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保證2036年小行星不會撞地球

臺北天文館_96
・2011/09/04 ・2135字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

北京清華大學龔勝平等三位科學家日前出版一篇論文, 建議用一艘太陽帆驅動的飛船,以逆行軌道相反方向去偏轉近地小行星阿波菲斯(99942 Apophis, 2004 MN4)的軌道,使它不會和地球相撞。

近地小行星對地球具有影響力,並且對地球有威脅性的可能性一向存在。小行星Apophis直徑約270米,預估在2029年會抵達距離地球37,000 至38,000公里的地方,有極小可能會在2036年重返地球。北京清華大學該團隊發表的論文中提及,在發射一艘太陽帆飛船前往撞擊小行星的任務中,有兩個因素將決定太陽帆飛船的動能:小飛船軌道距離太陽最近的距離,及明度(lightness)。明度越大、並且距離太陽越近,飛船帶來的撞擊越大。

模擬結果顯示,重10公斤的太陽帆飛船在旅行一年後,將具有每秒90公里的撞擊速度—如果時間提得夠早—它可以在2029年時將Apophis自「重力鎖眼」區移動約 600米,這樣也就可以徹底預防Apophis在2036年時重返地球。

不過比較要擔心的是,太陽帆飛船的軌道受太陽風如何吹襲的變化影響很大,方向大幅偏離不無可能。

NASA的科學家先前已表示,Apophis這顆在2004年發現的小行星,其實不太可能撞擊地球,而且它還有可能會先分裂成許多小碎片、以更小的規模撞擊地球,但目前來說,它已經是對地球可能帶來威脅的,最大的一顆近地小行星。

Apophis重達4千6百萬噸,2029年,當它靠近地球時,萬一正好穿過地球附近的「重力鎖眼」(Gravity keyhole),2036年它再訪地球的機會相對大增。但畢竟現在仍無法預知屆時它是否會剛剛好穿越鎖眼區,不過,鎖眼區範圍很小,於是,北京清華大學的科學家就提議,用太陽帆飛船撞擊的方式來改變小行星軌道 – 只需要撞偏約600米,便可確定Apophis不會再重返地球。

用極少量燃料或者完全不用燃料的方式來驅動這樣一艘小飛船,乍聽之下容易,又不用花大錢,實務上,卻像把駱駝穿過針眼一樣,極為複雜,先要看太陽風吹襲模式如何變化的臉色,再來是那張太陽帆必須夠大、要保證能張得開、在長達數年的旅途中還要保證不受到損害。

其次則有關於小行星本身的組成成分和構造,這點現在仍完全是個謎,不過,若不知小行星結構,也就很難判斷小飛船撞擊對它將可能有什麼影響。

清華大學龔勝平等發表論文: http://arxiv.org/abs/1108.3183

ESA的「唐吉軻德計畫」時間表。圖片來源: http://www.link2universe.net無獨有偶,歐洲方面ESA也對小行星Apophis有一番盤算。

早在2002年,ESA便已開始這個能叫小行星軌道轉向的唐吉軻德(Don Quijote )計劃,據悉該計畫有可能在2015年實現,但目前還在「概念」階段。唐吉軻德計劃本來目的地是2002 AT4 或 1989 ML等無明顯撞擊地球危險的近地小行星。後來有些研究則認為它應該航向Amor 2003 SM84,甚至是代號叫99942的Apophis,畢竟,比較起來,Apophis還算存在著有可能在2036年撞擊地球(25萬分之一)的一點風險。

唐吉訶德計畫要發射兩艘太空船前往靠近地球附近的小行星—一個(Hidalgo,伊達爾戈)負責撞擊,另一個(Sancho,桑丘)則負責在預估撞擊會發生的坑洞正上方軌道上進行精確觀測。計畫目標,一是改變小行星的半長軸(semimajor axis)達 100公尺以上,二是要得到精確的測量數據,最終希望,這個觀測和測量所得將可應用來改變未來任何有可能和地球發生相撞的其他小行星的軌道。

今年八月,英國Open University的Stephen Wolters等人發表一篇論文表示,光是觀測在軌道方面有多少改變還不夠,還需要詳細記錄撞擊的各項細節,包括:小行星表面物質的密度,表面顆粒的體積大小、質量、受撞擊後的噴出物質在速度上的分佈、該速度是否達到逃逸速度…這些訊息都必須收集完整,才足以評估小飛船撞擊,究竟對小行星帶來何種規模的能量轉移。Stephen Wolters論文連結: http://arxiv.org/abs/1107.4229

這麼一來,唐吉軻德任務內容也要大幅變更了,除了需要搭載無線電波的發射器,以便地球上的太空科學家能精確執行距離量測,小飛船還需要一組複雜的成像儀器,好好的拍攝撞擊損害程度;它需要紅外光譜儀,以確定小行星的礦物質含量為何,還需要有熱感應照相機負責記錄任何溫度的變化—小行星以何種方式發出熱是很重要的資訊,雖然熱能很微小。

To estimate the effect of Hidalgo collision, the Yarkovsky effect must be acounted for. Heating of an asteroid surface by the Sun causes thermal radiation. The net cumulative momentum of that radiation is from surfaces that have just turned out of the Sun light (i.e. dusk). In asteroids with prograde spin, this will push the asteroid into a higher orbit - i.e. further away from the Sun. But, for asteroids with retrograde rotation, the orbit decays - i.e. towards the Sun.

