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研究人員發現將反物質拋擲進入太空的雷暴

peregrine
・2011/01/28 ・1576字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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原文網址
翻譯:
peregrine,轉載自PEREGRINE科學點滴

圖片來源:NASA

利用美國航太總署之費米γ-射線太空望遠鏡(NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope)的科學家們業已發現,於地球雷暴(thunderstorms)上方產生的反物質束。這是先前未曾被發現的現象。

科學家們認為,此些反物質粒子是在陸地的γ-射線閃光(terrestrial gamma-ray flash:TGF)中形成的。陸地的γ-射線閃光是雷暴中產生的短暫爆叢(burst),且經證實與閃電有所關聯。據估,全世界每天約發生500次TGFs,不過多數未被發現。

美國阿拉巴馬州亨茨維爾市阿拉巴馬大學費米γ-射線太空望遠鏡的γ-射線爆叢監測器團隊(Fermi`s Gamma-ray Burst Monitor team at the University of Alabama in Huntsville)成員Michael Briggs宣稱:「此些表徵是雷暴產生反物質粒子束的首度直接證據。」2011年1月10日星期一,Briggs在美國天文學會(the American Astronomical Society)於西雅圖市的年會簡報中,提出了該項研究發現。

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費米γ-射線太空望遠鏡旨在監測γ射線(光的最高能形態)。當擊中費米γ-射線太空望遠鏡的反物質與正常物質的粒子碰撞時,這兩種粒子立即被湮滅轉變成γ射線。目前,該γ-射線爆叢監測器業已偵測到具有51萬1千電子伏特能量的γ射線,這是顯示電子已經與其反物質對應物(正電子)發生碰撞的表徵。

雖然費米γ-射線太空望遠鏡的γ-射線爆叢監測器旨在觀測宇宙中的高能事件。不過也提供了上述奇特現象的重要洞察力。γ-射線爆叢監測器不斷地監測整個蒼穹及地球上空。打從2008年費米γ-射線太空望遠鏡發射升空以來,該γ-射線爆叢監測器團隊業已確認了130次TGFs。

位於華盛頓市之美國航太總署總部的費米γ-射線太空望遠鏡計劃科學家Ilana Harrus宣稱:「於軌道中運行不到3年,費米γ-射線太空望遠鏡的任務業已證實,這是十分令人訝異的宇宙探索工具。目前他們得知,該工具能發現極接近地球的諸多神秘事物。」

就多數被觀測到的TGFs而言,該航天器(spacecraft)是直接處於雷暴上方,不過於四次事例中,雷暴是遠離費米γ-射線太空望遠鏡的。此外,被全球監測網偵測到之產生閃電的無線電信號(radio signals)顯示,那時僅有的閃電是在數百餘英里之外。在發生於2009年12月14日的一次TGF期間,費米γ-射線太空望遠鏡是處於埃及(Egypt)上空。不過,該劇烈雷暴是在南方約2800英里處的尚比亞(Zambia)。該遙遠雷暴是在費米γ-射線太空望遠鏡的視域(horizon)以下方,因而其產生的任何γ射線不可能被偵測到。

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美國佛羅里達州墨爾本市佛羅里達工學院(the Florida Institute of Technology in Melbourne, Fla.)的Joseph Dwyer宣稱:「儘管費米γ-射線太空望遠鏡無法察覺此雷暴,該航天器與此次雷暴仍然靠磁性作用被聯繫在一起。因為,該TGF產生了電子及正電子,而後此些粒子拱起了襲擊該航天器的地球磁場。」

射束不斷通過費米γ-射線太空望遠鏡,在到達被通稱為鏡點(mirror point)的位置時,其行進方向被逆轉,而後撞擊上該航天器。每次,射束中的正電子與該航天器中的電子產生碰撞。此些粒子互相湮滅,從而發出被費米γ-射線太空望遠鏡之γ-射線爆叢監測器偵測到的γ射線。

