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Kepler 確認目前最像地球的行星 Kepler-22b

only-perception
・2011/12/06 ・1445字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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NASA 的 Kepler(喀卜勒)任務已確認其第一顆位於「適居帶(habitable zone)」內的行星,在這個區域內,星球表面可能存在液態水。Kepler 亦發現超過 1000 顆新的行星候選者,快接近其先前已知數量的二倍。這些候選者當中有 10 顆接近地球的大小,並在其宿主恆星的適居帶內繞行。這些候選者需要後續觀察以驗證它們真的是行星。

這顆新確認的行星,Kepler-22b,是迄今所發現,在適居帶中間部份繞行、且其宿主恆星大小與我們的太陽類似的最小行星。這顆行星的半徑約為地球的 2.4 倍。科學家仍不清楚 Kepler-22b 是否主要由岩石、氣體或液體所構成,不過它的發現離尋找類地球行星更近一步了。

先前的研究暗示,適居帶內會有大小類似地球的行星存在,不過明確的證據卻付之闕如。另外二顆小行星,那繞行一個比我們太陽還要小、還要冷的恆星,最近被證實位於適居帶的邊緣,其軌道非常類似金星與火星的軌道。

“在尋找雙胞胎地球的路途上,這是一個重要的里程碑,” Douglas Hudgins 說,NASA 華府總部的 Kepler 計畫科學家。”Kepler 的結果繼續證明 NASA 科學任務的重要性,那旨在回答某些關於我們星球在宇宙中之定位的最大問題。”

Kepler 藉由量測超過 15 萬顆恆星的亮度變暗(dips,譯註:dim)來研究從前面越過的行星(或稱「凌越(transit)、凌星」)。Kepler 至少需要三次凌越才能驗證該訊號是行星。

“偵測到這顆行星時福星對著我們笑,” 位於加州 Moffett Field,NASA Ames Research Center 的 Kepler 首席研究者 William Borucki 表示,他領導發現 Kepler-22b 的團隊。”第一次凌越就在我們宣佈太空船運作妥善三日後被捕捉到。我們在 2010 年聖誕季期間見證關鍵的第三次凌越。”

Kepler 科學團隊使用地面望遠鏡以及 Spitzer 太空望遠鏡來覆審對於該太空船所發現之候選行星的觀察。 Kepler 在天鵝座與天琴座中所觀測的星場,只能在春天到早秋這段期間,從地面天文台看到。來自其他天文台的資料協助確定哪個候選者可被驗證為行星。

Kepler-22b 位於 600 光年之外。雖然這顆行星比地球大,但它 290 天的公轉週期卻是繞著一顆類似我們世界的類太陽恆星。這顆行星的宿主恆星與我們的太陽屬於同一等級,稱為 G-type,儘管它稍微小且冷一點。

屬於 2011 年二月所報告的 54 顆適居帶候選行星之一,Kepler-22b 是第一顆被證實的。這個里程碑將發表在 The Astrophysical Journal 上。

12 月 5 – 9 日 Kepler 團隊將在 Ames 研究中心主持其開幕科學研討會,同時宣佈 1094 顆新行星候選者的發現。自最新星表(catalog)於二月釋出以來,Kepler 所確認的行星候選者數目已增加百分之 89,而現在總共有 2,326 顆。在這些之中,有 207 顆的大小與地球尺寸相當, 680 顆為超地球大小,1181 顆為海王星大小,203 顆為木星大小,還有 55 顆比木星還大。

這些發現,基於 2009 年五月到 2010 年九月的觀測,顯示在小尺寸行星候選者的數量上大幅增加。

Kepler 在其任務初期觀察到許多在小公轉軌道內繞行的大行星,那都反映在二月釋出的資料上。有更多時間觀測公轉週期更長的、進行三次凌越的行星,這份新資料指出尺寸比地球大上一到四倍的行星,在銀河系中也許很當多。自二月以來,地球大小與超地球大小候選者的數量分別增加了百分之 200 與百分之140。

這裡有 48 顆行星候選者位於其恆星的適居帶內。雖然數量比二月所報告的 54 顆還少,不過 Kepler 團隊在新的星表中採用比較嚴格的適居帶構成定義,以納入大氣層的暖化效應,那可使適居帶的範圍變大,擴展到更長的公轉週期。

