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探尋下一個希望之星:火星任務

探索頻道雜誌_96
・2015/07/15 ・7237字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 597 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

撰文:劉莎拉(Sarah Liu)

2011年,有個名為「火星一號」(Mars One)的非營利組織與國家航太機構攜手合作,研究如何讓人類永久居住在火星上。從最初的20萬2586位申請者中選出705位候選人進入第三輪面試。隨著四位火星殖民勇士的決選時刻逐漸逼近,《探索頻道雜誌》四處探查如果這充滿爭議的火星單程任務真的成功了,到底會發生什麼事?若他們順利抵達火星,到底會過著怎樣的生活?

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版 請點擊此處

除了週日,睡眼惺忪的黛安娜.麥葛麗絲(Dianne McGrath)每天早上6點前一定會穿上運動鞋,拖著身子上健身房。如果不上健身房,她早上5點半前就會出門跑步。全世界都還在睡覺時就起床運動雖然孤單,卻是有代價的。她喜歡美食,密集運動能讓她偶爾享用巧克力和蛋糕也不用擔心。對一個在澳洲墨爾本蒼翠郊區跟她擦身而過的陌生人來說,清晨就飛奔在人行道的麥葛麗絲除了令人羨慕的身材外,似乎沒什麼特別之處。但在接受《探索頻道雜誌》訪談的幾個月後,她說不定會收到一封改變一生的信。身為火星一號計畫的太空人候選人,麥葛麗絲可能得放棄巧克力、蛋糕,還有晨跑的習慣。事實上,她可能得放棄熟悉的一切,因為她將踏上前往火星的單程任務。

長久以來作家與哲學家都做過這個遙不可及的夢:殖民火星,那裡是終極疆界。六十多年前,美國科幻作家雷.布萊伯利(Ray Bradbury)出色的超現實作品《火星紀事》(The Martian Chronicles)描繪了人類拓荒者在這顆紅色行星上的故事;1952年一隻名叫萊卡(Laika)的俄羅斯狗狗烈士初次被送入太空。1969年人類成功漫步月球並安然返家。接下來我們似乎已做好商業化太空飛行的準備,不論是超級富豪或贊助商均可超越大氣層,旅行外太空。

每個里程碑都是億萬資金與男女太空人冒著生命危險的成果,不斷地拓展理解和知識的界限,滿足人類探索世界邊境的古老執著。人類已在83%的地球表面留下足跡,其中遭到破壞的地方當然也不少,而浩瀚的太空即如最後的疆界。

「地球表面已探索完畢,現在只能往上發展,」道格拉斯.瓦寇須(Douglas Vakoch)說。他是「地外智慧生物搜尋」協會(SETI)星際信息組合部(Interstellar Message Composition)主任。

事實上,火星熱的再度流行似乎是人類近代史的重要特徵;1965年美國航太總署(NASA)的水手4號太空船傳回21張紅色行星的照片,這是人類初次窺見這片塵土飛揚、坑坑洞洞的荒地,也把火星熱推上高峰。50年後的今天仍有科學家渴望重燃阿波羅登月任務的「光輝歲月」,他們大力鼓吹的不只是載人火星任務,更要在那裡留下足以維續的人口。

新型太空競賽

儘管目前有太空人派駐在國際太空站(ISS),但是殖民無人探訪過的鄰近行星依然超乎想像。支持者認為殖民火星的可能性正在升高,因為技術愈來愈先進,而且我們對火星的認識也與日俱增。

一場新型太空競賽似乎已經展開,我們離布萊伯利的怪誕夢想可能比過去想像的更加接近。不同的是,國家資助的航太機構不再獨自發號施令。現在他們與許多民營企業和非營利組織共享控制權,正因為如此,我們難以判斷他們的計畫付諸行動的可能性。

專家認為民間的火星任務可以把某些直接的失敗風險納入考量,包括死亡的可能性,這些都是NASA等國家機構不願再承擔的風險。已經宣布要在火星任務上分一杯羹的民間業者包括高調的SpaceX公司,創辦人是特斯拉汽車公司的伊隆.馬斯克(Elon Musk),以及由億萬富翁丹尼斯.蒂托(Dennis Tito)領軍的Inspiration Mars Foundation。