長久以來,科學家們懷疑TGFs起源於靠近雷暴頂端的強大電場。他們表示,在適當的諸多條件下,電場變強到足以驅動向上雪崩(avalanche)的電子。此些達到近乎光速的高能電子,因空氣分子而偏移時,發出γ射線。通常,此些γ射線以TGF的方式被偵測到。

不過,此些級聯的電子(cascading electrons)產生很多γ射線,以至於徹底地將電子及正電子轟擊出大氣層。這發生於γ射線的能量轉變成電子及正電子的粒子對時。而到達費米γ-射線太空望遠鏡之軌道的就是此些粒子。

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正電子的發現證實,很多高能粒子從大氣層被逐出。其實,目前科學家們認為,所有TGFs皆發出電子與正電子束。《地球物理研究記事》(Geophysical Research Letters)期刊已同意刊出有關此研究發現的論文。

杜克大學(Duke University)的Steven Cummer宣稱:「費米γ-射線太空望遠鏡的研究結果,使人們更接近瞭解TGFs如何起作用。不過,人們仍需理解有關此些雷暴,有何特殊地方及閃電於此些過程中的確切角色。」

費米γ-射線太空望遠鏡是美國航太總署與美國能源部合作研發之研究天體物理及粒子物理的工具。該望遠鏡是由美國航太總署位於馬里蘭州綠地市的戈達德太空飛行中心(NASA’s Goddard space Flight Center in Greenbelt, Md)進行操縱管理。

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peregrine
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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歐幾里得望遠鏡開工——目標是尋找暗物質證據!一起從科學家的角度欣賞這片夢幻光景!
PanSci_96
・2024/01/27 ・6276字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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14 億歐元天文望遠鏡拍出的照片,你看過了嗎?你看到現在這些照片,揭開了宇宙過去與現在、空間與時間所交織的祕密嗎?

今年 11 月 7 日,位在 L2 拉格朗日點的歐幾里得望遠鏡,終於傳回來它升空後的第一批照片。這 5 張照片不只展示了望遠鏡的強大性能,更讓我們窺見過去無法看到的,宇宙深處的幽美與奧秘。就讓我們一起透過這些獨特的照片,來一場探索宇宙的奇異之旅吧!

歐幾里得望遠鏡有什麼厲害之處?

今年 7 月 1 號升空的歐幾里得望遠鏡,任務是觀察宇宙大尺度結構,來研究暗物質與暗能量在宇宙中的分布與性質,讓我們進一步了解自己身處的這個宇宙。

去年七月,接棒哈伯望遠鏡任務的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡,傳回來了升空後的第一批相片,每張照片都美的震撼人心,也帶著我們從全新的視角,眺望遙遠的系外行星、恆星、星雲與早期宇宙。當時,我們製作了一集節目,和大家分享這批照片背後的重要意義。我們也提到,每個望遠鏡在完成校準以後,都會發布一批「開光照」,向外界傳達望遠鏡已經可以順利運作的好消息,同時也讓大家了解這台新望遠鏡身上,背負了哪些重要的使命與任務。

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而這次,新升空的歐幾里得望遠鏡也終於完成校正,傳回來不同於韋伯望遠鏡,從另一個視角看宇宙的開光照。先讓我們來了解一下歐幾里得望遠鏡。它的觀測波段是可見光到近紅外線波段,目標是觀測大範圍、不同遠近的宇宙天體。預計在 6 年的服役期間,建立完整清晰的宇宙 3D 立體圖像。只是,剛退役的哈伯太空望遠鏡,主要任務就是可見光波段的研究,去年剛任務正式開始的韋伯太空望遠鏡,則是紅外線波段的佼佼者。那歐幾里得望遠鏡有什麼突破之處嗎?這座花費 14 億歐元的望遠鏡當然有它獨到之處,它強大的地方在於,可以在更短時間內獲得更高解析度的照片,同時拍攝更大範圍的宇宙。比如哈伯太空望遠鏡需要好幾天觀測的天體,歐幾里得望遠鏡一個小時就可以搞定,而且解析度更高。

