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NASA聖杯號奔向月球

臺北天文館_96
・2011/09/15 ・1298字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

美國航太總署(NASA)聖杯號(GRAIL)於臺北時間2011年9月10日9:08p.m.、中秋節前夕,從卡納維爾角空軍基地發射升空,控制中心已確認它進入軌道並展開太陽能板,順利的踏上前往月球的旅途。預計3.5個月之後抵達月球軌道。

聖杯號全名是Gravity Recovery and Interior Laboratory月球重力重建與內部結構實驗室,這是由兩艘同軌太空船組成的探測任務,這兩艘太空船幾乎像雙胞胎般,每艘太空船的大小相當於一台洗衣機,重量則約200公斤左右。其中GRAIL-A預計將在2011年12月31日抵達月球,GRAIL-B則預計在隔天—2012年的新年抵達月球。這兩艘太空船均使用太能為動力,一前一後地環繞月球飛行(B在前、A在後),以便測量月球的重力場,希望能瞭解月球的多項謎題,包括內部結構或地月系統形成問題等。

地球到月球的直線距離約為402,336公里左右,1970年代阿波羅任務花了3天的時間飛抵月球,然而聖杯號雙船卻打算花3.5個月、航行400萬公里才抵達月球。這兩艘探測船之所以採低能量軌道,以便能拉長旅行至月球的時間,可以讓太空船有更多的時間檢查、更新月球探測計畫,蒐集月球的重力場訊息的時間計畫長達82天左右。

由於兩艘太空船的軌道相同,當它們飛越重力比較強或比較弱的區域上空時,例如可見坑洞或山脈等,或是月表下方不可見的質量瘤等,都會讓它們彼此分離一些或靠近一些。兩船上的月球重力距離系統(Lunar Gravity Ranging System,LGRS)可測量它們相對距離的微小變化,精密度可達幾微米,相當於一顆紅血球的直徑;科學家再將此微小變化轉換成高解析度的月球重力場分佈圖。一旦取得重力場分佈圖後,科學家可以藉以研究月球的內部結構和熱能演變歷史。這個重力測量技術,其實與之前的另一艘太空船GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)相同,這個太空任務是從2002年開始測繪地球的重力場資料。

此外,每艘太空船上還載有一組MoonKAM月球相機,這是NASA行星任務中,首度為了教育和拓展大眾服務等目的而攜帶的儀器。

太空船上載有高度控制次系統(Attitude Control subsystem),可維持太空船三軸穩定,這個系統由太陽敏感器(sun sensor)、追星儀(star tracker)、反應輪(reaction wheel)和慣性模組(inertial measurement unit)所組成。

電力次系統(electrical power subsystem)則包含兩組太陽能板和一顆鋰電池;每組太陽能板在太空船升空並分離後不久便展開並固定,到任務結束前總共可以產生700瓦的電力;每顆電池則用在太空船飛到月球陰影裡、太陽能板無法發揮功能時。

推進系統(propulsion system)包含聯氨催化推進器(hydrazine catalytic thruster),提供進入月球軌道和改變太空船軌道時使用,另有一組8個推進閥門的熱氣系統,以便太空船姿態調整或其他微調工作用。

電信次系統(telecom subsystem)則包含下列項目:

  • 2組S頻轉頻天線(transponder antenna),以便與地球聯絡用。
  • 2組X頻信標天線(beacon antenna),從都卜勒效應測量地球到月球正面的距離。
  • S頻時間傳遞系統天線(time-transfer system antenna),可在兩船間傳送時間同步訊號。
  • Ka頻距離天線,可測量兩船間的精確距離。

其中前兩項天線系統,都有其中一組天線位在太空船的向陽面,另組天線在背陽面。向陽天線於滿月時會指向地球,而背陽天線會在朔時指向地球。這個設計是為了避免任務期間,太空船因某些因素導致旋轉而改變了太空船的質心,從而使得科學測量結果出現誤差。

資料來源:NASA-GRAIL

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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臺北天文館_96
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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!

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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
30 篇文章 ・ 478 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。

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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

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真的只能看到半面月球嗎?一起來揭開神秘的月球面紗吧!
Mia_96
・2021/06/11 ・2540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!!

2021 / 05 / 26 的月全食景象,一顆血紅色的月球在東方出現,無論是在家觀看,或是跟著天文館轉播的景象,都成為五月必看的天文景象之一。過去我們抬頭欣賞月亮時,總是認為我們只看的到月球的一面,另外一面站在地球上的我們永遠無法目睹。

我們通常認為位在地球的觀測者只能觀測到月球半面的亮面。圖/envato elements

但,我們真的只能看到一半的月球嗎?

