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重力彈弓效應─《星際效應》

azothbooks_96
・2015/05/22 ・3702字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

在「巨人」附近駕駛太空船是一件難事,因為航行速度必須非常快。

行星、恆星或太空船要想在這裡存續下來,就必須以同等強大的離心力來抗衡「巨人」的強大重力。這表示它必須以非常高速移動。

螢幕截圖 2015-05-22 13.04.10

事實證明它必須達到近光速才行。在我對《星際效應》相關科學的詮釋中,「永續號」派遣隊員登上米勒的星球時,它是停駐在「巨人」半徑五倍的距離之外,繞行速率為光速的三分之一:c/3(c 代表光速);米勒的行星則以55% 光速運行,即0.55c。

在我的詮釋中(圖7.1),「漫遊者號」要從停駐軌道抵達米勒的星球,必須先減慢它的順行運動,從c/3 降至遠低於此,然後「巨人」的重力才能夠拉它向下。等來到星球附近時,「漫遊者號」又必須從下行轉為順行。而由於下墜時的加速,這時它的航速已經高出太多,因此必須減速c/4(四分之一光速),降低到該星球的速度0.55c,才能前往米勒的星球。「漫遊者號」的駕駛庫柏可能使用哪種機制來執行這種劇烈的速度變化?

二十一世紀的技術

他必須達成的速度變化約為c/3,相當於每秒十萬公里。(這不是時速,是秒速!)相形之下,今天我們人類推力最強的火箭,秒速可達十五公里,約十萬公里的七千分之一,實在太慢了。

《星際效應》片中的「永續號」從地球航向土星花了兩年時間,平均速度為每秒二十公里,是十萬公里的五千分之一,一樣很慢。人類的航空器在二十一世紀有可能達到的最高速度,我認為是每秒三百公里,而這得先大量投入核能火箭研發作業才能辦到,但這仍只是《星際效應》所需速度的三百分之一左右,還是太慢。

所幸,大自然提供了一種做法來落實《星際效應》片中必須達成的龐大速度變化(c/3):運用重力彈弓效應繞過遠比「巨人」小上許多的黑洞來助推加速。

彈弓助推航向米勒的星球

像「巨人」這麼龐大的黑洞,周遭會聚集許多恆星和小型黑洞(下一節就會深入討論)。

在我的《星際效應》相關科學詮釋中,我設想:庫柏和他的團隊調查了所有繞行「巨人」的小型黑洞,確定其中有一顆黑洞的所在位置可供「漫遊者號」進行重力轉向作業,推動它從近圓形的軌道,轉向往米勒的星球俯衝而去(圖7.2)。

螢幕截圖 2015-05-22 13.04.54

這種重力助推操控的方法,稱為「重力彈弓效應」(gravitational slingshot),美國航太總署也經常在太陽系內善加運用,但是是借助行星的重力,而非黑洞(見本章末尾)。《星際效應》片中沒有呈現或談到這種助推操控法,只讓庫柏說出下面這段話:「聽著,我可以繞過那顆中子星來減速。」

減速是必要的動作,因為「漫遊者號」受到「巨人」重力的龐大引力而下墜─從「永續號」的軌道降到米勒星球的軌道─它的速度已經拉得太高,行進速度比米勒的星球高出c/4。

螢幕截圖 2015-05-22 13.05.13

圖7.3 所示的中子星,相對於米勒的星球朝左行進,「漫遊者號」就靠它來轉向、減速,然後才能正常接近那顆星球。

這種彈弓效應有一種特點可能會讓人非常不快,甚至會奪走人的性命,那就是:潮汐力(第四章)。速度變化要達到c/3 或c/4 的幅度,「漫遊者號」必須充分靠近小型黑洞和中子星,才能受到它們強大重力的影響。

在這麼近的距離下, 倘若那顆偏轉天體(deflector)是中子星,或是半徑不到一萬公里的黑洞,則「漫遊者號」和上頭的人類都會被潮汐力撕碎(第四章)。

「漫遊者號」和人類要想存活,這個偏轉天體就必須是至少一萬公里大的黑洞(大小約如地球)。大自然中確實存在這種大小的黑洞,統稱為中等質量黑洞(intermediate-mass black holes, iMBh),這尺寸其實已經很大,但和「巨人」比起來仍顯渺小:只有它的萬分之一。

本來克里斯多福.諾蘭應該用一顆地球大小的中等質量黑洞來幫「漫遊者號」減速,結果他用了一顆中子星。他一開始改寫喬納森的電影劇本時,我就和他討論過這件事。討論過後,他仍然選定中子星。為什麼?因為他希望電影裡面只出現一個黑洞,才不會把廣大觀眾搞糊塗了。一個黑洞,一個蟲洞,還有一顆中子星,加上片中其他的豐富科學素材,全都要在兩小時的快節奏影片中讓觀眾吸收。

克里斯多福認為,這些素材是他能處理的極限。既然在「巨人」附近航行必須借助強大的重力彈弓效應,於是克里斯多福將一次彈弓效應放進庫柏的對白,卻也付出了代價,用了不合乎科學原理的偏轉天體:以中子星取代了黑洞。

