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鄰近系外行星系統中偵測到彗星風暴

臺北天文館_96
・2011/10/25 ・1094字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

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約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory)Carey Lisse等人根據史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)的紅外波段觀測資料,發現有個系外行星系統受到大量冰天體襲擊的訊號,這個狀況和我們太陽系數十億年前的「晚期大撞擊事件(Late Heavy Bombardment)」極相似,大量彗星與表面結冰的天體由太陽系外側進入太陽系內側,不僅讓被撞到的各行星或月球表面坑坑疤疤、揚起大量灰塵,地球上的水和其他形成生命的化合物或許也是在此事件中帶到地球上的。

史匹哲所觀測到的這個系外行星系統是烏鴉座Eta星(Eta Corvi),在恆星周圍有個富含塵埃的帶狀結構,並在此帶狀結構中偵測到水冰、有機質和岩石等組成成分,與一般巨型彗星遺留在軌道上的物質非常類似。其中,這個帶狀結構所在的位置頗靠近烏鴉座Eta星,在這樣的位置,可以存有類似地球的系外行星,因此這個帶狀結構可能是某顆行星與一個或數個彗星互相撞擊的結果。烏鴉座Eta星的年齡約為10億年左右,與太陽系發生類似事件時的年紀相當。

來自烏鴉Eta周圍塵埃的輻射特徵,和2008年小行星2008 TC3撞擊非洲蘇丹後遺留的Almahata Sitta隕石也很類似(Almahata Sitta是第六觀測站之意),顯示此處應是這個行星系統中這類小天體的誕生處。

幾乎在烏鴉Eta行星系統邊緣處還有第2個塵埃環,環中含有更多、溫度更低的塵埃,似乎是個彗星類天體的最佳棲地。這個明亮的塵埃環發現於2005年,距離烏鴉Eta約150AU,相當於我們太陽系中的古柏帶(Kuiper Belt)。由史匹哲觀測資料,這些科學家認為或許Almahata Sitta隕石就是源自太陽系的古柏帶。

太陽系古柏帶是許許多多冰天體的家,這些天體便通稱為古柏帶天體(Kuiper Belt objects,簡稱為KBO)。科學家認為約在40億年前,大約是太陽系形成後6億年左右,受到木星和土星等巨行星緩緩遷移的重力牽制,許多冰天體被重新分配位置,這些冰天體有許多都被甩到星際空間中,並留下低溫塵埃聚集在古柏帶中。不過,有一部份KBO卻是被往太陽系內側甩,因而會切過內側行星的軌道,造成大撞擊事件。

大撞擊事件一直持續到約38億年前。有些彗星撞擊到月球面對地球的那一面,造成深處的岩漿溢出而填平撞擊坑,後來岩漿逐漸冷卻後就形成了今日所見的「月海」,也就是大家常說的「玉兔」那些深色之處。彗星也撞擊到地球,或至少有進入大氣層,為地球帶來水和碳。這個撞擊時期可能帶來的有機質原料,或許就是地球生命形成最需要的物質。

由於不只與太陽系如此相像,而且更可能讓人類瞭解地球海洋、甚至地球生命的起源,因此Lisse等人認為絕對有必要繼續深入研究烏鴉Eta系統。

資料來源:NASA’s Spitzer Detects Comet Storm in Nearby Solar System

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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月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin

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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

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披著喜劇外皮的警世寓言:《千萬別抬頭》背後的科學真相
PanSci_96
・2022/01/06 ・3626字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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2021 年底在 Netflix 上架的《千萬別抬頭》(Don’t Look Up)講的是一個彗星撞地球的故事,但這並不是一部普通的科幻災難片,而是帶有黑色幽默的諷刺電影,用來嘲諷拒絕科學、對科學冷漠的社會大眾。雖然製作團隊原先是想諷刺那些否認全球暖化的言論,但在 COVID-19 疫情肆虐的現在,恰巧也能影射抵制口罩和疫苗的行為、煽動對立的政治操作,以及人們對於社交媒體的過度依賴。即使整部電影看似穿插了不少笑點,仍能從中感受到一股壓抑和無力感。

《千萬別抬頭》還請來了星光熠熠的卡司陣容,包括李奧納多.狄卡皮歐、珍妮佛.勞倫斯、喬納.希爾和凱特.布蘭琪等多位奧斯卡得主。飾演美國總統的梅莉.史翠普更表示這是她拍過最重要的電影!