只能看到半面月球的原因——潮汐鎖定

月球屬於地球的衛星,從月球形成以來,便圍繞著地球旋轉,因為地球自轉產生月球的東升西落,也因為月球的公轉,造成每個月我們所看到新月、上弦、滿月、下弦。

從過去的經驗中,我們知道當我們位在在地球上時,人們永遠只看的到月球的半面!代表月球的自轉與公轉速度相等,月球繞地球公轉一圈,同時也才自轉一圈,所以月球才會一直以同一面面向地球!這個現象又稱作「潮汐鎖定」。

潮汐鎖定的原因,是因為月球繞著地球公轉時,同時也受到地球潮汐力作用(地球也受到月球潮汐力影響,所以我們的海水才會有潮起潮落的現象!),但因月球表面本身並沒有海洋,地球的引力直接影響到的為月球內部不規則的質量分布,將面向與背向地球的月球兩端逐漸形成類似橢圓球體的形狀。

為了方便理解,我們把受地球潮汐力影響的橢圓月球簡化成一個槓桿,若地球潮汐力方向與月球槓桿平行,則不會影響月球自轉(如下圖綠色所示),反之,則會被潮汐力影響而改變自轉運動(如下圖紅色所示),且最終會回到綠色狀態。

潮汐鎖定示意圖,圖中黑色圓形為地球,大圓為公轉軌道,小圓為自轉軌跡,綠色代表月球不受潮汐力改變自轉的狀態,紅色則是月球受潮汐力影響改變自轉的狀態。圖/wikipedia

在地球潮汐力的持續作用下,不同位置的月球將全部變成綠色狀態,此時,月球的自轉速度會與公轉速度會相等,且永遠以同一面面向地球,就像是月球被地球鎖定一樣。

其實不只是月球會產生潮汐鎖定,在過更久的時間之後,地球也會受到月球影響而被月球潮汐鎖定,但因為地球本身的質量比月球大太多太多了,所以可能直到太陽繼續演化成紅巨星,吞噬太陽系後,地球都還不會達到潮汐鎖定的現象。

雖然地球與月球兩個天體並沒有相互達到潮汐鎖定,但太陽系中的外側天體:冥王星和其衛星—凱倫已經彼此達到了潮汐鎖定的現象!所以冥王星永遠會以同一面面向凱倫,而凱倫也永遠會以同一面面向冥王星。

冥王星背對冥衛一的一面(左)和朝向冥衛一的一面(右)(2015 年 6 月 27 日)。圖/Wikipedia

潮汐鎖定的原理,也被我們應用於人造衛星的軌道設計中,部分人造衛星繞著地球的公轉週期和地球的自轉週期相等,使人造衛星可以一直觀測地球同一個地方,從地球上看,衛星便會像沒有移動一般一直在相同地點的上方,這樣的衛星就被稱為「地球同步衛星」。

地球同步衛星因為一直在相同地點的上方,所以可以對同一個區域做長時間的觀測並獲得資料,也可以幫助我們了解區域中天氣系統的演化與移動情況,以東亞為例,便有日本所發射的地球同步衛星「向日葵」來獲得大氣中的資料。

有沒有機會看到更大的月球表面呢?

但其實,上面的解釋僅代表著很理想的狀態,受到月球軌道運動、觀測者所在位置、物理條件等等因素,都使我們觀測的月球其實擁有上下左右晃動的現象,所以我們真正可以觀察到的月球,其實大概佔了表面的 59%!而這種現象,我們將它稱為天秤動!

天秤動可以分為兩大類:幾何天秤動與物理天秤動。

幾何天秤動代表的是觀測者位置與月球間的關係之變化。例如月球繞著地球公轉時,也有近地點與遠地點,當月球走到近地點時,月球的公轉速度較快;走到遠地點時,月球的公轉速度較慢,但無論公轉周期的快慢,月球的自轉速度皆相似,這時公轉與自轉速度產生些微差異,我們便可以觀察到月球東西兩側多一點點。

而在地球上的觀測者也會影響著可以觀測到的月球盤面,觀測者所位在的地球也有自轉現象,當地球自轉時,觀測者同時也在移動(只是因為我們就站在自轉的地球上,所以感受不到),這時便可觀測到多一點的東西兩側月球。如果觀測者所在的緯度不一樣,也有可能觀測到南北兩側多一點點的月球。

月球地球因為相對位置不停變化,
間接造成地球觀看到的月球表面也有些微差異。圖/envato element

物理天秤動造成的影響相對就較小一點,物理天秤動代表的是月球真正擺動產生的效應!因為月球本身並非正球體,其三軸本身便不等長,所以在轉動時,其各地的旋轉速度其實會產生些微差異,但因為物理天秤動造成的影響相對較小,通常我們較不會考慮其帶來的影響!

更多的月球外,還有看似大小相異的月球!

除了實際上人類可以觀測到 59% 的月球外,為什麼有時候我們又會覺得月球特別大呢?其中一個原因就是跟上面提到的近地點遠地點相互關係!假設今天月球剛好公轉到近地點而遇到滿月時,地球的觀測者就會覺得月球變的好像比較大顆,但其實月球的大小從頭到尾都沒有改變過!

自古以來月球便是人們好奇、追尋的夜空天體,透過不同的天文景象與科學家的努力,都讓我們對月球有更進一步的理解,下次有機會,記得抬頭欣賞這顆銀白天體!

參考資料

  1. 台北市立天文科學教育館
  2. Youtube – 李永樂老師,月亮為什麼總是一面朝向地球
  3. 月球天平動
  4. 蕭俊傑,人造衛星的軌道
  5. 潮汐鎖定 – 維基百科,自由的百科全書
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Mia_96
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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