0

0
2

文字

分享

0
0
2

政權轉移,天機早已透漏?──「熒惑守心」與歷史上的政治陰謀

歐柏昇
・2016/08/10 ・5685字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你是否注意到,最近(2016年8月)晚上的南方天空,有兩顆紅色的星星靠得非常近?你是否疑惑那是什麼呢?

深夜無人的時候,紅色的星總會給人一點畏懼,帶著一點血氣,或帶著人對廣漠宇宙的敬畏。開門見山地告訴你答案,這兩顆星是火星心宿二(天蝎座的心臟),一個是紅色的行星,一個是紅超巨星。今年兩顆紅星相依,而且火星一度停留在心宿二附近,這就是古人認為最兇惡的天象──「熒惑守心」。

火星
「熒惑守心」:2016 年 5 月 7 日凌晨 2 時的火星與心宿二。圖/陳麒瑞先生拍攝於溪頭鳳凰山天文台(85mm,f/2.5,ISO5000,30s*50)。

古人眼中的熒惑守心:影響帝王命運的異象

古人有「天人感應」的說法,認為天象與人事有強烈的對應關係,所以對於天象的每一分變化都非常留意。每顆星星有不同的星占意義,可根據它的運行、明暗、顏色來探知人事。

「熒惑守心」天象的兩位主角,在星占上代表什麼意思呢?火星古稱「熒惑」,與飢荒、疾病、亂事有所聯繫。星占上會利用火星的「行度」去判斷,這又是什麼意思?我們知道火星是顆行星,而所謂的「行星」,顧名思義就是會不斷行走,在群星之中的位置日日月月地移動,有時候在獅子座、有時候跑到天蝎座。古人就觀察到,行星在天空中多半是往同一個方向「行走」,但是偶爾會突然「倒退嚕」,逆著走一段,這個現象稱為「逆行」。當火星「倒退嚕」的時候,古人認為它偏離了理想的運行軌道,脫離了正常的運行方式,代表國家失去了禮,是一個不祥的徵兆。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另外一個主角是心宿二,這顆星在西洋星座中屬於天蠍座,在中國古代則劃在二十八宿的「心宿」當中。心宿代表天子祭祀的明堂,與君主有很大關係,另也是「熒惑之廟」。可想而知,兩顆紅色的星星接近的時候,在古代星占裡是多麼嚴重的事情!

當火星的運行從順行轉向逆行(往前跑轉為倒退跑的瞬間),或從逆行轉向順行(倒退跑轉為往前跑的瞬間)的時候,就會暫時停了一下子,這稱為「守」或是「留」。如果火星暫時停留下來的地方在心宿,就稱為「熒惑守心」。熒惑守心的天象出現,直接影響到君王的命運,將發生「大人易政,主去其宮」,也就是帝王要遭殃了!

宋景公說好話的故事

我們就從春秋時代宋景公的故事說起。《呂氏春秋》記載,宋景公 37 年(西元前 480 年),由於熒惑在心宿,景公非常緊張,跑去問子韋。子韋說:「這是老天爺要懲罰景公了,但是這個災禍可以轉移給宰相。」

景公說:「宰相要治理國家,讓宰相死是不好的事啊!」

子韋又說:「那可以轉移給人民。」

景公則說:「人民死了,那我當誰的君王呢?寧可我一個人死。」

子韋又說:「可以轉移給今年的收成。」

景公說:「歉收人民就會飢餓,挨餓就會死。當個君王要殺人民來讓自己活,有誰還能把我當作君王呢?」

結果子韋恭賀景公:「您今天說了三句有功德的話,老天爺一定會有三個賞賜,今天晚上火星會遷徙三舍,您也會延長壽命 21 年。」這個故事從今天來看,你一定會覺得太好笑了,一定是編出來的嘛!古代早就有許多人質疑了,例如東漢的王充就說,如果說三句好話就延壽 21 歲,那堯舜說了那麼多好話,不就活到一千歲了嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
宋景公
古代的人們認為,宋景公以蒼生為念,因此打動了上天,解決了熒惑守心的災象。圖/rocidea

