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羅賽達任務測量彗星形狀與表面溫度

臺北天文館・2014/12/01 ・1635字・閱讀時間約 3 分鐘・SR值 528 ・七年級

歐洲太空總署（ESA）的羅賽達號任務（Rosetta）正在接近它的目標—67P/Churyumov-Gerasimenko彗星（簡稱為67P/C-G彗星），不僅測量得出這顆彗星像是兩塊大石頭沾黏在一起的花生米模樣，而且測得其表面溫度為攝氏零下70度。

在羅賽達號距離67P彗星約5,500公里遠的2014年7月20日，太空船上的OSIRIS窄角相機捕捉到67P彗星的外型，長相如花生米般，是兩塊大岩石緊密連接在一起的結果。由這一系列觀測影像，天文學家估算67P彗核的的自轉週期約為12.4小時。

在67P彗核中間「脖子」部分則有個很深的溝槽，且在溝槽側邊似乎有個特別明亮的區域，可能是表面物質組成成分顆粒大小與其他區域不同所致，科學家猜測這會不會是新鮮的冰層露頭，或是表層被物質重新覆蓋的結果，也或者，這是地形效應所致。科學家認為這個「脖子」區域，必定藏有關於彗星演化的重要線索，當羅賽達號愈來愈靠近67P彗核，能更清晰地看到其表面地形特徵時，科學家便能推測花生米的兩端究竟是不同的兩塊岩石熔接在一起，還是本為同一塊岩石，因撞擊或侵蝕使其中間凹陷，才形成現今我們所見的模樣。

任務科學家利用羅賽達號上的可見光、紅外光和熱感光譜儀相機VIRTIS（visible, infrared and thermal imaging spectrometer）在2014年7月13至21日期間測量67P彗星的表面溫度，當時羅賽達號距離彗星約由14,000公里逐漸接近至5,000公里。在此距離，彗星在光譜相機上僅佔據幾個像素的大小，所以還無法確認每個地形特徵的個別溫度，但從它的紅外輻射已足以推算其表面平均溫度約為攝氏零下70度。測量當時的彗星距離太陽則約5億5500萬公里遠，約為地球到太陽距離的3倍，故所獲得的太陽輻射僅有地球的1/10左右。

雖然攝氏零下70度看起來很冷，但已經比原本理論預期的彗星表面溫度還高了20~30度左右，因此不是如預期中的被冰覆蓋，而是暗色的塵埃殼。這個結論相當有趣，因為這是這顆彗星面關於化學組成和物理性質的第一個線索。

確實，天文學家已知如哈雷彗星等其他彗星的表面因為被塵埃覆蓋而非常暗，而也從之前的地面觀測得知67P彗星表面反照率很低，絕對不可能有純冰的表面。羅賽達號的測量，則提供了直接證據，證明67P彗星的表面絕大部分都被塵埃覆蓋，而顏色較深的物質暴露在陽光下時，通常會比冰容易吸收太陽輻射而加溫，然後再直接向外輻射，所以表面溫度會比純冰還高一些。

不過，以上僅是彗星表面的平均溫度。當羅賽達號愈來愈接近67P彗星時而能看見彗星表面的地形特徵時，科學家會開始測繪彗星表面個別地形的溫度。除了全彗星溫度測量外，VIRTIS也將研究彗星特定區域的表面溫度日變化，以便瞭解彗星表面對於日照的反應速率有多快，由此能進一步瞭解彗星表層約數十公分深處物質的熱傳導性、密度和多孔性。這些訊息對未來羅賽達號登陸器Philae選擇登陸地點很重要，畢竟愈靠近太陽，彗核將會愈活躍，增加登陸彗核表面的難度。

67P彗星預定將在2015年8月13日通過近日點前後的過程，羅賽達號和Philae登陸器將會測量彗星表面溫度等物理性質和彗核氣體每日如何變化。當彗星愈靠近太陽時，受到更多太陽輻射愈多，彗核中固態的冰會直接昇華為氣體，逸出彗核過程中會攜帶一部份塵粒進入太空，在彗核周圍形成彗髮。所以，愈靠近太陽，彗髮愈大，某些案例中，彗髮甚至擴張到直徑約100萬公里的程度。然後在太陽輻射壓和太陽風的作用下，部分物質被帶往與太陽相反的方向，形成主要由離子組成的離子尾和主要由塵粒組成的塵埃尾。

目前67P彗星已經發展出彗髮，如上方影像（2014年7月25日拍攝結果），科學家希望能瞭解從現在到彗星過近日點後的整段旅程中，彗星究竟會如何發展、彗核表面物理特徵如何改變、氣體與塵埃釋出速率與地形和組成成分的關聯等等問題，由此深入認識這個太陽系的冰世界。

資料來源：

HINTS OF FEATURES/.2014.07.24
CATCHING UP WITH THE COMET’S COMA/.2014.07.31
ROSETTA TAKES COMET’S TEMPERATURE/.2014.08.01

本文轉載自網路天文館

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CASE PRESS ・2021/10/22 ・3033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！

「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地「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。）

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]

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]

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]

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]