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48億公里的旅程–新視野號接近冥王星

王希文
・2015/07/16 ・1302字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

source:Kevin Gill
source:Kevin Gill

編譯/ 王希文

「科學」雜誌1930年3月21日的標題簡單而粗暴:「海王星之外的行星」。位於亞利桑納州弗拉格斯塔夫城洛厄爾天文台(Lowell Observatory)的天文學家找到了比海王星更遙遠的不明行星--在當時暫名X行星(Planet X),後經由投票正式命名為「冥王星」。

而在2015年7月14日這一天,由美國NASA於2006年所發射的「新視野號」(New Horizons)成功靠近了冥王星,為我們帶來了比過去用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)觀察到的更豐富的資料和更清晰的影像,不過關於冥王星更詳細的資料還有待從新視野號傳送回美國NASA任務控制中心。(下左圖為2002年至2003年藉哈柏望遠鏡所觀察到的冥王星,下右圖為2015年7月13日由新視野號所拍攝之照片[source: wikipedia])

Pluto_animiert_200px      Pluto_by_LORRI_and_Ralph,_13_July_2015

但緊盯著冥王星的並不只有新視野號。在7月14日,包含位於太空中與地面上的大約15個大大小小的天文設施,也都同時觀察著這顆在2006年被重新劃分為矮行星星球。自首度發現後,這顆遙遠的星球一直都是僅能透過望遠鏡瞥見的微小星點。如今卻能觀察到冥王星的外貌,包含過去未能見著的隕石坑和峭壁;雖然這樣的機會轉瞬即逝。

「在新視野號離開後,一切又將回歸於太空。」麻省理工學院的行星科學家,同時也隸屬於新視野號組的理查德‧賓采爾(Richard Binzel)如此說道,「現在是我們將所學全部聯繫在一起的時候了。」

Plutoorbit1.5sideview由於冥王星的極斜的公轉角度及248年的極長公轉週期(上圖紅線標記),因此有相當分明的季節變化,觀察的目的之一是瞭解冥王星隨時間的變化,由此也可以試著釐清它的大氣層是如何改變並在表面形成。美國維吉尼亞州的行星天文學家Susan Benecchi也正試圖用克普勒太空望遠鏡紀錄冥王星的亮度變化。

遠在土星外圍環繞的卡西尼號(Cassini)和隨著一顆彗星的軌道運行的羅賽塔號(Rosetta)也都將攝像頭對準了冥王星。藉由這些不同的觀察,天文學家便能觀察到冥王星的盈缺,間接推得其表面的特質。

其他太空望遠鏡也會為冥王星的三圍提供不同的資料。譬如史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)專精於紅外線測量,其這方面的能力遠勝於新視野號,兩者的數據交叉比對後有助於新視野號分析出冥王星冰層中的化學成分。位於智利的設施,阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)則會記錄由冥王星散出的偏冷熱輻射;這應該能讓科學家為這顆矮行星建構出更好的溫度曲線。

理查德‧賓采爾表示,有不少天文學家和業餘的天文愛好者都投入了這次一窺冥王星真面目的行列。也是新視野號組,來自科羅拉多州美國西南研究院的星球天文學家馬克‧布尤案(Marc Buie)如此說道:「雖然有些的觀察結果不一定會比過往的其他觀測重要。」

「這次看起來或許有些熱過頭了,」布尤案也說,「不過這樣的機會一旦錯過就不再了。」

資料來源:

 

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王希文
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泛科學編譯作者 熱愛吃東西,尤其是甜點

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旋轉、跳躍、冥王星他閉著眼,遊走在混亂邊緣?!
全國大學天文社聯盟
・2022/06/29 ・3745字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 作者/語星葉,與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹,正在努力成為天文學家。

在浩瀚的太陽系裡,冥王星一直是個迷人又「謎人」的存在。關於冥王星精彩的故事很多:1930年被鍥而不捨的天文台助理發現、2006年被從行星殿堂「降級」為矮行星、2014年新視野號成功飛掠並帶來無數珍貴的照片與科學資料……如今關於冥王星的新研究又帶來驚喜──或該說是驚嚇?