但除了這些大公司外,還有一個看似希望不大的組織也來湊熱鬧:火星一號。這個非營利組織創辦人是巴司.藍斯斗普(Bas Lansdorp)與阿諾.魏爾得(Arno Wielders),他們顯然處於劣勢。當蒂托等大公司聲明要把目標任務日期從2018年延至2021年時,火星一號依然不為所動,毫不擔心大眾質疑科學家是否已具備支援人類在火星生活的技術能力。火星一號表示,他們的目標是九年後派遣第一支四人先鋒隊徹底探索火星,並且永遠居住在那個外星之地。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

單程票

火星一號計畫自2011年揭幕以來就備受關注,它預定2024年要在火星上建立永久的人類殖民地,儘管令人驚訝,但火星一號堅稱非常合理。於此同時,火星一號打算募集預估所需的60億美元,跟NASA為未來20年的深太空探索計畫評估的預算八百到一千億美元相比,實在小巫見大巫。

這項火星任務被比喻為「遺民」,因為史上第一批火星居民將永遠無法見到地球上的家人朋友。另外,由於火星和地球每兩年就會達到最近距離一次,所以火星一號打算再募集四十億美元,目的是每兩年增加四位殖民人口,讓更多勇敢的探險家登陸火星。

這項看似簡單的計畫總共排定六個任務;對某些人來說也許簡單過頭了。2016年開跑的示範任務打算運送「必要的」補給品上火星。兩年後,火星一號將派出漫遊車尋找最適合殖民的地方。2020年,藍斯斗普和魏爾得想送以下的東西到火星:另一批補給品、另一輛漫遊車、兩組維生設備、兩組起居設施。

假設每個任務都進展順利,那麼兩台汽車大小的機器人漫遊車會先把所有裝備運送到殖民地點,並且在那組裝維生系統所需的太陽能板。接著從火星土壤中採集水,也就是「烘烤」土壤汲取水份。

除了應急的保久糧食之外,一開始的食物顯然相當稀少。火星殖民者到達目的地後,當然品嚐不到壽司和義大利香腸。他們一到火星就必須盡量找適合的地方耕種,或是以昆蟲和海藻為食;他們住在自給自足、能維持生命的生態系統裡,這個生態系統以某種方式製造可供存活的大氣。當終於有足夠的水和空氣可讓人類在人造大氣中存活夠長的時間,首批的四位「當選人」將展開為期七至八個月的火星之旅。

像火星一號這般野心勃勃的計畫自然會受到讚賞、批評與嘲笑。儘管這項計畫一開始就吸引了20萬人報名,但最初尚未詳述殖民地基本需求的確切規劃。

2012年,藍斯斗普在 TEDx Talk 演講時宣布:「我們有送人和設備上火星的火箭。我們知道如何讓設備登陸火星。我們擁有讓人類生存於太空的技術,這樣的技術可用來維持人類在火星上的生活,」他說,「我們有支援任務的機器人能幫助火星上的人類。」

儘管未來十年開發必要技術的承諾似乎欠缺說服力,但藍斯斗普和魏爾得的團隊敢於夢想。當然,尚未清楚了解一切並不代表一定會失敗。歷史告訴我們無論面對怎樣的挑戰,偉大的成就需要企圖心和勇氣。

美國前總統約翰.甘迺迪曾說,我們選擇登月不是因為這麼做很容易,而是因為非常困難。既然人類能靠1960年代的技術成功登月並返回地球,誰說火星一號計畫不可能成功?《太空探索的心理學》(Psychology of Space Exploration)的作者瓦寇須告訴本刊,這項火星任務與過去的主要差異在於其終結性。他說:「大多數人難以想像加入火星一號的情況,因為他們無法想像拋下在地球上所愛的一切。」然而,他提醒我們,這種經驗在人類歷史上絕非獨一無二。「事實上,綜觀人類遷徙的歷史,無論是被迫離開或自願離開,所有的移民都經歷過類似的失落感。」他說。

