研究人員發現將反物質拋擲進入太空的雷暴

• 本文編譯自《Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus》

在天文觀測中，自古以來就有許多關於金星的紀錄。從 1960 年代起，蘇聯、美國太空總署（NASA）、歐洲太空總署（ESA）和日本也都相繼發射探測器，執行不同類型的太空任務，希望能夠更認識金星。

2020 年，NASA 的派克太陽探測器（Parker Solar Probe，簡稱「派克號」）首次在太空中以可見光拍攝金星表面，並在 2021 年 2 月再次拍攝一系列可見光照片後，將他們的分析成果公諸於世。

本篇文章將依序介紹金星探測史、派克號的探測方法、可見光照片的分析成果，以及金星探測的未來展望。現在，就讓我們從頭認識這位閃閃發亮的鄰居吧！

始於科學革命的金星之旅

對地球上的我們來說，月亮是夜空中最亮的天體，但你知道最亮的「行星」是哪一顆嗎？那就是本篇文章的主角——金星！金星的平均視星等，也就是肉眼所看到的平均星體亮度，大約是 -4.14，僅次於月亮的 -12.74 與太陽的 -26.74（數字越小就越亮）^[1]，不只是地球夜空中最亮的行星，更是太陽系第三明亮的星體。

有個這麼耀眼的酷東西掛在天上，想必科學家絕不會輕易放過！就在科學革命（1543–1687 年）期間，天文學領域突飛猛進——哥白尼提倡日心說、牛頓發現萬有引力、克卜勒導出行星運動定律等等。同時期的知名科學家還有伽利略，他改良望遠鏡，透過觀測金星相位（圖一），也就是金星表面的光照變化，得知金星並不是繞著地球運行，進而推翻當時蔚為盛行的地心說。

此後，眾多業餘天文學家和天文愛好者也都一窩蜂利用望遠鏡觀測金星。有許多人聲稱在背光側看見了微弱的灰白色光芒，並將其稱作「灰光」（Ashen light）。

有些人認為是灰光是金星上的閃電，有些人則認為是紫外線穿透金星大氣時，氧離子游離而輻射出的暗綠色光芒（類似地球上的極光現象），可是沒有人能夠確實拍照紀錄，因此當時普遍認為灰光只是一種視錯覺。時至今日，這些假設也都還沒有確切的科學根據。^[2]

不斷演進的金星探測技術

時間來到 1960 年代，繼水手 2 號（Mariner 2）在 1962 年掠過金星後，金星 4 號（Venera 4） 在 1967 年進入金星大氣層進行分析，結果顯示金星大氣約含有 90-93% 二氧化碳、7% 氮氣，以及少許氧氣和水蒸氣。^[3] 緊接著在 1975 年，金星 9 號（Venera 9）測出表面溫度約 485 °C、雲層厚度約 30–40 公里。除此之外，還拍下金星表面的 180 度全景照片（圖二），是史上第一個將金星照片傳回地球的探測器。^[4]

金星大氣層布滿厚厚的硫酸雲，不僅反射了大約 75% 的陽光，也阻擋了來自金星表面的大部分可見光。因此，科學家決定改用雷達儀器測繪金星表面。1990 年代，麥哲倫（Magellan）多次以雷達測繪金星表面的火山和隕石坑等地貌結構，其清晰程度與可見光測繪不相上下，可說是目前最詳細的金星地圖（圖三）。^[5]

此後，科學家進一步利用近紅外線（NIR）觀測金星背光面，因為近紅外線（波長 0.75–1.5 μm）有利於影像在低光環境下生成，而這個波段恰好也是大氣透明度最高的範圍，可以更清楚地看見金星表面。1998 年，卡西尼號（Cassini）以 0.85 μm 的波段觀測金星，可惜這種方法在技術上難以突破，因為輻射強度會隨著波長變短而迅速下降。直到 2020 年，派克號才終於以更短的波長捕捉到金星表面的輻射。

