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火星要如何從荒蕪變成能種馬鈴薯的綠洲?火星農業與一場在祕魯沙漠的生存戰

Rock Sun
・2016/03/11 ・2835字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

在10年內,NASA將要以獵戶座太空船送人上火星,這是自1969年阿波羅11登陸月球後睽違50多年後,人類的一大進步;單趟火星行程將花費8個月,來回則超過一年,這還不加上駐紮在火星的任務時間,使的太空人的食物來源成了NASA科學家急欲解決的問題。鑒於上個月開在太空上的第一朵花,以及延期到2018年的的火星探測器洞察號等太空大事,我們來注意一下不受媒體重視,但重要性無法言喻的火星農業近況。

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於火星室內水耕作物想像圖(圖片來源: NASA

什麼植物最適合拿去外太空種植?他們要有什麼特性?它們將要面對什麼樣的環境?

馬鈴薯、番薯、小麥、大豆,這些作物都有一個特性:他們好種,而且單位重量富含大量碳水化合物(大豆則是蛋白質),像馬鈴薯這種這種作物還可以塊莖繁殖,更容易重複使用,使的它成為NASA研究下一階段火星或太空站長期居住計畫的重點,但儘管生命力堅強,在不是地球的地方種作物,仍是有數不清的挑戰……

水,萬物之源

火星的土壤基本上是岩石碎屑,或是稱為表岩屑,也就是直接從岩層、岩石上剝落的物質,簡單的說,就像是人的頭皮屑,裡面什麼都沒有,連水都沒有,酸鹼值極端,只有火星上少部分、具強吸水性的土壤有潛力種植植物。所以現實中要像電影《絕地救援》一樣,混合加工過的乾燥排泄物就能使火星土壤具有肥力是不太容易的,目前NASA科學家是以水耕栽種的模式設想在火星和太空站上種植馬鈴薯。

馬鈴薯另一個好處是它只需要極淺的水來進行水耕,但這仍一份是可觀的水需求,幸好除了NASA行之有年的回收水技術,火星上有水是確定的事實,但問題就是這些水中可能含有大量的氯酸鹽及其它物質及鹽分,所以能否直接用在作物上還有待觀察。但可以想像的是,以後的長期火星任務,太空人可能要帶著取水幫浦和肥料,先以水耕栽種一段時間後,再移到火星土壤生長中以節省空間。

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實驗中的水耕作物(圖片來源: NASA

不一樣的陽光

地球距離火星最少也有5500萬公里,如果大家覺得太陽曬不夠,你能想像火星能接收到多少陽光嗎? 2007年,在觀測火星兩年後,我們得出火星平均只接收到相較於地球43%的陽光,這讓很多植物無法生存,但好消息是,在低緯度還是有許多地方有適量的陽光,即使如此,不時的大型沙塵暴會遮住陽光。

陽光及沙塵暴不只對植物有影響,如果你想在火星用太陽能板,你將會遇到效率低下的問題,這也是為什麼長途、並且飛離太陽的太空計畫並不是以太陽能板為能源,而是以《絕地救援》中出現過的放射性同位素熱電機(radioactive thermal generators, RTG)中不斷衰變的鈽元素為能量來源產生電(忘記是什麼了?Astronauts lesson 1, do not dig up the big box of Plutonium)。

回到正題,既然火星的陽光這麼不可靠,那我們該如何提供作物光呢?國際太空站上現在是用高效能的藍色及紅色LED燈提供植物光合作用,而這也是NASA現在認為最有效的方式,未來再導入垂直農場的概念,在火星上種植大量作物或許就可以實現……嗎?

The LED lights recently were used to study the effects of differe
Advanced Life Support Research的領導人Ray Wheeler與植物生長用的高效能的LED燈,只有我覺得像鋼鐵人的能源嗎? (圖片來源: NASA

輻射危機

在地球上,因為大氣層的關係我們從來不需要擔心太陽輻射,但是一到太空或是火星,這便成了科學家們必須考慮的重點之一。儘管火星的距離和大氣層已經過濾掉部分輻射,但平均還是比地球高出300倍,每小時火星地面接收到大約30微西弗,相較下地球只有0.27微西弗(如果扣除掉人為輻射的話只有0.045微西弗),所以就算前述的設備搭建完美,我們仍是無法將作物置於室外,甚至還要擔心設施的耐輻射性,或許把溫室建在地底下會是個方案,但就得全靠人工方式產生適合植物生長的環境,輻射的控制將左右我們之後是生活在火星地面上還是地下的一個重大的因素。

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人承受輻射量比較表,單位:毫西弗(圖片來源:Sci-News

回收再利用好幫手

要說我們人類在摧殘地球這麼久後有學到什麼嗎,大概是現在我們在開發時,大部分都會帶著一個很重要的概念—永續經營,幸好在地球上我們技術已經夠發達到能夠在太空站或火星計畫一開始就將永續經營納入評量範圍,而不管是太空站或是火星的作物都能夠在持續運行太空計畫上盡一份心力。

眾所皆知,馬鈴薯及番薯繁殖很直接…..將他的部分塊根或塊莖重新種回去就好了,而生長中的作物能夠產生氧氣,並吸收二氧化碳。甚至太空人的尿液也可以給作物提供養分,給他們執行水質淨化的前處理。

最貧脊的地方就是最棒的試驗場

那麼現在NASA該如何準備這場“馬鈴薯生存戰”呢?

幸好地球上有各式各樣的地方可以模擬,和各式各樣的組織可以合作。

在祕魯,國際馬鈴薯中心(International Potato Center,CIP)與NASA合作,將從世界上最貧脊的地方—南美洲的阿他加馬沙漠(Atacama Desert)取部分土壤進行實驗。這個片沙漠是全世界最乾燥的地方,岩層崩落後幾乎沒有生物作用,含有極少的有機質和微生物,土壤不過就是一堆單純的氧化物,這樣的成分和火星非常類似。計畫已於1月開始,除了單純的種植之外,NASA也將試驗不同的保存狀況(如冷藏)及在低大氣壓下的影響。再兩個月後,大家可以期待有什麼結果,如果如果我們能在這種土讓上種出東西,先別說火星了,提升全球糧食產量、解決糧食危機也不遠了。

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位於智利、祕魯、玻利維亞、阿根廷間的阿他加馬沙漠(Atacama Desert)是世界上最乾燥、也是最難生存的地方(圖片來源:DailyGalaxy

《絕地救援》上映後,「住火星就種馬鈴薯啊~不然要幹嘛」變成了太空生活須知,事實上在實現前我們仍有很長一段路要走,太空旅行是件漫長的任務,更貼切點,是”生活”;再踏上火星紅紅的土地、開啟一個人類新境界前,還有很多困難在等著我們(說不定阿他加馬沙漠連馬鈴薯都養不活……),然後回頭看看能怎麼幫助已經養育我們許久的地球。

參考資料:

1. NASA Plant Researchers Explore Question of Deep-Space Food Crops。  NASA(2016/2/18)

2.  How much radiation will the settlers be exposed to?。 Mars One

3.  Scientists Try to Grow Peruvian Potatoes on “Mars” 。Scientific American

4. NASA plans to grow potatoes in Mars-like conditions。 ABC news (2015/12/23)

5.  NASA wants to grow potatoes on Mar 。International Potato Center (2015/12/22)


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文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 430 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 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

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。