但是,這樣的故事在古代有特殊的意義,後世有很多臣子引用這個故事來說理。這是因為古人相信天與人的相應關係,並以此來規範君主的德行。也就是說,人做錯事,老天爺會譴責;人做好事,老天爺會嘉許!連君王都必須戰戰兢兢,以「謙卑、謙卑再謙卑」的心態治理國家。所以古人觀察天象,其實經常不在於解釋天象本身,而是用來說明一些人事的道理,這是人和老天爺的對話。

用天文科學破解歷史謎團

什麼?天文科學可以破解歷史謎團?沒錯,宋景公時熒惑在心的故事,歷代皆有人討論,直到最近,我們有了新的方法來探究這些謎團。現在我們很清楚行星運行的軌道,可以精準地計算天象發生的時間,包括日食、月食、火星逆行等,天文館都會在一年之初把確切時間告訴大家,我們都可以準備好望遠鏡,等著這些天象出現。今天也可以精準地推算出古時候的天象,這就幫助我們解答很多歷史謎團了。

清華大學歷史所黃一農教授,利用天文科學的精確計算,考證中國古代 23 次「熒惑守心」的紀錄,結果發現一項驚人的結果:23 次裡面有 17 次根本沒有發生!雖然後來有學者進一步研究,說明有一部份只是寫錯時間或位置,但這些天象紀錄仍然有嚴重的失真情形。宋景公時期不只沒有「徙三舍」、延壽 21 年這些誇張的事,而且當時本來就沒有發生熒惑守(在)心!所以,我們不必太嚴肅看待這些說好話的結果,把它當作一個民胞物與的寓言故事來讀就可以了。

宋景公說好話的故事還不夠吸引人嗎?更精彩的在後頭啦!現在要來告訴你漢朝的熒惑守心故事,現代天文學提供了證據,再配合史書記載的人事洞察,不但發現某些古代天象紀錄失真,更揭露了故事背後的政治陰謀,讓我們解答歷史謎團。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

熒惑守心與丞相翟方進之死

臺灣大學張嘉鳳教授、清華大學黃一農教授曾詳細研究西漢末年的熒惑守心與丞相翟方進之死,揭開了古代宮廷精彩的政治鬥爭。天文科學在這項研究中,成為歷史考證的重要依據,讓我們看到中國古代的天文,與政治有相當密切的關聯。

事情的背景是這樣的。漢代有強烈的天人感應思想,使得天文與政治脫離不了關係。天人感應對異常天象的解釋在漢代盛行,天象的「符瑞」與「災異」都與王者之治有關。也就是說,只要「天有異象」,可能就代表皇帝做得不好,他必須立刻檢討,才不會再遭受老天爺的懲罰。所以這種天人感應的觀點,原本有個很重要的功能,就是限制皇帝的權力。皇帝如果殘暴,上天會透過災變來懲罰他,所以皇帝必須有德行。

不僅皇帝需要承擔,丞相也有「理陰陽,順四時」的責任。而實際上的行政責任,常常是丞相負責的。發生天災總要有人承擔政治責任,就好比現在有時颱風、地震還是會讓官員下台,差別則在於古人把異常天象當作一種天災。既然天象與政治責任有關,當然就可能遭到有心人士利用,把它當作政治鬥爭的工具了。

漢成帝像
漢成帝像。圖/互動百科

故事發生在西漢末年,漢成帝綏和二年(西元前 7 年),當時的丞相是翟方進。史書記載,懂星曆的李尋用熒惑守心來指責翟方進的罪狀,寫了很多誇張的天象描述,就是要叫翟方進出來負責。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

皇帝趕緊召見翟方進,談完之後就發布了一份詔書,來檢討熒惑守心的發生。漢成帝這份詔書先是說,他從即位以來,發生了很多災難,人民餓死、病死,盜賊肆虐。接著皇帝就矛頭就指向翟方進了:「我看你根本沒有要輔佐我讓人民富足啊!」皇帝的語氣非常強烈嚴厲,雖然看起來說的是皇帝、丞相兩人共同承擔責任,但最後拋下一句話:「我已經改正過錯了,至於你就自己去想想看吧!

