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新銀河影像協助天文學家解決星際介質固有謎題

臺北天文館_96
・2014/08/22 ・1234字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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一組天文團隊製作一幅銀河系中恆星之間星際介質(interstellar medium,ISM)的分佈圖,並藉此證明一種新的方法—類3維分佈圖(pseudo-3D map),可以發現星際介質的所在地,甚至是它們的組成成分,解開這個懸宕近百年的星塵謎題。

我們的宇宙在恆星間的空間中並不是真空的,而是多多少少有些物質,稱為星際介質。星際介質的組成成分是原子和分子構成的塵埃和氣體。現今的星際介質主要是恆星死亡後遺留的物質,而這些物質又成為建造新一代恆星和行星的材料,循環不已。

有句老話說:「我們都來自星塵(We are all stardust)」,因為組成生命的元素,除了氫和氦之外,其他重元素(或稱金屬元素)幾乎都來自恆星內部的核融合反應,或是大質量恆星死亡時發生的超新星爆炸。但天文學家們迄今尚不清楚恆星們為何會在它們現在所處之地形成。斯洛維尼亞共和國盧布爾雅那大學(University of Ljubljana)Janez Kos等人的新研究,正好提供了有關這個問題的新線索,他們特別關注一種來自星光的神秘特徵—瀰漫星際譜帶(diffuse interstellar bands,DIBS)。

DIBS是一位研究生於1922年拍攝來自遙遠恆星的星光光譜時,無意中發現的暗譜帶特徵。光譜可提供天文學家許多天體訊息,如組成成分、溫度和運動等。1922年的這位研究生發現在他拍攝的光譜影像中有一些暗譜線,顯示星光從恆星表面發出到抵達地球之間的旅途中,曾被星際間的物質吸收掉部分星光,才會產生這些暗譜線。自彼迄今,科學家已經確認了其中400多條這類瀰漫星際譜帶,但卻一直無法得知這些譜線到底是什麼樣的物質造成的、是哪裡的物質造成的。

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研究學者曾假設這些吸收譜線是某些又大又複雜的分子造成的,但卻一直沒有實際觀測證據以茲證明。瞭解這種神秘物質的性質對天文學家來說很重要,因為如果可以獲知這些物質的性質,便可透過它們去瞭解恆星之間的空間中有些什麼樣的物理條件和化學作用;而這些細節正是理論上恆星與星系如何形成的關鍵要素。

這幅新製作的銀河系DIB物質類3維分佈圖是23位科學家利用徑向速度實驗(Radial Velocity Experiment,RAVE)蒐集了超過10年的觀測資料嘔心瀝血的成果。RAVE乃是利用位在澳洲的英國史密特望遠鏡(UK Schmidt Telescope)進行的一項計畫,可同時收集約150顆恆星星光的光譜訊息,而今已經累積超過50萬顆恆星的資料。之所以稱為「類3維」,是因為他們採用一種特別的數學演算模式,可以從實際上為2維的分佈資料,再加上垂直維度(第三個維度或距離維度)的狀況來繪製分佈圖。

由於RAVE恆星光譜資料非常龐大,再加上距離的資料,可以瞭解DIBS是在銀河系那個位置產生的,也可以知道這些物質在銀河系中究竟如何分佈。結果顯示可能造成DIBS的複雜分子的分佈狀況,和另一個已知成分的星際介質並不相同;這種已知成分的星際介質是固態的星塵粒子,RAVE也有追蹤觀測這些星塵粒子的分佈狀況,所以可以用來與DIBS分子比較。

雖然取得了有關DIBS之謎的新線索,不過這些科學家希望下一步能利用這項類3維技術,以及更精細的巡天觀測資料,繼續解決DIBS精確位置和構成物質的問題。

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資料來源:Dark bands in starlight: New Milky Way maps help solve stubborn interstellar material mystery, 2014.08.14, KLC

本文轉載自網路天文館

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臺北天文館_96
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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驚異奇航—星塵號
科學月刊_96
・2011/11/18 ・6469字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

星塵號於1999 年發射升空,飛越彗星,並獲得其塵埃樣本,完成人類史上首次收集彗星物質的任務。

文 / 劉名章、沈君山

圖一:星塵號發射時的景象。

西元2006 年1 月15 號洛杉磯時間凌晨兩點鐘,一道人造火球劃過了天際,直抵猶他州沙漠。這時,噴射推進實驗室(Jet Propulsion Lab)和NASA 詹森太空中心(Johnson Space Center)的人員無不歡天喜地,因為他們知道,星塵號回來了!這次返航的成功,給太陽系天文學家與宇宙化學家帶來無比的喜悅。這是人類史上第四次如此靠近彗星本體的任務( 前三次分別是Giotto , Deep Space , Deep Impact),同時這是第一次航程最遠的標本收集任務,也是首次利用世上最輕的固體「氣凝膠」(Aerogel)將彗星塵成功帶回地球供實驗室分析的任務。