為了擁有更好的未來,火星一號很可能正是我們所需要的規劃,它能夠克服往返火星的困難、成本與風險,也能確保火星殖民完成有意義的工作。「火星一號是一項革命性的任務,因為它克服了過往任務最大的挑戰之一:安全返回地球,」瓦寇須說。他指出火星一號無須解決從火星發射並返回地球的複雜程序,它提供了一個簡單俐落的解決方案:太空人不必返回地球。

「一般的太空人不用太擔心,因為他們終將回到一個安全、熟悉的環境,再困難的任務都有盡頭。但火星一號不一樣,一旦出發前往火星,就等於下定決心選擇一種永遠無法『退出』的未知生活方式,」他說。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

火星上的生活

若想瞭解火星一號太空人必須忍受的生活環境,不妨想像一下人類祖先勇敢面對過的惡劣環境。遠在超市出現前,甚至在人類精通農耕前,早期的人類如何克服難以忍受的飢餓和寒冷?他們怎麼知道什麼東西可以吃,什麼東西不能吃?每一個清醒時刻都攸關生死。生活不是選擇低脂或無麩質食物,而是倖存或死亡。

同樣地,火星拓荒者也將面對陌生環境的種種危險,而且這些危險的性質大致上仍是未知數。雖然我們知道火星一天有24小時40分鐘,這是人類可以適應的差異,但是我們也知道有其他足以致命的差異。

殖民者非常有可能為了生活在火星上而犧牲生命。除了兩顆火星衛星可能引發的驚奇之外,火星的每個角落都潛伏著危險。例如,在火星上長期處於失重狀態可能會讓太空人產生不可逆的生理變化,包括肌肉萎縮和骨質疏鬆症。但這或許不成問題,因為這些太空人不會返回地球。火星跟地球不一樣,大氣幾乎不存在(重量小於地球大氣的百分之一),所以無法為太空人阻擋高量的輻射或致癌的宇宙射線;他們接受的輻射和宇宙射線量遠遠超出NASA太空人的終身劑量。

長期輻射效應並非殖民者面對的唯一危險。火星大氣是由95%的二氧化碳和3%的氮組成,僅含有微量氧氣,人類的生命之源。這意味著若無輔助就無法呼吸。值得慶幸的是,據信水在火星內陸隨處可見,以永凍土的形式存在。不過目前僅在北極發現永凍土,南極的水以「乾冰」(二氧化碳和水的混合物)的形式存在。

火星的氣候是必須考慮的一個重要因素。一年之中最高氣溫為攝氏20度,最低氣溫為零下153度,比地球南極的低溫紀錄還少了59.8度。殖民者應該喝不到熱巧克力,只能喝昆蟲與藻類攪拌而成的冰沙。雖然富含氧氣的環境有失火之虞,但諷刺的是殖民者需要氧氣才能呼吸。

火星上的人類過著一種「恐怖平衡」的生活:少了不可或缺的暖氣系統會凍死,氧氣過多又可能發生自燃。強風在火星上引起猛烈的沙塵暴,這些沙塵暴可能妨礙太陽能板把太陽光轉化為充足的能量。2007年,NASA的火星漫遊車機會號與精神號(現已退役)就碰到這種情況。如果殖民地碰到沙塵暴,因應之道不是讓機器人休眠到沙塵暴減弱或是全面召回殖民者──他們只能等死。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

現實的檢驗

單程火星之旅加上剛才描述的最壞情況,不難讓人認為這是一個自殺任務。但是不同於二戰日本的神風特攻隊飛行員,這批勇敢的太空殖民者並非有意尋死。如果斷言可能出錯的事一定會出錯,或是預言這些太空人必死無疑,就等於漠視了他們自由選擇的權力與許多偉大夢想家的雄心壯志。

麥葛麗絲等候選人當然已考慮過潛在風險,只是不會把心思一直放在風險上。 「火星上可能出錯的事情很多。我們的身體極限將受到考驗,而且基本上我們就像活生生的實驗品。」她說她已在地球上花了很久時間準備和思考火星生活的各種可能性,她告訴本刊,「如果我既害怕又擔心,就不會加入這個有去無回的任務。」

