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太空探索的故事

從古人的宇宙幻想神話故事到現今高科技望遠鏡、火箭,人類探索宇宙的歷史是從何開始?又是如何從渺小的好奇心萌芽為現今遠大的科學移民計畫?
 
 

美國太空總署(NASA)宣布天文學界重大發現:在離地球不到40光年處,找到7顆類地球行星環繞1顆名為「TRAPPIST-1」的矮恆星運行,這是迄今在太陽系外找到生命的最大契機!

 

本講次從「古人的宇宙幻想神話故事」談到「現今高科技望遠鏡、火箭」,究竟人類探索宇宙的歷史是從何開始?又是如何從渺小的好奇心萌芽為現今遠大的科學移民計畫?

 

聽講心得(撰文|西苑高中 陳晞)

 
就在2017年2月22號,美國太空總署(NASA)宣布天文學界重大發現,在離地球不到40光年處,找到7顆類地球行星環繞1顆名為「TRAPPIST-1」矮恆星運行,這是迄今在太陽系外找到生命的最大契機。從古人的宇宙幻想神話故事到現今高科技望遠鏡、火箭,人類探索宇宙的歷史是從何開始?又是如何從渺小的好奇心萌芽為現今遠大的科學移民計畫?
 
太空探索最根本的發展是從火箭開始,人造衛星、太空望遠鏡、太空人都是靠火箭穿過大氣層運送到太空。火箭,顧名思義,火藥綁在箭上。最早出現於中國宋代用於戰爭,是現代的火箭的雛形,可惜中國火箭的發展止於煙火娛樂與軍事用途上。在1926年,美國物理學家高達德成功地發射世界上第一枚液態燃料火箭,但在當時並未受到重視。
 

真正對火箭有深入研究的是野心勃勃的德國,在一戰時期,德國被迫簽訂凡爾賽條約,被限制其軍火的發展,當時武器的主力是大砲,被限制生產大砲的德國轉而發展火箭,兩者的推進原理幾乎相同,最大的不同在於燃燒時間的長短,火箭比大砲更強調持續的推進力,當時的火箭射程有40公里。

 

二戰結束後,德國分別被美蘇佔領為東德西德,進入冷戰時期的美蘇開始航太科技的競爭,美國接納了西德的科學家,蘇聯占領的東德擁有許多技工,顯然而知,當時蘇聯的航太科技程度遠超過美國。當時的大事件分別有:1957年成功發射擎天神飛彈,這是第一種洲際彈道飛彈(最常射程的飛彈)、1958年的紅石飛彈是第一種以德國v2火箭技術為核心發展的液態火箭、發射美國第一顆人造衛星、1961年蘇聯的東方號第一次將太空人加加林送入太空、1969年,伴隨美國阿波羅11號完成人類第一次登月任務,太空競賽達到頂峰,美國也在此年正式超越蘇聯,短短幾年就可看出當時快速發展的航太科技。

 

現今太空探索的權威仍是美國太空總署(NASA),太空發展的趨向不再是送人上太空,而是利用太空望遠鏡探索未知的太空,哈伯望遠鏡、伽瑪射線望遠鏡、X射線望遠鏡,韋柏紅外線望遠鏡成為探索的主力。而找到7顆類地球行星就是由X射線及紅外線望遠鏡發現的,這次的重大發現使今後的太空探索發展指日可待。

 

至於臺灣有沒有發展太空探索?答案是有的。就在去年2016年12月20日,台灣和日本合作一枚監測太空天氣的衛星在日本鹿耳島順利升空,這個ERG計畫將會探測輻射帶如何保護地球,透過這次合作,也將展現台灣的科學實力。ERG衛星搭載八個科學儀器,而其中一個重要儀器LEP-e「低能量電子測量儀」會捕捉通過范艾倫輻射帶而增強能量的電子,這個斥資2000萬台幣的30公分高的儀器留著台灣血液,出自中研院與成大之手。目標是探索地球的高能輻射帶,了解粒子的加速機制,並對其中複雜的波動與粒子之間的關係找出關鍵性證據。

 

太空科技發展至今僅僅60年,已有豐碩的成果,誰會想到當時人們從心中萌芽的一個小小念頭興起21世紀太空探索的波瀾,短短60年讓人類從對宇宙的無知到現今偉大的科學成就,渺小的人類透過一個遠大的夢想而存在於無垠的宇宙,這大概就是科學最令人激動的地方吧!