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太陽系的形成一直以來都是天文學家欲解的謎題。不管是透過望遠鏡觀測其他恆星形成區域,透過動力學模型來模擬太陽系與行星的形成,或是透過隕石的研究,最終的目的就是想要了解太陽系的起源。此處將由隕石的研究切入,然後再導引至我們今天的主題:「星塵」(Stardust)。

先從「老於太陽系顆粒」的研究談起

什麼是presolar grains(老於太陽系顆粒)?顧名思義,字首「pre」代表在某個時間或階段之前,「solar」則是「太陽的」,grain(顆粒)大家都知道,合起來說,就是太陽之前的粒子,翻成白話講則是「老於太陽系的顆粒」。怎麼知道這些顆粒老於太陽系呢?這些顆粒又有什麼重要的地方?其實它們本身就是別的星星(會發光的恆星)所產生的塵埃!

星星在演化的過程中,會透過恆星風或是爆炸的方式將本身物質釋放到星際空間,這些高熱的物質一開始以氣體的形式存在,冷卻之後就會凝結出直徑大約只有數微米或更小的小顆粒;當這些顆粒不小心跑進了正在形成的太陽系,有些被早期太陽系的高溫作用給毀了,有些則運氣很好的躲掉了這些高溫事件而被小行星保存了下來。某天小行星的碎片掉到地上變成隕石,被科學家拿到實驗室用各種物理化學的方法將這些小顆粒分離出來,以便進行各種分析。

圖二:星塵收集器安抵地球時的狀況,星塵號本身則繼續航 向無盡的宇宙。

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這些顆粒是星星所產生的,因此這些顆粒中的每個原子都是從母星球「繼承」下來的。透過這些塵埃,科學家們便可以容易地在實驗室內了解星球內部的元素演化過程。您可能會很好奇,這些顆粒那麼小,要怎麼知道他們到底是太陽系或是外星的產物?這時候就是同位素分析派上用場的時候了。太陽系物體內的同位素成分一般來說算是相當的平均的。也就是說,若我們量測地球上的碳同位素比值(12C ∕13C),所得到的結果一定會很接近太陽系的平均值89 ,最多大概也只會有千分之幾的差距;但老於太陽系顆粒的碳同位素比值卻與太陽系的平均值89 有極大的差距,因此認定這些顆粒未曾參與太陽系形成之初的混合作用。

這些老於太陽系的顆粒裡面的原子,是由別的星球本身元素形成的產物,所以會和太陽系內的平均同位素比值相差甚大,以碳同位素為例,目前已發現的碳化矽(SiC)和石墨顆粒中,其碳同位素比值的分布可以從3 到10 萬!這些實驗室所產生的數值,配合上天文觀測與理論計算,提供了天文學家一個相當好的管道去了解遙遠星球內部的化學演化。

那從這些老於太陽系的顆粒中,我們除了可以回推這些顆粒的來源外,還可學到什麼呢?大家都知道,宇宙中的各種元素是由星星透過核融合或是爆炸所產生的。雖然從1957 年的第一篇元素形成論文開始,至今已有數不盡的理論模型問世,百家爭鳴,好不熱鬧。但是這麼多工作累積起來,可能也無法完全描述與理解大自然的神秘,更無法去驗證模型的真確性。這些小顆粒適時的在這一塊缺口中補上一角,讓科學家們可以在實驗室中,以較天文觀測精密的測量方式,提供遙遠恆星內部元素形成的資料。除此之外,這些小顆粒還可以提供科學家們古老銀河系化學演化、銀河系的年齡、星球周邊塵埃盤的形成和最早期的太陽系天文物理環境的資訊。在此限於主題與篇幅便不多談。

回到太陽系起源的研究

在太陽系中,有八大行星和一堆小型天體;前四顆類地行星,每一個都已經受過或長或短的分異過程與地質作用,現今之結構與組成已經和形成之初大異其趣。對於要了解太陽系的起源,幫助不太大。後四顆類木行星,雖然一般相信它們形成的時間極早,但由於絕大部份是氫氣,氦氣及一些氣體分子所組成,標本收集有相當程度的困難,多以太空船探測任務為主,不僅耗時且所費不貲;再加上這些氣體星球不能完全反應太陽系最初期成份,所以我們需要固體。