新視野號拍下的冥王星。圖/NASA

冥王星與海王星的「雙星共舞」

冥王星是第一顆被人類發現的「海王星外天體(Trans-Neptunian object, TNO)」。如今我們已知海王星軌道外有數百顆這類的天體,並且數量還在增加中。這類天體雖繞行著太陽,但其軌道週期之大,宛如被太陽遺忘在邊疆的散兵。有些 TNO 還長得奇形怪狀,例如妊神星(Haumea)雖然有 1/3 個冥王星的質量,但其外型不是球型,而是一顆橢球,且其長軸比短軸長了一倍!

大型的海王星外天體(TNO)體積對照圖。圖/Wikimedia Commons

上圖最左上角是冥王星系統,其中最大的衛星凱倫(Charon)甚至大到使這個雙體系統的重心在冥王星之外,因此也稱冥王星是個雙(矮行)星系統。而妊神星(Haumea)則硬生生長成恐龍蛋形狀,因其自轉一圈只花 4 小時,這樣的高自轉速度使它無法成球體。值得一提的是,已知的 TNO 體積都小於月球。

冥王星本身更是有許多有趣的現象。冥王星的軌道偏心率高,呈橢圓狀,而且軌道平面是傾斜的,跟太陽系盤面差了 17 度角(見下圖)。除此之外,冥王星跟海王星的關係可謂糾葛難分──冥王星的軌道跟海王星有些微交錯,即某些時候冥王星會轉到海王星軌道的內側,此時冥王星比海王星離太陽更近!這樣難道兩顆星不會因為太過靠近,而使彼此的軌道不穩定嗎?天文學家發現,冥王星與海王星的軌道呈和諧的共振關係,兩顆星就像在跳方塊舞,互相受彼此的重力牽連著、卻不會因距離太近而打破軌道的平衡。

這兩顆星的和諧軌道共振有兩個要素:首先,冥王星跟海王星的軌道週期呈現近乎 3:2 的比例,且當冥王星在近日點時,海王星大約在與其軌道長軸呈垂直的位置。更精確地說,冥王星的近日點位置是會浮動的,在天體力學中稱為冥王星近日點的天平動(Libration,指的是天體軌道角度的週期性震盪)。

若由上往下看太陽系盤面,冥王星的近日點天平動會與海王星軌道保持上述的關係,因而不會與海王星太過接近。另一個要素則是軌道傾角方向的天平動。由於先前提到的軌道傾斜,冥王星的近日點能保持在遠高於海王星軌道平面的位置,因此更加確保兩顆星不會相遇

上圖為冥王星軌道與八大行星軌道對照圖。截圖自The Sky Map | 3D Solar System Simulator
有興趣的讀者可以上這個網站,搜尋 Pluto 並勾選 animate ,調整合適的時距,便可以隨心所欲從任意角度觀察冥王星與八大行星的軌道運動。只是 3D 模擬運算量大,網站頗容易當哈哈……

你以為天體運行繞一圈就結束了嗎?讓影片畫給你看

其實天體力學的軌道計算非常的複雜。連結是神人用 Python 寫的開源模擬所繪製的影片。前半段影片顯示的是冥王星與海王星的軌道共振狀態,冥王星以紅色標示,海王星以藍色標示,坐標系則隨著海王星一起公轉;後半段影片展示一個無軌道共振的系統作為對照,冥王星質量的天體以綠色表示。

影片中,左上圖是從上往下看太陽系盤面,可以看見海王星的位置其實有微小的變化,這是因為海王星的軌道並非正圓;而冥王星的軌跡則顯示出上下兩個對稱的弧線,這是近日點的位置,可以發現平均下來近日點跟太陽的連線,的確跟海王星位置跟太陽的連線是垂直的,還可以觀察到近日點天平動的幅度。