儘管如此,連科學界都對這個偉大的計畫欠缺信心,遑論候選人本身。「我的主要顧慮是,我們尚未開發出人類登陸火星及在火星上生活的必要關鍵技術,」美國普渡大學航太工程研究生馬克斯.費金說。

費金也是火星一號的候選人,他承認自己尚有顧慮。「我擔心火星一號計畫並不了解自己所面對的問題規模有多大,」他說。本刊問他有沒有任何事會讓他改變心意,不去火星。他的回答很明確。「當然有。如果無法確定所有的必要工作都已完成,讓任務擁有合理的成功機率,我不會不理性地冒然出發。我可不想自殺,」他就事論事地說。

也許是因為火星一號計畫的含糊不清與那些沒有答案的問題,導致某些懷疑人士批評火星一號只是個噱頭。湯姆.瓊斯(Tom Jones)是四度登上太空的NASA太空人,也是科學家和《天空漫步》(Skywalking)一書的作者,他告訴《探索頻道雜誌》火星一號感覺像是個「公關花招」。

假設火星一號計畫成功了,將開啟無限可能。但有許多人,包括瓊斯在內,不僅擔心計畫本身是否完善;他們也相信人類的技術能力太過有限,前往火星等於白白犧牲。

有些人甚至用數據證實自己的疑慮。有一組美國麻省理工學院的研究生預測,火星一號的第一批四位殖民者只能活68天就會窒息身亡。為了避免這種可怕的情況,他們需要一套系統讓氧氣過多會產生問題的地方排出氧氣。目前開發的排氧系統並不適用於太空。

與其犧牲生命,已從NASA退休的瓊斯支持以循序漸進的方式舖築人類的火星之路。「以現有技術看來,火星一號的目標在技術上無法實現,」他說,「只有在人類學會採集太空資源之後,才有可能殖民火星。例如以商業規模採集陽光,從月球或小行星採集水、建材和稀有金屬。」

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

瓊斯認為在殖民之前以這種循序漸進的方式準備,風險一定會小很多。「企業的成功將為火星的登陸與生活提供技術跟資金,」他說。

於此同時,NASA正在開發2025年之前將人類送上小行星所需的技術,而登陸火星的時程則是定於2030年代。

火星一號的問題不只如此。火星一號任務能否成功,絕大部分取決於能否為殖民前的五個前導任務募得所需資金,更別提載人任務本身的成本。藍斯斗普和他的團隊目前依靠捐款、贊助、投資,甚至是 Indiegogo 群眾集資平台。

火星一號以媒體做為主要收入,或許是這項充滿野心的計畫最令人不以為然的一點。簡單地說,四位殖民者將受到24小時的全面監控,他們在火星上的私人生活會在地球上播放。是的,這是火星版的《我要活下去》(Survivor)。

第一組太空人需要60億美元,之後的每一組太空人需要40億美元,這的確不是兒戲。火星一號的確把大量資源集中於一處,尤其是他們公然模糊科學與娛樂之間的界線,這或許不是為艱辛的火星來回之旅提供資金最有效也最符合道德的作法。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

「火星一號的最大威脅是資金,」瓦寇須說,「創始人如何確保地球持續關注火星?如果送第一代殖民者上火星的創投業者認為不值得繼續投資,該怎麼辦?後續的金援從何而來?」更讓人害怕的是,誰願意告訴火星殖民者節目被取消了?

在太空科學的領域拓展人類疆界可能會產生一種英雄主義心態,在這種心態下,我們很容易漠視太空旅行更人性化的一面。考慮殖民火星可能會遇到的問題時,焦點都放在技術上和財務上的可行性。但是除了實用性之外,也可能會出現心理上的問題。

火星一號的殖民者不但遠離地球,為了在火星上生存還得面對各種危險,這種情況為太空旅行心理學提供了許多新的領域,能讓研究人員細細思考。想像一下永遠生活在太空艙裡的生活。太空艙的大小,根據瓊斯的描述,「相當於兩輛廂型車疊在一起之後再拆掉座椅。」那會是怎樣的感覺?