歐幾里得太空望遠鏡。圖/wikimedia

其實看它們的任務目標就能很快理解,現在在天空上的韋伯和歐幾里得,雖然有部分任務重疊。但韋伯更著重在尋找系外行星與觀察星系、恆星系統的演化。歐幾里得呢,則是將視野放大到整個宇宙,希望了解暗物質、暗能量在整個宇宙間扮演的角色。所以比起韋伯太空望遠鏡著重在拍攝小範圍、高解析度的天體照片,歐幾里得望遠鏡一開始的設計,就是要在短時間內掃描更大片的宇宙。因此,歐幾里得望遠鏡也確實成為建立宇宙 3D 立體圖像的最佳望遠鏡,定期的大範圍掃描天空,讓我們能一窺宇宙隨時間的演化動態。

那麼,就讓我們來欣賞歐幾里得望遠鏡的第一批照片吧!

歐幾里得望遠鏡第一批照片公開!

第一張照片,像是在宇宙這張巨大的黑布上,撒下大小珍珠。它是一張距離地球 2.4 億光年,英仙座星系團的影像照。

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宇宙中有許多星系團,英仙座星系團就是其中之一,裡面包含超過 1000 個星系,是宇宙中最大的結構之一。除此之外,這張照片不僅清楚拍下了星系團,如果將照片放大來看,還會發現背景中有許多過去難以看到的星系,數量超過 10 萬個,最遠的甚至達 100 億光年。為什麼第一批照片要選擇拍攝星系團呢?因為研究星系團能幫助我們了解宇宙大尺度結構,進一步推算暗物質與暗能量的比例。

宇宙中的星系分佈其實是不均勻的,有些地方有許多星系,有些區域則幾乎沒有。整個宇宙中天體的分布看起來就像是一張巨網。可是,為什麼宇宙的大尺度結構是網狀的呢?天文學家認為宇宙大爆炸之後,物質在宇宙中的分佈會有些微的不均勻。當宇宙逐漸冷卻,氣體物質密度較高的地方會因為重力吸引而塌縮。但因為溫度很高,高溫產生的巨大壓力又讓氣體團反彈回來,就像擠壓一個壓力球一樣。來回震盪的過程中氣體會像聲波朝四面八方傳遞出去,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。最後整個宇宙就像下毛毛雨時的池塘,形成由許多漣漪交織的網狀結構,波腹的地方氣體密度較高,變成星系高度聚集的區域,我們稱為星系團。其他地方氣體密度低,形成的星系數量較少,就像是宇宙間的孔洞。

而根據宇宙學家計算,要形成星系團、宇宙網(cosmic web)這類的宇宙大尺度結構,只靠已知物質提供的重力是不夠的,很可能還有許多我們還不了解的物質參與其中,也就是暗物質。這張照片不僅能幫助科學家研究宇宙大尺度結構,更彰顯歐幾里得望遠鏡的重要任務之一,就是幫助科學家深入了解暗物質的分佈與本質。

第二張照片是螺旋星系 IC342,離地球只有 1100 萬光年,算是離地球很近的星系,但由於它被明亮的銀河系盤面擋住了,觀測的難度非常高。歐幾里得望遠鏡利用近紅外線儀器穿透塵埃進行觀察,並移除許多銀河系中的恆星光芒,最後才形成這張極高解析度的照片,展現了它觀測隱藏星系的實力。

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IC342。圖/Judy Schmidt

這個螺旋星系在天空中的大小相當於一個滿月那麼大,要一次觀測這樣大範圍的天空,同時保有超高解析度,目前只有歐幾里得望遠鏡才辦得到。由於螺旋星系 IC342 和銀河系很像,觀察它的演化有助於科學家理解銀河系的形成過程。未來歐幾里得望遠鏡也會觀測更多隱藏星系和遙遠的天體,繪製出它們的 3D 分佈圖。

