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首度觀測到帶旋臂的恆星

臺北天文館_96
・2011/11/03 ・773字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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自400多年前望遠鏡發明至今,天文學家看過各式各樣恆星,但始終都有新發現,而最近的一項發現,更讓天文學家們嘖嘖稱奇。美國哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)Carol Grady等人利用位在夏威夷的日本8.2米昴望遠鏡(Subaru Telescope)發現一顆特別的恆星,一顆擁有旋臂的恆星。

天文學家以前也曾看過旋臂結構,可是都是在由數億顆到數千億顆的恆星所組成的螺旋星系;而在個別恆星周圍發現旋臂結構,這倒是頭一遭。這顆編號為SAO 206462的恆星相當年輕,距離地球約400光年,位在南天的豺狼座方向。新觀測的旋臂結構其實是環繞在恆星周圍的氣體塵埃盤,或稱拱星盤(circumstellar disk),盤寬達2倍冥王星軌道,相當於224億公里,極可能是因為有新行星正在拱星盤中形成,才會構成這樣的旋臂結構。

Grady表示:先前經由電腦模擬顯示,拱星盤中的行星,其重力會擾動氣體和塵埃而產生這樣的旋臂結構。但是,直到現在,才首度證實電腦模擬的預測結果。從理論模型得知:拱星盤中只需存在單一行星,就可以讓恆星兩側各產生一條旋臂。不過,SAO 206462周圍的結構,並不符合這樣對稱的旋臂對,所以,很可能其實是有2顆行星,每顆行星在其中一條旋臂裡。

這些天文學家認為:大約在恆星誕生數百萬年之後,它們周圍的塵埃盤應該就會開始出現各式各樣有趣的形狀。天文學家已經看過環狀、草皮狀、環縫等,現在則多了螺旋狀特徵。這許多結構特徵都是行星在拱星盤中移動的結果。不過,Grady等人仍持小心謹慎的態度,認為或許還是有行星以外的其他因素可以產生這類結構,行星不是唯一的選擇,只是可能性比較高的因素罷了。因此,他們必須蒐集更多的證據,或甚至得等到偵測到行星的存在,才能完全證實行星產生旋臂的理論是否為真。

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資料來源:A Star with Spiral Arms[2011.10.31]

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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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

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  • 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

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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)

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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。

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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!

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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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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

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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?

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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

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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。」

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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。

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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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