如何了解地球的鄰居們─淺談探索太陽系的新科技
如何探索地球以外太陽系內的其他天體,了解它們的各種性質,進而登上這些天體的表面,一直是人類科技發展的一個重要課題。除了滿足人類求知的慾望,尋找是否有其他生命存在,更是探索這些地球鄰居的目的。
 
 
然而這些天體雖然都繞著太陽運轉,卻各有特性,與我們熟悉的地球環境都有著極大的差異。科學家們如何去克服這些天體環境的差異,發展適合不同條件下仍然可以正常工作的衛星技術,以及在地球表面利用不同的技術,配合衛星計畫進行觀測,或是捕捉衛星無法顧及的短暫現象及長時間變化,揭開它們的神秘面紗,將是我們這次演講的主題。
 
講演綱要(撰文|孫維新)

2018年秋季展望的第八場演講,由中央研究院天文及天文物理研究所王祥宇博士擔綱,王博士以「如何了解地球的鄰居們─淺談探索太陽系的科技」為題,深度剖析新視野號的科學背景,以及支持太空任務的科技硬體,其關鍵的知識與技術。

 

在講座的開頭,王博士提到眼尖的人可能會發現題目有些微的更動─原先的「新科技」去掉了「新」字,因為在人類探索太空的過程中,發展出的科技是十分紮實的,最新的科技相較之下難以直接送進太空之中。

 

2019年才剛揭開序幕,就有重大的天文事件陸續發生。王博士指出其一,最近佔領新聞版面的「終極遠境」(2014 MU69),為目前人類可以清楚觀測距離最遙遠的古柏帶天體。究竟這個天體有多大?其實非常小…兩個接在一起的大小圓球,最長直徑不過大約31公里。經科學家的推估,兩個圓球當初靠近時速度緩慢碰觸連結,反之就會碎裂。

 

2014 MU69是新視野號飛掠冥王星後的下一個探測目標之一。在新視野號完成了冥王星飛掠任務後,天文學家決定讓它再探測至少一個古柏帶天體。雖然在尋找目標的過程中,遇到重重的困難,但終於藉由哈柏望遠鏡的觀測定下目標,並且透過掩星技術進行初步的觀測。根據小行星的速度,可以計算出掩星所持續的時間,約為1到2秒左右!當小行星擋住恆星時,恆星的亮度降低,如把一系列不同觀測點的結果收集彙整,就可以看到小行星的形狀與周邊是否有衛星等情形,如此能夠取得進一步的資訊,了解飛行過程是否對太空船的安全存在風險。

 

新視野號於2006年發射,經過詳細的軌道計算,還需要利用木星的引力進行加速,這也使其發射時間受到限制。為什麼要借用木星的引力進行加速?那是因為冥王星非常遙遠,當衛星逐漸遠離太陽系,其速度也會明顯變慢,因此在觀測太陽系之外的星體時,我們需要利用「重力拋射」的技術。當太空船的行進方向與行星相同時,就可以得到加速的能量(新視野號大概增加了每秒五公里的速度)。

 

太空科學任務的開發與探索,除了需有良好的軌道設計,另外也要知道該放什麼儀器來進行研究?如何在有限的重量和大小的限制下,裝載對冥王星觀測最有效的儀器?以新視野號為例,所有的設計其實都是基於西元2000年的科技,以及當時對冥王星的了解。而且這樣的觀測任務並不是軌道繞行、而只是快速的經過。對科學家而言,把握住有限的觀測時間變得十分重要,為了增加觀測收集的資料,如何加快觀測的速度是個待解決的難題。

 

王博士接著介紹新視野號裝載的儀器,第一個是黑白百萬畫素望遠相機,通常第一手的冥王星影像都是靠它拍攝的。第二個是多波段可見光與紅外線掃瞄相機,這和前者的不同在於它一次只能觀察「一條」天空區域,不過能呈現出不同顏色,提供不同特徵的線索。除了上述的儀器,還有紫外光光譜儀、低能量粒子偵測器、高能量粒子偵測器、無線電接收器,以及灰塵計數器。這麼多的儀器要裝載進新視野號上,不但儀器本身要有體積限制,而且因為它們觀測範圍各有不同,更是要考慮怎麼安排,以精確的配合冥王星與探測器間的相對位置。

 

天文觀測的相機大多是黑白的,也就是說不管什麼波長的光都會被吸收。這樣的優點是效率高、可增加觀測的速度,但也因此無法呈現顏色。到了後期,還需要經過濾鏡重新處理上色。透過不同波長資料的收集,我們也可以得到冥王星的地形、甚至是上頭的氮氣、一氧化碳等,亦或是水的分布圖。新視野號同時也利用無線電波觀測冥王星的大氣壓力,此時的冥王星是處於遠離太陽的階段(冥王星的軌道是一個比較明顯的橢圓),這也影響到其大氣組成。

 

新視野號所應用到的儀器在發射前需要經過測試,包含抗輻射測試(能夠抵擋太空中的輻射)、熱真空測試(在太空中的環境溫度劇烈變化下仍能正常工作),以及振動與噪音測試(能承受發射時的振動與噪音,通常在10-20G),太空中的極端環境,對電子零件是個大挑戰,儀器必須經過測試保證能在發射後正常運作。

 

在演講的尾聲,王博士現場展示了一項攝像定位裝置,並且強調其實太陽系仍然充滿了許多未知的角落,等待人類去探索。而太空科技的發展,真的需要長時間的投入,以及政府的持續支持,他鼓勵大家抱持好奇心,加入探索與投入的行列!
 
推薦文章