下方兩張圖則是從側面看太陽系(平行於太陽系盤面看過去),可以看出兩側高凸的近日點位置的確遠高出黃道面(z=0)。這個模擬的時長為 2 萬年,冥王星約繞行太陽 80 圈,可以看見其軌跡是有跡可循的;相對的,影片後半沒有軌道共振的對照組,其近日點在這兩萬年內不斷地漂泊,繞行軌跡也相當混亂無序。

上述的模擬只考慮了太陽、海王星與冥王星的三體運動(雖然已經極為複雜了),那麼其他已知的氣體行星,會不會對冥王星軌道造成微小的擾動呢?欸嘿, N-body simulation 出場了!(筆者表示害怕)

天體間精巧的運行,就像宇宙中迷人的舞步。 圖/envato

天體力學下的平衡

美國亞利桑那大學的天文學家 Malhotra 與日本國立天文台的 Ito 研究員,在他們的模擬中考慮了太陽以及所有氣體巨行星──木星、土星、天王星與海王星──對冥王星的重力作用,並且把模擬時長拉長到50億年(上述 Python 模擬的 16 萬倍),也就是預期太陽剩餘的壽命。他們想嘗試回答,在太陽穩定照亮世間的漫漫時光裡,像冥王星這樣軌道如此精巧的天體,究竟是否能長久和海王星跳著方塊舞呢?

在模擬中,他們分別測試了不同的行星組合,以判斷各巨行星對冥王星軌道的影響。一如過去所知,模擬結果顯示了海王星的重力主導了冥王星近日點在平行太陽系盤面方向的天平動,也就是保持著 3/2 的和諧共振。然而,對於軌道傾角方向的天平動,海王星並未握有太大實權。拉長時間來看,冥王星近日點的天平動無論在平行盤面、軌道傾角兩個方向上,對巨行星們的一舉一動都頗為敏感。巨行星們的重力作用會使冥王星軌道產生微擾(Perturbation),使冥王星軌道產生天平動,只要天平動限縮在穩定的範圍內,就不用擔心冥王星會被耍得團團轉。

令人驚訝的是,根據模擬結果,他們發現在平行盤面的方向上,天王星竟在破壞冥王星的軌道穩定!不過別擔心,這個軌道穩定破壞者正被木星和土星給鎮壓著──在不含天王星的模型中,冥王星平行盤面的天平動和實際情況相去不遠,然而在移除木星和土星、只考慮天王星及海王星的模型裡,冥王星軌道只能在千萬年之內保持穩定。然而在軌道傾角方向上,天王星又有其貢獻,因為只有在考慮所有巨行星的模型裡,此方向的天平動才是與現實相符且長久穩定的

因此,在維護冥王星精密的軌道平衡上,四大行星可謂缺一不可。更令人驚奇的是,在漫長的 50 億年模擬中,冥王星的天平動雖被限縮在一個安全穩定的範圍內,但這個穩定範圍其實非常的狹窄!若冥王星稍有不慎,掉到了安全範圍之外,其軌道將變得無序而渾沌,便不再跟海王星跳著和諧的方塊舞了。

天體只要一脫離重力穩定帶,便有可能就此離開太陽系這個大舞池。 圖/envato

太陽系就是個大舞池

看到這裡,你是否震撼於冥王星的軌道之精密,簡直像是被刻意調整過的呢?就如同生物演化的優勝劣汰,過去太陽系也曾盛大進行著重力之舞淘汰賽,只要一有天體踏出重力穩定帶,便可能被逐出舞池、或者惹上其他天體的麻煩。

今日現存的太陽系成員都是重力之舞的佼佼者,它們因緣際會來到為數不多的重力穩定帶,尋得屬於自己的舞步,悠然繞旋至今。然而在過去,它們可都曾有過波瀾壯闊的瞬間──或許是與其他天體擦身而過、或許是被逼到穩定帶的邊陲……透過精細演算太陽系天體的移動,天文學家得以窺探這場重力之舞淘汰賽的精彩回顧,甚至可能發現被淘汰天體所遺留的蛛絲馬跡。

如今在太陽系這浩瀚的舞台上,行星、衛星、彗星、 TNO 等天體組成舞團,相互配合著對方的舞步,漫遊於其中。它們已是訓練有素的舞者,所演出的每一支舞都令人為之震撼,值得反覆品味、研究,就連遠在五十億公里外的冥王星,都使天文學家為之神往。究竟從冥王星複雜而精美的舞步中,還能挖掘出什麼有趣的新發現呢?讓我們拭目以待!

