0

0
0

文字

分享

0
0
0

探索神祕宇宙的望遠鏡科技

探索頻道雜誌_96
・2015/08/13 ・4455字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

只要拿出口袋裡的智慧型手機,我們隨時都能和全球最偏遠的地方即時通訊,也可以察看地球上每個角落的地圖,但你是否始終有個疑問縈繞心頭:在地球之外,還有其他生命存在嗎?讓《Discovery探索頻道雜誌》來為你解答。

72-73 探索宇宙生命的望遠鏡科技
本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊觀看。

美國航太總署(NASA)的最新任務不是登陸火星、也不是在太空中建造家園、更不是載人上月球(人類探測器登陸火星和建立國際太空站的任務都已經達成,載人登陸月球更是幾十年前的事),而是在宇宙中尋找生命可能存在之處。

當然,這項任務可不簡單。科羅拉多大學波德分校的薩根研究員(Sagan Fellow)雷貝嘉.馬丁(Rebecca Martin)就表示,目前我們觀測到的行星系統僅有一小部分有著適合生命形成的行星和小行星帶。

「我們的研究認為,太陽系其實相當特別。」她的團隊針對小行星帶的研究顯示,小行星撞擊帶來水和有機物,是生命形成的重要關鍵。

因此NASA有項艱鉅的工作,就是在幾十億顆恆星、行星,或甚至其他星系中,找出這種有可能發展出生命的特殊行星。

這樣的搜尋得靠望遠鏡幫忙。早在1609年,伽利略就首度使用簡單的望遠鏡觀察天空,當時的望遠鏡還只是在水管中嵌入幾片鏡片而已。其實在1570年,伽利略製作望遠鏡的40年前,英國的倫納德.迪格斯(Leonard Digges)發明的經緯儀就已包含基本的望遠鏡概念,雖然當時望遠鏡的主要功能是觀察天空,並非尋找遙遠的生命。然而,縱觀望遠鏡的四百年史,它幾乎沒什麼改變。

天文學家利用天線或鏡片收集遙遠天體發出的可見光、微波、紫外線與其他不同形式的電磁波,並加以分析檢驗,這些基本的技術已成了標準程序。

事實上,多數人都會同意,天文學和望遠鏡帶來的最重大改變並非高科技的進展或驚人的物理突破,而是人類看待行星及恆星等天體的觀點,以及解讀天體觀測資料的方法。

尋找宇宙生命

NASA指出,即使天文學家已發現了數百顆系外行星,我們仍然很難預測是否有任何一顆行星能有生命存在。天文學家使用現有的望遠鏡和分析技術,所得到的資訊仍十分不足。

我們一直希望找到另一顆類似地球的行星──不會太大也不會太小,有著氧氣和水,繞著一顆不會太熱也不會太冷的恆星運轉。但以目前得到的觀測資料看來,似乎仍有些困難。

現在有許多科學家認為可能適合生命生存的行星,是以文藝復興時期天文學家克卜勒為名的太空望遠鏡,利用「凌日法」所發現的地球型行星。凌日法是測量恆星光線被經過其前方的天體(多為行星)遮掩的程度,估算行星的大小、距恆星多遠,以及公轉的週期。但我們只能根據這些估算,猜測該行星會是顆類似地球的行星,或是冰凍荒蕪的星球。

因此,NASA目前致力於發展一項叫作PIAA(phase-induced amplitude apodization)的日冕儀技術,利用先進的演算法遮擋來自恆星的輝光,直接對系外行星進行成像。天文學家能從影像中檢驗是否有雲層、水體,甚至是植被或汙染的霧霾。

PIAA技術利用兩面特別設計的非球面鏡片,讓焦點的光線重新成像,形成高對比的影像,這項技術讓鄰近恆星的輝光和繞射侷限在一點,之後便能輕易濾除,因此能更容易看見行星的細節。

窺探宇宙成因

過去幾十年來,天文學的另一項重大進展在於資料處理技術。負責英國曼徹斯特平方公里陣列(Square Kilometre Array,簡稱SKA)計畫的科學家泰勒.伯克(Tyler Bourke)告訴《探索頻道雜誌》,目前用來蒐集、貯存、整理、分析資訊的方法已經和以前大不相同,對天文學的影響甚至比光學和物理學還要來得深遠。

伯克表示:「以下載無線電波望遠鏡的鉅量觀測資料來說,現在重要的不再只是資料本身,而是如何分析使用這些資料。」他說,望遠鏡的資料和影像不再只有祕密組織才能處理,現在只要靠一般商業電腦就能做到。

