科學家得以了解溫度如何隨高度變化。圖中黑色(紅色)部分是金星最大的高地區域,位於阿芙蘿黛蒂高地(Aphrodite Terra)西邊的奧瓦達區(Ovda Regio)——越接近白色的區塊越熱,是低海拔地形;越接近黑色的區塊則越冷,是高海拔地形。

圖五:VGA3 觀測到的金星可見光影像(黑白)與麥哲倫雷達地形圖(彩色)的對比。圖/NASA

有了 VGA3 的失敗經驗後,VGA4 的照片就沒有出現刮痕了,而且還從不同的角度拍到了金星表面(圖六)。在 VGA3 期間,派克號是從金星後方飛越,因此 WISPR 拍到的是金星的東側邊緣;在 VGA4 期間,派克號則是從金星前方飛越,因此 WISPR 拍到的是金星的西側邊緣——這讓科學家能夠更細微、更全面地觀察金星的背光面。

圖六:VGA4 觀測到的金星可見光影像(黑白)與麥哲倫雷達地形圖(彩色)的對比。圖/NASA

金星探測的未來展望

雖然金星、地球和火星都是在同一時間形成,現在卻大不相同——火星的大氣層非常稀薄,而金星的大氣層非常厚重。為了解開這個謎團,NASA 和 ESA 在 2021 年 6 月宣布了 3 項全新的金星探測任務,分別是 VERITAS[7]、DAVINCI[8] 和 EnVision[9]。這些任務將進一步探測金星的大氣、地質和其他條件,瞭解這顆星球是否曾經宜居,又是如何演變成現在的樣貌。

至於派克號,不幸的消息是,2021 年 10 月的 VGA5 不利於背光面拍攝,而 2023 年 8 月的 VGA6 也將是如此。如果你也和我一樣想看更多 WISPR 拍攝的可見光照片,就讓我們期待 2024 年 11 月的最後一次飛越(VGA7)吧!

NASA 官方針對派克號金星探測任務的介紹。影/YouTube-NASA

註解

  1. Apparent magnitude – Wikipedia
  2. Ashen light – Wikipedia
  3. Venera 4 – Wikipedia
  4. Venera 9 – Wikipedia
  5. Magellan (spacecraft) – Wikipedia
  6. Parker Solar Probe: The Mission
  7. In Depth | Veritas – NASA Solar System Exploration
  8. DAVINCI Homepage – Probe and Flyby Mission to Venus Atmosphere
  9. EnVision: a mission for understanding planets everywhere

參考資料

Heidi_96
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PanSci 編輯部角落生物|外語系還沒畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

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各國意識抬頭,太空碎片帶來的災難有多嚴重?
黃 正中_96
・2022/02/22 ・2181字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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十年前(2011 年)美國國家科學委員會(NRC)發布了一份報告,對於環繞地球的碎片數量發出了警報[1]。當時根據美國太空總署的估計,碎片已達到「臨界點」,導致在軌道上的碎片,不斷碰撞並產生更多碎片,從而增加了人造衛星故障的風險。十年過去了,繞地球運行的碎片數量越來越多,甚至風險增加得更快;是否太空碎片數量的臨界點正在逼近?沒有人知道答案,但可能很快。

何謂太空碎片?

首先,我們先來談談什麼是太空碎片。

依據美國航空太空總署(NASA)定義,太空碎片泛指不提供有效服務,且繞行地球運行的人造物,如廢棄衛星、留在軌道上的火箭與其零件、大碎片相互碰撞後產生的小碎片,均可為之。而太空碎片最主要來源為火箭殘餘燃料爆炸而產生的碎片。

根據全球最完整追蹤太空碎片的系統——美國太空監視網絡(SSN),所登錄的太空碎片已超過一億個。

衛星送入軌道,依照能量守恆和動量守恆定律,飛行的速度必須達到每秒幾公里,才能繞著地球飛行;因此如果它在軌道上撞到任何太空碎片,比如廢棄衛星撞到一片油漆碎片,即使不是災難性的,也可能造成巨大的損失。

太空碎片造成的災難有多嚴重?

