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細說台灣的太空夢 不只追星也做衛星—2016春季展望演講

Rock Sun
・2016/05/17 ・3135字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

可能有不少人知道美國總統甘迺迪於 1962 年 9 月 12 日,在美國德州萊斯大學的演講「We choose to go to the moon」(全名:Address at Rice University on the Nation’s Space Effort),也應該不少人很清楚其中的那句經典名言:「我們選擇在這10年內登陸月球並不是因為這是件簡單的事,而是因為它很困難。」(We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard.)

而2016 年 4 月 15 日,國家實驗研究院國家太空中心主任張桂祥在展望演講的最後表示:

「我更喜歡演講後面的那句話:『因為這個目標將整合、考驗我們的能力及技術。(because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills.)』」。

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國家太空中心的張祥桂主任。圖/展望系列演講

的確,我從接觸到太空科學、歷史的時候開始,這句名言的前半部分一直在我腦海裡揮之不去,但我卻很少去注意到後面那句話,以及整個演講的重點——太空發展究竟可以把一個國家的技術帶到何種層面?

跟展望演講大部分的講者不太一樣,張桂祥現在不是個天文物理教授或研究員(當然以前是沒錯),而是站在台灣太空科技第一線、整合資源、國家太空研究中心的領導者,他不是來談其中一個領域的研究,而是給了當天在場不管是學生、小朋友或是社會人士對台灣太空計畫的現況一個全盤瞭解。

當天演講人潮眾多,連走道和第一排前都坐滿了人,環顧四週,會發現其實小朋友到高中生占了很大的比例。我想可能是因為這次的演講主題「那一年,我們一起追星的日子 —細說台灣的太空夢」是個相當平易近人的主題,不管年紀,只要是對台灣的太空夢想有興趣的人,都很適合走進台灣大學應用力學所的演講廳,聆聽張桂祥解說發展太空科學的必要常識、台灣發展衛星的秘辛、福爾摩莎衛星的未來計畫、以及太空中心未來的展望。

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當天座無虛席,走道上也都是人。圖/展望系列演講。

從古到今,那些造就衛星的人們

衛星,指的是繞著行星運行的天體,如我們渾然天成的月亮,但如果人類想要創造出一個繞行地球而不會墜落的物體,需要的可是幾百年知識的累積。從伽利略開始,克卜勒、牛頓……等科學家其實在 19 世紀前已經把發展人造衛星的必要理論、公式建構完成了,剩下來的就是硬體。但這要等到二戰後,挾著洲際飛彈的技術,我們總算有了將物體以足夠的速度發射到軌道上的技術,開啟了衛星的時代。

目前天上有超過 3000 個衛星,以許多不同的軌道繞行地球,而正是這些軌道,讓科學家和工程師們傷透腦筋。為了因應各個國家特殊的地區或需求,很多的不一樣的軌道被開發出來,如俄羅斯因為地理位置相當北方,現階段發展的同步軌道都無法有效提供訊號,只好自己發展一種特殊的衛星軌道稱為閃電軌道,以極大的傾角提供訊號高緯度的地區。

而台灣也有一群人,數十年前,從福爾摩沙一號開始,就幫台灣實現太空夢,而張桂祥就是其中一人。

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衛星種類與他們的軌道,其中的 Cosmic/Formosat,代表福衛三號。而 Sun-Synchronoous 太陽同步軌道則是福衛二號的軌道。有興趣的話這個網站還有介紹其他軌道的衛星特徵。圖/Sciencelearn.com

日以繼夜工作的福爾摩沙號們

到目前為止,台灣擁有福衛一、二、三號,除了一號已除役外,剩下的衛星儘管年事已高,但仍在地球外執行他的工作。

其中,張桂祥表示:「福爾摩沙二號可是救過很多人性命的一顆衛星。」當時福爾摩沙二號因為是由法國購入,在軌道上有所限制,無法使用一般商用衛星的低軌道以提高解析度,但也由於身處距離較遠,在同樣一個軌道下它拍到的範圍比其他衛星更廣。而在太陽同步軌道下,它每天繞行地球14圈,而這14條軌道中除了勢必要有經過台灣外,也湊巧的涵蓋了很多重要地區,而當這些地區有所需要時,福衛二號可以每天經過這些軌道時特別為他們拍照,最有名的例子即日本 311 大地震和最近熊本地震的衛星空拍圖;也拜福衛二號每天經過細長型的台灣之賜,我們是全世界衛星空拍圖最多的國家,這顆長青衛星的照片在世界上的泛用性很高,該是我們的驕傲。