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加州大學洛杉磯分校的麥克基甘教授(Kevin McKeegan)說的好:固體會記錄而氣體不會。因此現今普遍的宇宙化學研究,多是利用隕石中的同位素與礦物組成,試著了解太陽系形成時,周遭的天文物理環境與太陽星雲的化學組成。只是隕石大多來自於小行星,而小行星本體也或多或少受到了一些後期的變質作用,如撞擊,水與熱作用等等。造成一些最原始的同位素訊號或礦物受到了不同程度的改變。也因此,即使是所謂最原始的隕石,在某種程度上仍然不夠原始,這由隕石中稀有氣體相對於太陽的豐度較低的例子可以為證。

腦筋動到彗星上

圖三:星塵號所拍攝到的威德二號彗星影像。

既然隕石沒有辦法完完全全的反應太陽星雲最原始的化學成份,那我們還有什麼方法可以試著了解這個問題呢?科學家腦筋於是動到彗星身上。

天文學家普遍認為彗星也是太陽系最初期的產物,很可能跟隕石一樣記錄了太陽系最初的成份;更重要的,彗星被保存在極冷的地方,從彗星離子尾光譜中的分析得知,其相當程度的保留了有機物與揮發物質,所以我們多半相信,彗星所留下來的訊號應該會比隕石更完整,更接近真實。同時彗星內部更有可能保存大量的老於太陽系的顆粒。也因為如此,星塵號任務在90 年代中期,由華盛頓大學天文系布朗李教授(Donald Brownlee)主導之下,開始了整體的計畫與進展。在1999 年的2 月發射升空, 2004 年1 月穿過了「威德二號」彗星(Wild-2)的尾巴收集塵埃,並在2006年的1月返回地球表面,完成了這一段旅程。

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或許有人會問,我們了解彗星有什麼好處?除了剛剛上面講的,試著去追溯太陽系最原始的成份,了解太陽系的起源,及尋找老於太陽系的顆粒之外,還有那些問題是可以藉由彗星塵提供一些線索的: 一、行星際空間顆粒(Interplanetary Dust Particles)與彗星塵的關係?二、地球上的水是彗星帶來的嗎?三、生命的起源與彗星的關係?

選定目標

各位也可能會覺得好奇,彗星一大把在天上,為什麼星塵號不去別的彗星而要去威德二號呢?其實很簡單,有三個主要原因:天時,地利與人和。天時與地利指的是,這顆彗星會在適當的時間出現在適當的地點,讓科學家們可以較容易的設計收集塵埃時的太空船路徑與速度。為什麼這很重要?各位可以想像,若在和太空船遭遇時的相對速度太大,塵埃就會直接穿過收集器而帶不回地球了。因此,星塵號幾乎是追著彗星的尾巴,從後面以每秒六公里的速度,將塵埃「抓進」氣凝膠當中。

那人和又是什麼呢?大家都知道,當彗星跑進內太陽系受到太陽加熱後,揮發物質就會因為高溫而逸失;經過多次循環後(>1000 次),彗星最後就不再會有彗尾了。像哈雷彗星,它從第一次被發現到1986年,總共已經進來大約一百次。它的原始成份已受了相當大的改變而不再「新鮮」了。所以,它已無法還原太陽系最原始的成份。而威德二號彗星,在1974 年之前都是屬於木星族彗星(Jovian comet ,指近日點在木星軌道附近),之後受木星重力擾動而改變了它的軌道,近日點內移到火星附近;至今進入內太陽系約五次。也因此這顆彗星從沒有真正的過度靠近太陽而被大量的揮發,其化學組成仍是相對的原始。這對於我們所期待的研究,真是再理想也不過的目標。

圖四:星塵號接近彗星收集微塵時的景象模擬。

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如何收集—氣凝膠的妙用

圖五:切開收集到星塵的氣凝膠,保留紅蘿蔔形狀的破壞軌 道、以便容易取出微塵。

雖然星塵號追在威德二號彗星的尾巴後面,藉此減緩相互之間的相對速度,但星塵號仍承受著將近6倍步槍子彈速度微粒的衝擊。如果採用強硬手段直接將微塵擋住,那麼微塵將因高速的動能轉化為熱而將自身蒸發掉,致使該顆粒改變了外形及化學成份。此時氣凝膠的妙用就出現了。