結果是詔書一發出去,翟方進就自殺了!就在一個月後,漢成帝也死了。翟方進真的是畏罪自殺嗎?還是受到什麼政治詭計的作用呢?

天象與歷史上的政治陰謀

我們來看看西漢末年朝廷的政治是怎麼一回事。漢武帝的時候,出現了一批與皇帝親近,隨時幫忙處理國事的人。這些人的實權漸漸超過了丞相,於是稱為「內朝」。而西漢後期是個外戚政治盛行的時代,許多外戚就利用內朝來掌權,丞相也拿他們沒辦法。

漢成帝的時候,外戚王氏氣焰高漲,王鳳用「大司馬大將軍領尚書事」這個頭銜來掌權。在他死後,王家人還是持續握有大權,王音、王商、王根接連輔政。到了綏和元年,也就是「熒惑守心」與翟方進自殺事件的前一年,王家的下一代接任大司馬了,你一定聽過這個人,他就是後來篡位的王莽!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

張嘉鳳與黃一農的研究指出,根據行星運行軌跡的計算,這次熒惑守心根本是造假的事件!

在淳于長垮台之後,翟方進大概就是王莽的頭號政敵。又有許多證據顯示,王莽早與翟方進結仇。至於上奏記的李尋,可能也投向王莽這一派了。整個事件,可能是王莽為了攬權,故意打擊翟方進而策畫的!大家都知道王莽後來篡漢建立新朝,卻沒看到王莽獲得大權的過程中有這麼多次政治鬥爭的過程,而天象紀錄的研究竟然揭開了這些事實。

原來,古代天文與政治息息相關,這原本應該是發自對老天爺的敬畏,並用「天」來制衡皇帝,可惜有心人士把天象作為工具,發動一場政治陰謀。

行星逆行:一場不公平的賽跑

古代的人觀察天象,有相當明顯的人文色彩;現在的人觀察天象,則多從科學的角度出發。是什麼樣的科學原理,幫助我們揭開王莽的政治陰謀呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

今天我們終於知道,行星的「逆行」與「留」,並不是一個脫離常軌的現象,而是火星與地球共同繞著太陽轉,地球人必定會看到的視覺現象。設想有兩個小朋友在比賽跑步,一個叫作小弟,一個叫作小伙。小伙明明就跑得比較慢,卻不自量力地說要跑外圈。今天在這個圓形操場的 12 點鐘方向之外站了一排觀眾,觀眾從右到左依序是 A、B、C、D、E。萬眾矚目下,跑得快的小弟、跑得慢的小伙開始賽跑囉。

這場賽跑實在太不公平了,小弟明明跑得快,卻是跑內圈。於是,小弟雖然從比較後面出發,但很快就要「倒追」過小伙了。在跑步過程中,小弟看到小伙的位置如何變化呢?就來看看他擋到的觀眾吧!從圖中可以看到,小弟還沒「倒追」過小伙的時候,小伙擋到的觀眾依序是 A、B、C、D,這個就是「順行」。但是「倒追」過去的那段期間,小伙看起來「倒退嚕」,沿著 D、C、B 倒退回去了,這就是視覺上的「逆行」現象了。這樣說來,大家平常用「倒追」這個詞,還真是貼切呀!因為被追過去的人,看起來真的倒退回去了。小弟追過小伙之後,漸漸小伙又開始「順行」了,再繼續依照英文字母順序C、D、E走下去。整理下來,我們發現小弟看見小伙的位置變化是這樣的:A→B→C→D[→C→B]→C→D→E,中括號內的就是逆行階段。