飛越金星七次的「派克號」

2018 年 8 月，派克號發射升空，飛往太陽（圖四）。為了在這漫長的旅途中節省燃料，派克號總共得進行七次重力輔助飛越（VGA），利用金星的引力逐步修正飛行軌道，最終在 2025 年抵達距離太陽中心 10 個太陽半徑（約 690 萬公里）的地方，進行日冕和太陽風的測量任務。

七次重力輔助飛越（VGA）的時程分別如下^[6]：

• VGA1：2018 年 10 月 3 日
• VGA2：2019 年 12 月 26 日
• VGA3：2020 年 7 月 11 日
• VGA4：2021 年 2 月 20 日
• VGA5：2021 年 10 月 16 日
• VGA6：2023 年 8 月 21 日
• VGA7：2024 年 11 月 6 日

截至目前（2022 年 3 月），派克號順利完成了前 5 次 VGA。在 VGA1 和 VGA2 期間，派克號都沒有任何動作。

後來，科學家認為可以利用其搭載的 WISPR 望遠鏡（Wide-Field Imager for Parker Solar Probe）觀測金星雲層。WISPR 可說是派克號的靈魂之窗，但它並不只是一座望遠鏡，而是兩座寬頻光學望遠鏡—— WISPR-I（Inner）和 WISPR-O（Outer），兩者配備的濾光片都只能讓可見光（波長 0.5–0.8 μm）通過。

於是，在 VGA3 和 VGA4 期間，科學家突發奇想，讓 WISPR 對準金星的向光面和背光面，分別拍下照片，想藉此測量雲的速度。沒想到 WISPR 竟然直接穿透了厚重的雲層，以可見光拍攝到明暗不一的表面，同時達成「以光學望遠鏡觀測金星表面」和「從太空拍攝金星表面的可見光照片」兩項創舉。

這時候，問題來了！WISPR 的最短曝光時間是 2 秒，但金星的向光面太亮了，拍出來的照片張張過曝、過飽和，還產生假影，使得原圖和電腦重組照片有所誤差。為了避免這樣的問題，科學家只好放棄拍攝向光面，改以背光面的照片作為研究材料。

WISPR 拍攝的可見光照片

VGA3 期間拍攝的照片只有兩張可以用，其中一張如下（圖五，黑白部分）。在這張照片長達 18.4 秒的曝光期間，派克號不斷被宇宙塵埃（漂浮在太空中的小顆粒）撞擊，造成隔熱罩上的材料燒毀，留下許多水平方向的刮痕。若是忽略刮痕，可以清楚看到明暗不一致的區域，而造成顏色深淺不一的主要原因就是金星的地形特徵。

藉由比對 WISPR 照片與麥哲倫的雷達地形圖（圖五，彩色部分），科學家得以了解溫度如何隨高度變化。圖中黑色（紅色）部分是金星最大的高地區域，位於阿芙蘿黛蒂高地（Aphrodite Terra）西邊的奧瓦達區（Ovda Regio）——越接近白色的區塊越熱，是低海拔地形；越接近黑色的區塊則越冷，是高海拔地形。

有了 VGA3 的失敗經驗後，VGA4 的照片就沒有出現刮痕了，而且還從不同的角度拍到了金星表面（圖六）。在 VGA3 期間，派克號是從金星後方飛越，因此 WISPR 拍到的是金星的東側邊緣；在 VGA4 期間，派克號則是從金星前方飛越，因此 WISPR 拍到的是金星的西側邊緣——這讓科學家能夠更細微、更全面地觀察金星的背光面。

金星探測的未來展望

雖然金星、地球和火星都是在同一時間形成，現在卻大不相同——火星的大氣層非常稀薄，而金星的大氣層非常厚重。為了解開這個謎團，NASA 和 ESA 在 2021 年 6 月宣布了 3 項全新的金星探測任務，分別是 VERITAS^[7]、DAVINCI^[8] 和 EnVision^[9]。這些任務將進一步探測金星的大氣、地質和其他條件，瞭解這顆星球是否曾經宜居，又是如何演變成現在的樣貌。