第三張照片是不規則星系 NGC 6822。雖然跟 IC342、銀河系一樣也是星系,但形狀不是螺旋而是不規則的。

透過光譜分析,我們知道這個星系中的重元素含量很低。重元素是透過大質量恆星核融合所產生的,重元素含量少表示星系裡的恆星才剛形成,也就是一個很早期、相對年輕的星系。科學家認為,在宇宙早期星系剛開始演化時,大部分的星系就長得像這樣,質量小、形狀也不太規則。之後這些小星系會因為重力吸引其他星系,彼此相撞、融合成更大的星系,逐漸產生旋轉的結構,形成像銀河系這樣的大質量螺旋星系。所以藉由觀測這些早期星系,可以幫助科學家了解星系的形成過程。

另外,照片中一顆顆藍色的圓形區域,是球狀星團。球狀星團中的星星都是由同一團氣體產生,是宇宙最早形成的天體之一,有些甚至比星系本身還早。透過觀測這些球狀星團的運動,能協助我們更了解這個星系的形成史。

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球狀星團大部分分佈在星系的外圍,以很慢的速度繞行星系,可能要好幾年才能觀察到要它們的運動。那科學家要怎麼知道這些星團是如何移動的呢?凡走過必留下痕跡,其中一種方式就是觀察到它們與星系本身互動所留下的痕跡。在歐幾里得望遠鏡傳回來的第四張照片中,就呈現了這些細節。第四張照片是球狀星團 NGC 6397,一個繞行銀河系的球狀星團。

當星團經過星系中的高密度區域,比如暗物質集中區、旋臂或星系盤面,星團中的星星會受到不同強度的重力吸引,使得星星彼此遠離,這個力量稱為潮汐力。顧名思義與潮汐的產生是相同的原理,由於地球各處受到太陽與月亮的重力總和不相同,在重力較強的地方海水受拉伸而漲潮,重力較弱的地方就會退潮。同樣道理,球狀星團在靠近星系中心的一側受重力較強,遠離星系的一側則較弱,球狀星團因而被拉伸,形成一條由星星組成的尾巴,稱為潮汐尾。

透過觀測潮汐尾,就可以了解球狀星團,乃至星系的演化過程。如果沒有潮汐尾,也可能代表有暗物質暈阻止外層恆星逃脫,能幫助我們進一步了解暗物質在星系當中的分佈。但要瞭解潮汐尾的形成過程,必須有星團中每顆星星的移動資料,也就是需要同時進行大範圍、短時間、高精度的觀測。而歐幾里得望遠鏡的優勢此時就能充分發揮,它可以一次拍攝整個球狀星團,而且只須一小時就可以得到這張高解析度的照片,連裡面的很暗的星星也看的一清二楚。只要每隔一段時間拍攝一張照片,就可以製作成動畫,了解星團中星體的運動軌跡。

最後,我們來介紹最後一張照片。它看起來最為夢幻,猶如一張宇宙中以繁星點綴的絲綢。它是距離地球約 1375 光年的馬頭星雲,也是離我們最近,正在形成新生恆星的區域。在星雲的上方(照片之外),有一顆明亮的恆星:獵戶座 sigma 星,這顆星輻射出的紫外光激發了位在馬頭後方的星雲,形成明亮、宛若薄紗的區域。組成馬頭的暗星雲氣體則因為溫度較低,只有些微的熱輻射,形成較為黯淡的前景,並稍微遮掩背後的明亮星雲。前後星雲層層堆疊,就像一幅宇宙給我們的水彩畫。更進一步,藉由歐幾里得望遠鏡高解析度的照片,科學家得以從中看到更多類木星、棕矮星、嬰兒恆星等,協助科學家了解星雲中的恆星形成過程。

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圖/wikimedia

對了,在我們介紹韋伯望遠鏡時有提到過,這些宇宙照通常不是它可見光波段下,真正我們肉眼所見的樣貌。而是選定特定波長後透過顏色校正,甚至將不同波段的照片疊合,才得到的結果。也就是說,選則不同的電磁波波段,或是採取不同的調色方式,得到的照片都會有不同風味。

所以如果你覺得這張淡麗的馬頭星雲不滿意,也有這張,特別強化氫元素的紅色光譜與氧元素藍色光譜後,成為一張猶如滅世風格,帶有點詭譎濾鏡的另一種美照,是不是跟剛才的氛圍完全不一樣呢?