行星逆行
行星逆行的賽跑圖解,第 5 到 7 時刻為逆行。賽跑「倒追」對手的時候,對手看起來就好像「倒退嚕」。圖/歐柏昇

不講這個沒意思的賽跑故事了,我們回歸現實。我們講的小弟其實就是地球,小伙其實就是火星。地球內圈而跑得快,火星在外圈而跑得慢。行星總是有這種規律,在外圈的跑得比較慢,所以是一場不公平的賽跑。這種賽跑當中,地球不斷「倒追」過火星,於是經常看到火星逆行的現象。當火星順行轉逆行或逆行轉瞬行的時候,看起來暫停了一會兒,這就是「留」或稱為「守」。「留」的那個點,若正好位在心宿二周圍,那就是「熒惑守心」了。現在我們知道,這是行星運轉的常規,是視覺上一定會出現的現象,而不是異常天象。

火星逆行的原理。

兩顆紅星毗鄰:2016 年再度發生「熒惑守心」

2016 年的天空中,再次發生了「熒惑守心」的天象。今年春、夏季,火星來到了天蝎座,於是火星、心宿二這兩顆紅星離得相當近。其實2016年土星也在這兩顆星附近,使得天蝎座附近看起來更加耀眼。精確來說,這次的熒惑守心發生在2016 年 4 月 17 日,這是火星順行轉逆行的「留」。4 月 17 日以後,火星轉為逆行,切過天蝎座的頭部,並且在 5 月 22 日達到「衝」。這是 11 年來最大的火星衝,近期非常適合觀察火星。火星逆行到 6 月 29 日,之後才轉為順行。回到順行之後,火星再度來到心宿二附近,而到了 8 月下旬,才是今年火星最接近心宿二的時候

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
0823
2016 年 8 月 23 日晚上 8 時臺北地區星空。圖/截圖自 Stellarium 天象軟體

今年 8 月中下旬,兩顆紅星靠得非常近,晚上七、八點出門散步,往西南方天空看,很容易就能發現這個「異象」。嚴格來說,今年 4 月火星才是「停留」在心宿二,稱為「熒惑守心」;今年 8 月火星是順行「通過」心宿二,應稱為「熒惑在心」。不過,就肉眼觀察的精彩程度而論,8 月這次兩顆紅星較為接近,當然比較精彩囉!

熒惑守心是平均數十年才會發生一次的天象。火星與地球的會合週期約 779 天,也就是地球兩年多就倒追過火星一圈,就會發生一次逆行,並在追過去的那瞬間達到「衝」。逆行經常發生,然而每次逆行時火星的位置都不太一樣,偶爾才會正好在心宿二附近逆行。所以,熒惑守心不是那麼容易發生的天象,上一次是 2001 年,下一次要到 2048 年了,也難怪古人會把它當作異常天象來看待了。

結語

聽完宋景公、翟方進的故事,又聽完賽跑的故事之後,再看見天上的熒惑守心,你想到的是什麼呢?

我們現在很清楚,熒惑守心是行星正常運行之下的視覺現象。我們經常開個玩笑,說今年的熒惑守心恰逢臺灣政局的改朝換代。但這只是莞爾一笑了,拜今天科學之賜,熒惑守心不太可能被有心人士拿來當作政治鬥爭的工具了。西漢末年的朝廷官員和我們用完全不同的角度來看待熒惑守心的天象,從前的天文有濃厚的政治與人文色彩,今天的天文則從科學的態度出發。

親身到荒野仰望星空,總是給人遐思,這時你卻又能體會到,人們看到兩顆紅色的星,總會很直覺地對這些天體產生一點恐懼──或更明確地說,是敬畏之情。宇宙無比浩瀚,今天人們可以運用發達的天文科學,聰明地破解了古人留下的謎團,但我們有時卻遺忘了古人那樣對宇宙的敬畏之情。敬畏的心情,仍然該是我們面對浩瀚宇宙至人間的基本態度。

中國古代的天文,充滿著天人之間的關懷,人們並隨時在檢討自己與天地的關係;今天的天文科學,則精確地揭開了自然運行的法則,給我們更清澈的眼光來面對人與自然。熒惑守心的故事,在古今天文學的對話之下,留下對人事、對宇宙的深刻洞察。

 