若小行星發射出熱光子各個方向都均等,這些力會彼此抵消。但是,如果它偏向某一些方向發出較多熱能,這股力會慢慢的推動小行星。如果小行星趨於降溫以相應於其自旋速度,這現象便有可能發生—使所有面向太陽的表面所幅射出的熱光子,都會朝向同一方向發射。這種現象稱為「雅科夫斯基效應」(Yarkovsky effect) 。由於這個數值最終也有可能會決定一顆小行星是否撞擊地球,所以把它算清楚很重要,尤其當撞擊會引發小行星旋轉速度改變時。

在唐吉軻德計畫中,要估計「伊達爾戈」(Hidalgo)號的撞擊效果,不能不考慮「雅科夫斯基效應」(Yarkovsky effect)。太陽加熱小行星表面,導致熱輻射,其熱輻射動能,是按照表面從太陽光照射區(即”dusk”區)離開的淨累計值計算。在順行軌道的小行星,這將推動小行星進入一個離太陽更遠的軌道。但是,對於逆行軌道的小行星而言 – 這會推動使它更靠近太陽一些。

仔仔細細列完全部任務目標後,下個問題是,誰來買單?(Lauren譯)

資料來源:Astronomy Without A Telescope – Impact Mitigation

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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謎樣的「超快自旋小行星」——什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?
科技大觀園_96
・2021/12/23 ・2604字 ・閱讀時間約 5 分鐘

超快自旋小行星的自旋週期小於兩小時。圖/沈佩泠繪

科學家相信,一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成,這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星,這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快,如果自旋速度超過一個極限,整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期 2 小時的極限,因為超過這個極限,小行星就會瓦解。 

圖中的黑點是一般小行星,圖中虛線是 2 小時的自旋週期,藍色圓點是超快自旋小行星,它們的自旋週期比一般小行星快,短於 2 小時。圖/章展誥提供

「凡事都有例外」,這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002 年,科學家發現一顆特別的小行星,它的長度大約 700 公尺,自旋週期只有半小時!這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑,是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?瓦礫堆模型不適用了嗎?還有其他更多的超快自旋小行星嗎?這些問題就成了章展誥的研究主題。

如何量測小行星的自旋週期?

小行星本身不發光,只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形,當太陽照射到面積最大那一側,小行星看起來最亮;當太陽照射面積最小那一側,小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。 

從小行星的亮度變化可以推算出它的自旋週期。圖/沈佩泠繪

章展誥於 2011 年取得中央大學天文所博士學位,當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究,後來轉跟隨葉永烜教授,與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型,自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星,章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠(Palomar Transient Factory)的 1.2 公尺廣視野望遠鏡,進行大量小行星自旋週期的測量。2014 年春季,他發現一顆疑似超快自旋小行星,這顆小行星的亮度相當暗,無法確定它是不是真的轉得很快,就像聽音樂時,音量很低,很難聽清楚是哪一首歌;這時如果你有一對大象般巨大的耳朵,就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號,章展誥需要大口徑的望遠鏡,進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。 

加州理工學院帕洛馬瞬變工廠的執行地——帕洛馬天文台。圖/Wikipedia

當時他正在加州理工學院訪問,便與加州理工學院的合作者使用他們的 5 公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認,結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現,證實了 2002 年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單,超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗,章展誥心中除了喜悅還有震撼,原來美國一流名校是這樣做研究的!取得 5 公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易,資源如此豐富,做研究自然得心應手。

除了轉得快,與其他小行星有什麼不同?

因為超快自旋小行星的相關研究成果,在 2017 年 4 月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」(Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017)上,國際天文學會(IAU)宣布將編號 10679 的小行星命名為 Chankaochang——章展誥小行星。到 2020 年 3 月為止,已知的超快自旋小行星一共有 26 顆,其中的 23 顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星,章展誥還進一步研究它們的組成和分佈,比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠,天文學家要如何研究小行星的組成呢?假設建築工地裡有三種建材,分別是磚頭、水泥和大理石,如果它們放在手碰不到的距離,要如何分辨?你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質,紅色是磚頭,灰色是水泥,白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法,他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現,這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間,這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎?它們比較靠近火星或木星?章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別,與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快,它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解,目前仍是未解之謎,期待未來章展誥能夠解開謎團,告訴我們答案。 

章展誥目前是中央大學天文所的助理研究學者。圖/章展誥提供

從星團到小行星 章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系,修過普通天文學後,覺得天文容易上手,後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生,開始他的天文研究之路。當時的時空背景,大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班,章展誥覺得天文比較親近,所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所,繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後,章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈,紅色精靈是一種高空閃電現象,他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈,這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後,章展誥曾經到科技業工作,後來覺得不同部門之間,對解決問題方式存在很大的差異,因此在一年後離開企業界,回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理,工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗,讓他可以幫助學弟解決研究上的問題,這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在 2006 年,他進入中央大學天文所博士班就讀,研究銀河系;博士後一直到現在,則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星,章展誥跨足天文、太空多個研究領域,至於未來,且讓我們拭目以待!

科技大觀園_96
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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?
EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2764字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會不會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大。這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

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