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太空

更新時間: 2007/03/30 上午 09:19:19
時事

太空攻擊? 地球有四大守護神         【記者李名揚/台北報導】

中央大學太空所教授劉正彥主講「太空人何時出門?對太空天氣的觀察」,並與聽眾熱情互動,掌聲不斷。(記者鄭超文/攝影)

隨著科技進步,太空天氣對人類的影響愈來愈重要,一顆價值幾十億元的人造衛星,可能因沒注意太空天氣而被摧毀,GPS定位也可能出現嚴重誤差,因此我們必須學著了解並掌握太空天氣。

由國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、中廣公司、News98合辦、中央大學理學院科學教育中心承辦的「2006展望演講春季系列——觀察與認知:心靈•生物•地球•宇宙」,第七場由中央大學太空所教授劉正彥主講「太空人何時出門?對太空天氣的觀察」,吸引爆滿聽眾。

劉正彥說,「大氣」是指地表到高度80公里的高空,「太空」是高度50公里一直到人類太空船所能到達的太陽系空間,兩者有些重複;「天文」則是太空船到不了的地方,包括太陽本身和遙遠的恆星、星系、銀河。

太空物質 多呈現電漿態

太空的特點是很多物質呈現第四態「電漿態」,固態加能量變液態,再加能量變氣態,然後再加能量就成為電漿態,又叫「離態」,就是分子或原子中的電子解離出來;日光燈就是離態發光,是用高壓讓水銀蒸汽的電子解離,放出紫外光,撞到燈管塗的鋅而發出螢光。

劉正彥說,距地表50公里高空大氣稀薄,照射太陽光後,就解離成為電漿態,也就是電離層;太陽本身也是電漿態。

太陽核心約1500萬度,熱能往外傳的過程,是氫原子不斷吸熱再放熱,所以傳到外面要經過幾萬年時間;太陽表面溫度已降到6000度,但瞬間加熱造成的日冕,卻可達150萬度。

至於太陽黑子,劉正彥指出,最早是中國人在漢朝就看到了,黑色的原因是溫度比周圍低,約4000度,黑子還有強磁場和周期性,有些大小已和地球差不多。

太陽不像地球是剛體,所以會「差動式自轉」,就是接近赤道處轉得快,約23天轉一圈,南北極轉得慢,要35天;劉正彥表示,這樣造成太陽表面的磁力線愈拉愈長,最後扯斷,也造成太陽磁場南北極每11年就顛倒一次,黑子也以11年為單位相當規律的出現。

但太陽黑子的出現仍有不確定因素,劉正彥表示,過去2000年地球上共出現過8次「蒙德極小期」,就是有幾十年的時間,全球各地都看不到黑子;這段時間氣候特別冷,被稱為「小冰河時期」,中國歷史上的嚴寒、夏寒、降水,也都發生在這段時間。

訊號微弱 太陽閃焰造成

太陽天氣的源頭是太陽發光又發「風」,劉正彥說,太陽的能量來源是核反應,每秒耗損42億公斤質量,相當於40億顆氫彈爆炸;平常只會放出太陽光(電磁波)和太陽風(帶電粒子),但當兩顆黑子碰撞爆炸時,就會放出「太陽閃焰(高能粒子和射線)」及「日冕拋射物質(大型帶電電漿團)」,這些高能粒子大約兩小時後會到達地球,造成嚴重影響。

劉正彥指出,看電視碰到的「訊號微弱」,就是太陽閃焰傳到電離層,影響電磁波信號傳遞;高能粒子也會撞擊衛星,所以衛星電腦不能用最先進的,導線太細,要用舊一點、導線較粗的,才不會一碰就壞;也不能用東西擋住晶片,本來一顆高能粒子撞到還不會壞,但打到阻擋物,一顆變幾百萬顆,電腦一定燒壞。