伯克解釋,複雜的影像大多靠高效能的電腦顯示卡來處理,一些線上遊戲玩家也擁有相同的配備。他表示:「就平方公里陣列計畫來說,我們有非常優秀的工程師重新編寫電腦顯示卡的程式,幫我們從大量資料中篩選出有意義的資訊。」

平方公里陣列計畫團隊正在建造全世界最大、最複雜,同時也是最強大的無線電波望遠鏡,完成後其巡天效率會比現有的儀器還要快1萬倍,解析度也會高上50倍。

平方公里陣列計畫並不打算使用超大的碟型天線,也不打算利用山谷建造直徑300公尺的拋物面天線,像波多黎各的阿雷西波(Arecibo)電波望遠鏡那樣;而是會利用高頻寬的光纖網路,連結橫跨大陸的數千個小型天線。因此,平方公里陣列所需並非大型工程或尖端物理學知識,而是複雜的資訊通訊技術。你也可以將它想像成群眾募資活動,只是目的換成了尋找系外行星。

科學家已經選定非洲幾個地點,像是南非的卡魯(Karoo)沙漠,波札那、迦納、肯亞、馬達加斯加、模里西斯、莫三比克、納米比亞、尚比亞等國,以及澳洲西部,在這些地方建造一系列13公尺×60公尺×1.5公尺的天線組。一旦透過內部網路相連,這些天線能在2020年至2024年間全面運作,幫助天文學家了解早期宇宙的形成,包括第一代恆星與星系的成因。平方公里陣列計畫團隊表示,就像NASA一樣,這個任務的目標是基礎科學研究。

「這就是我們選擇南非和澳洲的原因,」他說,「並不是因為天氣晴朗或水氣稀少──雖然這些因素也很重要,但最重要的是這些地方遠離人群和無線電波。要能看到宇宙的最深處,也就代表工作波段非常長、頻率非常低,幾乎到了調頻(FM)廣播的波段。」

伯克表示,在這個頻段,任何人類活動都會危及觀測數據的準確性。平方公里陣列計畫有13個會員國和來自20個國家的100個組織共同參與,耗資21億美金,因此大家非常期望它能協助回答最困難的科學問題,包含宇宙初形成時大霹靂的情況。

74-75 探索宇宙生命的望遠鏡科技2
本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊觀看。

以動制變

至於最新的光學望遠鏡,位於海中央的島嶼夏威夷,就有九座光學天文台坐落於毛納基火山(Mt. Mauna Kea)的雲層上,遠離了各種汙染和干擾,來自大氣層中的塵埃、霧霾和水氣也都降至最低。另外還有一些天文台位在南美洲高海拔的乾燥沙漠,或是晴朗的澳洲內陸,也擁有同樣優良的觀測條件。然而,隨著光學技術快速進展,望遠鏡面臨的問題往往來自微小尺度的不完美。

一般光學望遠鏡的反射鏡片是由小鏡片組合成的25公尺反射鏡,像是位於智利的巨型麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope),前後往往需要四年時間才竣工。每一片小鏡片都得在溫度精確控制的環境下,打造超高精度的曲線表面。即便如此,這些鏡面從未是完美的拋物面鏡。

「所有的傳統光學系統都會有微小的像差,使得恆星成像不清晰。目前我們無法製作出毫無像差的光學系統,」艾姆斯研究中心的別里克夫博士這麼說。即使是鏡片上最微小的起伏都會造成成像變形──隨著鏡片越大,出錯的機率也越高。因此,現在許多光學望遠鏡改採不同的策略,與其嘗試打造完美的鏡面,不如故意將鏡面設計成可以任意變形。

在20年前,歐洲南天天文台(ESO)首度將這項「主動光學」技術應用於拉西拉(La Silla)天文台的新技術望遠鏡(NTT)上。這座天文台坐落於2400公尺高的智利亞他加馬(Atacama)沙漠。

新技術望遠鏡的3.58公尺主鏡是全球首座能由電腦控制的反射鏡面。電腦控制的致動器能根據即時的監測元件反饋,不斷輕微改變主鏡的表面形狀。也就是說即使在觀測中,望遠鏡仍能主動調整鏡片的曲率,確保焦點準確,而獲得最佳的成像品質。NASA表示,長距離、低光度和非常要求準確對焦的PIAA望遠鏡,也將會使用此項技術。伯克表示,他的團隊將會使用數個不同的反饋系統來控制鏡面。