馬頭星雲。圖/wikimedia

順帶一提,對我來說,一樣是星雲照片,韋伯望遠鏡校色出來的照片還是覺得比較好看。例如之前介紹過的,韋伯望遠鏡開光照之一的船底座星雲。還有原本是望遠鏡大前輩哈伯代表作,後來韋伯又重新翻拍的創世之柱,都更令人讚嘆不已,對比與彩度都高上許多,給人一種正在仰望廣闊宇宙的壯烈感。

韋伯望遠鏡所拍攝的船底座星雲。圖/wikimedia
創生之柱,左哈伯、右韋伯。圖/PanSci YouTube

我們更了解這個宇宙了嗎?

我們對於宇宙的瞭解還太少,目前宇宙中的已知物質,包括元素週期表上的所有原子,根據計算只佔宇宙質能的 5%,剩下的估計都是暗物質與和能量。

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但宇宙的奧秘就像一張複雜的拼圖,每拼上一小塊,都會給我們一些線索,猜測周圍的拼圖可能會是什麼。當拼的夠多,我們終有一天能得知宇宙整體的圖畫長什麼樣貌。恆星形成、星系演化方式、暗物質、暗能量等等,都各自是一塊塊重要的拼圖,唯有了解它們才能逐步得知暗物質與暗能量的奧秘。

舉例來說,暗物質所提供的重力在星系形成中扮演重要角色,目前最被科學界接受的冷暗物質(cold dark matter)模型,假設暗物質是由質量很大的粒子所組成,透過重力吸引聚集成許多小塊,小塊暗物質再彼此融合成更大的暗物質團塊,質量足夠大的團塊就可以吸引夠多的氣體,形成早期星系,之後再彼此融合成為更大的螺旋或橢圓星系。但透過數值模擬,科學家發現這個模型有些問題。理論上來說應該要有數百到數千個小衛星星系,繞行像銀河系這麼大的螺旋星系旋轉。但是天文學家實際上只觀測到約十個小星系繞行銀河系,這是著名的衛星遺失問題(Missing satellite problem)。

因此科學家又提出更多暗物質模型,比如與冷暗物質相對的熱暗物質(warm dark matter)模型,可以透過熱運動所產生的壓力抵銷重力,使得小暗物質團塊變得不穩定,從而解釋為何小星系的數量這麼少。除了熱暗物質以外,還有眾多的暗物質模型。但要證明哪個模型是正確的,就需要更多觀測數據與星系演化的模擬結果進行比較,才能得到答案。

不過看過歐幾里得望遠鏡傳回來的第一批照片,並了解其中代表的重要意義,就能充分感受到我們離解開這個謎團又更近了一步。還沒完,預計於 2027 年升空的羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope),與歐幾里得望遠鏡相同,都肩負研究暗能量與暗物質的重要任務。兩座望遠鏡將一同一個從可見光,一個從紅外線波段觀察大範圍宇宙,期待能為科學家帶來寶貴的數據,解開這盤旋好幾十年的謎團。

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最後問問大家,在這批照片中,你最喜歡的是哪一張呢?

  1. 英仙座星系團,大尺度的宇宙圖像,原來長這樣。
  2. 螺旋星系 IC342,我們的鄰居竟然這麼漂亮,這麼具有螺旋力。
  3. 馬頭星雲,有層次感的星雲照,真的令人目不暇給。
  4. 更多你喜歡的照片,或希望我們來介紹的天文照片,分享給我們吧!