面對這麼強大的攻擊,幸好地球有四大守護神,才能保平安,分別是「磁層」阻擋太陽風,「電離層」阻隔X光、超紫外光和紫外光,「大氣層」阻擋隕石,「臭氧層」阻隔紫外光。

劉正彥表示,太陽風是電漿體,能量很高,但是地球磁層會把它們全部擋在外面。可是太陽風仍會從地磁的空隙南北極溜進來,在地球上下各掛一個甜甜圈,從地上看就是美麗的極光。

最早在佛經上記載「彗星長尾巴」,是太陽風往外吹的間接證據;電離層則是在20世紀初發現的,劉正彥說,全球電離層濃度最高的地區,在南北半球各一處,北半球成帶狀,正好通過台北到高雄之間,一般電離層每1cc空氣有100萬顆帶電粒子,台灣上空可到900萬顆,好處是擋住有害物質,壞處是通信、定位導航常被干擾。

帶電粒子 毀掉通信衛星

大氣層則由低到高分別是對流層、平流層、中氣層和熱氣層,對流層較高處因空氣膨脹降溫,溫度較低,平流層則因距地表50公里的臭氧層釋出能量,溫度緩慢上升;中氣層會在高度90公里處驟降到攝氏零下100多度,熱氣層則是晚上1500度、白天2500度,太陽黑子多的時候可到3000度。

帶電粒子破壞力很強,劉正彥指出,1997年美國AT&T公司因不聽專家警告,損失一顆通信衛星;美國攻打伊拉克時,會等太陽黑子不正對地球時再攻擊,因為戰斧巡弋飛彈靠GPS衛星定位,太陽黑子可能造成衛星訊號偏移幾百公里。

除此之外,北美曾因磁層感應太陽風,變得像發電機,地面上一座發電廠產生感應電流,把整座電廠都燒壞,造成幾十萬戶停電,因為在冬天,凍死很多人;俄羅斯也曾有地下油管因感應起電而炸開。

被大氣層阻擋的隕石也很恐怖,劉正彥表示,流星若打到衛星上的太陽能板,會造成斷路,衛星就會失聯、失蹤;太空梭的三層厚玻璃,也曾被一個像米粒大的隕石,擊破外面兩層。不過他說這種機率很小,不必太緊張。

他比較擔心的是,2010年到2011年的太陽黑子活動極大期,會嚴重影響通信,包括衛星通信和靠電離層反射傳播的地面調幅廣播,一定要提前預防。

.相關報導︰劉正彥:苦不是苦,怕苦才是苦

【2006/04/25 聯合報】          [回標題]

 

葉永烜:探測土星 要有瘋子來做                    【記者李名揚/台北報導】

近卅年來,太空船逐步揭開太陽系行星及衛星的神秘面紗,讓我們對太陽系有全新的認識,外星生命不再是科幻小說的內容,也許幾十年內,人類就可找到解答。

由國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、中廣公司、News98合辦、中央大學理學院科學教育中心承辦的「2006展望演講春季系列─觀察與認知:心靈•生物•地球•宇宙」,第六場由中央大學副校長葉永烜主講「一個全新的太陽系─對行星和小型天體的觀察與認知」,連走道都坐滿聽眾。

葉永烜說,宇宙起源約在150億年前,太陽系和地球則在45億年前產生;人類以前猜想宇宙中有其他生命,但在1995年,首度發現太陽系以外有「系外行星」存在,現在已找到100多個。

系外行星 多為氣體行星

水星、金星、地球、火星是固體行星,也叫內行星,木星、土星、天王星、海王星則是氣體行星,又稱外行星,最近的氣體行星木星距離太陽5.2天文單位(1天文單位為地球到太陽的距離);葉永烜說,目前發現很多系外行星,都是氣體行星,質量是木星的好幾倍,但離它們的恆星的距離,卻只有水星到太陽那個距離,非常特別。

氣體行星有一個相當於10到15個地球質量的固體核心,由冰塊和石頭組成。有一種理論認為,像天王星、海王星這麼大的系外行星,若太靠近恆星,表面氣體會因溫度上升而散失,高溫又使冰塊融化為水,因此會成為有別於固體行星和氣體行星的第三種「水行星」;至於會不會產生高等生物,葉永烜說「大家可以想像一下」。

