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侖琴X射線衛星ROSAT即將重返地球

臺北天文館_96
・2011/10/20 ・1746字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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由於地球大氣會吸收來自太空的X射線,因此在地面無法研究X射線天體,必須將X射線望遠鏡放在地球上空的軌道上才能避開地球大氣的影響。侖琴X射線衛星( ROentgen SATellite,Röntgen X-ray observatory,ROSAT)於1990年6月1日發射升空,是當時最大的X射線巡天太空望遠鏡,也是第一架拍攝X射線影像的太空望遠鏡,讓天文學家經由確定X射線源的精確位置與結構,得以研究高能宇宙。

ROSAT是德國、美國和英國合作的計畫,由德國航空中心(German Aerospace Center,DLR)主導,後由德國太空控制中心(German Space Operations Center,GSOC)接手操控。它原本設定的任務時間約18個月,其中前6個月進行全天巡天觀測,列出一份X射線源星表;之後1年再針對星表中的X射線天體進行詳細觀測。後來衛星任務時間不斷展延,直到1998年主恆星追蹤器失效,使得高解析相機(HRI)直接指向太陽而受損,無法修復與再繼續觀測,因此在1999年2月12日才完全結束任務。在這8年多的任務期間,它總共偵測到80,000個X射線源,而衛星上的另一架廣角相機則在極紫外波段偵測到約6000個極紫外輻射源。

在任務期間,ROSAT的軌道高度為585km×565km;退役之後,受到大氣拖曳的阻力影響,使衛星高度逐漸下降。2011年6月,軌道高度已降至離地表僅約327公里。由於目前ROSAT上已無任何推進系統,因此無法控制它的重返大氣(re-entry)過程。不過可以確定的是,一旦ROSAT的軌道高度低於150公里,則它在地球軌道上的時間不會超過一天;一旦軌道高度達到120公里~110公里之間,則存活時間不會超過1圈軌道;軌道高度到80公里左右時,基本上衛星已經處於自由落體狀態,且大氣加熱是最強的時候,故約在此高度開始焚燬、墜落。預測地球上某處的某個人受到此衛星重返大氣傷害的機率為1/2000。

通常在衛星墜毀前1天,預測的墜毀時間點還會有約±5小時的誤差;到墜毀前2小時,預測的墜毀時間也仍有±1次軌道的誤差,相當難以掌握,不過至少已經可以排除絕大部分不會受到影響的區域範圍。

目前科學家預估:原本總質量達2.4噸的ROSAT進入地球大氣時,速度將達每小時28,000公里;在如此高速衝刺狀況下,衛星將逐漸碎裂,一部份碎片在大氣中焚燬,預估最後會有總質量約1.7噸的30個碎片抵達地球表面,佔了ROSAT原質量的70%左右,比一般衛星重返大氣僅約有20~40%殘餘會抵達地面的比例高了許多。其中原因在於:ROSAT最大的碎片很可能是材質極端抗熱而不易焚燬的望遠鏡鏡片,鏡片是由4組拋物面-雙曲面的鏡片組成所謂的I型Wolter望遠鏡(Wolter Type-I Telescope),焦長2.4米,每組鏡片長度約50公分,最大的鏡片直徑約84公分,全部的鏡片由16組支柱支撐,光是這些望遠鏡鏡片本身的總質量就逼近1.7噸。

如同美國的UARS衛星一樣,受到太陽活動影響,目前還無法確定ROSAT重返大氣的精確時間和地點。目前預測比較可能的重返時間是在2011年10月21-24日期間,最可能的時間點落在臺北時間2011年10月23日14:40±30小時,可能的位置落在西伯利亞至俄霍次克海附近,衛星碎片應會沿軌道方向散佈約80公里長。不過,由於衛星軌道傾角約53度,所以在南北緯53度間,下圖藍色與黃色軌跡的位置,都有可能遇見ROSAT重返大氣事件。基本上,預測可能墜落的時間點內,軌跡並未經過臺灣上空,對臺灣地區影響不大。