• 延伸閱讀：為什麼我們住在地球而不是金星？
• 延伸閱讀：向來為熾熱煉獄的金星居然有酷寒之境
• 延伸閱讀：全球暖化的物理：金星證實，都是二氧化碳惹的禍

至於派克號，不幸的消息是，2021 年 10 月的 VGA5 不利於背光面拍攝，而 2023 年 8 月的 VGA6 也將是如此。如果你也和我一樣想看更多 WISPR 拍攝的可見光照片，就讓我們期待 2024 年 11 月的最後一次飛越（VGA7）吧！

註解

1. Apparent magnitude – Wikipedia
2. Ashen light – Wikipedia
3. Venera 4 – Wikipedia
4. Venera 9 – Wikipedia
5. Magellan (spacecraft) – Wikipedia
6. Parker Solar Probe: The Mission
7. In Depth | Veritas – NASA Solar System Exploration
8. DAVINCI Homepage – Probe and Flyby Mission to Venus Atmosphere
9. EnVision: a mission for understanding planets everywhere

參考資料

• Wood, B. E., Hess, P., Lustig-Yaeger, J., Gallagher, B., Korwan, D., Rich, N., et al. (2021). Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL096302. https://doi.org/10.1029/2021GL096302
• First visible light images of venus’ surface from space captured by parker solar probe
• We finally know why Venus is absolutely radiant
• Galileo’s Phases of Venus and Other Planets
• Venus – NASA Solar System Exploration
• NSSDCA Photo Gallery: Venus
• Atmosphere of Venus – Wikipedia
• List of missions to Venus – Wikipedia
• Parker Solar Probe: Humanity’s First Visit to a Star
• NASA’s New Views of Venus’ Surface From Space

十年前（2011 年）美國國家科學委員會（NRC）發布了一份報告，對於環繞地球的碎片數量發出了警報^[1]。當時根據美國太空總署的估計，碎片已達到「臨界點」，導致在軌道上的碎片，不斷碰撞並產生更多碎片，從而增加了人造衛星故障的風險。十年過去了，繞地球運行的碎片數量越來越多，甚至風險增加得更快；是否太空碎片數量的臨界點正在逼近？沒有人知道答案，但可能很快。

何謂太空碎片？

首先，我們先來談談什麼是太空碎片。

依據美國航空太空總署（NASA）定義，太空碎片泛指不提供有效服務，且繞行地球運行的人造物，如廢棄衛星、留在軌道上的火箭與其零件、大碎片相互碰撞後產生的小碎片，均可為之。而太空碎片最主要來源為火箭殘餘燃料爆炸而產生的碎片。

根據全球最完整追蹤太空碎片的系統——美國太空監視網絡（SSN），所登錄的太空碎片已超過一億個。

衛星送入軌道，依照能量守恆和動量守恆定律，飛行的速度必須達到每秒幾公里，才能繞著地球飛行；因此如果它在軌道上撞到任何太空碎片，比如廢棄衛星撞到一片油漆碎片，即使不是災難性的，也可能造成巨大的損失。

太空碎片造成的災難有多嚴重？

自 1957 年以來，人造衛星和火箭製造了越來越多軌道碎片物體，大小從幾微米到幾米不等。儘管已經達成了一些國際協議，限制碎片的增長速度，各國卻沒有嚴格的計劃來減少現有碎片的數量。

如今越來越多功用的人造衛星被發射進入地球周圍的低軌道，然而其所造成的碎片與衛星數量分佈超過太空碎片容量限制時，則可能發生理論失控的碰撞反應^[2]。

最近，美國太空新聞（Spacenews）報導，非洲的小國家盧安達（Rwanda）向國際電信聯盟（ITU）申請 327,230 顆衛星^[3]，加拿大的開普勒新創公司提出 115,000 顆衛星的超級大型太空網路系統，加上亞馬遜、OneWeb、SpaceX 和 Telesat 等公司已經在積極開發的系統，以及地球靜止軌道上的通訊衛星，這些衛星數量遠遠超過預期需求的容量，達到碰撞臨界點的極限風險；問題是國際電信聯盟沒有執法權，國際電信聯盟對軌道壅塞的規定為零。