回到太陽系,以前都說太陽系有九大行星,但近年來陸續有人發表「第十顆行星」,葉永烜表示,根據統計,冥王星附近應有十多個甚至幾十個類似大小、軌道的星體;有人主張「都不是行星」,太陽系就變成「八大行星」,但因冥王星是美國人發現的,所以美國人反對修改,所以到現在還沒結論。

古柏帶 短周期彗星來源

海王星軌道之外、離太陽約40到60個天文單位的區域稱做「古柏帶」,有很多幾百公里大小的星體,是短周期彗星的來源;更外圍一直到幾萬個天文單位的區域,稱為「彗星原鄉」,則是長周期彗星來源,葉永烜說,可能每個系外行星的外面,都環繞著這樣的彗星河。

1980年代,人類開始發射太空船去偵測其他行星,初期只能快速飛越,傳回資料,後來則慢慢能讓太空船繞著行星轉圈,變成人造衛星,可長期觀測。

葉永烜指出,1995年開始環繞木星的伽利略太空船,發現木衛一「伊奧」的表面火山活動,是全太陽系最活躍的;伊奧有時走進木星黑暗那一面,太空船應該看不到,結果卻發現伊奧本身會發亮,後來證實是火山口噴發氣體,碰到木星系統的高能帶電粒子而發光。

木衛二「歐羅巴」表面光滑,近看很多條紋,葉永烜說,根據重力和磁場測量,科學家研判可能是表面冰層浮在地下海洋上,就像南北極的冰山浮在水面上;理論上可以鑽洞下去找液態水,但問題是不知道冰層厚度,可能幾公里,但也可能幾百公里。

葉永烜表示,原本大家以為一切生物都要靠光合作用獲取營養,海底下2公里處照不到陽光,不會有生物,但1970年代發現,海底下數公里火山口旁邊,高溫1000度,仍有生物可靠化學作用獲取營養;中央大學在車籠埔斷層鑽2公里深井,取出樣本也有微生物存在,甚至還有科學家發現6公里深處仍有微生物。

葉永烜說,根據平均1公斤石頭中,含有若干重量微生物,計算全地球地下5公里以內的微生物總重量,會比地表所有生物總重量還重;根據DNA分析,有些微生物要在高溫環境才能生存,這些可能是地表生物第一代,因為地球剛形成時表面很熱,只有這些東西可以留下來,等地面冷卻、海洋出現,才退到地底下去。由於歐羅巴地底下可能也有類似情況,讓科學家充滿興趣。

研究泰坦 可追生命起源

2004年進入土星軌道的卡西尼太空船,目標之一是探測土衛六「泰坦」,泰坦大氣層主要是氮氣,加一點甲烷,經過光化學作用,可能產生大質量分子;有人猜測這些大分子是形成生命所需,研究泰坦就可追尋生命起源。

有種理論是,泰坦大氣層經過幾十億年太陽光照射,這些大分子會掉到星球表面,堆積一、兩公里厚,分析表面壓力和溫度,這些大分子可能是液態,形成海洋;但葉永烜指出,實際觀測後得知,泰坦表面有些河道,表示某個年代可能有液體(甲烷河)存在於表面,但現在只有冰塊。

土衛二「恩西拉達斯」是卡西尼計畫中冒出來的新明星,因為卡西尼太空船發現,恩西拉達斯最高溫處不在赤道,而在南極,表面有些細條紋,靠近條紋處溫度很高,旁邊有噴流噴出萬分之一公分大小的小冰塊。

葉永烜說,這表示恩西拉達斯表面之下可能有液態水,因為水的高壓造成噴發;由於液態水距離表面可能只有幾公尺,比歐羅巴淺,鑽洞容易,所以可能成為下一次土星計畫的研究重點。

至於火星,目前還沒在地表發現生命,葉永烜說火星大氣稀薄,無法阻擋會破壞DNA的宇宙射線和紫外線,所以若有生命存在,一定躲在地底下;火星表面很多大峽谷,顯示30幾億年前,可能存在大量液態水,現在若還有,比較可能藏在南北極地底,所以若要找液態水和生命,就要去南北極鑽洞。