宇宙的奧秘,吸引著人們不斷地探索。 圖/envato

註:關於冥王星的故事,非常推薦閱讀精采的《冥王星任務》(時報出版)一書,由新視野號主持人共同執筆寫下,高潮迭起、充滿笑與淚,會讓你一看就停不下來!

參考資料:

paper本體https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2118692119

科普新聞 https://www.space.com/pluto-orbit-influences-from-giant-planets

冥王星軌道開源模擬 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2515-5172/ac3086, https://github.com/renumalhotra/2021-Pluto-Neptune-Resonant-Dynamics-Visualized-in-4D

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全國大學天文社聯盟
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2019《Science》年度十大科學大事
吼猴
・2019/12/31 ・5547字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

2019 年抵達尾聲,每每科學技術的突破與新研究的產生,都讓我們更了解這個世界,也使我們的生活產生巨大的變化。在迎接 2020 之際,照慣例,讓我們一起看看《Science》為今年選出的科學年度大事有哪些?而究竟今年最重大的科學突破是什麼呢?

丹尼索瓦人的長相公開

圖片來源:Science (MAAYAN HAREL)

丹尼索瓦人 (Denisovan) 為 萬年前一支滅絕的人屬,與著名的尼安德塔人 (Neanderthals) 以及現代人曾存在於同時期。過去從其他人種的 DNA 中,可以發現到丹尼索瓦人血緣的蹤跡,證實了這支族群曾廣佈亞洲大陸。但形態部分的資訊一直不足,科學家一直難以得知其長相。

今年 (2019) 九月,科學家透過西伯利亞所發現的丹尼索瓦小女孩遺骸,從小指中的 DNA 之表觀遺傳學資料,配合基因資料庫中對基因表現的認知,重建了丹尼索瓦人的面貌。而研究重建得出的長相,在後續的研究中與已證實屬於丹尼索瓦人的下顎化石進行比對後,發現預測模型與結果近乎完美的相符,顯示本次重建結果的可信度相當高。

延伸閱讀:沒有化石,也能用表觀遺傳學重建丹尼索瓦人的長相?

Google: 量子霸權已經達標!IBM: 這個嘛…

圖片來源:Google

今年 (2019) 10月,Google 宣告他們研發的量子電腦已可解決一般電腦無法解開的難題,進入了新的里程碑「量子霸權」(Quantum supremacy)。傳統電腦以二位元運作,進行資料編譯、傳輸或儲存;然而量子電腦的量子位元 (qubit) 為「0」、「1」或「同時為 和 1」,能在面對問題時藉由量子波的晃動,使錯誤的解決方案因互相干擾而抵消,最終呈現正確的解決方法。這項設計使量子電腦面對龐大運算時會更快速得出正確的解答,擁有破解當前網路安全協議 (security protocols) 的計算能力。

Google 的研究人員表示,本次發表的量子電腦利用超導金屬製成了具微小路徑的 53 量子位元晶片,在 200 秒內就解決用以測試的抽象問題,相比於傳統電腦計算需耗費萬年成效驚人。對手 IBM 對 Google 的宣稱表示了懷疑,認為現行的超級電腦若以正確的演算法應能在兩天內解決該問題。

成熟的量子計算需使量子位元有自我校正的能力,但當前該技術仍尚未完成。再者,量子計算機設備的擴張更具挑戰。儘管 Google 的成就備受讚揚,應用量子計算時代要真正來臨,可能仍需數十年的研究與努力。

延伸閱讀:量子電腦為何比傳統電腦強大?量子運算的發展又有哪些挑戰呢?