預測ROSAT重返大氣可能的軌跡與相對地面位置。

圖片說明:
黃色記號:預測ROSAT重返大氣的位置。
橘線:預測地面觀測者可見ROSAT重返大氣的範圍。
藍線:預測重返大氣不確定時間之前的衛星軌跡(每5分鐘標示一個記號)
黃線:預測重返大氣不確定時間之後的衛星軌跡(每5分鐘標示一個記號)
白線:預測重返大氣時間點的晝夜分界線(白色記號為太陽直射位置)

目前這顆衛星的亮度相當於1等星,因此或許無法見到ROSAT重返大氣的壯觀景象,但仍可掌握衛星飛越所在地上空的機會進行觀測,可能飛越臺灣上空的預測資料,可參考Heaven Above網站,其中最有可能進行觀測的是2011年10月23日傍晚17:58前後,不過前提是這顆衛星尚未墜毀的話,臺灣地區才有機會見到。

預測2011年10月23日傍晚ROSAT衛星飛越臺灣上空的軌跡示意圖。

資料來源:ROSAT

DLR:ROSAT re-entry

MPE:The ROSAT Mission

Heaven Above

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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臺灣的空污問題與眾不同,如何使空污預報更精確?先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧!
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/16 ・6113字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

你以為的大氣,不是真實的大氣!

大氣邊界層是人類的生活範圍,也是大部分空氣污染物存在的地方。然而,傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況,因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異,導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,他是建立空品專題中心的主要推手,研究團隊從大氣結構出發,試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報,這項計畫集結了來自民生公共物聯網國家高速網路與計算中心環境保護署等跨部門的資源,以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

中研院環變中心研究員兼空品專題中心執行長周崇光。圖/研之有物

根據國際貨幣基金組織(IMF) 2021 年的報告,臺灣位列全球第 22 大經濟體,這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國,一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署(NASA)公布的地球夜景照中,我們彷彿可以看見,高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立,在又長又窄的西半邊,從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海,東部靠山,這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區,不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口,凝聚出商業與工業的巨大產能,更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員,請他從空氣品質與都市氣象學的角度,細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

ASA 在 2016 年 12 月 31 日拍攝的夜景照,可看出臺灣有北、中、南三大亮區。圖/NASA

臺灣雖然小,但空汙問題好複雜!

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里,以大氣尺度來看非常的小,然而,我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處,接受來自各方的空氣污染物,各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭,整個中西部更是在窄長的地域中,面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例,臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散,再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應,讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜,無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述,使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

臺灣在東北風的影響下,不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說,到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單,自歐洲工業革命開始,傳統大氣科學的理論都告訴人們:越高、風越大,只要把煙囪建得高高的,就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

平坦的大陸環境中,把煙囪建高可以讓煙流擴散及傳輸至很遠的地方。圖/rawpixel

「到了大陸國家,你會發現他們煙囪排出來的煙,經常是非常穩定的水平煙流,可以飄得很遠,這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題!」,然而反觀臺灣的煙囪,卻很少出現這樣的水平煙流。

中研院空品專題中心對臺中火力發電廠的煙流觀測顯示,傳統高煙囪設計反而容易讓煙流進入「污染累積區」,在高度 450~800 公尺左右,橘色區域的空氣層風速僅有 0.5~3 公尺/秒。不同折線表示有兩個時段,分別是觀測當天凌晨 1 點到 3 點(紅線),以及晚上 19 點到 21 點(黃橘線)。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料,如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高,有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知,當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中,西部沿海風速最快的大氣區域(藍底),大約落在 200~400 公尺高之間,此區的風速大約為 5~6 公尺/秒左右,以東北風為主,是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上,到了 450~800 公尺左右,風速驟然下降(橘底),僅有 0.5~3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣,在兩個不同方向的風的對切之下,形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此,若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時,反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區;換個做法,如果煙囪低一點,才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉:低煙囪設計要相當謹慎,也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙(水蒸氣凝結),一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近,因此實務上還會特別做加熱設計,讓煙流先往上浮,再擴散,等於加高了煙囪的高度,這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題,污染排放點離民眾越近,當工廠發生緊急異常排放時,異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣?那就做出臺灣自己的資料吧!