氣凝膠是一種以矽為主的固體,結構像海綿一樣具有微米等級的多孔性,其中99.8 %的體積是空的。因此它的密度比玻璃輕1000 倍,同時還具有極低的導熱性及強度頗高的支撐性。當微粒撞上氣凝膠時,借著連續性的撞擊破壞氣凝膠,因而製造出比自身長度長200倍的一條類似紅蘿蔔形狀的破壞軌道。因此熱能被分散在此破壞軌道中,達到減速微粒且不破壞其外形及化學成份的目的。此破壞軌道還有項好處,它明確的指示出微塵停下的位置。否則要在直徑約50 公分大小的收集器內尋找微米大小的顆粒還真是一件困難的工作。

氣凝膠被安置在網球拍形狀的收集器上,因為具有雙面收集微塵的能力,科學家除了利用正面收集彗星微塵外,更利用星塵號在飛行旅途中以反面收集行星際空間的顆粒。由於顆粒都被埋在氣凝膠內,如何分辨何者為彗星微塵,何者為行星際空間的顆粒?解決的方法乃利用破壞軌道行成紅蘿蔔形狀的路徑,因為具有方向性所以可以輕易分辨出來。

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跌破專家眼鏡的大發現

就在星塵號安然回到地球的兩天後,收集標本的大鐵罐在詹森太空中心的無塵室被打開,開始作最初期的狀況確認。加州大學洛杉磯分校的麥克基甘教授在現場時的轉述,他說:「這是非常完美的成功!有些彗星塵劃過的軌跡可以用肉眼清楚看到,並且收集到的東西似乎比大家原先預想的要來的多且大。當然,這只是非常非常初步的肉眼確認,我們真正會發現什麼,仍要等待初步檢驗團隊(Preliminary Examination Team,PET)的結果。PET至少需要半年的時間才能完成初步的彗星礦物學分析、氧氮同位素分析、化學組成分析,及紅外光譜學的分析等等。然後我們才能初步的知道這些標本所帶來的資訊」。

首先是礦物學方面。最重要的發現之一為星塵號所收集到的微塵中居然出現高溫環境下形成的礦物(形成溫度約凱氏溫度1300~1400度上下),比如說橄欖石、隕氮鈦石(osbornite; TiN)、輝石與我們在隕石的鈣鋁包裹體(Ca-Al-rich Inclusions)中找到的高溫礦物一樣。這些東西,讓研究太陽系化學的科學家們著實嚇了一大跳。彗星不是在40 天文單位(AU)之外形成的天體嗎?在這麼冷的環境中,應該多以揮發性物質或是低溫物質為主,為什麼會有在高溫下才能形成的礦物存在?小行星和彗星,一個大約在3AU,另一個在40AU以外,為什麼某些彗星塵的礦物組成跟隕石中的鈣鋁包裹體類似?若在這麼大的空間範圍內,找到組成相似的高溫礦物,這似乎代表的是,在太陽系早期必須要有大尺度輻射狀輸送物質的能力(radial transport),其轉移範圍從內太陽系到小行星帶,甚至到外太陽系,才有可能辦到。那這個大尺度輻射狀輸送物質的能力的物理背景是什麼?為什麼可以把小顆粒從內太陽系高溫處搬到3AU 甚至更遠的40AU 以外?

再來是同位素分析方面。PET 的同位素小組,分析了彗星塵中,氫、碳、氮與氧同位素的組成。這些分析,試圖回答下面的幾個問題。第一,彗星是不是主要由老於太陽系的物質組成的?第二,彗星中有多少真正的「星塵」(真正從演化後期的恆星中所形成的)?第三,彗星微塵中的同位素組成,和隕石、行星際空間微粒的關係又是什麼?第四,早期太陽系中的混合作用究竟到什麼程度?

首先是氫同位素方面,被分析的彗星微塵中,基本上沒有太令人印象深刻的成份,其D/H(氘∕氫比值) 落在已知的行星際微塵的D/H 範圍內,類似彗星水分子中的同位素成份,但低於彗星中氰化氫(HCN)的同位素值,更遠較最極端的行星際空間顆粒的比值低上許多。當然, D/H 很容易受到各種不同因素的影響,尤其是這些灰塵是透過撞擊而被氣凝膠抓住,在這個過程中,D/H極有可能產生變化。所以,這些量測到的D/H 可能無法反應威德二號彗星的水分子的同位素成份。