以腸道細菌戰勝營養不良

圖片來源:INTERNATIONAL CENTRE FOR DIARRHOEAL DISEASE RESEARCH, BANGLADESH

依國際衛生組織 (WHO) 的統計,每年約有 35% 的兒童死於營養缺乏。這項資訊除了暗示人類世界中資源不均的問題外,實際上還存在著某種醫療處境:有些營養缺乏的兒童即使獲得救助並攝取到足夠的食物後,仍無法有效改善營養不良造成的病痛,甚至依舊發育遲緩。

經過十年的研究,研究人員發現此情況與腸胃道菌相不成熟有關。標準的援助食物主要以奶粉和大米補充營養,但缺乏使關鍵腸道菌生長的成分。今年一款低成本、主要材料為鷹嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的營養補充品被研發推出,以促進腸道菌相的生長、並改善後續的營養吸收。

目前小規模的臨床試驗中,確認之前研究認定的 15 種重要菌種有良好的反應;且孩童的血檢也驗出出更高的血蛋白及體內代謝物數值,顯示這些孩童的身體狀況獲得改善。這些孩童後續將被長期追蹤,若結果理想,將相關的配方推廣至醫院之外,其影響範圍預計會十分深遠。

隕石撞地球,到底會怎樣?生物大滅絕之謎取得線索

圖片來源:DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE SOURCE

宇宙力量何其大,世界末日的電影題材中「隕石撞地球」已成為一個常見的套路,然而事實是人類一直未能還原過去這種浩劫的情景與事件發生的經過。那些滅絕的生物何時死亡、如何死亡,以及後續生態復甦的情況又是如何?一切都在科學家從墨西哥尤卡坦半島(YucatánPeninsula)提取出沉積物岩芯 (sediment core),配以美國挖出的豐富化石,才終能一窺六千六百萬年前的災難修羅場。

從現已沉於尤加坦海岸 (Yucatán coast)希克蘇魯伯隕石坑 (Cráter de Chicxulub),科學家鑽取了長 835 米的岩芯,重建隕石撞擊時的地表狀況:撞擊引起地震,地震引起海嘯並席捲地表生物。從岩芯中含硫物種的所剩無幾,可以推估遭撞擊的地表當時所有物質都被蒸發,並可能導致全球急速冷卻與黑暗。

但從美國科羅拉多州採集到的花粉、植物化石、動物骨骼等遺跡,可知生態復甦速度也頗快。該隕石撞擊事件標示了白堊紀的終結以及古近紀的開始,蕨類和小型哺乳動物倖存。該地棕梠樹在隕石撞擊後的 1000 年內就取代了蕨類的地位、在 30 萬年內則由核桃類植物成為強勢物種。哺乳動物的體型與多樣性於 10 萬年間增長兩倍,甚至部分體重可達 50 公斤。

海洋生態在 萬年內恢復運轉,但因撞擊造成的海洋酸化減少 50%海底有機質,而抑制了海洋生物的生長近百萬年。

延伸閱讀:恐龍輓歌—壓垮白堊紀末生物生存的最後一根稻草

新視野號成功拍到古伯帶天體 Arrokoth

圖片來源:NASA/ROMAN TKACHENKO

NASA 耗資 億美元的「新視野號」 (New Horizons) 探測太空船於成功探測了天體 2014 MU69 的資料,成為人類史上探測過最遠的星體。這個小行星位於海王星外的古柏帶 (Kuiper belt),一個距離地球 66億公里遠,預估長達 36公里寬的物體。原本被暱稱為 Ultima Thule(中文可譯為「天涯海角」或「終極遠境」),因為用字上有爭議(與納粹有關),而後正式被命名為 “Arrokoth” ,源自美國原住民波瓦坦語 (Powhatan)與阿爾岡昆語 (Algonquian) 的字彙,意指「天空」。

Arrokoth 外觀猶如雪人,由兩個球狀天體接合形成。大球約為小球體積的三倍大。依科學家推論,這兩個球狀天體應是各自形成後,才又碰撞接合再一起。

延伸閱讀:終極之遠,新視野號在古柏帶探測星體

真核生物身世之謎被解開了?

圖片來源:IMACHI AND NOBU ET AL.

