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Kepler-452b真的是「地球2.0」?

雷雅淇 / y編_96
・2015/07/25 ・4649字 ・閱讀時間約 9 分鐘
Credits: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle
Credits: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

外太空雖然仍舊寂靜,但最近針對眾多的討論讓它顯得熱鬧非凡。新視野號在2015/7/14掠過冥王星,並不斷回傳讓人驚奇的影像和資料;與此同時,另一棚的克卜勒太空望遠鏡(Kepler)也發現了目前為止跟地球最相像的行星:Kepler-452b。

NASA在2015/7/23公布了這令人興奮的消息:雖然大家都以「地球2.0」稱呼這個令人興奮不已的發現,但在此之前我們不是已經用了很多像是「地球級系外行星」、「超級地球」、「最像地球的行星」等名詞,來形容過去發現的眾多在適居帶(habitable zone)的行星嗎?這次的發現真的有特別不一樣?難道我們之前的誓言都只是兒戲嗎?(女主角梨花帶淚模式on)

找系外行星嗎?你需要克卜勒之眼

美國太空總署(NASA)設計的克卜勒太空望遠鏡於2009年發射,運行的是尾隨地球的日心軌道,這樣克卜勒太空望遠鏡的觀測就不會被地球影響。它的任務是找尋環繞其他恆星的類地行星。克卜勒太空望遠鏡長期檢測15萬顆以上恆星的亮度,觀察它們是否有行星凌日現象:如果有一顆恆星的亮度會週期性的稍微變暗,又在不久以後恢復,就表示可能有行星繞行這個恆星,才發生掩星現象。

不過,還有其他原因會導致亮度的細微波動,例如有些恆星本身亮度就變化很大,所以所有的克卜勒所發現的候選行星都必須加上其他觀察,進一步分析收集到的資料。「確認是非常耗時的。」在加州山景城SETI研究所的克卜勒研究科學家考夫林(Eff Coughlin)說。 因此克卜勒團隊將確認過程自動化,結果發現小岩石(small rocky planets)行星是目前名單中最常見的行星類別,多達25%。

source:Wikipedia
source:Wikipedia

2013年5月,由於克卜勒的反應輪故障(這又是一段很長的故事了),無法設定望遠鏡方向而暫停搜尋系外行星的任務。不過2014年就以雙輪模式復活,這個稱為K2的計畫裡也有些進展,找到了鄰近恆星系有3顆與地球相當的系外行星。而這次的Kepler-452b則是在過去的克卜勒計畫中羅列的500顆候選行星中發現的。克卜勒太空望遠鏡每30分鐘收集一次資料,要有3次凌日記錄才會被加入候選名單。截至2015年1月為止,克卜勒太空望遠鏡已在440個恆星系統中發現了1013個系外行星(exoplanet),需要進一步確認的候選名單(candidate list)還多達3,199個。

除了找到系外行星,還有另外一個人類更關心的事:適不適合居住?

安安,你聽過適居帶嗎?

過去有分析研究推測,在銀河系中調查過的類日恆星中,大約有五分之一的恆星會有在適居帶(habitable zone)上繞行的行星,適居行星撒遍銀河系啊。我們對適居帶的想像,其實仍奠基在地球的條件之上,所以有一個很重要的原則:行星表面必須維持有液態水。(奇怪耶你,找外星生命一定要先找水嗎?

因此這個類地行星距離它的母恆星不能太近也不能太遠:一方面是為了有適宜的溫度,另外一方面,剛好不會太熱或太冷的距離,行星表面才有可能有液態水,而不是水蒸氣或是冰。聽起來條件嚴苛(適居帶有時也被稱為「古迪洛克區(Goldilocks Zone)」因為童話古迪洛克當中的小女孩喜歡吃不冷又不熱的粥,真是難伺候啊),但其實這條帶可寬可窄:能離母恆星多近,其實是要取決於恆星的大小和能量輸出。對於比較小的恆星,像是紅矮星,適居帶可能會像是圍著火爐烤棉花糖一樣靠近。但對於巨大且炙熱的恆星,這條帶就必須退到安全距離外。

有方程式可以計算適居帶和恆星之間的距離,主要的依據是利用恆星的光度。但這個方法用來算太陽系的適居帶其實就不太靈光了:例如,金星在適居帶內緣附近,但他表面濃厚的二氧化碳大氣層讓它表面高達462 °C,根本就沒辦法住人。所以儘管有公式,適居帶仍然要依星系而制宜,也不是在適居帶上的行星都能適居。

深綠色代表狹義太陽系適居帶,淺綠色代表廣義太陽系適居帶。souce:wiki
深綠色代表狹義太陽系適居帶,淺綠色代表廣義太陽系適居帶。souce:wiki

另外一個要維持表面有液態水的條件是行星質量。質量跟重力有關,地球的質量剛剛好,不會小到重力太微弱而無法抓住大氣,讓氣壓太低而水無法存在於行星表面;同時也不會重力大到讓氣壓過高,以至於液態水無法形成。

但關於適居帶也有些批評,認為太過地球本位主義,自會有出路的生命搞不好在其他看似嚴苛的環境下也能生存。(其實在地球也不乏一些極端的例子,像是地表下十公里,極高溫或是厭氧環境都還是有生物。)

Kepler 452b啊,是什麼讓你如此特別

到目前為止,有大約十幾個在適居帶上接近地球大小(體積約是地球的1/2~2倍)的行星被發現,光是Kepler就發現了12個在適居帶上的小行星。那Kepler-452b到底有什麼特別?