這麼經典的高煙囪理論,為什麼不能用在臺灣?

周崇光表示,大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲,使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下,因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構,而中研院空品專題中心的目標之一,就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到:「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多,所以我們必須要更精確知道,臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子,才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況,那麼小一點的、近一點的國家呢?韓國、日本的有沒有參考的價值?

周崇光笑著說,「你知道嗎?臺中盆地也才 10 幾公里,但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上!」就算是韓國、日本,它們的地理空間也比臺灣大多了,而且地形也沒有這麼複雜。

臺中盆地的衛星空照圖。圖/Wikipedia

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域,究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果?某種程度來說,這也許是個細思極恐的問題呀。

因此,為了國內空污氣象學的發展,搞懂臺灣的大氣邊界層(Atmospheric boundary layer)是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍,也是大部分的空氣污染物存在的地方,又被稱為行星邊界層(Planetary boundary layer)。在氣象學中,大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣,高度從地表一直到數百至數千公尺不等,是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而,傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形,因此,大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制,未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說,「坦白講,目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件,但我們仍然不斷的在努力,透過很多很多的調查、研究、模擬參數,漸漸地發展出半經驗、半理論的結構,最終的目標是歸納成一個系統性的成果,作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型,到回頭檢視國家的空污防制策略,大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的,藉由大氣科學研究的力量,才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足,「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟,有著極為厚實的研究經驗和基礎,然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作,中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標, 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心,成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外,如此一來,研究預算的匡列、人力的評估,都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究,在中心的管理之下,空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網,可以發現,目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高,由於空品狀況站數僅有 85 站,只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報,尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

全國空氣品質指標的測站點位圖,可看出共有 85 個測站。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網
未來三日空品區預報,目前僅能呈現大範圍空品區預報。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網

因此,為了提供更先進的空氣品質預報,致力掌握國內 PM2.5 及 O3 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」,是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一,此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支,集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式,並描繪空氣污染物的 3D 空間分布,預期能夠對臺灣地區 PM2.5 及 O3 生成與傳輸過程進行更精確的模擬,進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」,由環保署統合高達 10,000 個感測器,就像是神經系統中的神經元,負責感知大氣環境中的變化,並透過民生公共物聯網提供的神經網路,將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦,而超級電腦就像是大腦一樣,提供強大的運算力,使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況,計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一,不同層級的靈敏度也有所落差,但隨著近年技術的進步和突破,微型感測器對 PM2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度,目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器,環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器,透過高密度的監測數據進行資料分析,有效掌握全臺各地的空品狀態。

環保署已佈建約 1 萬個微型感測器,可監測各地 PM2.5 狀態。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/air 空氣網

此外,此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求,協助推動臺灣感測器的產業,與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商,國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成,未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統,也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時,我們可以一填答就馬上得知正確答案時,就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題,不斷修正,找出最正確的解方。

同理,拜微型感測器遍布全臺之賜,大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果,有朝一日,國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源,將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠,因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM2.5 預報資料,最終目標是精確到 1 km*1 km。

影/YouTube
中研院周崇光團隊已成功驗證高解析度 72 小時 PM2.5 預報資料,每小時可模擬 3 km*3 km 空間解析度,最終目標是精確到 1 km*1 km。圖片預報日期為 2021 年 12 月 18 日~2021 年 12 月 20 日。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

如何讓空氣品質變好,又不影響現有的生活?

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心,其中一個核心精神,就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質,也是科學進步的動力,不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦,往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣,如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用?經過科學研究的探索後,如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟?

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展,空品專題中心希望可以藉由科學的力量,更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外,像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說:「一路研究下去,我們開始疑惑,當初為什麼我們都傻傻的,把這麼多的大型污染源擺在海邊,讓海風把污染物往內陸帶?為什麼臺灣的國土利用那麼集中?」這一些命題,都是一環扣一環。

最後周崇光強調,「空氣品質絕對是應用導向的研究,因此,我們除了做科學,也要讓這些研究結果有願景、有視野,讓臺灣變得更好。」

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版