超強極光發電機-系外行星Corot-2b

• 本文編譯自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》

形成極光的要素有三，其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場，可以在兩極地區生成北極光和南極光；然而，火星沒有覆蓋全球的磁場，因此火星上的極光並非出現在兩極，只能在特定區域生成。

近期，愛荷華大學領導的研究團隊，根據美國航空暨太空總署（NASA）火星大氣與揮發物演化任務（MAVEN）探測器的數據，確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成。

極光三要素：大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前，讓我們先把鏡頭轉到地球，談談地球上的極光在哪裡形成，以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區（auroral oval），涵蓋北極與南極地區，但並非以兩極為中心；換句話說，極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外，極光橢圓區的寬度與延伸範圍，會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引，沿著磁力線加速往高緯度地區移動，最後和大氣中的原子碰撞時，就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述，可以得知極光的三個要素是：大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」，若屬於可見光波段，就能用肉眼觀測，並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍，綠色區域則為極光橢圓區。圖／National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前，得先介紹它的幕後推手——行星際磁場（Interplanetary Magnetic Field，IMF）。IMF就是太陽風產生的磁場，在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化，並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢？當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播，會同時拖曳太陽的磁力線一起離開；太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子，讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話，太陽就像是在轉盤上的蛋糕，太陽風粒子就是擠花裝飾；而當蛋糕一邊以固定速度自轉，擠花逐漸向外擴散的同時，就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

對太陽風和 IMF 有基本認識之後，讓我們把鏡頭轉向火星，談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說，火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層，強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態，導致大氣層的散失；該過程稱作濺射（sputtering），發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一，在 IMF 的作用之下，部分的離子會環繞磁力線運動，隨著 IMF 移動而被帶離火星；另外一部份的離子則像撞球一般，撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子，引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明，根據團隊研究的成果，太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離，並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素（質子數相同，但是質量不同的元素）以氬-38 以及氬-36 為主，後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比，Jakosky 的團隊推估火星約有 65％ 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形；其中又以二氧化碳為焦點，畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在，而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

接著，讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢？這要先從行星發電機理論開始說起，該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例，地核內部保留了地球形成初始的熱能，約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵，因為密度下降而上升至地核頂端，接觸到地函時，這些液體會喪失部分熱能而冷卻，因為溫度比周圍環境低，密度變高而下沉；如此不斷的熱對流循環下，讓帶有磁力的流體不斷運動，進而形成電磁感應。另外，科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向，產生螺旋狀的流動效果，有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示，火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關，在火星形成之初散熱較快，造成火星外核液態鐵短時間內就凝固，無法像地球一樣，保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化，不斷從地核深處上升至地函，再冷卻下降，持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力，導致火星內部的發電機幾乎停止運轉，無法形成全球的磁場。話雖如此，火星仍然具備小區塊的磁場，主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

磁層與大氣層相互依存，火星在太陽風不斷吹襲之下，大氣層愈趨稀薄；火星內部又缺乏發電機的動力，無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護，就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢，因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣，看似缺乏極光形成要素的火星，又是如何形成極光的呢？

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護，但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡，磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用，滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」，與地球上常見的極光不同，有些發生在人眼看不見的波段（比如紫外線），所以也更加提升了觀測難度。

那麼，研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢？那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀（Imaging Ultraviolet Spectrograph，IUVS）！

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家，他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果，比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場（IMF）強度、時鐘角和錐角^{[註 1]} 以及火星上極光的紫外線，發現在磁場較強的地殼區域內，極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向；反之，區域外的極光發生率則與太陽風動壓（Solar Wind Dynamic Pressure）關聯較高，但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到，在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內，當 IMF 的時鐘角呈現負值，如果正逢火星的傍晚時刻，較容易觀測到離散極光；也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯（Magnetic Reconnection）——意即磁場斷開重新連接後，剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量（如動能、熱能等）加以釋放，例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向：移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關，而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料，也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果，主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光；以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想，火星是目前人類圓夢的最佳選擇；但是在執行火星移民計畫之前，火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護，生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果，科學家們將發掘新的突破點；期許在不久的將來，我們能找到火星適居的鑰匙。

• 註1：IMF 的時鐘角（Clock Angle）與錐角（Cone Angle）

如何判定 IMF 的角度呢？因為磁場空間是立體的關係，我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念，來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上，IMF 方向與 Z 軸的夾角；而錐角則是在 X、Y 平面上，IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

參考資料

1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫。
7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的？物理學家有新發現，帶你揭秘。
8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平。
9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的？ 科學家解謎。
10. BBC News 中文。北極光：美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理。
11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風。
12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖，證實火星有磁場。科技新報。
13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集。
14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.