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黃色區域為福衛二號可以正常照相的範圍,亦即側照角度小於45度;緊急情況下,衛星也可用54度側照,可以看出來基本上世界各地重要區域都在範圍內,甚至包括極區,是唯一可以為全世界每天拍照的衛星。(圖片來源:國家太空中心)

而身為一顆氣象衛星,福衛三號做的大概是衛星界最吃力不討好的工作。張桂祥以「蝴蝶效應」形容全世界的氣象變化,只要一個輕微的變化,局部地區的大氣狀況就會變得很難捉摸,這也是為什麼分析天氣現象是最需要超級電腦的領域之一。光是福衛三號就有 6 顆個別的資料衛星,每天產出上萬筆的資料等著分析,從大氣的各種性質推斷出的氣溫、氣壓是我們氣象預報的重要資訊。你可以說氣象預報都不準是福衛三號的錯,但任誰都無法看清地球在變什麼花樣,對吧?(【科學不一樣】福衛三號應用折射原理 推算地球溫度

而和福衛二號同樣的情況,才歡度 10 歲生日的福衛三號,需要更高規格的硬體來提升未來的天氣資訊獲得的精確度及數量,所以我們需要下一代的衛星,即福衛五號及七號。

看見台灣,夢想起飛
國家太空中心 NSPO 科普 Blog 中「看見台灣,夢想起飛」這張圖,描繪福衛七號及福衛五號,以及後面可能的探索火箭。圖/國家太空中心。

觀測地球的生力軍

原定今年初將升空的福衛五號近況如何呢?有鑒於今年 1 月 Space X 的 Falcon 9 火箭在一次試驗中爆炸,使得之後 Space X 所有的發射時間都因為火箭的檢修而延遲,所以原本預計 1 月發射的福衛五號,也就順勢排隊等著發射,將會等到 6 月左右才會升空。到時候,福衛五號,一顆完全 MIT 的影像衛星,將會取代福衛二號繼續從太空中看著台灣及這個世界

另外將會於 2017 年加入的福衛七號則是與 NASA 合作的 13 顆衛星綜合體,這 13 顆氣象衛星會拆成不同的時間發射,並在不同的時間定位、並軌道繞行地球,比福衛三號多了更多的監測點與資料,將提供我們比以前更精準的氣象變化,預計 2017 年發射的先將會是 6 顆低傾角衛星,之後的 7 顆將隨 Space X 公司的行事曆逐漸升空。

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Space X的Flacon 9火箭。圖/國家太空中心。

太空與未來

Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world

張桂祥在演講的最後,送了這句話給大家。儘管軌道公式的部分讓我有點不解,衛星的內部構造及功能也讓我有著數不清的問題;最重要的是,在這浩瀚的宇宙下,你的想像力才是帶你前進的力量。自古以來,探索宇宙是人類進步的動力。台灣從當初只能從國外購入衛星,到現在能夠全程自製福衛五號,與 NASA 合作福衛七號,未來還會發展探索火箭,來彌補衛星(300 km 以上)和高空氣球(50 km 以下)之間的資料不足。之後,張桂祥也希望,太空科技的發展,最後能與甘迺迪總統所說的一樣,將國家的發展帶到下一個境界,而到時候,我們也樂見其成,看著台灣在藍色星球外圍佔有一席之地。

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演講結束後,許多的學生們圍著張主任詢問問題,其實許多人都已經是天文大師,問的問題相當有深度,而且充滿創意。圖/筆者攝影。
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福衛五號及背後團隊,謝謝他們為台灣的太空夢努力。圖/國家太空中心。

參考資料


    數感宇宙探索課程,現正募資中!

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    Rock Sun
    62 篇文章 ・ 431 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。