探測土星 要有瘋子來做

中央大學副校長葉永烜是歐洲和美國合作卡西尼土星探測計畫的提案人之一,當時多人批評計畫不可行,很多人覺得要等20年才有成果,不值得;但他認為這個計畫有很多機會,「總要有些瘋子來做」,終獲得亮眼成果。

葉永烜今年59歲,是廣東梅縣的客家人,但出生於南京,在澳門長大。他香港中文大學物理系畢業後赴美留學,拿到聖地牙哥加州大學應用物理博士學位,後來到德國馬克思蒲朗克高空大氣物理研究所工作,精通國語、客語、廣東話、英語、德語,1998年到中大任教。

葉永烜說,20多年前行星探測計畫剛展開,歐洲太空總署經費很有彈性,向各界徵求計畫,他主張「事情試了可能失敗,但不試,一定不會發生」,計畫果然因此獲得青睞;他去年有5篇論文登上頂尖的「科學(Science)期刊」,占國內學者1年登上科學期刊總篇數一半,其中3篇來自於20年前推動的卡西尼計畫。

其實葉永烜已經受青光眼所苦長達16年,隨時有失明危險;他的面對方式是定期看醫生、點眼藥水、看書一段時間就要休息一下,他說「能做的就儘量做,其他不要多想」。

葉永烜還開過個人畫展,他說小時候就畫得不錯,20年前在德國小城工作,沒什麼消遣,就重提畫筆;他說每個人都有自己的才能,他能利用自己這方面才能,覺得很高興。

葉永烜強調「我並不是非常優秀」,但盡力做「想做、能做」的事;他鼓勵年輕人勇於面對挫折,因為「挫折是成功之前的經驗」,沒人只有成功卻無挫折,愈成功的人,所受挫折愈大,只要堅持不放棄,就能迎接成功。

【2006/04/18 聯合報】      [回標題]

 

觀測恆星 發現銀河超大質量黑洞                 【記者李名揚/台北報導】

中央研究院天文與天文物理研究所籌備處賀曾樸主任演講「銀河中心有黑洞嗎?—淺談高解析率的天文觀測」,不但座無虛席,連走道上都擠滿聽眾。(記者陳易辰/攝影)

在一般人印象中,黑洞是「萬有引力極強,連光都跑不出來」的天體,那科學家究竟如何觀測、研究黑洞?現在已經發現,銀河系中心就有一個相當於400萬個太陽質量的超大質量黑洞。

由國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、中廣公司、News98合辦、中央大學理學院科學教育中心承辦的「2006展望演講春季系列—觀察與認知:心靈•生物•地球•宇宙」,最後一場由中央研究院天文與天文物理研究所籌備處主任賀曾樸主講「銀河中心有黑洞嗎?—淺談高解析率的天文觀測」,不但座無虛席,連走道上都擠滿聽眾。

時間和空間「換過來」

從地球上發射火箭,速度必須大於每秒11.2公里,才能衝出大氣層,這個速度稱為「脫離速度」;賀曾樸表示,黑洞的定義,是「脫離速度大於光速(每秒30萬公里)」,但在物理上,不可能有東西的速度超過光速,所以任何東西只要掉進黑洞,就無法出來。

黑洞裡有一點很特別的,就是「時間和空間換過來」,因為黑洞以外,時間只能往前跑;但進入黑洞內,變成空間只能往裡面前進,不能後退,時間則沒有定義。

宇宙中有時會從空無一物中,成對生成兩個虛無粒子,通常兩粒子會馬上碰撞,回歸虛無;但若發生在黑洞旁邊,其中一個粒子可能被黑洞吸入,剩下落單的粒子逃走,逃走的粒子變成實質粒子,質量必須為正,掉進黑洞那個就只好成為負質量粒子;這種「霍金輻射」會造成黑洞質量減少,不過即使是最小的黑洞,要靠霍金輻射把質量歸零,也需要1064年(目前宇宙年齡約1010年)。