“地球大小候選者的數量大幅增加告訴我們,我們正在關注那些行星,正是 Kepler 被設計用來偵測的:那不僅只有地球大小的行星而已,還包括可能的適居地,” Natalie Batalha 表示,位於加州聖荷西, San Jose 州大的 Kepler 科學團隊副領導者。”我們所收集的資料愈多,我們在更長公轉週期上尋找最小行星的眼睛就愈敏銳。”

資料來源:PHYSORG:Kepler confirms its first planet in habitable zone of sun-like star[December 5, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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為何人類對火星如此執著?火星曾有過生命嗎?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/24 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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火星 vs. 地球

長久以來,人類對火星充滿好奇,火星上有沒有水?那裡住著火星人嗎?這些未知,讓人類發射各種探測器和太空船前往火星,希望一探火星的奧秘!

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山,它比地球上最大的茂納開亞火山(MaunaKea)還巨大,如果從火山底部算起,奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半!火星的直徑大約只有地球的一半,為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢?

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點(hotspot)火山,這類火山的岩漿來自地函,熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動,地球的地殼會移動,這造成熱點穿出地殼的位置改變,時間久後,會形成一長串的火山,其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山,目前大島就位在熱點上,夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老,而且離大島愈遠愈老。

地函熱點往上冒出地殼會形成火山,因為板塊運動,熱點穿出地殼的位置會改變,所以地球上會形成一長串的火山島鏈。火星上沒有板塊運動,熱點冒出的岩漿不斷在地殼上重複累積,形成比地球上高大的火山。圖/麥浩斯出版

地球上因為板塊運動,熱點火山不會長得太大,長到一定程度,就會因為板塊運動移開熱點,沒有熱點提供岩漿,火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同,火星沒有板塊運動,地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出,岩漿在同一熱點一直堆積長高,所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究,火星早期有較厚的大氣,溫度適中,甚至表面有河川流水,跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢?

火星早期曾經有磁場,後來磁場消失,讓火星大氣失去防護,漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小,地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣,大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧,流失到外太空,最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一,而且還持續流失中!

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小,所以散熱較快,造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識,我們才明白地球原來如此特別!

真的有火星人嗎?

人類對火星上有沒有生命充滿想像,其中最有名的可能是帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪,對火星非常著迷。1890 年代,他用自己建造的天文台觀看火星,並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河,建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道,這是火星有智慧生物存在的證據。

目前火星的表面沒有穩定流動的水,不過火星上的水可能在地底下,科學家推測火星生命可能潛藏在地底。圖/麥浩斯出版

1965 年,美國的水手 4 號太空船飛掠火星,發現火星表面一片荒蕪,根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過,火星有生命存在的想法太吸引人,人類還是不斷用各種方式探索火星,尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢?一方面是科學上的原因,希望找到地球外的生命形態,不管這種生命形態是不是跟地球一樣,都是非常重大的發現;另一方面可能是情感上的因素,不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方,孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗,只要有水的地方幾乎都找得到生命,水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖,地表有水流動,所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物,因為水存在火星表面的時間並不長,無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水,不過水還是有可能存在地表下,所以,生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星,不久的將來人類也會登上火星,到時候火星有沒有生命的問題,可能就會有答案。

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版
麥浩斯
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水的性質國中不是學完了嗎?竟然還跟「量子效應」有關?
linjunJR_96
・2021/10/03 ・2111字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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圖/Pixabay

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡,無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水,事實上,它可是宇宙中第三多的分子。

不過,時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費,是為了探索未知的星系或癌症的解藥,但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷,而是水分子雖然十分常見,但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得:「水的性質不是國中就都教過了嗎?」。不過就跟所有其他東西一樣,事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起,就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石,普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外,關於過冷(低於冰點卻不結冰)這種奇怪的現象,至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定,蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾,但對於水蒸發的速率,卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時,某些分子被撞出液態的水,因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目,但以往的許多結果卻時常出現分歧,差距高達三個數量級(也就是一千倍)!