真核生物的起源一直是科學家爭論不休的問題。而就在 2019 年,日本一支研究團隊歷經過 12 年的努力,對真核生物的起源取得了一個重大的線索。這支研究團隊從深海沉積物中培育出了微生物 Prometheoarchaeum syntrophicum strain MK-D1,這是種最近被認可為阿斯加德微生物群 (Asgard) 的古細菌。

其基因體定序的結果顯示,有部分基因片段是過去科學家以為只有真核生物中才會發現的。經 DNA 分析後,科學家推論,阿斯加德微生物群或其遠古親戚很可能與真核生物的起源有關,意味著生物分類學的三域說(古細菌、細菌、真核生物)有可能併作兩域,真核生物成為古細菌域底下的分支,古細菌域與細菌域唯二併立。這大膽的推論目前證據尚嫌不足,還有待更多證據出現。

能醫治多數囊狀纖維化患者的藥物終於出現!

圖片來源:FANGYU LIU/JAMES LEE/ROCKEFELLER UNIVERSITY

今年 10 月,罕見遺傳性疾病:囊狀纖維化 (cystic fibrosis, CF) 的治療藥物 Trikafta 終於通過驗證進入臨床療程。囊狀纖維化是由於第7對染色體長臂上 CFRT (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) 基因的缺陷造成的基因突變造成的遺傳性疾病,會造成呼吸道、胰臟、腸胃道、汗腺等外分泌腺體器官的功能異常,患者的平均壽命 40 歲。囊狀纖維化依種族而有不同程度的發病率,由於歐美種族帶因者較高,北歐裔白人發病率最高達 1/3,200,而亞裔帶因者比率較少,發病率僅有 1/31,000

新藥 Trikafta 結合多種針對不同 CFTR 蛋白缺陷的藥品,適用於高達 90% 的患者,將囊狀纖維化轉為能受控制的慢性病。但現今 Trikafta 藥品成本所費不貲,一年標價超過 30 萬美元,且需要終身服用;批准使用的年齡段(需大於12 歲)也有所限制,另外尚有 10% 的病患不適用該療程,皆是需要持續研究的方向。

伊波拉病毒感染者的一線希望

圖片來源:BAZ RATNER/REUTERS

從 1976 年起肆虐全球至今的伊波拉病毒,長久以來都缺乏有效的治療藥物,而今終於出現了一線曙光。今年 (2019) 確認 mAb114 REGN-EB3 兩種抗體藥物在早期治療的情況下,可大幅降低致死率。

這兩種藥物分別取自於 1996 年倖存者身上分離出來的抗體,以及由模擬人類免疫系統的小鼠所產生的三種抗體的其中一種。科學家於試驗中比較四種藥物,發現使用其他兩種藥物僅有約 50%的存活率,而接受該兩種藥物的患者有超過七成的存活率。

自與伊波拉相遇,人類終於出現了有效的療程。本次發現的藥物效果顯著,提高了患者的生存機會,但在疫情第一線抵抗伊波拉,還需鼓勵畏懼檢測的人們及早尋求治療,以有效抵抗伊波拉。

延伸閱讀:伊波拉不再是不治之症?兩種抗體藥物取得一線曙光

人工智慧終於也征服了多人卡牌遊戲?

圖片來源:JASON SOLO/THE JACKY WINTER GROUP

人工智慧(Artificial intelligence, AI)於目前最受歡迎的撲克遊戲:無限注德州撲克 (Texas hold’em)中首次擊敗了世界頂級玩家,意味著 AI 已能攻克玩家無法獲得完整資訊的多人遊戲。AI 在遊戲領域稱霸看來也只是時間問題,2007 年起已經有 AI 程式在西洋棋中攻無不克;而 2016 年 AlphaGo 更是打敗了圍棋的頂尖棋手。

德州撲克由於無法確知其他玩家擁有的手牌,被視為比棋盤遊戲更嚴峻複雜的遊戲。2019 年 月,來自賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學 (Carnegie Mellon University in Pittsburgh) 的團隊宣告他們製造的 AIPluribus,成功在多人遊戲中擊敗了世界一流的玩家。

