0

1
1

文字

分享

0
1
1

巨大系外行星的潮汐力讓母星表面上下起伏

臺北天文館_96
・2011/09/09 ・872字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

歐洲天文學家相信他們發現一顆遙遠恆星的表面,被一顆環繞它公轉的行星拉得上下起伏,就像月球的重力造成地球海洋有漲潮與退潮的潮汐現象一樣。

這顆恆星是鳳凰座WASP 18,亮度約9等,距離地球約330光年左右(相當於100秒差距)。天文學家在2009年時,利用凌日法(transit)發現這顆恆星周圍疑似有顆行星;後來再利用都卜勒效應(Doppler,徑向速度法),經母星光譜譜線的移動來確認它的存在。這顆系外行星WASP 18b質量高達10倍木星質量,由於非常靠近母星,是所謂的「熱木星(hot Jupiter)」,公轉一週不及地球的一天,換言之,這顆行星上的一年僅相當於地球的一天而已。

然而,WASP 18b的軌道卻讓天文學家產生一個疑問:像這麼靠近母恆星的行星,受到母星強大的重力潮汐作用影響,往往會讓它的軌道從橢圓形變成圓形。維吉尼亞大學(University of Virginia)天文學家Phil Arras表示:這是因為潮汐作用會將軌道能量帶走一些,轉化成恆星或行星所擁有的熱能;可是,從都卜勒資料來看,WASP 18b的公轉軌道卻有點橢圓,類似海王星的軌道(海王星軌道離心率約0.0090),與前述理論似有違背。

Arras等人最新研究指出:這顆行星的軌道其實還是圓形的,只是WASP 18b和它母星之間的重力潮汐作用,擾亂了天文學家的視聽。恆星星光光譜的都卜勒效應讓行星軌道看來似是橢圓,是因為恆星表面被行星重力拉扯而有漲落現象所造成的。當面對我們的恆星表面被行星拉得往上升時,看起來好像在接近地球,星光光譜就會稍偏藍位移;反之當恆星表面落回,看起來好像在遠離地球,光譜就會稍偏紅位移。如此一來,這個系統似乎就呈現橢圓軌道。

在被這個系外行星系統耍了一番之後,天文學家卻反覺高興,因為這代表在如此極端的系統中,他們反倒可以好好測試潮汐理論的正確性呢!相關論文發表在英國皇家天文學會月刊( Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)中。

WASP 18b造成母星有潮汐漲落現象是目前已知的所有系外行星中最明顯的。從都卜勒資料來看,WASP 18表面漲落速度高達每秒30公尺。正因如此劇烈,才讓現代儀器能輕易偵測到這個漲落現象。

資料來源:Distant star moved by tides

轉載自台北天文館之網路天文館網站

文章難易度
臺北天文館_96
482 篇文章 ・ 27 位粉絲
臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

0

4
1

文字

分享

0
4
1
月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 538 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

0

6
7

文字

分享

0
6
7
如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

0

6
1

文字

分享

0
6
1
亂咬人的海浪?淺談海岸邊那個危險的瘋狗浪
Mia_96
・2021/07/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘

每到了夏季,海邊總是大家嚮往的好去處(雖然現在因為疫情影響,我們提倡乖乖待在家裡為臺灣防疫盡心盡力!),過往夏季時大家前往喜愛的陽光沙灘,總可以看到陣陣海浪拍打在岸邊,盡情享受清涼海水與徐徐海風的吹拂!

海浪可以如浪花般輕盈,卻也可以如海嘯般帶來巨大災害。圖/Pixabay

但!海洋並非總是風平浪靜,有時的海洋也會帶給我們突如其來的巨變,在新聞中時常聽聞的瘋狗浪即為其一。

到底什麼是瘋狗浪?又為什麼要稱呼他為瘋狗浪呢?

在海面傳遞的能量——海浪

要了解瘋狗浪的成因,首先要先了解海浪是如何形成的!

海浪的主要成因是風將能量從大氣傳至海面,當海面獲得能量時,海洋中的水分子便開始做圓周運動,這,就是海浪!上層海水拖著下層海水,能量一層一層地向下傳遞,傳遞過程同時受到水分子之間的摩擦力影響,能量逐漸減弱,因此在深層的海洋幾乎沒有波動產生。

當海浪開始向前傳遞時,越接近岸邊,海床逐漸升高,下層的水分子撞到海面下的海床,就會造成海浪的波速逐漸減緩,我們以下面這張岬灣圖簡單判斷波浪傳到岸邊時與海岸呈現的交角關係。

岬灣地形的形成原因為差異侵蝕作用,所以可以假設為在海面下的海床也與裸露在陸地上的岬灣一致,在岬的部分突出,灣的部分凹陷。圖/作者自製

當波浪(藍色箭頭)逐漸打進海岸時,受到海底地形的影響,其波速逐漸減緩,波浪逐漸偏向法線(黃色實線),越靠近海岸,波浪持續偏向法線,最終波浪前進的方向會與海岸漸趨垂直。