我們經常以水作為物質三態變化的例子,但其中的細節其實還有待研究。圖/WIKIPEDIA

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題,例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發(喝水一口都比 18 克還要多),就必須同時計算 6 × 1023 個水分子的狀態,以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題,需要一些相當進階的實驗與理論方法,而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外,就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構,兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格,所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說,原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關,相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 [1]

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解,得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀,其中氧帶較多負電,氫帶較多正電,所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力,也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵,水才能夠組成上面提到的各式結構。

水分子間的氫鍵(標示 1 處)3D 模型。圖/WIKIPEDIA

不過,用來解釋氫鍵的質子與電子,都是量子力學適用的尺度,而氫原子的嬌小身材,讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為,如果將量子效應納入水分子結構理論模型,或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期,史丹佛直線加速器中心(SLAC)的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測,從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱,作為探測的樣本。在這麼細的水柱中,每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動,實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」,利用電子束散射的結果,分析水分子每個瞬間的分子結構。

圖/Pexels

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度,而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時,氫原子會先將鄰近的氧原子拉近,再拉開距離,一切都在幾皮秒(10-12 秒)內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪,研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬,他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型,為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門


以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換,而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵,在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量,也為科學家開啟更多的機會,去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水,我們還有許多不知道的事。也因為如此,網路上常常能看到「小分子團水」,「能量水」等等的健康廣告,讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行,或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料:

  1. https://pansci.asia/archives/194118
  2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
  3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
  4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water
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linjunJR_96
31 篇文章 ・ 536 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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這杯重水喝起來甜甜的,我可以再來一杯嗎?
羅夏_96
・2021/05/04 ・2848字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

水是我們賴以生存的重要物質,想必大家都對水的化學式 H2O 不陌生。不過從技術上來說,地球上的水並非都是由 H2O 組成。普通水 H2O 也稱為「輕水」,但除了輕水之外,自然界還有「重水」。近期有研究指出,雖然輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道,因為它嚐起來有些許甜味[1]

輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道。圖/Pexels

氫的同位素

要說明「重水」之前,得先聊聊同位素。同位素是指同一種化學元素中,具有不同質量數的原子(質子數相同,但中子數不同)。

氫有三個同位素,分別是氕(元素符號 H)、氘(元素符號 D)和氚(元素符號 T)。氕是最常見的氫,由 1 個質子形成的原子核,周圍有 1 個電子包圍;氘是以 1 個質子和 1 個中子形成原子核,周圍覆著 1 個電子;氚則是 1 個質子和 2 個中子形成原子核,周圍覆蓋 1 個電子。

氫的三種同位素。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

普通水由氕構成,就是最常見的 H2O。若由氘構成的水,化學式為 D2O。氘由於質量較氕重,讓 D2O 的質量也 H2O 重,因此 D2O 又被稱做重水。D2O 在化學性質上與 H2O 基本沒有差異,但氘也因質量較重,讓重水的物理性質如密度比正常水高約 10%,其凝固點和沸點也比正常水略高一點點[2]。另外比起正常水,D2O 的氫鍵註1較強一點點。

輕水和重水的化學式。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

重水對人體有影響嗎?

重水在自然界的含量是正常水的 6,400 分之一,因此人每天都會攝入微量的重水。少量的重水對我們的健康無害,但如果你想長期飲用純重水,可能就不是甚麼好主意了。

動物實驗顯示,當大鼠長期飲用純重水使體內的重水含量達到 50% 時,其細胞分裂會被抑制,這使得需要快速細胞增生的組織出現壞死,最終導致大鼠死亡。

重水喝起來不一樣?

重水在 1930 年代被發現後,就一直有個有趣的傳聞:重水和一般水味道不同,有些許甜味。而由以色列的兩位生化學家 Natalie Ben Abu 和 Philip E. Mason 所領導的研究團隊,就對這個傳聞展開探討。

研究團隊首先找來 28 位志願者,想了解他們是否能區分重水和普通水。研究人員將買來的商業重水純化後,給予受試者兩滴重水和一滴普通水(或者反過來),然後請他們分別以嗅覺和味覺來辨別這三滴水是否有異。

在嗅覺測試中,25 人中只有 9 人能辨識重水。但在味覺測試中,28 人中有 22 人能辨識出重水(受試者表示有淡淡的甜味)。而在塞住鼻子的味覺測試中,超過一半的人能辨識出重水,這顯示舌頭上的味覺受體確實能捕捉到重水的微妙甜味。接著研究人員發現,隨著普通水混入重水的比例增加,受試者品嘗到的「甜味」也會增加。另外,重水也能增加其他甘味劑如葡萄糖的甜味。

