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水星探測船「信使號」的最終結局即將到來

Whyjay
・2015/04/23 ・1481字 ・閱讀時間約 3 分鐘
Courtesy: NASA/APL
信使號探測水星的示意圖。 Courtesy: NASA/APL

就在幾天後──預計是在台灣時間的 2015 年 5 月 1 日凌晨 3 點 25 分,老牌的水星探測船「信使號」(MESSENGER) 即將迎接一生中最耀眼燦爛的殞落:以約 4 公里的秒速直接撞擊水星。

任職於美國約翰霍普金斯大學,應用物理實驗室 (APL, Applied Physics Laboratory,信使號的共同所屬組織) 的任務系統工程師 Daniel O’Shaughnessy 解釋,「因為信使號隨身攜帶的、用來推進及改變運行軌道的氦氣即將用光,接下來我們只剩一次的軌道調整機會。」最後一次藉由噴氣來改變軌道的時間是在 4 月 24 日,接下來信使號無可避免的會受到水星與太陽強大的重力影響,使得軌道離水星越來越近,導致無法避免的撞擊命運。

信使號的全名為「水星表面、太空環境、地球化學與廣泛探索」(MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging),是美國太空總署 NASA 近 40 年來唯一發射過的水星探測器。它在將近 11 年前 (2004年) 升空,經過漫長的歲月,迂迴於水星、金星、地球之間,終於在 7 年後的 2011 年進入水星軌道。這是個惡劣的環境,來自太陽、高能的電漿離子無情的撞擊信使號上的所有電子儀器,高溫的熱輻射更是讓信使號在面對太陽時,「體溫」可以高達攝氏數百度。不過信使號做足了萬全的準備,來面對這 40 年來唯一的一次機會,可以全面調查水星的各項奇怪特徵。

最靠近太陽的水星一直都是太陽系中最神秘的類地行星,太陽強大的重力、高能粒子與溫度,使得要送一艘太空船來這裡調查,要比送一艘太空船去好幾倍遠的木星還難。因此,睽違許久後再次拜訪水星的信使號,自然身兼多項任務,包括調查水星磁場與大氣,以及表面的地質作用與年代等等。從 2011 年到現在,信使號果然也沒讓我們失望,不只如此,它傳回來的觀測成果在許多方面更是大大超出了我們的預期!

筆者印象最深的發現是在 2012 年年底,NASA 根據信使號對水星極區的隕石坑陰影區的調查,率先宣布了水星真的有水存在!這發現顛覆了許多人對於水星的概念:一顆炎熱、乾燥的死寂星球,居然有水這種重要的化學物質,實在令人不敢置信。目前我們已經知道,在水星的陰暗極區,尤其是在隕石坑的背光面的土壤中,混合著許多水冰與揮發性物質。雖然總量不及火星和地球擁有(或曾經擁有)得多,但這仍然意味著水星上的確有地方,能夠滿足形成生命的簡單有機物質的環境條件。由於陰影區外,強烈的太陽輻射阻隔了每個陰影區之間的交互作用,因此每個陰影區都像是一個獨立的「有機物合成實驗室」,令人很期待後續針對這些未知內容物的調查!

紅色的部分是水星北極的水冰分布區,越亮代表越富集。 Courtesy: NASA/APL
紅色的部分是水星北極的水冰分布區,越亮代表越富集。
Courtesy: NASA/APL

信使號在這4年來,拍攝了超過25萬張的水星照片,取得了關於太空化學與磁場的精密資料。但再怎麼出色的任務,也會有終止謝幕的一天,隨著噴射氣體的用罄,信使號也即將準備好下台一鞠躬。撞擊會發生在水星背向地球的一面,意味著我們無法見到信使號的最後華麗身影,但或許留下的撞擊坑,足夠讓後世的探測船前來憑弔。後世的探測船?沒錯,現在我們完全沒有任何一艘太空船正在前往水星,下一個值得期待的,是預計在 2017 年由 ESA (歐洲太空總署) 和 JAXA (日本宇宙航空研究開發機構) 發射的 BepiColombo (貝皮可倫坡) 號太空船,預計抵達的時間是 2024 年,因此水星又可以享受 9 年無「人」打擾的清幽時光。

撞擊日(標準世界時4/30,台灣時間5/1)所看到的信使號。 Courtesy: NASA/APL
撞擊日 (標準世界時 4/30,台灣時間 5/1) 所看到的信使號。
Courtesy: NASA/APL

延伸連結:

信使號的前十大發現與創新 (英文)

信使號的最後任務 (英文)

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Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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