Credits: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt
Kepler-452星系與太陽系、Kepler-186星系的比較。(綠色的部分為適居帶)Credits: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

Kepler-452b距離地球有1400光年遠,他的一年是384.84天,直徑是地球的1.6倍。測量不會包括任何有關質量的資訊,但是從相似的系外行星判斷,研究團隊推估他的質量是地球的5倍,所以任何的到那裡造訪的旅客都會感受到在地球的兩倍重力,地心引力更抓得住你。團隊諮詢了行星地質學家,他們推測Kepler-452b可能經歷過一段火山活躍期,它的高質量給了它一個比地球還要濃的大氣層。

但讓Kepler-452b特別不同的,還有它繞行的母恆星。Kepler-452b的母恆星年齡比太陽大15億歲,亮度多了10%,質量也多了4%,但軌道與恆星的距離也較地球與太陽遠 5%,所以Kepler-452b剛好在它星系的適居帶內,但也有可能會經歷失控的溫室效應,類似現在被烘烤的金星。而且,它和太陽同樣都是G型恆星。(為了避免恆星分類就要講上一整天,詳細的分類法可以參考這裡。)

過去克卜勒太空望遠鏡發現的12顆在適居帶上的系外行星。
過去克卜勒太空望遠鏡發現的12顆在適居帶上的系外行星。

克卜勒太空望遠鏡之前發現的12個在適居帶上的行星,有四個是圍繞著質量和光度都比太陽還小的M型恆星、七個是繞著稍微和太陽比較接近的K型恆星(恆星分類以光譜標示,依據恆星的溫度由高至低排序(質量、半徑和亮度皆與太陽比較)分別是:Oh! Be A Fine Girl Kiss Me),而Kepler-452b是第一個繞著G型恆星的。

那過去說的一切,通通不算數了嗎(泣)

如果跟天文界有保持聯絡的話,你會想起:過去不是也發現了很多跟地球很像的行星嗎?

在Kepler-452b出現之前,被稱為「地球最像行星」的是Kepler-186f,它在2014/4宣布發現,距離我們約500光年,比地球大不到10%且位在適居帶,所以表面也有可能水汪汪。不過他圍饒著的恆星是跟太陽比起來質量較小、溫度較低的紅矮星,Kepler-186f又在適居帶的外側所以上面會涼爽一些,Kepler-186f的中午感覺就像地球日落前一小時的黃昏,而且只要130天就可以過年了。

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Kepler-186星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)

在Kepler-186f之前(是一個在點名前任情人的概念?),最類似地球的系外行星是Kepler-62f。但它其實算是超級地球,因為它比地球大了約40%,公轉週期為267天,母恆星也比太陽還要小、溫度也比較低,距離我們1,200光年,位在天琴座的方向。和Kepler-162f在2013/4同時期宣布發現的,還有Kepler-69C。

Kepler-62星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)
Kepler-62星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)

Kepler-69c更是個超級地球,他比地球大了70%,公轉週期為242天,它的母恆星和地球較為相近,大小差不多,光能量大約是太陽的80%(意味著溫度可能差不多。),行星系統距離我們2,700光年遠,位在天鵝座的方向。

Kepler-186星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)
Kepler-186星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)

還有於2011/12公佈,克卜勒太空望遠鏡上工第三天就找的Kepler-22b。這是人類首度在類太陽恆星旁的適居帶中間發現的超級地球,它約是地球的2.4倍大,距離我們600光年遠,公轉290天,母恆星射出的光能量比太陽少25%。

Kepler-22星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)
Kepler-22星系與太陽系的比較。(綠色的部分為適居帶)

其他不勝枚舉的還有Gliese 667CcGliese 581g(在2010/9公佈時也被稱為「發現至今與地球最類似的系外行星」)、EPIC 201367065的行星…等等等等等。

從左至右:Kepler-22b、Kepler-69c、這次的主角Kepler-452b、Kepler-62f、Kepler-186f,最右邊的是地球。
從左至右:Kepler-22b、Kepler-69c、這次的主角Kepler-452b、Kepler-62f、Kepler-186f,最右邊的是地球。

扣除掉Kepler-452b略大的尺寸和其他一些仍太不確定的因素,它確實是個令人非常興奮的發現–這是到目前為止我們找最接近地球的系外行星了。我們對於「第二個地球」抱有很多的懷想:移民、外星生命、藉此探索地球和生命的起源……;相信Kepler-452b不會是這趟追尋之旅的終點,「地球2.0」或許過不了多久又會換人當了。

其他延伸閱讀:

參考資料:

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雷雅淇 / y編_96
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PanSci 總編輯|之前是主編,代號是(y.),是會在每年4、7、10、1月密切追新番的那種宅。中興生技學程畢業,台師大科教所沒畢業,對科學花心的這個也喜歡那個也愛,彷徨地不知道該追誰,索性決定要不見笑的通吃,因此正在科學傳播裡打怪練功衝裝備。

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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...
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