• 文／C 編、Heidi
• 本文編譯自《The Real Science Behind the Movie “Don’t Look Up”》

2021 年底在 Netflix 上架的《千萬別抬頭》（Don’t Look Up）講的是一個彗星撞地球的故事，但這並不是一部普通的科幻災難片，而是帶有黑色幽默的諷刺電影，用來嘲諷拒絕科學、對科學冷漠的社會大眾。雖然製作團隊原先是想諷刺那些否認全球暖化的言論，但在 COVID-19 疫情肆虐的現在，恰巧也能影射抵制口罩和疫苗的行為、煽動對立的政治操作，以及人們對於社交媒體的過度依賴。即使整部電影看似穿插了不少笑點，仍能從中感受到一股壓抑和無力感。

《千萬別抬頭》還請來了星光熠熠的卡司陣容，包括李奧納多．狄卡皮歐、珍妮佛．勞倫斯、喬納．希爾和凱特．布蘭琪等多位奧斯卡得主。飾演美國總統的梅莉．史翠普更表示這是她拍過最重要的電影！

製作人亞當．麥凱（Adam McKay）希望這部電影能夠如實描繪科學事實以及科學家面臨的挑戰，於是，他邀請知名天文學家艾米．邁因策爾博士（Dr. Amy Mainzer）擔任電影的科學顧問。

邁因策爾博士現為亞利桑那大學月球與行星實驗室的教授、全球頂尖的小行星探測和行星防禦專家，以及 NASA NEOWISE（Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer）計畫的首席研究員，負責監督這項史上規模最大的小行星探測計畫。在 2020 年 3 月，計劃內的一名天文學家成功發現了一顆新的彗星，並且將它命名為 NEOWISE，就跟計畫名稱一樣。

科學家眼中的災難片

本片的科學顧問邁因策爾博士與北美天文學新聞網站《今日宇宙》（Universe Today）的編輯南西．阿特金森（Nancy Atkinson）聊了《千萬別抬頭》這部片，以及電影中的科學。

邁因策爾博士醉心於彗星和小行星的研究，所以她表示，自己非常喜歡隕石浩劫這類電影題材！非常開心能看到以彗星為主題的電影，也十分慶幸能夠成為災難電影的科學顧問。

雖然目前實際上沒有任何小行星或彗星運行在可能撞擊地球的軌道上，也沒有任何一顆即將撞上地球。但本片畢竟是科幻電影，需要設定一顆真的即將撞上地球的彗星，更像是「拋磚引玉」的功能。邁因策爾博士以「科學實在論」打造故事框架，希望觀眾重視科學家的警告，不再相信虛假的謠言。

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而《千萬別抬頭》之所以涵蓋這麼多科學知識，是因為製作團隊對科學深感興趣，非常重視電影中的科學。因此電影畫面中，團隊設計的彗星既要符合電影的視覺需求，又要符合科學上真實彗星的樣貌。劇情不僅描述了發現彗星的過程，包括如何識別、確定彗星軌跡，還刻畫了科學家在探索未知事物時的反應。這不只描繪了科學家的形象，也告訴觀眾科學家是什麼樣的人，還有他們是如何傳播科學知識——有時很順利，但有時真的困難重重。

這部電影讓《今日宇宙》編輯印象最深刻的是，科學家試圖警告災難，卻沒有被當一回事。若是套用在氣候變遷和傳染病肆虐等全球議題上，這種冷漠的態度似乎有點太寫實了。

邁因策爾博士也認為，這齣電影想強調人們對於科學新聞的態度。就像《今日宇宙》編輯平時所從事的科普工作，將複雜的概念轉化為淺顯易懂的文字是很困難的，因為科學家慣用的詞語與日常生活中的用詞完全不同。

例如，「不確定性」（Uncertainty）代表測量結果是一個可能的數值範圍，而不是指我們不確定自己測量的是什麼。在不同的情境下，詞語意思也會不一樣，確實有可能造成溝通障礙——這只是其中一個例子而已。

對邁因策爾博士來說，這部電影講述的是科學家如何傳播知識，如何讓眾人瞭解這些知識，還有如何根據科學做出明智的決定。這樣的題材很有挑戰性，因為這是一部喜劇，希望觀眾可以在笑著看完的同時，能夠更加理解科學家們多麼努力想做到這些事，「可是也請容許我們偶爾做不到。」

幕後花絮：真正的 NEOWISE 計畫在做什麼？

其實，現實中新發現的 NEOWISE 彗星就是電影裡那顆彗星的原型。那是一顆長週期彗星，以驚人的速度從遠方朝太陽系飛來。邁因策爾博士在 2020 年 3 月發現 NEOWISE，7 月時它就接近地球了，就真的像電影中的彗星一樣，我們來得及反應的時間非常短。 

