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新視野號飛越冥王星,你或許會想問的10個問題

PanSci_96
・2015/07/14 ・3229字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

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新視野號( New Horizons,也稱為新視界號)於今天(7/14)晚上19:49(台灣時間)抵達冥王星的最近點,為了要收集影像和數據,屆時新視野號將會暫停和地球的聯絡,直到明天(7/15)早上9:00才會恢復連線。這將是人類第一個前往冥王星系統跟古柏帶進行探索的太空任務,長達九年的歷程迎來最高潮。

面對這樣一件科學大事,PanSci編輯室整理並回答了我們自己的疑問,也分享給大家。

Q1. 以前不是九大行星嗎?冥王星什麼時候被除名?

行星除了環繞恆星運行、本身是不會發光的球形天體之外,再加上「能清除附近軌道上的其它天體」。我們已經知道冥王星是古柏帶上的眾多天體之一,而它未能清除古柏帶上鄰近的小天體。所以,很抱歉,冥王星不算行星。(更多行星的定義。)

2006 年8月24日,國際天文聯合會拍板定案:冥王星自太陽系九大行星除名,歸類為矮行星。自此,太陽系只有八大行星。

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Q2. 冥王星的軌道有何獨特之處?

冥王星繞太陽公轉的軌道和其他行星不同,並不在其他行星的軌道面上(下圖),且特別狹長:最遠的時候,冥王星和太陽距離達七十三億二千萬公里,最近的時候甚至比海王星還近,大約是四十四億四千三百萬公里。

冥王星的公轉週期是247.7年,所以從1930年發現以來它還繞不到1/4軌道。

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Q3. 冥王星的體積比想像的大?

2015/7/ 13,科學家借助新視野號計算出冥王星的直徑是2370公里,此結果平息了長期以來的紛爭,比之前預估的大了些,冥王星確實是海王星軌道以外最大的星體。

Q4. Charon(冥衛一)是冥王星仍屬於行星時的衛星,至今仍不離不棄。他是怎麼誕生的呢?

Charon,中文譯為凱倫。名稱源於羅馬神話中渡河的使者。凱倫的表面是由結凍住的氮氣和甲烷所構成,直徑約1208公里 (由新視野號量測),大約是冥王星的一半,在冥王星仍屬行星的年代,行星和衛星的大小比例如此接近實屬少見。

凱倫繞著冥王星的公轉時間約一圈/6.387天。根據2005年,Robin Canup學者的模擬認為,約45億年前,某顆星體擊中冥王星,大量的物質噴發而出,等萬有引力重新接管一切後,Charon就此誕生了。

這是新視野號於7/11拍攝的冥王星(左)和冥衛一(右)的合照,也是1930年發現冥王星以來最清楚的一張照片。 Image Credit: NASA/JHUAPL/New Horizons/Edited by Kevin M. Gill
這是新視野號於7/11拍攝的冥王星(左)和冥衛一(右)的合照,也是1930年發現冥王星以來最清楚的一張照片。
Image Credit: NASA/JHUAPL/New Horizons/Edited by Kevin M. Gill

Q5. 新視野號除了萬里迢迢去拜訪冥王星還做了些什麼?

新視野號的長距離探測成像儀 (LORRI)在2006年9月4日拍下了第一張木星的照片,並利用了新視野號的儀器對木星的衛星進行了精細的觀察。除此之外,新視野號在2007年2月28日在最接近木星的時候利用了重力彈弓效應,讓新視野號能以更快的速度航向冥王星。

新視野號在2007/2/28通過木星的最近點。
新視野號在2007/2/28通過木星的最近點。

 

Q6.新視野號帶了什麼裝備出征?

