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它們和福衛五號搭同一班火箭 任務卻大大不同!

活躍星系核_96
・2016/04/11 ・3617字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

文/黃正中|國家太空中心研究員

福爾摩沙五號衛星在新竹科學園區的整合測試,已經接近尾聲,預定在今年五月運往美國加州,太平洋海岸邊的范登堡火箭發射場,進行發射前的健康檢查,然後搭乘由美國 Space X 公司所建造的獵鷹九號(Falcon 9)火箭升空。

福衛五號是我國自製的遙測衛星,搭載高解析度的彩色相機以外,以及中央大學研製的先進電離層探測儀(AIP)。國內已經有許多福衛五號的相關文章與報導,所以這一次我們把焦點放在即將與福衛五號搭乘同一班火箭升空的小夥伴們。

火箭也可以變成「公車」 衛星們在不同地方下站

此行升空的火箭搭載包括福衛五號在內,總計有88顆衛星一齊升空,可能創人類有史以來,最多衛星搭乘同一個火箭升空的紀錄。除此之外,還有許多創新技術,包括製造廠商 Space X 公司預計在火箭發射過程中,第一、二節火箭分離之後,回收第一節火箭;第一節火箭重新整理後可望再次使用,並降低商用火箭發射費用。

這一次獵鷹九號的整流罩裡面,有兩個主要的火箭酬載銜接環,樓上搭乘的是「福衛五號衛星」,樓下搭乘的是夏爾巴(SHERPA)銜接環。這是美國一間名為太空飛行公司(Spaceflight Inc.)發明衛星的衛星彈射設施,這種銜接環能提供大量奈米、微衛星安全的空間,以及抵達軌道以後將衛星彈射釋出到太空的「微衛星搭乘艙」。銜接環能提供火箭與衛星的電機控制介面,並且能監控衛星的健康狀態,回報控制中心,這種創新、低價格的發射服務,在市場上相當有競爭力。

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獵鷹九號整流罩內的福衛五號衛星(藍色)與SHERPA銜接環配置(黃色)。圖/作者提供。

SHERPA(夏爾巴)或稱為雪巴人,是一支散居在喜瑪拉雅山脈兩側的民族,堅忍耐勞,為挑戰喜瑪拉雅山的登山客提供登山嚮導、背負重物、紮營等服務。太空飛行公司在 2012 年以此命名運載衛星送上太空的酬載設施,它提供標準空間尺寸,給需要搭乘火箭到太空的衛星,或其他任務所使用。

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SHERPA(夏爾巴)或雪巴人背負重物登山。圖/wikipedia, By Niklassletteland – Own work, CC BY-SA 3.0

5、4、3、2、1 發射!

伴隨著轟隆隆的聲音,福衛五號和其他衛星,以拋物線軌跡從美國西岸的范登堡升空,面對太平洋,朝著南半球飛行。火箭發射後 11.3 分鐘,距離發射場約 1100 海里,就抵達 723 公里高的太空任務軌道,這時福衛五號衛星與火箭分離,開始進行早期軌道操作。

  • 編按:范登堡原誤植為東岸,經讀者提醒修改。2018/7/10

其餘搭乘同一火箭的 87 顆衛星,將隨著火箭上夏爾巴酬載設施持續飛行。大約在發射後 60 分鐘抵達地球另一邊,非洲蘇丹的上空,此時夏爾巴與火箭分離,逐漸釋出衛星,各自執行太空任務。預估將花 45 分鐘的時間,釋放出所酬載的剩下 87 顆微衛星和奈米衛星。

87 顆衛星們要去哪裡?要做什麼?

這次火箭發射引發的關注,不只是我們心心念念福衛五號衛星能否順利發射,其他搭乘的87顆微衛星、奈米衛星來自全球各地,也陪著我們緊張、焦慮和興奮。87 顆衛星中有 3 顆微衛星以及 84 顆奈米衛星,它們所要執行的任務也相當有趣,以下介紹其中幾個它們的「超級任務」:

1. 生醫衛星—大腸桿菌上太空

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EcAMSat衛星。圖/NASA

首先介紹「大腸桿菌抗菌衛星任務(E. coli AntiMicrobial Satellite (EcAMSat) mission)」,這是生醫奈米衛星的太空實驗,也是本次發射任務的亮點之一。本計畫是由美國太空總署與史丹佛大學醫學院共同合作,調查大腸桿菌在太空微重力下,會如何影響它對抗生素產生的抗藥性。

大腸桿菌是人類腸道中最著名的細菌,主要生存於大腸內,一般不會致病,而且還能合成對人體有益的維生素 B 和 K。然而無害的大腸桿菌,在少數的情況下也會導致疾病,例如離開腸道進入泌尿道會導致感染,或者某些特殊的菌株具有毒性會導致痢疾等等。

面對這些疾病,需要使用抗生素對抗在身體中作亂的大腸桿菌,但在使用抗生素一段時間後大腸桿菌可能會產生抗藥性,影響藥效。大腸桿菌在微重力下,是否會使它的抗藥性改變,而成為太空人健康的隱憂,特別在長時間執行任務下,太空人的免疫系統可能逐漸減弱,更需特別注意這些潛在的健康問題。EcAMSat 實驗的結果將有助於在未來規劃太空任務中提出有效的對策,保障這些長時間、持續執行太空飛行任務的太空人健康回地球。