如果心理上的適應力較低,那麼必定會伴隨火星之旅而出現的危險、孤立與監禁,可能會成為孕育寂寞、厭煩和憂鬱的溫床,讓人際衝突像致命的細菌一樣迅速惡化潰爛。

當你坐在太空梭裡準備發射、奔向太空時,就等於面對40%的載具故障風險與1.5%的飛行失敗風險。這時你才能開始體會那種無助感,因為你漸漸接受永遠無法返家的可能性。從最黑暗的角度來看這件事,其實無異於準備自己的喪禮。至少可以說是一場過往人生的喪禮。

對瓊斯來說,在他先離開家人又無法在發射前跟他們聯絡時,這種感覺變得更加強烈。「我很想念家人,不能向孩子道別也不能擁抱他們特別難受,但是發射前必須檢疫隔離,」他說,「如果這樣很難受,跟我的妻子說再見更是加倍難受。」

為了適應分離,瓊斯經由電子郵件與每週的通話跟家人保持聯絡,有時也會用視訊。他回憶起妻子跟孩子把寫給他的信和卡片藏在太空梭裡,要在太空梭進入軌道後給他一個驚喜。

「對我來說,每天收到家人和朋友的電子郵件非常重要,這給我一種歸屬感,雖然離開了地球卻沒有被人遺忘。」他說在危險的時候與地球上的任務控制中心保持聯絡,也是讓組員保持鎮定的重要作法。當瓊斯和他的團隊因為天氣狀況而須要著陸協助時,他們可以接受指示並確保操作安全。

雖然不是完全失去聯絡,但火星與地球之間的通訊時間差至少有44分鐘。情況危急時,44分鐘足以決定生死。根本而言,火星一號的太空人必須知道他們的緊急支援取決於自身的能力。

飛向宇宙,浩瀚無垠

火星一號是真正的跨國合作,將會從來自世界各地約20萬名的申請者中選出兩男兩女。這樣的作法或許能完整地代表人類,卻可能引發人際衝突,心理學家瓦寇須警告:「在最好的情況下,適應外國人的習慣與價值觀可能很難。在最糟的情況下,說不定會出人命。」

雖然危險可能多不勝數,但人類勇敢克服了無數的考驗才走到今天,這個想法讓候選人費金相信這個計畫能成功。「從人類過去遭遇和經歷過的逆境看來,我認為一小群精心挑選的菁英在經過十年的準備和訓練之後,絕對有能力面對人類祖先每天必須面對的情況,」他說。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

不過到最後,無論火星一號是否能離開地球,它都為人類這個物種提供了自我反省的機會,思考科學能不能或該不該幫助人類進化成多行星物種。同樣地,儘管志願者欣然離開地球,但是把人類當成終生離開地球的實驗品是否符合道德,可能才是我們必須認真思考的問題。

當然還有那個住在每個人心中的小孩子:興奮地面對離開地球生活的可能性,成為火星的永久居民。雖然難免艱辛,但是這個可能性的確給我們重新開始的機會;或者至少提供了一個世外桃源,以及最另類的生活方式所帶來無庸置疑的吸引力。

即使火星一號最後無法實現,這個計畫確實提醒了我們要再次大膽做夢,也引發了許多有意義的討論。如藍斯斗普所說,除了擴大科學的視野,火星一號也提供了比危機和戰爭更正面的新聞。

最後,如果有20萬人願意拋下人類祖先奮力創造的成就,再次勇敢拓荒,或許這件事本身就是人類身為探險家的證明。也許就是需要殖民火星這樣幾近真實的未來,才能讓我們想起身為人類的真實意義。

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期

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《探索頻道雜誌》以說故事的方式,將複雜艱深的主題轉變成輕鬆有趣的文章,主題包羅萬象,涵括自然、探險、科技、藝術、歷史、環境、旅遊、文化和趣聞軼事等,以科學和人文角度滿足你的好奇心。雜誌滿載大篇幅的彩色實景照片,讓視覺娛樂更豐富。閱讀《探索頻道雜誌》,給你嶄新視野,探索無限可能。

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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

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 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

延伸閱讀(報導與科普文章)

  1. 本次研究相關
  2. 費米泡泡相關
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