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好消息是，我們已經開始監視那些能釀成全球性災難的近地小行星。以超過 1 公里的近地小行星來說，科學家已經找到了其中 90%，而且沒有一個會對地球造成威脅。

但長週期彗星就是另一回事了。比起小行星，長週期彗星相當稀有，但這不代表它們不存在。雖然科學家持續監測，還是無法推估總數到底有多少。在邁因策爾博士看來，任何物體接近地球的機率都不是零，我們需要獲得更多知識，才能做好準備，方法就是不斷尋找彗星和小行星，並且全面性地監測、追蹤。

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邁因策爾博士也花了很多時間和導演討論小行星監測系統。當科學家們發現未知的小行星或彗星時，會透過這個系統比對所有已知的星體，如果確定是未知星體，系統就會公開觀測資訊，讓其他天文學家看見。從科學家的角度來看，他們努力地傳播科學資訊，但問題在於每個人對於科學的接受程度不同，這樣的矛盾在劇情中也有不少著墨。

電影中的科學家發現彗星只是湊巧，他本身並不是研究彗星的專家，但製片團隊仍花了不少時間呈現他們識別彗星、確定軌道，以及將結果轉告其他科學家的過程。雖然這畢竟是電影，多少美化了實際情況，但還是希望能藉此讓觀眾看見科學論證的嚴謹之處。

科學講述事實，但藝術掌管對事實的感受

本片中有許多大咖演員，他們才華洋溢，而且都有自信能展現出科學家感性的一面。他們都熱衷科學、關心科學在日常生活中扮演的角色，也相信如果人們根據科學做決定，就能找到更好的問題解決方法。邁因策爾博士還花了很多時間陪演員練習台詞，因為劇本裡有很多艱澀的科學術語。這麼做還有另一個好處，就是當他們沒有在聽博士講話時，博士可以表達身為科學家的感受，供他們揣摩。

邁因策爾博士一直覺得科學和藝術之間的關係很有趣。科學告訴我們事情的本質，但藝術掌管我們對這些事情的感受。這部電影呈現出科學家和大眾對於科學的看法：科學家想改變社會，以做出基於科學的決定，但也必須設法讓大眾傾聽科學的聲音——這種矛盾和拉扯，就是這部電影的核心所在。

The harmful ramifications of climate change are ongoing and undeniable. It is crucial we take the necessary steps to protect our planet. Visit https://t.co/7Rx6qOmRf0 to get involved. #DontLookUp pic.twitter.com/dkPN9itpQJ

— Leonardo DiCaprio (@LeoDiCaprio) December 27, 2021

科學家有所隱瞞？他們更想說個沒完

那些拒絕科學的大眾普遍認為 NASA 或政府隱瞞了一些事情，可是所有科學家卻都說，如果他們發現太空有危險物體，絕對會爬上屋頂告訴全世界。

如果換成是邁因策爾博士，她也會這樣做！當科學家學到新的酷東西時，就像一班人去了一趟很棒的旅行，回家後，他可能會讓其他人感到厭煩，因為他不斷提起旅行中的所見所聞。大多數科學家不會停止談論自身所學，因為他們熱愛這些知識，也希望其他人知道這些酷東西，或許他們就會因此愛上科學！

邁因策爾博士希望觀眾看完這部電影後，能夠理解科學家也是人，而且和一般人沒什麼兩樣。「作為科學家，我們經常遇到溝通方面的挑戰，但我們正在努力，而且我們不會放棄！」

• 作者／陳子翔｜師大地球科學系、EASY 天文地科團隊創辦者

看到下圖密布於太陽系的小行星軌道，你是否會對小行星撞地球這樣的災難感到擔心呢？

事實上面對小行星的撞擊風險，科學家也是嚴陣以待。畢竟即便是一顆直徑只有數十公尺的小行星撞上地球，其威力也足以摧毀一座城市。更何況還有許多直徑數百公尺，甚至數公里的近地小行星（near-Earth asteroids）存在。因此，對於這些小行星的觀測、研究與監控就顯得格外重要。

揪出藏身夜空中的小行星

對近地小行星監測的第一步，就是要先找出「它們在哪裡」。如同在戰場上比起收到敵方要發動攻勢的情報，更可怕的就是連敵人是誰、敵人在哪裡都還不清楚就被暗中襲擊了。

然而棘手的是，由於直徑小，反照率低的特性，小行星的亮度往往非常低，需要仰賴觀測性能強大的天文台才有辦法看見它們。但大型天文台的觀測視野卻通常很小，難以有效率的「掃描」廣大的夜空，而且這些天文台本來就有很多天文研究工作要進行，能撥給小行星觀測的時間也相當有限。