2. 太空資源衛星—尋找太空船的加油站

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Arkyd 6A奈米衛星。圖/planetaryresource

成立於 2012 年的美國行星資源公司(Planetary Resources),是一個年輕又有野心的太空探險公司。他們提出一個相當有遠見、大膽的想法——「地球資源有限,太空資源無窮」。

在太陽系,天文學家已經發現了約 127 萬顆小行星,其中某些小行星是由氫氣和氧氣所組成,而這是火箭燃料的必要元素。以火星探險計畫為例,未來太空旅行時,這些小行星可以成為太空旅行中途的「加油站」,提供所需的燃料或能源。這家公司看到了商機,他們開始為太空船或衛星探勘,了解太空中哪些小行星有大量的燃料或能源,可以做為未來太空船中途加油的供應站,因而創造了這個價值數十億美元的行業。

另外,最近高科技的發展,使得傳統以及通訊產業,對於鉑金屬需求越來越大,從催化轉化器、珠寶首飾,到電子、醫療器材、玻璃和渦輪葉片等等都需要。鉑金屬的主要來源為南非和俄羅斯,但已越來越難開採。不過,未來太空中的小行星可能成為稀有金屬的來源,甚至,只要找到一個直徑為 500 公尺、富含鉑金屬的小行星,開採到的鉑金屬就可能超越人類歷史上所有已開採的數量。

瞄準太空中無限的商機,本次火箭發射,行星資源公司代號 Arkyd 6A 的奈米衛星將隨之升空。衛星搭載的酬載儀器是中波段的紅外成像系統(mid-wave infrared imaging system),可以用來偵測小行星的礦產以及水的含量,任務初期將先以瞄準地球特定區域探勘作為測試,這次任務若順利,未來才能實際運用在探勘小行星上。

3. 太陽帆衛星—太空船也能靠「風」航行

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CNUSail奈米衛星張開太陽帆。圖/Chungnam National University @ http://space.skyrocket.de/

夜晚遙望蒼穹,激起人們挑戰太空,探索未知世界的雄心壯志,然而實際要探索太空需要攜帶大量的燃料,才能進行遠距離的太空旅行,所費不貲。科學家們為了解決這樣的困境,他們從風箏的飛行得到靈感,希望仿效「海上風帆」藉由風力這種外在動力,來達到在太空自由活動的想法。他們思考,若可以設計一個人造衛星,利用「太陽風」這種無窮盡的高速電粒子流來自由移動,降低對於燃料的依賴,是否可能成功呢?

這一次伴隨福衛五號升空的衛星中,有個名稱為「CNU 帆奈米衛星(CNUSail Cubesat)」的太空計畫。當火箭抵達太空以後,邊長約 13 公分的立方型奈米衛星,將在太空中展開約 300 公分長對角線的「太陽帆」,「太陽帆」是以超薄的薄膜材料所構成,利用控制衛星「太陽帆」與「太陽風」的夾角,進行變換衛星軌道高度的實驗。

傳統上,衛星所攜帶的燃料多寡,是衛星任務壽命的關鍵,假如「太陽帆」實驗成功,理論上除非衛星上的元件故障,衛星將可以長期運作不退休。

4. 雙星計畫—兩個衛星,一台望遠鏡

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CANYVAL-X奈米衛星光學的虛擬望遠鏡系統。圖/NASA/Brittany Klein

這次獵鷹九號火箭,搭載很特別的「雙星實驗」計畫,包含一大一小的兩顆名為 CANYVAL-X 奈米衛星,將發射到太空之中,研究靠近明亮的恆星系統旁邊的行星,或難以捉摸的日冕現象。

「雙星計畫」特別的點在於,這兩顆衛星——小的有反射光線的設施,大的帶有光學電子取向單元(Electric Unit)具有偵測的效果,當兩顆衛星進入太空以後,小顆的奈米衛星翻滾的過程,會使用偵測器找到並鎖定兩倍大體積的另一顆衛星,共同組成光學的虛擬望遠鏡。由於光學儀器無法直接觀察明亮的光源,因此這個計畫非常有創意的採用雙星位置的移動,達成「掩星」的條件,從而研究遠方行星的成分。另外也可以利用雙星相對運動,研究太陽的日冕大小。

5.鳳凰計畫—修復太空中壞掉的通訊衛星

即使再高價製作的人造衛星用久了、壞掉了,依然會變成太空垃圾,這時該怎麼辦呢?這一次,有一顆「喚醒微衛星(eXCITe microsatellite)」將伴隨福衛五號升空。這是「美國國防高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)」推出的計畫,目標是將太空中壞掉的通訊衛星改造修復。這個活化衛星的「鳳凰計畫」具有劃時代的意義。

這一次是鳳凰計劃的第一階段測試,主要的構想是使用太空機器手,組裝稱為「衛星模組(satlets)」的模組化零件。每個零件重約 6.8 公斤(15 磅),分別是主要的衛星次系統,例如電源,控制器和傳感器等等。一旦任務所需,能夠快速的反應,將所需要的次系統運送到太空軌道,快速提供零組件,用以佈署和維修損壞的衛星。

 

同一個火箭就有帶有這麼多不同任務的衛星,這代表太空還有許多新領域等著我們去探索!除了去了解和認識其他國家有什麼創意思考外,我們也可以想想台灣要如何在這場激烈的國際太空競賽中出奇致勝!


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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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)


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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。