Don't Look Up Poster.jpg
《千萬別抬頭》的演員陣容十分豪華,主演群包括李奧納多.狄卡皮歐、珍妮佛.勞倫斯等人。圖/WIKIPEDIA

製作人亞當.麥凱(Adam McKay)希望這部電影能夠如實描繪科學事實以及科學家面臨的挑戰,於是,他邀請知名天文學家艾米.邁因策爾博士(Dr. Amy Mainzer)擔任電影的科學顧問。

邁因策爾博士現為亞利桑那大學月球與行星實驗室的教授、全球頂尖的小行星探測和行星防禦專家,以及 NASA NEOWISE(Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer)計畫的首席研究員,負責監督這項史上規模最大的小行星探測計畫。在 2020 年 3 月,計劃內的一名天文學家成功發現了一顆新的彗星,並且將它命名為 NEOWISE,就跟計畫名稱一樣。

Photo of Dr. Amy Mainzer
邁因策爾博士。 圖/NASA

科學家眼中的災難片

本片的科學顧問邁因策爾博士與北美天文學新聞網站《今日宇宙》(Universe Today)的編輯南西.阿特金森(Nancy Atkinson)聊了《千萬別抬頭》這部片,以及電影中的科學。

邁因策爾博士醉心於彗星和小行星的研究,所以她表示,自己非常喜歡隕石浩劫這類電影題材!非常開心能看到以彗星為主題的電影,也十分慶幸能夠成為災難電影的科學顧問。

雖然目前實際上沒有任何小行星或彗星運行在可能撞擊地球的軌道上,也沒有任何一顆即將撞上地球。但本片畢竟是科幻電影,需要設定一顆真的即將撞上地球的彗星,更像是「拋磚引玉」的功能。邁因策爾博士以「科學實在論」打造故事框架,希望觀眾重視科學家的警告,不再相信虛假的謠言。

而《千萬別抬頭》之所以涵蓋這麼多科學知識,是因為製作團隊對科學深感興趣,非常重視電影中的科學。因此電影畫面中,團隊設計的彗星既要符合電影的視覺需求,又要符合科學上真實彗星的樣貌。劇情不僅描述了發現彗星的過程,包括如何識別、確定彗星軌跡,還刻畫了科學家在探索未知事物時的反應。這不只描繪了科學家的形象,也告訴觀眾科學家是什麼樣的人,還有他們是如何傳播科學知識——有時很順利,但有時真的困難重重。

這部電影讓《今日宇宙》編輯印象最深刻的是,科學家試圖警告災難,卻沒有被當一回事。若是套用在氣候變遷和傳染病肆虐等全球議題上,這種冷漠的態度似乎有點太寫實了。

邁因策爾博士也認為,這齣電影想強調人們對於科學新聞的態度。就像《今日宇宙》編輯平時所從事的科普工作,將複雜的概念轉化為淺顯易懂的文字是很困難的,因為科學家慣用的詞語與日常生活中的用詞完全不同。

例如,「不確定性」(Uncertainty)代表測量結果是一個可能的數值範圍,而不是指我們不確定自己測量的是什麼。在不同的情境下,詞語意思也會不一樣,確實有可能造成溝通障礙——這只是其中一個例子而已。

對邁因策爾博士來說,這部電影講述的是科學家如何傳播知識,如何讓眾人瞭解這些知識,還有如何根據科學做出明智的決定。這樣的題材很有挑戰性,因為這是一部喜劇,希望觀眾可以在笑著看完的同時,能夠更加理解科學家們多麼努力想做到這些事,「可是也請容許我們偶爾做不到。」

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《千萬別抬頭》希望透過反諷與幽默,能讓更多人抬起頭、睜開眼,開始關心環境議題。圖/Pixabay

幕後花絮:真正的 NEOWISE 計畫在做什麼?

其實,現實中新發現的 NEOWISE 彗星就是電影裡那顆彗星的原型。那是一顆長週期彗星,以驚人的速度從遠方朝太陽系飛來。邁因策爾博士在 2020 年 3 月發現 NEOWISE,7 月時它就接近地球了,就真的像電影中的彗星一樣,我們來得及反應的時間非常短。 

好消息是,我們已經開始監視那些能釀成全球性災難的近地小行星。以超過 1 公里的近地小行星來說,科學家已經找到了其中 90%,而且沒有一個會對地球造成威脅。

但長週期彗星就是另一回事了。比起小行星,長週期彗星相當稀有,但這不代表它們不存在。雖然科學家持續監測,還是無法推估總數到底有多少。在邁因策爾博士看來,任何物體接近地球的機率都不是零,我們需要獲得更多知識,才能做好準備,方法就是不斷尋找彗星和小行星,並且全面性地監測、追蹤。

邁因策爾博士也花了很多時間和導演討論小行星監測系統。當科學家們發現未知的小行星或彗星時,會透過這個系統比對所有已知的星體,如果確定是未知星體,系統就會公開觀測資訊,讓其他天文學家看見。從科學家的角度來看,他們努力地傳播科學資訊,但問題在於每個人對於科學的接受程度不同,這樣的矛盾在劇情中也有不少著墨。

電影中的科學家發現彗星只是湊巧,他本身並不是研究彗星的專家,但製片團隊仍花了不少時間呈現他們識別彗星、確定軌道,以及將結果轉告其他科學家的過程。雖然這畢竟是電影,多少美化了實際情況,但還是希望能藉此讓觀眾看見科學論證的嚴謹之處。