(a) 重水的比例越多,受試者能嚐到的甜味也越多。(b) 重水能增加葡萄糖的甜味。圖/參考資料 1

研究人員接著想了解,小鼠是否也能分辨重水。儘管小鼠喜歡喝糖水,但牠們飲用普通水和重水的量是一樣的。這顯示小鼠並不像人,能感知到重水產生的甜味。不過研究團隊表示不感意外,畢竟有些甘味劑如阿斯巴甜,人類可以嚐出甜味,但小鼠不能。

(a) 小鼠喝普通水和重水的量沒有差異。(b) 小鼠喝糖水的量比普通水高。圖/參考資料 1

甜味與甜味受體

既然講到甜味,那得先簡單聊聊人類的味覺是怎麼產生的。

味覺是舌頭上的味蕾接受到食物的刺激後,將刺激轉換為神經訊號並傳至大腦所產生的一種感覺。味蕾是由味覺細胞、基底細胞和支持細胞組成。味覺細胞的頂端有許多纖毛,毛上則分布很多味覺受體。當特定的味覺受體與特定的分子結合後,味覺細胞會產生訊號,讓連接著味蕾的神經將此訊號傳至大腦,進而產生不同味覺。

味蕾的構造。圖/維基百科

目前研究發現,人類的甜味受體由兩種蛋白質共同形成,其中一種是 TAS1R2,另一種是 TAS1R3。能與甜味受體結合並讓味覺細胞產生訊號的物質,則被稱為甘味劑。

重水能活化甜味受體

回到這篇研究,根據上面的結果,研究團隊推測重水可以刺激味覺細胞中的甜味受體,讓人嚐到甜味。

為了驗證這個想法,研究團隊設計出能表現甜味受體 TAS1R2/TAS1R3 的細胞,並觀察重水是否能刺激甜味受體。結果顯示重水確實能刺激 TAS1R2/TAS1R3。另外,加入甜味受體的抑制劑,也確實能封鎖重水對 TAS1R2/TAS1R3 所產生的刺激。這顯示重水確實能與甜味受體結合並刺激其產生訊號,讓人嚐到甜味。

重水能刺激甜味受體,而這個刺激會被甜味受體抑制劑 (lactisole) 封鎖。圖/參考資料 1

研究團隊根據分子動力學模型,發現甜味受體和正常水與重水之間的相互作用有輕微的差異,而正是這個差異,讓重水能刺激甜味受體。研究團隊推測造成這種差異的原因在於,重水的氫鍵比普通水略強。不過他們也表示需要更深入的研究,才能確認重水之於甜味受體的結合部位和作用機制。

雖然我們現在知道重水也能產生甜味,但重水顯然不是實用的甘味劑。不過當我們更了解重水與甜味受體的作用後,或許能提供甜味分子更廣闊的可能,甚至能以此設計出新型的人工甘味劑!

最後,文章雖沒對超重水進行實驗(畢竟要純化超重水的成本極高!)。然而若重水的甜味真的是源於氫鍵較強,那麼超重水的氫鍵也比普通水強,或許也帶有淡淡的甜味。照這樣說,近期沸沸揚揚的福島核廢水,若經淨化後只帶有氚水(超重水),或許嚐來是甜的?不過我想,恐怕不會有人想嘗試吧~

註釋

  1. 氫鍵:氫鍵是一種分子間偶極 – 偶極作用力,或者說其實是一種特殊的靜電作用。氫鍵是由兩個陰電性大的原子與處在其中間作為橋樑的氫原子所組成。氫鍵對於生物高分子尤其重要,蛋白質的二、三和四級結構和 DNA 的雙股螺旋結構,氫鍵都是穩定這些結構的重要原因。

參考資料

  1. Ben Abu, N., Mason, P.E., Klein, H. et al. Sweet taste of heavy water. Commun Biol. 4, 440(2021). 
  2. 重水
  3. Heavy Water Ice Cubes Do Not Float. mathscinotes. 2014/2/23
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 488 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