Pluribus 的玩法在雙人與多人對戰時略有不同,在雙人對戰時著重尋求「不輸」的途徑,即使用納什均衡 (Nash equilibrium) 的策略,保證了對手平均而言會變得更糟,除非他們也使用完全相同的策略。但在牌局中有數名玩家的情況下,則難以確保這樣的策略奏效,因此 Pluribus 只是尋求在已知情況下最有效的玩法。

延伸閱讀:AlphaGo成為「棋靈王」是有多厲害?人工智慧未來又要怎麼走?

 

最後揭示今年度今年科學年度突破大事,Science 票選的科學大事的第一名:就是於 2019 年 月 10 日晚間公布來自於 M87 星系的黑洞相片啦!

終於看到你!人類幫黑洞拍的第一張照片

你看到地獄大門了嗎?
圖片來源:EHT COLLABORATION/CC 4.0

巨大的黑洞無所不在、無處不有,然而過去人類僅能藉著黑洞的引力與周圍物體互動意識到它的存在,沒有辦法直接看見黑洞本身。直到今年四月,事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope, EHT) 團隊發布了一張驚人的黑洞 「像」圖:照片中,一個黑色的中心被光圈環繞。

目睹黑洞影像的當下,身作黑洞攝像團隊成員的海諾·法爾克 (Heino Falcke) 表示自己宛如「看著地獄的大門」。 EHT 為結合世界各地的研究團隊,於各地使用電波望眼鏡觀測共同目標:M87 星系黑洞的電波波段其中特別鎖定毫米波),來增進其解析力。這張黑洞照相驗證了廣義相對論,與許多科學家數十年來的研究成果。

延伸閱讀:

本文編譯自 〈2019 BREAKTHROUGH of the YEAR 

吼猴
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臺大農業化學系出生。什麼都想嘗試,什麼都想創造。 但最深沈的渴望莫過於將生活的喜悅與驚奇分享給眾人,無論是狗狗貓貓的萌照、曲折離奇的故事,又或是總能帶給人新奇有趣的科學冷知識。 決意以溫柔真誠的言語將這個世界的驚奇,分享給想知道的人們。

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意外發生!我們與新視野號太空船失聯了——《冥王星任務》引言(上)
時報出版_96
・2019/05/28 ・2237字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

關鍵時刻,意外發生

二○一五年七月四日,星期六的下午,航太總署的「新視野號」冥王星任務負責人艾倫.史登人在距離新視野號計畫任務控制中心不遠處的辦公室裡。他星期六也沒休息,但工作到一半,電話鈴聲突然響起。他不會不知道這天美國國慶放假,但對他來講,這天真正的意義是「飛掠冥王星前十天」。新視野號,這個他投入了前後十四年的飛行器任務,如今只剩十天就要達成目標,將要與人類探索過最遙遠的系內行星面對面。

圖/pixabay

那天下午,一如往常埋首公務的艾倫,正忙著籌畫飛越冥王星的各項事務。進入任務的最後衝刺階段,他已經習慣睡少工作多,但那天他又特別比平常更早起,半夜就進到了任務指揮中心。他趕這麼早,是為了把大量的電腦指示上傳給飛行器,這些都是新視野號即將飛掠冥王星時不可或缺的導航資料。這一大包待傳的指令資料,代表的是近十年的努力心血。而那天早晨,已經以無線電波送出這些指令,現正以光速在追趕新視野號。至於冥王星,新視野號不斷接近當中。

看了一眼響著的手機,艾倫對來電的人是葛倫.方騰(Glen Fountain)有點吃驚。葛倫長年擔任新視野號任務的計畫經理。艾倫對葛倫此時來電,心生一股寒意,因為他知道住附近的葛倫今天休假在家。葛倫不是應該為了即將到來的重頭戲養精蓄銳嗎?他這時打電話是所為何來?