新視野號的裝備示意圖。source:NASA
新視野號的裝備示意圖。〈source: NASA

Ralph影像及紅外線成像儀/分光計

主要是用作拍攝冥王星及凱倫的地表情況,提供高清晰的彩色圖片,從而分析研究冥王星和凱倫地表的物理現象及組成成份,製成地表地圖。

Alice紫外線造影分光計

測量由冥王星及凱倫輻射或反射出來的紫外線,得出冥王星及凱倫大氣、地表的組成、分布、溫度的裝置。

REX電波科學實驗

輻射計,測量大氣組成及溫度。

LORRI長距離探測成像儀

望遠鏡頭相機; 取得長程航行數據,繪製冥王星的最遠端與提供高解析地質數據。

SWAP太陽風分析儀

分析在冥王星附近由太陽吹過來的粒子─太陽風,可以探測到冥王星是否有磁場。若而是有磁場存在,就可以得知它的範圍,強弱,以及冥王星大氣中氣體粒子逃逸的速度。

 PEPSSI離子質譜儀

測量從冥王星大氣層逸散出離子的成份和密度。

剛剛接近最近點時拍攝的冥王星,是歷來最清楚的一張照片。
接近最近點時拍攝的冥王星,是歷來最清楚的一張照片。〈Source: NASA

Q7. 新視野號的任務是什麼?為何要大費周章了解冥王星?

新視野號於2006年出發,2007年調查木星並藉由木星重力彈射,2015年的7月接近冥王星,而新視野號遠離冥王星後,預計還會再調查兩個星體。新視野號會量測並記錄沿路星體的表面特性、大氣或地質等特性,將讓我們更揭開宇宙星體的神秘面紗。

而現在新視野號正接近冥王星,除了已經解答了許多的問題(如:冥王星有多大?),更發現了4顆冥王星的衛星(Nix, Hydra, Styx & Kerberos)的細節,我們也更了解太陽系,相信之後會陸續有更多發現。

延伸閱讀:2011年冥王星又新增一顆衛星

Q8. 古柏帶 (Kuiper Belt) 是什麼?

古柏帶(Kuiper Belt)是指海王星軌道以外的小行星帶。天文學家於1992年發現第一顆古柏帶天體(Kuiper Belt Object,KBO)迄今已20年,已知的KBO多達1,000顆以上。這些KBO的發現,改變了天文學家眼中的太陽系風貌。

事實上,第一顆古柏帶天體的發現應該溯及1930年,也就是原為行星、現為矮行星的冥王星,第二顆發現的KBO則是1978年發現的冥王星衛星—凱倫(或稱冥衛一,Charon)。而「古柏帶」這個名詞,來自著名的行星科學家Gerard Kuiper及後繼的其他行星科學家於1930~1950年代提出的各種假設理論;然而一直到1992年,偵測技術才足以發現海王星軌道以外的其他古柏帶天體。古柏帶對於認識太陽系有非常重要的地位。

延伸閱讀:古柏帶20週年:改變太陽系認知的發現

Q9. 這個大挑戰告一段落,接下來 NASA 還有哪些太陽系的大哉問?

現階段:NASA 會送出更好的著陸器跟探測器到火星,或是發射太空船更近距離地研究木星的木衛二(歐羅巴)

進階:卡西尼(Cassini)任務影像科學團隊領導 Carolyn Porco 認為將土星的其中一顆結凍衛星土衛二(Enceladus) 的樣本帶回來地球研究是當務之急。土衛二的南極表面冰層下有既深且廣的海洋,可以解答太陽系是否存在其他生命的問題。

歡欣鼓舞的NASA現場

Q10. 第一次跟能冥王星這麼靠近,你有沒有什麼話想託新視野號告訴冥王星?

在此收集了PanSci編輯室的心聲,同時也廣徵大家的告白!

  • P:您是太陽系的嗎?
  • Y:新視野號的每一步都是在創紀錄,但面對廣大的宇宙未知仍然太多:希望在他靠近你、越過你以後,我們是真的更接近真實一點點了。
  • G:原來象徵毀滅與黑暗的你,竟然是桃紅色的…… <3
  • S:你不是寂寞的 XD
  • W:對不起。(W編正在懺悔他以為冥王星沒有大氣層一事。)
  • K:布魯托你快回來九大行星的行列吧~ 我還是比較習慣九大行星~~

 

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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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