2007 年中國反衛星計劃試驗所產生的的碎片擴散，以及 2009 年銥星（Iridium）與俄羅斯 Cosmos 的碰撞，讓人們意識到，並提高了積極管理碎片情況的緊迫性，努力採取緩解方法，並提出了許多減少太空碎片的技術。去年（2021）年底，中國的天宮太空站緊急啟動姿態控制，以規避靠近中的星鏈（Starlink）太空網路衛星潛在的碰撞危機。

「凱斯勒效應」和連鎖反應

美國 NASA 科學家在 1978 年提出凱斯勒效應（Kessler Effect）理論，說明當太空碎片達到或超過容量限制時，由於碎片碰撞而失效的太空船數量將顯著增加。地球軌道上大大小小的物體，數量將變得非常大，它們會不斷相互碰撞，產生更多碎片——最後成為一種被稱為「碰撞級密度」的連鎖反應。緊隨其後，新產生的碎片將呈指數倍增，直到近地太空被各種大小垃圾堵塞。

一旦這樣的衛星碰撞災難發生，整個連鎖反應可能只需要幾天或幾週的時間，最後可能只有幾顆衛星完好無損。

若是繼續毫無限制地增加巨型衛星星系，可能會導致數十年，甚至更長時間的太空活動完全喪失。

太空碎片一旦超過臨界點，造成碰撞災難，無論是太空網路、衛星導航、通訊衛星、地球監控、氣象預報等等，大部分可能都將失去功能。科技帶給人們的便利，以及所建立的文明，將大幅衰減、倒退。

如何解決太空碎片的問題？

若是我們什麼都不做，可能會導致每年 5 兆美元的太空商業收入損失。重新開放太空將花費至少數千億美元，並且可能需要數十年才能實現。若是能想出補救措施，就能確保太空碎片不會帶來災難性的問題，但這就需要一個非常縝密的計劃，涉及幾個新的太空系統和數十億美元的投資。

美國、歐盟、澳洲和日本以及各國的太空機構都意識到太空碎片問題的嚴重性，相繼提出不同的補救措施，包括：建立太空碎片追蹤機制，由觀測站和天文台精確跟蹤、監控太空物體的軌跡，避免現役衛星與大型物體相撞；提出減少計劃，清除太空小碎片物體的數量；跨國協調衛星的太空交通，以維持安全的飛行路徑；在設計人造衛星時，規劃衛星壽命結束前的退場機制，讓衛星降低軌道返回地球，並且在大氣層燒掉。這些方法目前都正在陸續實驗、進行中。

最近有一個例子，在今年 2 月初所發射的星鏈 （Starlink）太空網路衛星，發射時正好受到太陽風暴衝擊，有 40 顆衛星被風暴摧毀，幸好當時這一批衛星有返回地球的機制，能夠重新進入大氣層並燃燒掉，順利地減少了一批太空垃圾。

註解

1. Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
2. Space debris
3. Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
4. Space Debris: Wall-E’s Future is Real

• 文／林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底，美國政府宣布再次延長國際太空站（ISS）的服役年限，讓它繼續運作到 2030 年，續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時，NASA 的「商業近地軌道太空站」（Commercial Leo Destinations, CLD）也正如火如荼地展開，旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室：國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造，ISS 的質量約 450 公噸，大小相當於一座美式足球場，是歷史上最大最重的人造衛星，二十多年來以約 7.6 km/s 的高速，在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人，負責維護太空站的運作，並且在這獨一無二的微重力環境下，進行各式各樣的科學研究。

這樣一個龐然大物，世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造，是一次一個地把艙段發射到軌道上，然後讓它在茫茫太空中，精準地與之前發射的其他艙段對接，像拼樂高一樣，一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年，多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射，才完成 ISS 的建造。

