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ARRC試射小火箭 「80%成功!」

劉珈均
・2015/04/20 ・2504字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

DSC_5786(by游允赫)
APPL-9β發射瞬間。圖/游允赫提供。

交大、北科大、成大、屏科大四校組成的自製火箭研究團隊「前瞻火箭研究中心」(Advanced Rocket Research Center,以下簡稱ARRC)18日下午於香山濕地試射雙節火箭「APPL-9β」,主要為接下來的大型探空火箭「HTTP-3」測試脫節與空中點火功能。火箭飛向天際並完整回收,只可惜火箭未如預期中脫節。ARRC主任、交大機械系教授吳宗信形容這是「80%的成功」,待團隊討論再決定是否再次飛試。(文末新增後記,ARRC於2016年1月底再次飛試,終於脫節成功!)

目前釋出的短版官方影片,此次飛行最大高度約360公尺:

發射現場

火箭會逆風飛行,風向和風速是判斷發射點要離岸多遠、火箭發射角度的重要因素,那天下午天氣陰涼,風向大致由外海往岸上吹,但風不大,算是個好天氣。採蚵車載著火箭,交大成員穿著雨鞋、扛著發射架,走入遍佈蚵殼、小螃蟹的泥濘濕地到離岸約一公里處。

發射前的作業流程繁瑣而嚴謹,現場總指揮賴冠融依照近40道程序的SOP發布指令,每道指令都有對應的負責成員,完成一個指令後回報再進行下一個。成員們為火箭上架、接上「臍帶」(連接火箭與發射架,接收點火指令的電線)、灌氣、確認兩個地面站接收訊號的狀態、為航電上電等,整套流程耗時約1.5小時。

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成員正在為航電系統接上電源。攝影/劉珈均。

倒數一分鐘

全員撤退到發射架後方幾十公尺處,對講機關閉,開始倒數一分鐘。就在這時,吳宗信眼尖看到濕地遠處有一個人正往發射架點方向靠近!賴冠融用大聲公呼叫負責點火的成員魏世昕緊急暫停,並對那位遠方的老伯大聲喊叫:「阿伯!不要移動!我們正在發射火箭!」「他聽嘸啦!講台語啦!」「嘜振動(tín-tāng,閩南語移動之意)!」一陣忙亂後,那位老伯會意過來,小插曲有驚無險的落幕,火箭也恢復倒數。

火箭冒出白煙,隨即飛嘯而上沒入雲端,火箭上天後的飛行姿態、航電是否正常運作、資料傳輸狀況等才是真正的重點。大家仰望天空,老師們叨念著火箭似乎沒脫節,接著三頂降落傘帶著火箭緩速從空中落下,現場氛圍又轉為興奮,「第一次看到這麼漂亮的降落傘!」吳宗信笑著說:「這是80%成功!」

DSC_5787(by游允赫)
火箭衝向天際。圖/游允赫提供。
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降落傘成功全開,帶著火箭緩速落下。攝影/劉珈均。
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幾個成員辛苦跋涉過濕地,把火箭撿回來。攝影/劉珈均。
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ARRC撿回火箭後在一旁的竹筏休息,一邊推敲第一節沒脫節的原因,一邊等採蚵車前來運載火箭。攝影/劉珈均。

始作俑者是兩顆螺栓

APPL-9β主要任務為測試脫節與空中點火的設計,這也是團隊接下來的大型雙節火箭HTTP-3的重點。成員魏世昕和賴冠融解釋,火箭的加速度規會偵測火箭由高速至減速的重力變化(類似搭電梯上升時,電梯停止前一刻的感受),當第一節推力漸失,便會發指令讓火箭脫節,第二節偵測到脫節訊號後就會啟動點火。

成員們將火箭搬回交大後還顧不得休息,隨即在實驗室拆解火箭,尋找脫節失敗的原因。扣連第一節和第二節火箭的金屬環有兩顆「爆炸螺栓」,螺栓內部空腔含有火藥和點火裝置,點燃火藥、螺栓斷開便能使固定的物體分離。

APPL-9β有發出點火指令、也引燃了螺栓中的黑色火藥,但螺栓只微微鼓起,沒有斷開,導致火箭沒有脫節,而基於安全,團隊設計第二節火箭沒偵測到脫節訊號便不會點火、開閥。「地面測試時明明都OK!現在居然兩根同時出問題。」

first stage
藍色框線處為預設在空中脫離的第一節火箭。攝影/劉珈均。
IMG_2095
這兩顆爆炸螺栓是火箭沒脫節的始作俑者。攝影/劉珈均。

過去十幾架APPL火箭只有APPL-2是雙節設計,但APPL-2設計簡單:一二節皆為固態火箭;第二節往內縮套入第一節再固定;點火時間事先分別設定好,時間到了自動點火。魏世昕說:「不過當時第二節太慢點火了,火箭飛得很水平,可能直接飛到海上了吧。」