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再來是碳與氮同位素,這兩種同位素的量測,主要是要來找尋老於太陽系的顆粒(presolar grains)。這些顆粒,由於是在星球中凝結下來,所以基本上它們保存了原先星球中,元素形成的特徵。而這些特徵和太陽系的平均值相差甚大。以碳同位素來說,太陽系物質的12C ∕ 13C 平均比值是約89 ,若今天發現了一顆微粒,它的12C ∕ 13C 比值約是52 ,那我們可以很篤定的說,這顆微粒絕非在太陽系內形成的顆粒,而是一顆從某個AGB 星球或是紅巨星來的小塵埃!氮同位素也是同樣的道理,只是平均太陽系的比值大約是300上下。所以,若我們發現一顆灰塵,其14N∕13N的比值離300有極大的差距,那我們也可以很肯定,這顆顆粒一定不是太陽系內產生的。

知道了這個前提,我們再回到星塵號的標本上。分析的結果也是讓大家驚訝莫名,PET階段分析氣凝膠中的微塵,居然沒有一顆是老於太陽系的顆粒!幸好,在收集器上的用鋁箔紙包裹住的部份中,在某個撞擊坑洞旁邊找到了一顆老於太陽系的顆粒,可惜的是,這顆小傢伙已被分析光光了,屍骨無存。從這個初步分析,顯示在彗星中(至少是威德二號這顆) 似乎沒有太多老於太陽系的顆粒。但這只是第一步。後續尚有許多標本等待研究,或許會有更多驚奇也說不定。

此外PET 團隊還有一項重大的發現,他們在氣凝膠及支撐框住氣凝膠的鋁芯中發現了氨基乙酸。一開始研究團隊無法排除此氨基乙酸可能來自地球上的污染的想法。此時同位素的功用又出現了,經過進一步的研究他們發現該氨基乙酸的碳具有較多的13C,也就是說其12C∕13C的比值比89 小很多,因此証實此氨基乙酸非太陽系內部的產物。由於筆者對生命科學的涉略不多,因此借用下面兩位專家的發言,來為這項大發現做註腳。

美國航太總署(NASA)的艾西拉博士(Jamie Elsila)說︰「氨基乙酸是具有生命的有機體製造蛋白質的物質之一,同時這是第一次在彗星上找到氨基酸」;「我們的發現支持生命的成份在太空間形成,並借由隕石和彗星的衝擊而傳播到地球的理論」。同時NASA 的主任皮契爾博士(Carl Pilcher)說︰「氨基乙酸在彗星的發現支持了組成生命的基本架構在太空中是隨處可見的想法,並且強化了在宇宙中生命的存在也許是共通的而不是罕見的論述」。

最後是氧同位素。氧是類地行星中最豐富的元素。而每個類地行星(含小行星)的平均氧同位素值都有些微的差異,所以氧同位素基本上可拿來當作這些行星的指紋。但是若把規模放到只有幾個毫米大小,我們會發現,在隕石的鈣鋁包裹體中,不同礦物居然有著不同的異常豐度,彼此間的差異可達到5%!如果是老於太陽系的顆粒,氧同位素的差異甚至可以達到好幾個數量級。星塵號部分微塵在經過初步分析後,具有隕石鈣鋁包裹體類似的礦物組合,同時居然和鈣鋁包裹體有相同的氧同位素成份!這下子不只礦物組成相似,連氧同位素都完全一模一樣。這更加讓我們相信,彗星中的某些小微塵,是和隕石中的某些礦物顆粒是完全相同的。所以,這和前面所寫的相呼應,在太陽系早期勢必要有大尺度輻射狀輸送物質的能力,從內太陽系到小行星帶再到庫伯帶以外,這一連串的巧合才有可能發生。

這些發現,最感到振奮的應該是前清大校長徐暇生院士,中研院李太楓院士,及中研院副研究員尚賢博士。他們在1998 年提出的X-wind 模型,已預測彗星上的物質有可能在礦物相上與同位素比值上的特點與隕石中的部份物質相符。模型中這些高溫顆粒形成在吸積盤的端點,非常靠近原始太陽約0.05AU 距離的地方,後來太陽磁場與吸積盤面的交互作用,產生了兩極噴流和盤面上一股強力的「風」,將這些高溫礦物帶離到小行星帶甚至更遠的庫伯帶,再和其他物質堆積形成小行星或是彗星。