無論如何,艾倫先接起了電話。「葛倫,怎麼了嗎?」

「我們跟太空船失聯了。」

艾倫回說:「我跟你約任務指揮中心,五分鐘後見。」說完艾倫掛上電話,在辦公桌前坐了幾秒鐘,驚魂未定的他搖了搖頭,直覺不可置信。計畫以外的失聯,是所有飛行器的大忌,對整整九年的航行都沒失聯過的新視野號來說,更是大忌中的大忌。眼看十天後就要飛抵冥王星,現在失聯會不會太要人命?

圖/wikimedia

他抓起隨身的東西,把頭伸進走廊盡頭、他原本要主持的會議中交代說:「我們跟太空船失聯了。」聽他這麼說,同仁們震撼地望著他。「我現在去任務指揮中心一趟,去多久很難講,但今天大概不會回來了。」他頂著馬里蘭州的酷暑步行去取車,然後在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)的校園裡開了半英里(約一點六公里),來到了新視野號的指揮重地。這裡,是馬里蘭州的勞瑞爾市。

最漫長的一段車程

這短短幾分鐘的車程,不啻是艾倫一輩子感覺最漫長的幾分鐘。他對團隊處理危機有絕對的信心:他們演習過不知道多少種突發狀況,這個危機或許別人無法處理,但新視野號團隊絕對沒有問題。但話說回來,他還是不免擔心起自己最不樂見的情形。

他不免想起了航太總署那命運多舛的火星觀察者號(Mars Observer)。一九九二年發射的火星觀察者號,也曾在它要抵達火星的三天前失聯。地球上使盡渾身解數想要重建通訊,但都沒有成功。航太總署後來判斷火星觀察者號的燃料艙破裂,進而導致整艘太空船陷入無法挽回的災難。用白話說就是,船在太空中炸了。

艾倫心想:「萬一真的失去新視野號,這個橫跨十四年的計畫,超過兩千五百位同仁的心血付出,就付諸流水了。我們對冥王星的了解絲毫沒有增進,而新視野號則會成為夢想破滅的代名詞。日後凡提到某件事功虧一簣,新視野號的形象就會浮現眾人眼前。」

嘗試連線

艾倫一抵達偌大、幾乎沒有對外窗的辦公大樓,也就是任務指揮中心的所在地,他首先停好車,把負面的念頭統統轟出腦袋,然後便進門開始幹活。新視野號的任務指揮中心,完全符合一般人對於太空飛行器控制中心的想像。只要你看過《阿波羅十三號》或其他的太空電影,你就知道那是一幅什麼樣的光景:發著光的巨型投影銀幕牆,是室內最搶眼的陳設,至於橫在銀幕牆前的控制台,則是一排接著一排、正常大小的電腦螢幕。

新視野號於 2015 年 7 月 14 日掠過冥王星時的飛行路徑。圖/wikipedia

在前往過去曾是太陽系第九顆行星的漫漫九年裡,新視野號的無線電是一種生命線般的存在。因為有了這條連結,團隊才得以聯繫飛船、控制飛船,另外要讀取飛船的狀態、接收飛船得到的觀測數據,也都得經由這條連線。隨著新視野號朝太陽系的外圍愈飛愈遠,通訊的時間延誤也愈來愈久。到了這最後關頭,地球與新視野的通聯已經要九小時才能一來一回,這是用光速行進需要的時間。

為了保持與地球的聯繫,新視野號跟所有長程無人太空船一樣,都倚賴一種幾乎不為人所知、當然也得不到稱頌的行星探險神器:航太總署的「深空網路」(Deep Space Network)。這是一個由三組巨型碟型天線集成、三位一體的無線電網,三處天線集成分別位於美國加州金石、西班牙馬德里,以及南半球澳洲的坎培拉。這三處的碟型天線完美無瑕地進行接力,擔下與飛船通訊的重責大任。因為地球會每二十四小時自轉一周,因此這三處選址才刻意散布在世界三大洲。不論飛船位於深邃太空的任何角落,總有一處天線可以對準訊號的來源。

但如今……深空網路聯繫不上他們極其珍貴的資產,新視野號。

——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

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