有鑑於這些因素，專門設立搜尋近地小天體的計畫與望遠鏡，就成了更合適的選項。像是林肯近地小行星研究小組（Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LINEAR）、卡特林那巡天系統計畫（Catalina Sky Survey, CSS）以及泛星計畫（Pan-STARRS）等。它們扮演「小行星獵人」的角色定期掃視夜空，尋找移動中的可疑光點。目前透過這些計劃發現的近地小行星已經多達數萬個。

用自動化的監測系統，找出小行星中的「危險份子」

發現這些小行星的下一步，就是由觀測資料計算出它們的軌道，並找出哪些小行星對於我們的威脅比較大。而面對數量龐大的近地小行星資料，NASA 噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）早在 2002 年就開發出一套名為「哨兵（Sentry）」的監測系統，運用設計好的演算法，自動化的評估每個近地小行星撞擊地球的機率，並列出對地球威脅比較大的小行星名單。

以目前的速率來看，每年大約有 3000 個新的近地小行星被發現。而未來隨著更多更先進的天文台投入小行星搜尋的計畫，可以預期小行星的發現數量還會出現顯著的成長。因此就在不久前，NASA 的天文學家已發展出下一代更先進的小行星監測系統：哨兵 II（Sentry II），以因應未來更龐大的資料，同時也對已經使用了近 20 年的哨兵系進行補強。

監測系統升級上線，更完善的為地球把關

就如同各種應用程式都會進行版本更新，並在更新中修正上一個版本的缺點，這次哨兵 II 系統的升級，也從哨兵一代系統多年累積的經驗進行修正。

首先，第一代哨兵系統只有計算萬有引力對小行星軌道的影響，並沒有考量其他外力，例如來自太陽的輻射壓等等。這些力量雖然相對微小，但積少成多、聚沙成塔，長期下來也能影響小行星運行的軌道。另一方面，由於小行星本身會自轉，因此小行星的受光面和背光面會不停改變方向，如此一來熱輻射對小行星造成的力，也會隨著轉動而變化，這個效應被稱作「亞爾科夫斯基效應」（Yarkovsky Effect）。而哨兵 II 的演算法都有將這些因素納入考量，讓小行星的軌道估計算更為精準。

再來，當小行星的非常靠近地球時，受到地球引力的影響，軌道以及速度都會大幅改變。其原理與太空探測器借助行星的引力來改變自身的軌道和加減速的「重力彈弓」效應相同。

然而太空探測器上面有很多精密的儀器提供科學家精準的定位，小行星卻只能透過地面觀測來估算出它的軌道，科學家其軌道掌握的精確度當然就比較差。而當小行星接近地球時，軌道的計算誤差就會被大幅放大。一個小行星飛掠地球時幾百公尺的誤差，到了下一次來訪時可能就成了幾千公里的差別了。而這幾千公里，就有可能是「撞上地球」和「安全通過」的差距。好消息是，由於在軌道計算上考量的因素更全面，演算法也更加精密，讓哨兵 II 即使在面對這樣的狀況，也能計算出更為精準的結果。

最後，哨兵 II 系統在計算小行星的撞擊風險時，判斷的方式也相較上一代系統更縝密。如同任何觀測與測量，小行星的軌道也會存在誤差，而哨兵 II 會從小行星軌道的誤差範圍內隨機取樣進行計算，以檢查小行星有沒有撞上地球的可能性。相比於第一代哨兵系統預先將有撞擊風險的軌道推算出來後才評估撞擊機率的做法，這樣的更新能降低漏網之魚出現的可能性。

持續探索可能的威脅

小行星、彗星等天體的撞擊一直以來都是很多科幻作品的題材。從科學的角度來看，太陽系中也的確存在非常多小天體，可能對地球上的生命構成威脅。雖然對於近地小天體的災害預防，當今的科學與科技還遠達不到萬無一失的程度，但過去三十年，人類對近地小行星的認識已有了顯著的進展。從搜尋小行星的各個計畫，到針對小行星的太空探測任務，以及本篇文章介紹的兩代哨兵監測系統，都帶給我們許多重要資訊，立下人類面對小行星撞擊風險時不可或缺的基石。

延伸閱讀

• 災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？
• 夜空中的守望者－ 望遠鏡如何保衛地球? 科學月刊 600期
• 天文觀測的新挑戰──談泛星計畫

參考資料

• NASA’s Next-Generation Asteroid Impact Monitoring System Goes Online
• A novel approach to asteroid impact monitoring and hazard assessment