研究黑洞 有助了解重力

為什麼要研究黑洞?賀曾樸說,宇宙中有4種自然力:重力、強作用力、電磁力、弱作用力,目前的理論無法把重力和其他3種連結在一起,科學家認為宇宙創始的大霹靂後10-33秒,重力就和其他三種力分開了,但在宇宙中最具支配力的,正是重力;研究黑洞對了解重力、建立把4種力全部連結在一起的「超統一理論」,很有幫助。

賀曾樸表示,要決定一個天體是否為黑洞,要看這個天體的「質量除以半徑(M/R)」是否大於一個定值;當一個天體的半徑很大時,雖然仍可能因質量太大,在定義上是一個黑洞(整個宇宙也可視為一個超大黑洞),可是這個黑洞的密度,卻可以很小,因為密度是「質量除以體積」,寫成數學式是「M/R3」,R很大時,密度就變小了。

恆星演化到最後,會依原始質量不同,變成白矮星、中子星或黑洞,小於1.4個太陽質量的恆星,會變成白矮星,大於3.2個太陽質量的,則會變成黑洞;賀曾樸說,黑洞和中子星都會放出X光,觀測時的區別方法很簡單,就是黑洞中間是黑的,因為連光都跑不出來。

黑洞扯碎星體 發出X光

黑洞會發出X光的原因是,先以強大引力把靠近的星體扯碎,變成雲氣,雲氣本來會以原本星體的軌道,繞黑洞公轉,但雲氣的粒子互相碰撞,減慢公轉速度,就逐漸往下掉(此時尚未掉入黑洞,因為掉進去後,X光就出不來了);掉下去的過程,離黑洞愈來愈近,重力位能減少,經由粒子碰撞、摩擦,轉為熱能,溫度大幅升高,就會放出X光。

理論上物質愈靠近黑洞,放出的能量愈強,有可能出現比X光更強的加瑪射線;但是由於觀測技術有限,目前還看不到這麼接近黑洞的地方,所以無法證實這一點。

因為黑洞本身看不見,因此觀測銀河系中央的黑洞,得從附近的恆星著手,賀曾樸表示,天文學家從1992年開始觀測許多靠近銀河系中心的恆星,發現其中一顆S2恆星,以橢圓軌道轉一周約需15年,但卻看不見它繞誰在轉,而且在2002年時,走得異常快速;另外有幾顆恆星,也受到同一個看不見的引力源影響,發生類似情形,原來它們都是繞著銀河系中心的超大質量黑洞SgrA*在轉。

賀曾樸說,每個星系中心,應該都有1個超大質量黑洞,有的質量可達10億個太陽;因為從無線電波觀測發現,有些從黑洞附近噴出的粒子,速度接近光速,一定要這麼大的黑洞才能製造出來。

光源若離觀測者遠去,因都卜勒效應,光波波長會變長,色彩向紅色偏移,稱為紅位移,反之為藍位移;靠近黑洞物質放出的邁射(微波雷射),會在黑洞兩側,分別產生紅位移和藍位移,可據此算出中間的黑洞質量必須超大才行。

至於如何「稱」黑洞的質量,賀曾樸表示,只要找到一個「恆星繞著黑洞公轉」的雙星系統,觀測恆星的公轉周期和離軌道焦點距離,就可算出黑洞質量。

智利沙漠 最佳觀測地點

賀曾樸指出,科學家正在用無線電波和紅外線望遠鏡,努力觀測銀河系中央的超大質量黑洞,因為這是離我們最近的超大質量黑洞,若能有所了解,可作為研究其他活躍星系核心的樣本。

智利是地球上觀測天文的最理想地點之一,賀曾樸說,目前的作法是使用干涉儀,也就是準備在智利的高山沙漠,建造50座電波望遠鏡,每座直徑長12公尺,分開擺放,台灣也有加入這個計畫。

.相關報導︰賀曾樸︰台灣學生 要大膽問「為什麼」

【2006/05/02 聯合報】          [回標題]