鏡片不是天文學家碰到的唯一困擾,即便是夜晚舒爽的微風,都會對現代敏銳的光學系統造成問題。新技術望遠鏡的設計者就非常清楚,拉西拉天文台的高溫、高海拔氣候,會在漫長炎熱的一天過後,帶來大幅降溫的晚風。

巨大溫差會使物體膨脹、收縮,甚至彎曲。因此設計師在望遠鏡周圍建了圓頂,並透過流經鏡片表面的氣流,減少因溫度造成的微小變形。

新技術望遠鏡在圓頂內採用了特殊的通風窗設計,能夠產生更容易控制與預測的氣流。這些對小細節的用心,能讓鏡片表面的氣流擾動降至最低,而有更清晰的成像。

新技術望遠鏡和最新一代的太空望遠鏡比起來,所處的環境相對舒適許多。不論是1990年發射的哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope),或是即將在2018年發射的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope),軌道都位在地球大氣層的煙霧和無線電干擾之上,因此能望向宇宙更深、更遠之處。

韋伯太空望遠鏡的觀測目標是幾十億光年外天體所發出的紅外線,希望能研究大霹靂後1億到2億5000萬年的早期宇宙,並可能觀察到第一代恆星與星系。這些巨大的望遠鏡在太空嚴苛的真空環境中,得要面對巨大的溫差和鏡面可能變形的問題。

舉例來說,軌道高度僅600公里的哈伯太空望遠鏡,紅外線接收器內的溫度是刺骨的攝氏零下203度,在防護罩外卻是200度的高溫。不過這完全比不上詹姆斯.韋伯太空望遠鏡,其低溫冷卻的紅外線偵測器每天工作時的溫度是零下224度。

這樣劇烈的溫差會對零件產生巨大的應力,也讓測試相當難以進行。我們很難在地球上複製望遠鏡在太空中所處的真空環境,詹姆斯.韋伯太空望遠鏡最終的軌道將遠離地球達150萬公里,若發生任何問題,幾乎不太可能前往修復。這都使得建造最新一代的望遠鏡──不只是太空望遠鏡──無比困難又造價昂貴。

追求大哉問的解答

在非天文學家眼中,擲注其中的許多時間、金錢和努力,似乎有些浪費,但對堅定的天文狂熱者──像是平方公里陣列的伯克來說,花費完全值得。他指出,望遠鏡能望向越遙遠的過去,我們就越能夠理解宇宙的廣袤,以及自己在其中的定位。

「重力波絕對是我們用平方公里陣列最希望找到的東西之一,」他說,「如果得到的數據夠明確,我們可能得要重新審視愛因斯坦的理論──這絕對會是諾貝爾獎等級的發現,」他如此強調。

科學家已經取得一些突破性的成果。就像確認希格斯玻色子存在,促使了新的原子結構理論發展。有些人認為,最近南極洲的宇宙銀河系外偏振背景影像二代(BICEP-2)望遠鏡可能發現了重力波,如果能夠確認,就也能證實宇宙擴張理論。

「這還有但書,」伯克表示,「人類對宇宙的理解有道鴻溝橫亙面前──也就是大霹靂後幾十億年,稱作黑暗時代(Dark Ages)的這段時期,我們對此一無所知,」他解釋,「我們知道的太少,很難做出完全沒有錯誤的描述。」

然而,平方公里陣列這樣的龐然大物、置身遙遠冰冷世界的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡,或是極其精細的巨型麥哲倫望遠鏡,都協助我們取得更多影像,進而深入理解宇宙。這些望遠鏡窺探宇宙的過去,一步步揭開黑暗時代的神祕面紗,伽利略首次將望遠鏡轉向夜空的欣喜,也因此能夠歷久彌新。雖然如此,對一般民眾來說,天文學或望遠鏡和日常生活沒有什麼直接關聯,看來神祕卻不太重要。

不過,平方公里陣列的伯克提醒大家,建造望遠鏡所憑藉的絕對不只是對研究的迫切需求,更多時候也意外帶動了其他領域──像是軍事、航太、電腦,及大量生產製程。

「有件事是確定的,」他說,「單靠天文學這個學門無法建造大望遠鏡和精密儀器,天文學領域沒有那麼多錢。」無論如何,天文學家還是會戮力向前,繼續探索宇宙奧祕!

 

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期

文章難易度
探索頻道雜誌_96
10 篇文章 ・ 11 位粉絲
《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。

0

5
3

文字

分享

0
5
3
解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 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

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

EASY天文地科小站_96
20 篇文章 ・ 668 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

0

2
1

文字

分享

0
2
1
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

0

4
0

文字

分享

0
4
0
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

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
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
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。