星系核內的中等質量黑洞

一顆一萬公里的中等質量黑洞,重約一萬顆太陽的質量,相當於「巨人」的萬分之一,但已經是普通黑洞的千倍重量了。這正是庫柏需要的偏轉天體。有些中等質量黑洞據信是在恆星密集的星團─稱為「球狀星團」(globular cluster)─的核心內形成的,當中又有一部份可能循徑進入有巨型黑洞棲身的星系核(Galactic nuclei)內。

螢幕截圖 2015-05-22 13.05.44

仙女座星系就是一個好例子。它是最接近我們銀河系的大型星系(圖7.4),星系核裡潛藏了一顆「巨人」尺寸的黑洞,擁有一億顆太陽的質量。數量龐大的恆星被拉進這種巨型黑洞的鄰近區域;每立方光年多達一千顆。

當一顆中等質量黑洞穿過這種密集區域,它發出的重力會讓恆星偏斜轉向,製造出一道更高密度的尾流,跟在它的身後(圖7.4)。這道尾流以重力拉動中等質量黑洞,使中等質量黑洞減速,這種過程就叫做「動力摩擦」(dynamical friction)。而當中等質量黑洞非常緩慢地減速時,它也漸沉漸深,進入巨型黑洞的鄰近區域。

在我為《星際效應》相關科學所做的詮釋中,大自然可以用這種方式為庫柏提供一顆中等質量黑洞,滿足他進行彈弓助推的需求。

思考與挑戰:超先進文明的軌道航行

在太陽系中,行星和彗星的軌道全都呈非常準確的橢圓形(圖7.5)。牛頓的重力定律為此提出保證,並且堅持主張這一點。

螢幕截圖 2015-05-22 13.06.31

相對來說,一顆像「巨人」那樣快速自旋且體型巨大的黑洞周遭─這裡是愛因斯坦的相對論定律主宰之地─那些軌道就遠遠更加複雜了。圖7.6 就是一例,任意繞行「巨人」一圈,都需要好幾小時到好幾天,因此圖7.6 中畫出來的軌道大約需要一年時間才能走完;或許幾年之後,它的軌道就會經過幾乎所有你想去的目的地,只是你的速度有可能不符所需,或許會需要來一次彈弓助推來改變速度,才能達成會合的目標。

螢幕截圖 2015-05-22 13.07.42

我就讓各位自行想像一下,超先進文明有可能怎麼利用這種複雜的軌道。在我對這部電影的科學詮釋中,我為了簡單起見,大致上會避開它們,把重點放在圓形的赤道軌道上(例如「永續號」的停駐軌道、「米勒的星球」繞行軌道,以及臨界軌道),以及「永續號」如何從一條圓形的赤道面軌道轉換到另一條之上。當中只有一個例外,那就是曼恩的星球,但這部份我們等第十九章再來討論。

美國航太總署的太陽系內重力彈弓助推

現在就讓我們從(物理定律所容許的)「可能性」世界,回到鐵面無情的現實中,看看截至二○一四年為止,人類在太陽系的舒適牢籠裡,實際完成了哪些重力彈弓作業。

各位或許對航太總署的「卡西尼號」(cassini)太空船並不陌生(圖7.7)。「卡西尼號」在一九九七年十月十五日從地球發射升空,船上搭載的燃料並不足以讓它飛抵目的地土星。這不足的部份,就是運用幾次彈弓助推來解決:一九九八年四月二十六日繞過金星;一九九九年七月二十四日完成二度繞行金星的彈弓助推,接著在二○○○年十二月三十日繞過木星。二○○四年七月一日,「卡西尼號」終於抵達土星,之前還繞過最貼近土星的衛星「木衛一」(io),借助一次彈弓作業來降低航速。

螢幕截圖 2015-05-22 13.08.56

這一系列的彈弓助推作業,沒有一次和我前面所描述的相同。前面我提到彈弓效應會強力偏轉太空船的行進方向,但金星、地球、木星和木衛一卻只讓太空船稍微轉向。為什麼?

因為偏轉天體的重力太弱,沒辦法強力偏轉航向。以金星、地球和木衛一來說,偏轉影響必然都很微弱,因為它們的重力原本就很弱。木星的重力雖然強大得多,但大幅偏轉會把「卡西尼號」送上錯誤航向,因此必須使用較小幅偏轉作業以抵達土星。

這幾次偏轉幅度雖然都很小,「卡西尼號」仍然從飛掠作業取得充裕的推力,足以彌補燃料的不足。每一次飛掠(木衛一那次除外),「卡西尼號」都是尾隨著偏轉行星前行,但角度得以讓行星的重力以最理想的方式拉著它向前行進並提增飛航速度。《星際效應》片中的「永續號」也曾繞行火星完成一次近似的彈弓作業。

「卡西尼號」在過去十年中探訪了土星和土星的衛星群,傳回了令人稱奇的影像和資訊─蘊涵著美感和科學的寶藏。各位可以上網一瞥端倪:http://www.nasa.gov/mission_P.s/cassini/main/

相對之下,「巨人」的助推就不像太陽系內的彈弓效應那麼弱小。它的重力非常強勁,就算是以超高速行進的物體,它也抓得住,然後還能以大幅偏折的彈弓效應,將它們拋向四面八方,連光線也不能倖免,從而造成重力透鏡效應,這個讓我們得以見到「巨人」身影的關鍵。

0217信任本文摘自泛科學2015五月選書《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》,漫遊者文化出版。

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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