自 1957 年以來,人造衛星和火箭製造了越來越多軌道碎片物體,大小從幾微米到幾米不等。儘管已經達成了一些國際協議,限制碎片的增長速度,各國卻沒有嚴格的計劃來減少現有碎片的數量。

地球周圍的太空充斥著碎片。圖/歐洲太空總署

如今越來越多功用的人造衛星被發射進入地球周圍的低軌道,然而其所造成的碎片與衛星數量分佈超過太空碎片容量限制時,則可能發生理論失控的碰撞反應[2]

最近,美國太空新聞(Spacenews)報導,非洲的小國家盧安達(Rwanda)向國際電信聯盟(ITU)申請 327,230 顆衛星[3],加拿大的開普勒新創公司提出 115,000 顆衛星的超級大型太空網路系統,加上亞馬遜、OneWeb、SpaceX 和 Telesat 等公司已經在積極開發的系統,以及地球靜止軌道上的通訊衛星,這些衛星數量遠遠超過預期需求的容量,達到碰撞臨界點的極限風險;問題是國際電信聯盟沒有執法權,國際電信聯盟對軌道壅塞的規定為零。

2007 年中國反衛星計劃試驗所產生的的碎片擴散,以及 2009 年銥星(Iridium)與俄羅斯 Cosmos 的碰撞,讓人們意識到,並提高了積極管理碎片情況的緊迫性,努力採取緩解方法,並提出了許多減少太空碎片的技術。去年(2021)年底,中國的天宮太空站緊急啟動姿態控制,以規避靠近中的星鏈(Starlink)太空網路衛星潛在的碰撞危機。

空間碎片撞擊試驗:以輕氣槍射擊鋁板的方式,模擬一片 14.2 克的塑料,以 5.334 公里/秒的飛行速度在太空低軌道與鋁板碰撞的情況。圖/前 NASA 工程師 Megs H. 推特貼文

「凱斯勒效應」和連鎖反應

美國 NASA 科學家在 1978 年提出凱斯勒效應(Kessler Effect)理論,說明當太空碎片達到或超過容量限制時,由於碎片碰撞而失效的太空船數量將顯著增加。地球軌道上大大小小的物體,數量將變得非常大,它們會不斷相互碰撞,產生更多碎片——最後成為一種被稱為「碰撞級密度」的連鎖反應。緊隨其後,新產生的碎片將呈指數倍增,直到近地太空被各種大小垃圾堵塞。

一旦這樣的衛星碰撞災難發生,整個連鎖反應可能只需要幾天或幾週的時間,最後可能只有幾顆衛星完好無損。

若是繼續毫無限制地增加巨型衛星星系,可能會導致數十年,甚至更長時間的太空活動完全喪失。

太空碎片一旦超過臨界點,造成碰撞災難,無論是太空網路、衛星導航、通訊衛星、地球監控、氣象預報等等,大部分可能都將失去功能。科技帶給人們的便利,以及所建立的文明,將大幅衰減、倒退。

如何解決太空碎片的問題?

若是我們什麼都不做,可能會導致每年 5 兆美元的太空商業收入損失。重新開放太空將花費至少數千億美元,並且可能需要數十年才能實現。若是能想出補救措施,就能確保太空碎片不會帶來災難性的問題,但這就需要一個非常縝密的計劃,涉及幾個新的太空系統和數十億美元的投資。

美國、歐盟、澳洲和日本以及各國的太空機構都意識到太空碎片問題的嚴重性,相繼提出不同的補救措施,包括:建立太空碎片追蹤機制,由觀測站和天文台精確跟蹤、監控太空物體的軌跡,避免現役衛星與大型物體相撞;提出減少計劃,清除太空小碎片物體的數量;跨國協調衛星的太空交通,以維持安全的飛行路徑;在設計人造衛星時,規劃衛星壽命結束前的退場機制,讓衛星降低軌道返回地球,並且在大氣層燒掉。這些方法目前都正在陸續實驗、進行中。

最近有一個例子,在今年 2 月初所發射的星鏈 (Starlink)太空網路衛星,發射時正好受到太陽風暴衝擊,有 40 顆衛星被風暴摧毀,幸好當時這一批衛星有返回地球的機制,能夠重新進入大氣層並燃燒掉,順利地減少了一批太空垃圾。

註解

  1. Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
  2. Space debris
  3. Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
  4. Space Debris: Wall-E’s Future is Real
所有討論 3
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…...