  • 特別感謝:陳麒瑞先生提供2016年熒惑守心之攝影作品

參考資料

  1. 黃一農,〈星占、事應與偽造天象──以「熒惑守心」為例〉,《自然科學史研究》第10卷第2期(北京:1991),頁120-132。
  2. 張嘉鳳、黃一農,〈中國古代天文對政治的影響──以漢相翟方進自殺為例〉,《清華學報》新20卷第2期(新竹:1990)頁361-378。
  3. 劉次沅、吳立旻,〈古代「熒惑守心」記錄再探〉,《自然科學史研究》第27卷第4期(北京:2008),頁507-520。
  4. 傅樂成,《中國通史》(臺北:大中國,2008)。
  5. 盧央,《中國古代星占學》(北京:中國科學技術,2008)。
  6. 陳美東,《中國古代天文學思想》(北京:中國科學技術,2008)。
文章難易度
歐柏昇
13 篇文章 ・ 6 位粉絲
台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。

0

1
1

文字

分享

0
1
1
【成語科學】動如參商:參宿和商宿是哪兩顆星星?帶你認識古代中國的星座系統!
張之傑_96
・2023/09/08 ・1103字 ・閱讀時間約 2 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

西元 759 年,大詩人杜甫經過老友衛八的家鄉,屈指數來,兩人已 20 年沒見過面。當年衛八還沒結婚,如今已子女成行。杜甫在衛八家過了一夜,翌日匆匆告別,寫下膾炙人口的〈贈衛八處士〉,頭兩句「人生不相見,動如參與商。」就是成語「動如參商」的出典。

唐代習慣以家族的排行稱呼人;處士,對隱士的尊稱。參(ㄕㄣ),指參宿;商,即商星,是心宿的主星。參、心二宿都是二十八宿之一,參宿位於西方時,心宿位於東方,不會同時在天上出現。

參宿位於西方時,心宿位於東方,不會同時在天上出現。圖/高魯《星象統箋》

動如參商,比喻見面不易。我們先談到這裡,造兩個句吧。

畢業後同學們動如參商,再也無法朝夕相處。

您遠渡重洋後咱們動如參商,已難得見上一面。

造完句,接下去要說明什麼是星宿了。無論哪個民族,都會將天上的星星分成組,每組之間作些連線,然後比附成英雄人物、動物、器物等等。這種分組,有利於天文觀測。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

星座,是西方所發展出的天文觀測體系,總共有 88 個,最為人們熟知的是黃道十二宮。太陽在天球上的軌道稱為黃道,黃道上有 12 個星座,在您生日那段時間,太陽在天球上所對應的星座,就是您的生日座。

中國古代將一組星星稱為一個星宿(又稱星官),魏晉時統合成 283 個,含有星星 1464 顆。在這 283 個星宿中,最為人熟知的是二十八宿,也就是月亮運行軌道(白道)所經過的星宿。

二十八宿是:角亢氐房心尾箕,斗牛女虛危室壁;奎婁胃昴畢觜參,井鬼柳星張翼軫。

二十八星宿。圖/wikimedia

在二十八宿中,角亢氐房心尾箕是東方七宿,奎婁胃昴畢觜參是西方七宿。商星是心宿的星星,和西方七宿的參宿是不會同時出現天際的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

中國的星宿,每一星宿的星星數目不等,以心宿和參宿來說,心宿有 3 顆(第二顆就是商星),參宿則有 7 顆。星宿的星星以數字編號,有時另有專名。以心宿的商星來說,編號是「心宿二」,商星是它的專名。

心宿二(即天蝎座 α 星)是顆紅巨星,會發出火紅色的亮光,所以還有一個專名——大火。我們的祖先早就觀察到,每到夏末秋初,大火星就會落向夜空的西邊,表示天氣將逐漸轉涼了。

心宿二又被稱為大火。圖/wikimedia
張之傑_96
103 篇文章 ・ 224 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

0

7
1

文字

分享

0
7
1
致我們青澀的初戀——踏入晴道、也英的火星世界
Mia_96
・2022/12/26 ・1800字 ・閱讀時間約 3 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「也英,你還好嗎?但願你沒有感冒,今年的火星看起來特別亮,是本世紀火星距離地球最近的時候,當我看到明亮的星星時,就覺得你彷彿在我身旁。」晴道在少年時寫給也英的信中這麼說道。

接近人生半百,當晴道再次與也英相遇後,這麼恰好的,火星再次接近地球,劇中晴道與也英於札幌天文台享受著天文景象,究竟在望遠鏡中,他們看到的景象為何會產生?