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參考資料

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太陽系如何形成、如何演化?就讓「靈神星」來解答!
EASY天文地科小站_96
・2023/04/12 ・2962字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/黃子權|掉入岩石堆中的研究生,現就讀台大地質所
  • 文/林彥興|現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

M 型小行星與行星的誕生

了解太陽系的形成歷史與演化,是行星科學最重要的使命之一。然而,身在太陽系形成後 46 億年的我們所看到的行星,都是經過漫長演化後的結果。它們的表面特性、內部結構,早已與剛形成時大相逕庭。

因此,想要研究太陽系的形成與演化,小行星是相當重要的目標。由於小行星質量小、冷卻快,更不會有複雜的風化和地質運動,因此它們從太陽系形成之初到現在都沒有什麼改變,就像活化石一般。而過去幾十年,人類也確實對小行星進行了廣泛而詳細的研究,比如拍攝照片計算它們的軌道,用光譜分析化學組成,甚至派遣太空船(如 JAXA 的隼鳥一號、隼鳥二號、NASA 的 OSIRIS-REx)直接前往小行星,將樣本採回地球分析。

而在太陽系目前已知的一百多萬顆小行星中,有一個相當特殊的族群,它們大多具有較大的密度和較高的雷達反照率,同時在光譜上缺乏特徵。基於上述特點,科學家們認為它們的組成中有含有不少金屬,因此稱之為 M 型小行星。

根據目前天文學家對行星形成的理解,原行星盤(protoplanetary disk)中的金屬元素分布理應相當分散,因此能夠自然產生元素分異並聚集大量金屬的地方,只有足夠大、足夠熱的原行星(protoplanet)的行星核。所以傳統上,M 型小行星被視為受到撞擊後裸露的行星核,同時也是鐵隕石的來源之一。但截至目前,仍未有探測器直接造訪 M 型小行星,確認這個假說是否正確。

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近期,新的觀測資料更顯示,某些 M 型小行星似乎比人們預想的還輕,各種特徵也和人們對行星核的認知不盡相同(例如,在表面觀測到含水礦物的訊號)。這表示傳統的行星形成與演化模型,也許不盡正確。換個角度看,這也代表對 M 型小行星的研究,也許將能幫助我們揭開行星演化理論中的盲區。

M 型小行星是由什麼構成的?它們的演化歷史又是如何?苦於距離遙遠,過去人們對這些問題往往只能止於粗略的推測。但隨著靈神星號任務逐漸上軌,我們離解答這些問題(的一部分)只有一步之遙了。

靈神星號探測器。圖/NASA/JPL-Caltech/ASU

靈神星探索任務

靈神星探索任務(Psyche)是 NASA 發現計畫(Discovery Program)的一部分。發現計畫始於 1989 年,每隔幾年就會向全美國徵求任務提案,經過重重篩選後,最具有科學價值且最可行的團隊,就可以獲得 NASA 提供的經費,將他們的構想付諸實行。從 1996 年的 NEAR 任務開始,發現計畫已經為十幾個重要的太陽系探索任務提供機會,包含近期因太陽能板發電量降低而終止的火星「洞察號(InSight)」任務。2014 年,第 13、14 次發現計畫徵選開始,最後脫穎而出的其中一個計畫,正是靈神星探索任務。

而計畫要觀測的目標靈神星(16 Psyche)於 1852 年被義大利天文學家加斯帕里斯(Annibale de Gasparis)發現,並以希臘神話中靈魂之神「賽姬」命名。祂是第 16 個被發現的小行星,雖然不是最大的小行星(平均寬度約 220 公里)但卻是目前已知小行星中第 10 重的,其質量佔小行星帶總質量的 1%。根據估算,靈神星的密度大約為 3.9 g/cm3,遠低於鐵鎳隕石的 7.9 g/cm3,因此靈神星不太可能真的完全由金屬構成,比較可能是類似石鐵隕石那樣,由金屬與岩石共同組成。

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科學家對靈神星的想像。圖/ NASA/JPL

作為發現計畫的一員,靈神星計畫切實地反映了該系列任務的宗旨:便宜、快速的解答重要的疑問。M 型小行星是行星形成與演化中相當重要的一片拼圖,而靈神星又是體積最大的 M 型小行星,其重要性不言而喻。對靈神星的探測,勢必能更加推進人們對行星演化的認知。

靈神星號的科學目標及預期解答的問題為:

  1. 靈神星是行星核還是未熔結物質?
  2. 靈神星表面的相對年齡為何?
  3. 小型金屬天體是否含有和高壓地核同比例的輕金屬?
  4. 靈神星形成環境的氧化還原性?
  5. 靈神星地表及撞擊坑特徵?

