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小行星撞擊地球的威脅性可能比之前認為的還要高

臺北天文館_96
・2014/05/02 ・2016字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

臺北時間2014年4月21日凌晨6:14,有顆火球飛越俄羅斯接近北極圈的領土,再度引起大眾對小行星撞擊地球的憂慮。

根據一個建造非營利性的小行星搜尋望遠鏡的組織B612基金會(B612 Foundation)所釋出的最新研究結果顯示:達城市毀滅等級的小行星撞擊地球的機會,可能比科學家之前認為的還要高。已退役的美籍華裔太空人盧傑(Ed Lu)表示:「社會大眾普遍有個錯誤觀念,認為小行星撞擊非常稀少,其實這是不對的。」目前盧傑為總部位在加州的B612基金會負責人;B612之名來自世界名著「小王子」中,主角居住的那顆小行星之名。

科學家根據全面禁止核試驗條約組織(Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organization)2000到2013年間的全球核武監測網資料,總共發現了26起小行星在地球大氣中爆炸的事件。其中最受人矚目的當然是2013年2月15日撞擊俄羅斯車里雅賓斯的事件,當時在空中爆炸的震波引起地面建築碎裂而造成2000多人受傷。B612基金會於上週四公布一段影片,影片中顯現了這26起小行星事件的先後順序和墜落地點,提醒大眾要注意小行星撞擊的威脅。

盧傑表示:小行星直徑若大於40公尺,約比半個美式足球場還小一點,就達到可能摧毀城市的等級。想像一棟公寓大小的建築物,以50馬赫(Mach)的速度移動,可能造成多大的傷害?(註:1馬赫為1倍音速。50馬赫相當於時速61740公里或每秒17公里。)

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事實上,這26起小行星撞擊事件所釋出的能量,多半在1~10千噸(kiloton)TNT黃色炸藥爆炸當量(TNT equivalent),有3起在10~20千噸,有2起甚至超過20千噸;以1945年廣島原子彈能量約15千噸來比較,可知這些小行星撞擊時釋出的能量其實是非常高的。

NASA已經執行多年的小行星監測計畫,常態性追蹤監測直徑大於1公里的小行星;這樣大小的小行星,大約相當於一座小型山丘,若撞擊到地球,將引起全球性的連鎖災難。約6500萬年前,則是估計有顆直徑約10公里的小行星撞擊地球,引發氣候變化,科學家相信這可能是成後來恐龍滅絕的原因。

2013年2月15日墜落俄羅斯車里雅賓斯的小行星,直徑約為20公尺左右,就已經引起如此明顯的效應,更遑論其他更大的小行星?

科學家先前估計:城市毀滅級的小行星,撞擊地球的機率約每100年1次。但這個估計數值,並沒有夠硬實的證據以茲證明。B612基金會計畫以私人贊助的經費,耗資2億5000萬美元來建立哨兵紅外太空望遠鏡(Sentinel infrared space telescope ),預定2018年發射升空後,在預定6.5年的任務期間,估計可找出90%與地球軌道交錯的140米級近地小行星,以及50%30米級小行星,然後想辦法讓這些小行星轉向,避免地球受到傷害。

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哨兵紅外太空望遠鏡以類似金星軌道繞行太陽,任何時間監測的範圍為2×5.5度,每小時可掃瞄165平方度的天區,整體守護視野則寬達200度,如此一來,它便可從太陽系內側向外監看包含地球軌道在內的區域,以避免因為太陽光輝掩蔽了這些不太明亮的小天體;這樣的軌道,約每2.2年會與地球重疊一次。

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紅外線哨兵望遠鏡

一旦發現對地球有撞擊威脅之後,可採取的救援措施有很多種。首先可能採取利用重物撞擊使小行星改變軌道,雖然按以往經驗,重物撞擊後的小行星速度與方向改變量很小,但只要在預定撞擊時間點之前,提前很多時間進行重擊任務,長期下來的小行星軌道改變量可能就足以讓它避開地球。

第二種避禍方式是採用重力牽引(gravity tractor),發射太空船至鄰近小行星之處,然後讓太空船的離子推進器長期運作,仔細維持太空船與小行星之間的距離,藉由太空船和小行星彼此間的重力吸引,一點一滴地將小行星帶離原來的軌道。很簡單易懂的作法,不過同樣的,需要長時間運作才能達到目的。

除了以上兩種方法外,科學家還在繼續提出看起來不可思議,但或許未來地球就靠它們拯救的方式。

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以下分別為這26次小行星撞擊地球事件的時間、能量與地點列表:

2000/08/251-10 kilotons北太平洋NORTH PACIFIC OCEAN
2001/04/231-10 kilotons北太平洋NORTH PACIFIC OCEAN
2002/03/091-10 kilotons北太平洋NORTH PACIFIC OCEAN
2006/08/091-10 kilotons印度洋INDIAN OCEAN
2006/09/021-10 kilotons印度洋INDIAN OCEAN
2006/10/021-10 kilotons阿拉伯海ARABIAN SEA
2006/12/0910-20 kilotons埃及EGYPT
2007/09/221-10 kilotons印度洋INDIAN OCEAN
2007/12/261-10 kilotons南太平洋SOUTH PACIFIC OCEAN
2008/10/071-10 kilotons蘇丹SUDAN
2009/10/08>20 kilotons印尼南蘇拉威西省SOUTH SULAWESI, INDONESIA
2010/09/0310-20 kilotons南太平洋SOUTH PACIFIC OCEAN
2010/12/251-10 kilotons塔斯漫海TASMAN SEA(澳紐之間,屬南太平洋的一部分)
2012/04/221-10 kilotons美國加州CALIFORNIA, USA
2013/02/15>20 kilotons,可能達600 kilotons俄羅斯車里雅賓斯CHELYABINSK, OBLAST, RUSSIA
2013/04/211-10 kilotons阿根廷聖地亞哥-德爾埃斯特羅省SANTIAGO DEL ESTERO, ARGENTINA
2013/04/3010-20 kilotons北大西洋NORTH ATLANTIC OCEAN

資料來源:2014.04.22, KLC

轉載自網路天文館

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臺北天文館_96
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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3032字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

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「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

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圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

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圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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