Comet 2020 F3 (NEOWISE) on Jul 14 2020 aligned to stars.jpg
NEOWISE 彗星 或音譯尼歐懷茲彗星 ,又稱為 C/2020 F3,是一顆具有接近拋物線軌道的逆行長週期彗星。圖/WIKIPEDIA

科學講述事實,但藝術掌管對事實的感受

本片中有許多大咖演員,他們才華洋溢,而且都有自信能展現出科學家感性的一面。他們都熱衷科學、關心科學在日常生活中扮演的角色,也相信如果人們根據科學做決定,就能找到更好的問題解決方法。邁因策爾博士還花了很多時間陪演員練習台詞,因為劇本裡有很多艱澀的科學術語。這麼做還有另一個好處,就是當他們沒有在聽博士講話時,博士可以表達身為科學家的感受,供他們揣摩。

邁因策爾博士一直覺得科學和藝術之間的關係很有趣。科學告訴我們事情的本質,但藝術掌管我們對這些事情的感受。這部電影呈現出科學家和大眾對於科學的看法:科學家想改變社會,以做出基於科學的決定,但也必須設法讓大眾傾聽科學的聲音——這種矛盾和拉扯,就是這部電影的核心所在。

科學家有所隱瞞?他們更想說個沒完

那些拒絕科學的大眾普遍認為 NASA 或政府隱瞞了一些事情,可是所有科學家卻都說,如果他們發現太空有危險物體,絕對會爬上屋頂告訴全世界。

如果換成是邁因策爾博士,她也會這樣做!當科學家學到新的酷東西時,就像一班人去了一趟很棒的旅行,回家後,他可能會讓其他人感到厭煩,因為他不斷提起旅行中的所見所聞。大多數科學家不會停止談論自身所學,因為他們熱愛這些知識,也希望其他人知道這些酷東西,或許他們就會因此愛上科學!

邁因策爾博士希望觀眾看完這部電影後,能夠理解科學家也是人,而且和一般人沒什麼兩樣。「作為科學家,我們經常遇到溝通方面的挑戰,但我們正在努力,而且我們不會放棄!」

圖/twitter @dobrienloml
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史匹哲所觀測到的這個系外行星系統是烏鴉座Eta星(Eta Corvi),在恆星周圍有個富含塵埃的帶狀結構,並在此帶狀結構中偵測到水冰、有機質和岩石等組成成分,與一般巨型彗星遺留在軌道上的物質非常類似。其中,這個帶狀結構所在的位置頗靠近烏鴉座Eta星,在這樣的位置,可以存有類似地球的系外行星,因此這個帶狀結構可能是某顆行星與一個或數個彗星互相撞擊的結果。烏鴉座Eta星的年齡約為10億年左右,與太陽系發生類似事件時的年紀相當。

來自烏鴉Eta周圍塵埃的輻射特徵,和2008年小行星2008 TC3撞擊非洲蘇丹後遺留的Almahata Sitta隕石也很類似(Almahata Sitta是第六觀測站之意),顯示此處應是這個行星系統中這類小天體的誕生處。

幾乎在烏鴉Eta行星系統邊緣處還有第2個塵埃環,環中含有更多、溫度更低的塵埃,似乎是個彗星類天體的最佳棲地。這個明亮的塵埃環發現於2005年,距離烏鴉Eta約150AU,相當於我們太陽系中的古柏帶(Kuiper Belt)。由史匹哲觀測資料,這些科學家認為或許Almahata Sitta隕石就是源自太陽系的古柏帶。

太陽系古柏帶是許許多多冰天體的家,這些天體便通稱為古柏帶天體(Kuiper Belt objects,簡稱為KBO)。科學家認為約在40億年前,大約是太陽系形成後6億年左右,受到木星和土星等巨行星緩緩遷移的重力牽制,許多冰天體被重新分配位置,這些冰天體有許多都被甩到星際空間中,並留下低溫塵埃聚集在古柏帶中。不過,有一部份KBO卻是被往太陽系內側甩,因而會切過內側行星的軌道,造成大撞擊事件。

大撞擊事件一直持續到約38億年前。有些彗星撞擊到月球面對地球的那一面,造成深處的岩漿溢出而填平撞擊坑,後來岩漿逐漸冷卻後就形成了今日所見的「月海」,也就是大家常說的「玉兔」那些深色之處。彗星也撞擊到地球,或至少有進入大氣層,為地球帶來水和碳。這個撞擊時期可能帶來的有機質原料,或許就是地球生命形成最需要的物質。

由於不只與太陽系如此相像,而且更可能讓人類瞭解地球海洋、甚至地球生命的起源,因此Lisse等人認為絕對有必要繼續深入研究烏鴉Eta系統。

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