晴道與也英的人生彷彿都與天文現象班暗示性的相像,也都與天文現象彼此相關。圖/IMDb

揭開接近地球的火星之時——火星衝

太陽系中的八大行星皆繞著恆星太陽公轉,但因各行星距離太陽的遠近不同,造成公轉軌道路徑長度差異,而行星的公轉軌道與速度進一步影響著其公轉週期。八大行星中每一顆行星的公轉週期皆不一樣,也因此,造成每天行星與恆星、行星與行星間的相對位置也都有所差異。

「衝」在天文現象中意指行星(地球軌道外)與太陽、地球,連成一直線的現象。當衝發生時,代表此顆行星整夜可見,且在天空中的亮度極亮!但正如同上文所述,因每顆行星之公轉週期有所差異,所以並非每一年都會發生衝。例如劇中晴道與也英所觀測的「火星衝」,週期約為 780 天,大約每經過 2 年 49 天便會發生一次。 

衝(opposition)為太陽、地球與外行星連線之位置,若太陽、內行星與地球連線時則會稱為合(conjunction)。圖/Wikipedia

長大後的晴道、也英所觀測的火星衝發生在 2018 年,亮度極亮的火星配上恰好的觀測時間,便是觀測火星的最佳時間點!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
火星公轉太陽一圈約需 687 個地球日,代表在火星上度過的一年接近於地球的兩年(代表如果在火星上等待下一次跨年的時間會更長!)圖/Pixabay

而在 2022 年 12 月初時,也發生了一次火星衝!這次火星的視星等亮度達到 -1.9 等,預測將會是未來十年內最亮的火星衝,但如果錯過這次也沒有關係,在 2033 年時會發生亮度更亮的火星衝,目前預估視星等亮度可以達到 -2.5 等呢!(星等值越小越亮!)

因火星公轉太陽軌道並非正圓形,故每一次的火星衝亮度也皆會稍有不同。圖/臺北市立天文科學教育館

滿載希望的希望號

除卻火星衝外,日本 1998 所發射的希望號探測器(のぞみ)也是年少的也英殷切期待的天文任務。當時日本為促使國民對於火星產生興趣與探索,舉辦於希望號中搭載姓名的活動,也英的名字也跟著希望號一起進行宇宙探索。

希望號原本的目標與任務是觀察火星上大氣層,與火星受太陽風作用的影響。但在 1998 年發射後,希望號的推進器出現故障,不只大量消耗燃料,還造成希望號進入火星軌道的時間延長,後又於 2002 年受到太陽劇烈活動的影響電力系統受到破壞。最終,希望號於 2003 年 12 月失聯,未能順利完成火星的探測任務。

希望號未能順利完成任務,彷彿暗示著也英的人生也同樣遇到瓶頸與挫折。圖/IMDb

未完待續的火星之旅

火星因其醒目的紅色外觀一直為人們所關注與追尋的星球(西方更將其取名為 Mars,即為羅馬神話中的戰神),且因火星具有與地球相似的環境條件,科學家一直將火星作為移居星球的選項之一,也設想過將火星「地球化」,使其更加適合人類居住。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但人們是否有改變火星的權利,又或者我們對於火星是否有足夠的了解,或許等到未來更多次嘗試的火星任務後才能知曉答案,正像是晴道說的:「要想知道是不是命中註定,你必須全心投入進去。」

參考資料

0

5
0

文字

分享

0
5
0
看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

極光。圖/envato elements

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 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。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

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.
Ash_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。