APPL-9β小檔案

APPL-9β為雙節火箭,直徑15公分,2.7公尺長,重約23公斤。火箭第一節為固態糖燃料,第二節為混合式推進器(以N2O一氧化二氮作為氧化劑,塑膠PE為燃料)。火箭搭載中央大學張起維老師團隊製作的罐頭衛星,量測高度與溫度、衛星電力續航,蒐集日後設計將衛星彈射出火箭的資料。

火箭外殼是以PLA材料3D列印而成,需要較大強度的地方(如鼻錐)結合玻璃纖維。成員周子豪說,3D列印好處是可以節省「奇形怪狀」切割的加工時間,「孔洞也可以直接印出來,裁切玻纖比較麻煩。」

APPL-9β前身為一月在香山濕地試射的APPL-9,當時火箭脫離發射架前就迸裂分解。賴冠融說,上次「失事」原因推估為燃料配方與結構設計沒配合好,他們換過糖與硝酸鉀的來源,但延續舊參數設計APPL-9,新配方燃燒速率較快,高溫又助長整個反應,壓力容器承受不住就爆開了。

後記:

ARRC於2016年1月31日試射2.7公尺長的「APPL-9C」,火箭順利脫節,飛試相當成功。ARRC正如火如荼準備大型雙節火箭試射,APPL-9這系列小火箭主要就為了測試日後大火箭會用到的系統,特別是如何脫節──火箭一邊飛行,一邊拋棄不再必要的部分以減輕重量,讓火箭飛得更高。這相當考驗團隊技術,ARRC足足用了三支小火箭,脫節設計才成功運作(第一支爆炸、第二支脫節不成)。

 

回顧第一支APPL-9縮時與發射影片:

APPL火箭名字取自交大成員所屬的機械所實驗室縮寫,過去APPL系列以糖精和硝酸鉀,加上少許氧化鐵反應作為火箭動力,又暱稱為「蔗糖火箭(Sugar Rocket)」。APPL火箭主要由交大成員製作,目的不在於飛高(設計的飛行高度不超過一公里),而是作為日後大型火箭HTTP設備與次系統的事前測試,算是大火箭的小型測試版。

延伸閱讀:

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

Tiger Hsiao_96
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現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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活躍黑洞的炙熱遺跡:費米泡泡
EASY天文地科小站_96
・2022/04/29 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者: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
圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team.

你看過銀河嗎?

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上,將會看到天上有一條淡淡的、若有似無的亮帶,好像一條薄薄的雲橫跨夜空,它正是我們所居住的星系 ── 銀河系(Milky Way)的盤面。在數位相機的加持之下,我們還能看到這薄薄的盤面上,其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶,複雜、深邃而美麗。

美麗的銀河。圖/陳子翔(CC BY-NC-ND 4.0)拍攝於清境。

但如果,你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛,你將看到兩個視角高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形「泡泡」,矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡 Fermi Bubbles」,是銀河系中巨大且神祕的結構之一。

費米泡泡的起源,以及存在的意義,一直是過去十多年來,天文學家相當關注的研究主題。

費米泡泡示意圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center

最近(2022 年 3 月),一篇刊登於《自然天文學》(Nature Astronomy)的研究顯示,壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前,銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。

費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞,腦海中浮現的第一個問題往往是:

「費米是誰?這個泡泡跟他有什麼關係?」

在物理界,恩里科.費米(Enrico Fermi)這個名字可謂家喻戶曉。他是 20 世紀初最重要的物理學家之一,曾參與曼哈頓計畫,設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈;並且在量子力學、核子物理、粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念、研究計畫不計其數。這之中,就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

費米太空望遠鏡。圖/NASA

正如其名,費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡,它於 2008 年發射升空,是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們,費米擁有更大的視野、更高的靈敏度和空間解析度,可以看得更廣、更暗、更清楚。

它的主要任務,是不斷的掃視整片天空,繪製伽瑪射線的全天地圖(all sky map),研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天體。

費米太空望遠鏡的十週年科學成果紀念海報。圖片中橢圓形的區域,就是費米拍攝的伽瑪射線全天圖,以等面積投影法投影成二維的圖。中間的水平亮帶源自銀河盤面上的氣體,上下兩個泡泡狀結構就是費米泡泡的示意圖。圖/NASA

費米太空望遠鏡升空短短兩年後,天文學家就從觀測資料中發現,如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體(比如銀河系的瀰散氣體、中子星、其他星系等)全部扣除,將會看到銀河中心的上下兩側,各有一對高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形區域,而這是從未發現過的銀河系新結構!