其實,以上所說,都只是星塵號相當初步的一個結果。還有很多尚未被探索的顆粒等待科學家們去了解,不管是礦物學,光譜學,同位素分析,還是其他各種各樣稀奇的方法。在可預期的將來,這些彗星塵仍會繼續送到世界各地的實驗室進行各項研究。在台灣,李太楓院士所領導的團隊,也正在為分析這些標本而磨刀霍霍。希望在不久的將來,台灣也能夠在這個前無古人的實驗室彗星塵分析競賽中打響知名度;也希望到時候我們將能夠回答上面所列出的數個問題,讓我們對太陽系起源有更深一層的了解。

劉名章:任職中研院天文及天文物理研究所

沈君山:任職中研院地球科學研究所

原刊載於《科學月刊》第四十二卷第十一期

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新銀河影像協助天文學家解決星際介質固有謎題
臺北天文館_96
・2014/08/22 ・1234字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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一組天文團隊製作一幅銀河系中恆星之間星際介質(interstellar medium,ISM)的分佈圖,並藉此證明一種新的方法—類3維分佈圖(pseudo-3D map),可以發現星際介質的所在地,甚至是它們的組成成分,解開這個懸宕近百年的星塵謎題。

我們的宇宙在恆星間的空間中並不是真空的,而是多多少少有些物質,稱為星際介質。星際介質的組成成分是原子和分子構成的塵埃和氣體。現今的星際介質主要是恆星死亡後遺留的物質,而這些物質又成為建造新一代恆星和行星的材料,循環不已。

有句老話說:「我們都來自星塵(We are all stardust)」,因為組成生命的元素,除了氫和氦之外,其他重元素(或稱金屬元素)幾乎都來自恆星內部的核融合反應,或是大質量恆星死亡時發生的超新星爆炸。但天文學家們迄今尚不清楚恆星們為何會在它們現在所處之地形成。斯洛維尼亞共和國盧布爾雅那大學(University of Ljubljana)Janez Kos等人的新研究,正好提供了有關這個問題的新線索,他們特別關注一種來自星光的神秘特徵—瀰漫星際譜帶(diffuse interstellar bands,DIBS)。

DIBS是一位研究生於1922年拍攝來自遙遠恆星的星光光譜時,無意中發現的暗譜帶特徵。光譜可提供天文學家許多天體訊息,如組成成分、溫度和運動等。1922年的這位研究生發現在他拍攝的光譜影像中有一些暗譜線,顯示星光從恆星表面發出到抵達地球之間的旅途中,曾被星際間的物質吸收掉部分星光,才會產生這些暗譜線。自彼迄今,科學家已經確認了其中400多條這類瀰漫星際譜帶,但卻一直無法得知這些譜線到底是什麼樣的物質造成的、是哪裡的物質造成的。

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研究學者曾假設這些吸收譜線是某些又大又複雜的分子造成的,但卻一直沒有實際觀測證據以茲證明。瞭解這種神秘物質的性質對天文學家來說很重要,因為如果可以獲知這些物質的性質,便可透過它們去瞭解恆星之間的空間中有些什麼樣的物理條件和化學作用;而這些細節正是理論上恆星與星系如何形成的關鍵要素。

這幅新製作的銀河系DIB物質類3維分佈圖是23位科學家利用徑向速度實驗(Radial Velocity Experiment,RAVE)蒐集了超過10年的觀測資料嘔心瀝血的成果。RAVE乃是利用位在澳洲的英國史密特望遠鏡(UK Schmidt Telescope)進行的一項計畫,可同時收集約150顆恆星星光的光譜訊息,而今已經累積超過50萬顆恆星的資料。之所以稱為「類3維」,是因為他們採用一種特別的數學演算模式,可以從實際上為2維的分佈資料,再加上垂直維度(第三個維度或距離維度)的狀況來繪製分佈圖。

由於RAVE恆星光譜資料非常龐大,再加上距離的資料,可以瞭解DIBS是在銀河系那個位置產生的,也可以知道這些物質在銀河系中究竟如何分佈。結果顯示可能造成DIBS的複雜分子的分佈狀況,和另一個已知成分的星際介質並不相同;這種已知成分的星際介質是固態的星塵粒子,RAVE也有追蹤觀測這些星塵粒子的分佈狀況,所以可以用來與DIBS分子比較。

雖然取得了有關DIBS之謎的新線索,不過這些科學家希望下一步能利用這項類3維技術,以及更精細的巡天觀測資料,繼續解決DIBS精確位置和構成物質的問題。

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資料來源:Dark bands in starlight: New Milky Way maps help solve stubborn interstellar material mystery, 2014.08.14, KLC

本文轉載自網路天文館

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