為了達到這些目標,靈神星號上搭載了以下儀器:

  • 多光譜成像儀 (Multispectral Imager)
  • 伽馬射線/中子光譜儀 (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer, GRNS)
  • 通量閘磁強計 (Fluxgate Magnetometer)
  • X頻無線電實驗 (Radio Science (X-band))

整體而言,靈神星號的載酬相當簡要,科研儀器加總起來只占約 30 公斤,且每項儀器都是經過「實戰」驗證過的:多光譜成像儀來自火星好奇號探測車,GRNS 來自水星的信使號任務、磁強計參與了洞察號任務、X 頻無線電實驗(利用通訊時訊號的都卜勒效應測量重力強度變化)更是有多項成功紀錄。使用這些驗證過的儀器不僅能減少任務風險,同時能省下不少研發經費,提高任務的 CP 值。另外,靈神星號同時也會為深空網路(Deep Space Network, DSN)測試全新的「深空光學通訊(Deep Space Optical Communication, DSOC)」系統,利用雷射作為資料載體進行傳輸,科學家估計 DSOC 的資料傳輸速度,將比過去使用無線電的 DSN 快 10 到 100 倍。

靈神星號各項儀器位置圖。圖/修改自NASA/JPL-Caltech/ASU
靈神星號的伽馬射線光譜儀及中子光譜儀。圖/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

另外,隨著科技進步,太空探索不再是國家機構的天下,各種商業公司紛紛加入了衛星製造的行列。因此重視任務 CP 值的靈神星號,從設計初期,科學家們便決定向商業公司尋求成熟、有發射紀錄且搭載了離子推進系統的衛星載具。最終他們選定了 Maxar 旗下的 Space Systems/Loral(SSL)公司的 1300 系列框架作為靈神星號的主體,並由噴氣推進實驗室(JPL)整合飛行系統(包含指令及資料處理系統)。靈神星號的推進系統是一具 SPT-140 霍爾效應推進器(Hall effect thruster),藉由游離氙氣並透過磁場將其加速噴出以獲得推力。搭配發電量達 20 千瓦的太陽能板及 922 公斤的氙氣,足夠支持靈神星號走完將近六年的航程。

抵達靈神星後,探測器將嵌入軌道開始環繞靈神星。科學家為靈神星號安排了四個逐漸降低的軌道(A 到 D),每個軌道都有各自主要的研究目標:

  1. 最高也是最初始的軌道 A 半徑約 700 公里,靈神新號將會在這裡測量靈神星的磁場。
  2. 56 天後,探測器將降至軌道 B(半徑 290 公里)並且開始對靈神星的地貌進行調查。
  3. 76 天後,靈神星將下降至半徑 170 公里的軌道 C,這是最小的穩定繞極軌道,同時也是最適合用來探測靈神星重力場的高度。
  4. 100 天後靈神星號將會降至最後、最低的軌道 D,軌道半徑僅 85 公里,在這探測器將利用 GRNS 調查靈神星表面的元素分布。
靈神星號任務示意圖。圖/修改自 NASA/JPL-Caltech

靈神星號原訂的發射日期為 2022 年 9 月。然而在飛行前的測試中,任務團隊發現飛行軟體異常,導致它錯過了 2022 年的發射窗口。經過幾個月的調查和調整,目前 NASA 公布的下個發射窗口為 2023 年 10 月 10 日以後,屆時靈神星號將會搭乘 SpaceX 的獵鷹重型火箭進入太空,就讓我們好好期待靈神星號傳回來的各種資料吧!

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