天文學家於是將它命名為「費米泡泡 Fermi Bubble」,以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。

相對於銀河系中的瀰散氣體,費米泡泡的亮度其實並不高。因此天文學家必須先小心翼翼的將其他伽瑪射線的來源建模並扣除,才能看到這巨大但黯淡的構造。影/NASA Video

而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外,天文學家也在微波和 X 射線波段看到了相似的結構。

在微波波段,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星(Planck)都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域,天文學家稱之為「微波薄霧 microwave haze」。而在 X 射線波段,2019 年才昇空的義羅西塔(eROSITA)衛星則發現了與費米泡泡相似,但是更大的泡泡狀結構,被稱為「eROSITA 泡泡」。

另外,在紫外線波段,雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構,但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線,可以計算出費米泡泡的膨脹速率,大約是每秒數百到數千公里的等級。

綜合以上資料,天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前,銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了 1048 – 1049 焦耳的龐大能量(相當於太陽終其一生釋放的能量,再乘以 10000 倍以上),並加熱了銀河系中心的氣體,使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天,就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。

但是,這張錯綜複雜的拼圖,還缺少了最核心的一塊:

這麼龐大的能量,究竟是從何而來?

超新星爆發還是黑洞噴流?費米泡泡的身世之謎

費米泡泡剛被發現不久,天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎,提出了兩位候選人:

第一種觀點,認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成,其中年輕的恆星由於壽命短暫,很快的就走完它的一生,並發生超新星爆炸,釋放出巨大的能量。

另一種觀點,則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體,並在過程中將能量以噴流(jet)或外流(outflow)的形式釋放出來。

兩種說法聽起來都頗有可能,而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象,那該怎麼知道哪邊才是對的呢?這時,天文學家們就兵分兩路,觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測,尋找更多可能的隱藏線索;理論學家則利用電腦模擬,嘗試在電腦中重現出觀測結果。

劇烈的超新星爆發(如左圖的 M82)與黑洞噴流(如右圖的 Centaurus A)都可能產生類似費米泡泡的結構。圖/NASA, ESA, CXC, and JPL-CaltechNASA/CXC/SAO, Rolf Olsen, JPL-Caltech, NRAO/AUI/NSF/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle

早年,兩派假說各有各的優勢,也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積,天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果,因此更具說服力。但即使如此,想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵,仍是相當困難的挑戰。

三個願望,一次滿足

然而今(2022)年三月,清大天文所楊湘怡教授利用三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation),就一次重現了費米泡泡、義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。

他們假設銀河系中心的超大質量黑洞,在 260 萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有 1050 焦耳的強大能量,其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時,電子會將能量傳遞給光子,就好像被保齡球打到的球瓶一樣,讓光子從低能量的可見光,變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制,讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。

與此同時,這些高能電子在銀河系的磁場中運動時,會以「同步輻射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波與無線電波,形成我們看到的微波薄霧。最後,強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時,會產生以每秒數千公里高速移動的震波(Shock Wave)。震波所到之處,受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線,成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度,也與紫外線觀測的結果相符。

這個研究結果,將伽瑪射線、X 光、紫外線到微波的所有觀測結果,用黑洞噴流漂亮的一次重現,這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。

將理論模擬的費米泡泡投影到銀河系的可見光影像上。圖中可以清楚的看到費米泡泡(Cosmic rays)、義羅西塔泡泡(Shocks)以及它們跟太陽到銀河系中心的距離(28000 光年)的大小比較。圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team

未來展望

那麼,費米泡泡的身世之迷,就此蓋棺論定了嗎?

嗯⋯⋯還沒這麼快。

無論多麼精細的模擬,終究是對真實世界的近似與簡化,理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制,計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多、更好的儀器,挑戰模擬的結果。

更宏觀的看,如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍,它釋放出的龐大的能量,是否曾對銀河系造成其他的影響?我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史,以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制?這些都有待天文學家的持續探索。

費米泡泡的故事,仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料(學術論文)

  1. Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
  2. Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
  3. X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
  4. Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year

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