海岬上的突發大浪

海岬地形即是容易出現瘋狗浪的其中一個原因,從圖中可以發現,當海岬處波浪不斷聚集,能量匯聚會造成海浪的波高逐漸累積,此時的海岬,容易產生突發性的大浪,也就是我們俗稱的瘋狗浪。

另外,容易造成瘋狗浪的原因還有強風吹拂,當風速越強烈快時,海面獲得的能量就會更多,產生的海浪也會更為強烈,當強烈的海浪再加上碰到匯聚能量的海岬地形時,便更容易造成瘋狗浪的產生。

瘋狗浪並沒有明確的定義或是說法,因為瘋狗浪容易致在岸邊活動的人們於危險當中,就如同瘋狗一樣可能會亂咬人,所以我們習慣將突然發生或是強烈的海浪稱做瘋狗浪。

突如其來的大浪有可能越過海堤,沖上岸邊造成危險。圖/Pixabay

臺灣易發生瘋狗浪的時間與地點

在臺灣,最易發生瘋狗浪的時間便是颱風與東北季風盛行之季節:颱風強力的風速會在臺灣外海持續產生強烈的海浪,當海面不斷獲得能量,其傳至海岸邊的能量也會更多、更大;而冬季時的東北季風也是容易產生瘋狗浪的原因之一。

而臺灣的東北角因多為岬灣地形,則是瘋狗浪易出現的地點,但瘋狗浪並不局限於出現在東北角,只要有海岬地形,或是較為突出的堤坊、海岸都有可能匯聚能量,形成波高較高的海浪。所以當知道海洋上有氣旋產生、強烈的季風作用或是在岸邊感受到較為強力的海風吹拂時,都應盡量遠離岸邊才最為安全!

預知瘋狗浪—海洋雷達觀測系統

過去我們總認為海象難以預測(此海象非海洋中生活或是在海生館可以看到的海象,而是指海面上因為風力吹拂而造成海浪的情況!),因為海象預測需要考慮到風向風速的變化、海浪相互作用影響、海底地形等眾多原因,但風場環境瞬息萬變,間接也造成不斷變動的海象,再者,一般民眾較少需求接觸相關的海象預報,所以海象觀測一直不如氣象觀測發達。

台灣目前使用的為海洋雷達陣列推算海域中波浪的強度,發展出台灣海洋雷達觀測系統(Taiwan Ocean Radar Observing System, TOROS),提供給人民更為準確、進步的海象監測,即時性與預測性的海象觀測,使海洋運輸、漁業捕撈等工作或是休閒娛樂更加安全。

海洋雷達陣列是使用雷達發射雷達波,當雷達波入射到海表面時,碰到海洋中的海浪,便會以各方向散射,海洋雷達就是利用雷達波所產生的「布拉格效應」—當海洋上出現與雷達波波長有偶數倍數關係的海浪,會產生較為強烈且能量較大的雷達回波反射回雷達,來推算目前海面上波浪的波長!

而不同地點、距離會使回傳的回波產生相異的都卜勒效應,透過都卜勒效應(頻率為正值,代表海浪靠近雷達;頻率為負值,代表海浪遠離雷達)便可以知曉波浪與雷達的相對速度與方向。

關於都卜勒效應更詳細且清楚的解釋可參考此影片。

當雷達透過布拉格效應獲得海浪之波長(因雷達波的波長為已知數),又知曉海浪頻率的變化後,將回波所得出之資料輸入電腦計算,便可以得出波浪的波高、波向、週期、速度等相關資料。

左上為布拉格散射之示意圖,左下為海浪前進或後退所產生的都卜勒效應,透過雷達回波的譜線分析 (右圖) 即可判斷海浪、風向、風速、方向等海面訊息。圖/臺灣海洋科技研究中心

而難以預測的海象遇到瘋狗浪更增添了難度,因為瘋狗浪的成因與易發生地點都僅是推測性的預測而非絕對性的預測,專家目前對瘋狗浪的成因仍持續的嘗試理解與推估,但目前中央大學水海所團隊已經透過海洋雷達觀測系統,可以有效的在瘋狗浪抵達的前 20 至 30 分鐘提供預警!

透過分析瞬時的海象變化,更可以有效進行預測,也可較為減少瞬間海象造成的災難,海洋中的觀測系統仍在不停的發展與改進中,在未來,一定會持續的改良與精進海象觀測,加強海上或海邊活動的安全性!

利用臺灣海洋雷達觀測系統 (TOROS) 測得臺灣周遭海象變化。圖/臺灣海洋科技研究中心

資料來源:

  1. 國立中央大學地球科學系
  2. 神出鬼沒的瘋狗浪
  3. 海洋觀測儀器與方法
  4. 利用高頻雷達監測台灣四周海域表層海流
Mia_96
15 篇文章 ・ 20 位粉絲
喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師