然而，光是「建造」太空站是不夠的，為了維持太空站的運作，太空站上必須要有太空人常駐，因此每隔幾個月，多國團隊就得發射載人任務，把新一批太空人送上太空站，並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時，為確保這些太空人能在太空正常生活，它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船，為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底，已發射了超過 66 批「遠征隊」（expeditions）輪班駐守 ISS，並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後，都要耗費數億美金的火箭發射成本，及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等，這個計畫的規模之宏大可見一斑。

自由市場的力量：商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴，即使是全世界資源最豐富的太空機構：NASA，要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因，在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭（STS）。太空梭不僅操作危險，成本也非常昂貴。面對這種情況，NASA 想到：「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始，培養一批民間太空公司，等它們的成長茁壯之後，就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下，這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來，NASA 省了錢，又培育了國內的航太科技實力，豈不是一舉兩得？

於是，2006 年，NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」（COTS）計畫，讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下，自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑，就可以拿到相當可觀的資助，進行下一階段的開發，由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭，最終由老牌太空公司「軌道科學」（Orbital Science）與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利，取得「商業補給服務」（CRS）合約。時至今日，雙方的「天鵝座」（Cygnus）與「天龍號」（Dragon）系列貨運太空船，仍是補給國際太空站的主力。

有了 CRS 的成功經驗，NASA 決定打鐵趁熱，在 2011 年啟動「商業載人服務」（CCP），讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭，這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而，命途多舛的波音「CST-100 星際航線」（Starliner）太空船頻頻發生問題，至今（2022 年 2 月）仍未成功執行任務。另一邊，SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多，不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS，更將 Crew Dragon 用於太空旅遊，在「靈感 4 號」（Inspiration 4）任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行，並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船，其實有著巨大的商業潛力。

商業近地軌道太空站：打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝，歲月如梭，國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言，太空站的狀態還算良好，但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此，即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年，尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此，NASA 故技重施，啟動了「商業近地軌道太空站」（Commercial Leo Destinations, CLD）計畫。這次不只運貨、載人，而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選，目前有 3 組團隊獲選，它們分別是：

1. Orbital Reef，此為藍色起源（Blue Origin）與內華達太空公司（Sierra Space）、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口，能夠支持 6 名太空人的生活，無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。

2. Starlab，此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）組成的聯合團隊提出的方案，特色是使用了一個巨大的充氣式艙段，讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道，不需要多次發射再對接。

3. 第三個是諾斯洛普．格魯曼提出的太空站計畫，不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案，諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險，避免計畫延宕，但就顯得缺乏亮點，商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後，當廠商們的技術發展成熟（預計是在 2025 年以後），NASA 就會從指導者變成客戶，付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外，還有另一組人馬——Axiom Space，也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家，Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約，而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利，應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶，是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷，這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是，得益於 15 年來商業太空領域的高速發展，民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船，乃至於太空站的開發與運營技術，讓太空不再是政府機關的專利，也讓 ISS 不怕後繼無人。

隨著資源與人力的不斷投入，一個生機勃勃的近地軌道經濟圈，也許並沒有我們想像的那麼遙遠！

參考資料與延伸閱讀

• Biden-Harris Administration Extends Space Station Operations Through 2030
• Spacewalkers Complete Multi-Year Station Battery Upgrades | NASA
• International Space Station Facts and Figures | NASA
• Visiting Vehicle Launches, Arrivals and Departures | NASA
• NASA Selects Companies to Develop Commercial Destinations in Space | NASA
• Commercial LEO Destinations (CLD) | NASA
• Three Winners for Commercial LEO Destinations Awards – SpacePolicyOnline.com
• How 20 Years of Life On The ISS Began With Expedition One
• The Story of How NASA Went From Space Shuttles To SpaceX & Commercial Rockets
• Every Spacecraft Which Has Visited The Space Station
• NASA & Axiom Space Designing Commercial Expansion Of Space Station
• Axiom Commercial Space Station（內有已建成的艙段零件照片）
• 輕鬆認識太空運載火箭
• 【貨運太空船系列】COTS 與 CRS
• 太空站故障 NASA 緊急進行太空漫步