 

聽講心得(撰文|西苑高中 林莉軒)

 

在星光閃爍的夜晚裡,你是否會仰望著天空,思考著浩瀚無垠的宇宙有什麼?除了太陽系之外,是否還存在與地球一樣的星球?該場演講將揭開宇宙的神秘面紗。

 

恰巧在講座的前一晚,美國NASA發布他們找到了七個與地球相同的星球,在一個與太陽系相似的星系……。

 

人類探索太空的歷史是從二戰之後約60年,歷經了艱難的過程,雖然當時的電腦不發達,但他們卻利用這樣的設備,讓人類登上月球。

 

早期人類是如何開始太空探索呢?答案是火箭。顧名思義,火箭就是有火還有箭,並在箭上綁火藥,而火箭的歷史又可追溯至宋朝。但把火箭發揚光大的卻不是中國人,而是美國人­─高達德(太空探索的先驅)。他已開始思考如何利用噴射動能的方式,把火箭送上太空,可惜礙於當時的科技不發達,無法繼續發展。

 

德國發展火箭的契機,是來自於一戰、二戰的失敗。一戰戰敗後,德國簽訂了凡爾賽條約,條約中載明德國不能發展大砲,因為大砲是一戰中最有殺傷力的武器,只要設計精良,它可在列車上從德國打到巴黎,約40 ~ 50公里。因此德國改以發展火箭,而火箭和大砲推進方式的差異在於大砲只需供給一次動力,而火箭需要一直提供動力,且可調整方向,更重要的是它可飛越海峽至英國。二戰後,德國分裂成東德、西德,而蘇聯佔領東德並搶奪了製造火箭的工程師,西德則由美國占領,但只搶奪了知道火箭原理的科學家,之後就開啟了「美蘇太空競賽」。

 

一開始,火箭並非用來載人,而是用來轟炸,也就是飛彈,第一顆飛彈是美國擎天神飛彈而東方號飛彈是世界第一顆洲際飛彈。再比較蘇聯的B2飛彈,蘇聯的飛彈構造更勝一籌,且更先進。試想一下,當你是60年前的太空人,心情如何?大概是視死如歸吧!舉例來說,世界上第一位太空人­­­─蘇聯的加加林,搭乘一艘不能控制方向的太空船,雖然成功地回來,卻不符合定義上的成功,原因是人並未跟太空船一同返回,但理論上,是一個成功的經驗。

 

一開始是蘇聯領先,直到美國登上月球並留下腳印,且是世界上唯一踏上月球表面的國家。美國贏了太空競賽,到目前為止,美國發射了許多太空望遠鏡,而發現七個與地球相似的星球也歸功於此。

 

台灣與日本合作的科學計畫,目的是觀測太空天氣,而太空天氣會影響火箭發射、手機訊號等;另一方面則是地球磁場­­­–范艾倫輻射帶,也是地球與火星最大的差異。地球有濃厚的大氣;火星沒有,而漫畫「火星異種」正呼應了為什麼人類在火星上難以生存,原因是地球有磁場的保護,所以地球磁場會把太陽風向兩旁擠壓,甚至把有害粒子限制在某個部分,而火星沒有,這也是地球有濃厚大氣的原因。極光也是因為太陽風的吹拂與地球磁場的作用,產生的現象,因此需要研究太空天氣。

 

地球有自轉軸和地磁,而且地磁會倒轉,造成候鳥亂飛等現象,磁場是由於地球內部含有液態金屬的岩漿流動,產生的磁場會把高速粒子禁錮在范艾倫輻射帶。團隊為了研究地球磁場如何把這些粒子禁錮在輻射帶中,還做了一顆衛星。

 

ERG衛星是由衛星、太陽能板和通訊的光天線所構成,將衛星放大來看,上面有許多疙瘩,而電子會沿著弧線掉進,每一個都收集不同的電子,台灣則獨立發展LEPE儀器,低能量的電子偵測器。雖然只負責做一個儀器,卻可利用其他數據進行研究,雖然儀器不大,價值卻高達2000多萬台幣,因為每一個零件都只有一個,因此格外珍貴。

 

而衛星會沿著橢圓形的軌道繞行,發射除了需要很大的推力,還需要「柯式力」,發射地點通常會選擇低緯度地區,因此選擇鹿耳島。

 

2016年許多太空活動的運氣都不太好,像是價值90億台幣的衛星,雖然發射成功,但姿態控制軟體有誤,需要往左偏反而更往右,情況非常不好;而獵鷹九號在太空發生爆炸導致福衛五號發射延期,還有中國的軍事偵察衛星也宣布失敗。因此研究人員都懷著忐忑不安的心抵達日本的觀測所。

 

發射當天,日本不僅召開記者會,還播映自己製作的模擬發射影片,對於科學報導相當重視,值得台灣學習。數秒準備發射時,研究人員階露出緊張的神情,觀測所的氣氛相當緊繃,幸好最後發射成功,但團隊依舊不得鬆懈,謹慎的繼續追蹤。

 

每個人的心中都有屬於自己的小宇宙,就像現實的宇宙一樣持續且緩慢的膨脹,只要努力尋找,相信每個人都能找到屬於自己的太陽系,並持續地發光發熱,如同科學家所做的宇宙探索一般。


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