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2019年9月13日 星期五

[科太空] 詹姆斯韋伯望遠鏡完成初次組裝/首次發現地外星系的熱木星可能存在衛星

兩個太空科新聞,出處是 SciShow 太空



第二則說明起來比較短,先講XD

天文學家表示他們找到可能確認系外行星存在衛星的方法了,也就是說:可能找到「外星月亮」。


因為宇宙有夠大,東西都很遠,我們看其他恆星多半只能看到一個亮點。要觀測到有「系外行星」圍繞「系外恆星」公轉,都得靠精巧的間接方法,例如「凌日法」(transit method)和「都卜勒搖擺法」等等(參見「系外行星偵測法」- 維基百科)

換句話說,要再進一步驗證那些行星是否有衛星(月亮)存在,就得靠更間接、更聰明、更細緻的方法了。若是系外月亮太小顆,幾乎讓人興嘆的是根本看不到的狀況。

這次天文學家提出的就是那類巧妙的方法,他們指出,可以利用遙遠恆星旁邊運行的行星,被恆星照亮之後發射的光譜來探測行星本身的大氣層裡的化學成分。指的是化學中的原子光譜法,藉由把光分解成光譜,可以讓我們彷彿心電感應一樣,知道幾萬光年或更遠的星球上有哪些原子分子,想起來就狂。原子光譜法分為吸收光譜法和發射光譜法。

等等,不是說要找月亮(衛星),怎麼是看行星的大氣呢?

因為看的不是一般的行星,而是一批奇葩——非常靠近恆星運轉的氣體巨行星,也就是「熱木星」(hot jupiters)。由於離恆星越近,行星的公轉速率越快(克卜勒第三定律),熱木星既然離恆星近到誇張,那也就轉得誇張快,甚至每幾天(地球日)就可以完成一次公轉。

熱木星因為又近又大,大氣層就被恆星照得很亮,因此是觀測的有利對象。而從我們自己的木星的經驗,我們知道木星的衛星常常會有很強烈的火山活動,例如太陽系裡最火爆的月亮,木衛一(Io)。木衛一火山活動的熱量來源很特別,是出於衛星一邊公轉、一邊被木星的潮汐力拉扯,像一顆糯米糰一樣被木星揉來揉去,核心就因摩擦而生熱。

藉由火山噴發,木衛一核心的岩石等物質汽化、噴濺到木星的大氣層上,於是正常來講不應該出現在木星表面的金屬:尤其是鈉和鉀,就可以在木星的大氣層中被發現。

因此熱木星的大氣光譜若找到鈉和鉀的譜線,代表很有可能是有顆被潮汐力揉捏的外星火山衛星的存在,像木衛一一樣,持續在噴發金屬原子並且「汙染」著熱木星的大氣層。

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回來講第一則,是說 詹姆斯韋伯望遠鏡(JWST)在無數次推遲之後,在 2019 年八月底總算首次組合起來......以便進行更多、更多的測試,以確保將來的發射調配能成功。

以下我寫的資訊,影片大多都沒提到XD,是有興趣之下調查的。

目前 JWST 宣布的預計發射日期 2021 年,但最初預計在 2007 年就要上太空的,實在延遲嚴重,基本上是在和詹姆斯柯麥隆的《阿凡達2》比賽誰比較會富奸 [來源請求]

和電影不同的是,太空任務的推遲更加燒錢,一燒燒幾億美元(咦,好像和詹導的水準相近耶?)。關於燒錢的部分,可以參照一些相關的中文報導如
NASA螺絲鬆了?低級錯誤害韋伯望遠鏡爆預算還升不了空 - UDN 新聞 2018-07-02

概要:承包商變成出包商 [真的,螺絲鬆了還掉了],持續犯一些重大失誤,造成韋伯望遠鏡有結構或電路毀損的危險。除了重新修復測試,在發射之前還要先被獨立調查委員會洗臉,徹查當初是怎麼搞成這樣的。

說到這個......詹姆斯.韋伯是誰啊?答案他是 NASA 第二任局長。「阿波羅登月計畫」就是甘迺迪託付給他的,並且在他任期內成功達成登月,雖然那時甘迺迪已經去了比月亮更遠的地方。

韋伯的背景和航太關係只有遙遠的一點點,他是海軍陸戰隊,退役後在華府長期擔任秘書與專業文官等職務,曾做到國務院的次長(undersecretary)層級。雖然韋伯的專長不是火箭工程,甚至和飛航也不熟,但光是身為一個華府圈內人,尤其在冷戰期間的擔任國務院職務,韋伯就完全清楚「靠科學贏蘇聯」路線的重要性,也深知登月計畫背後明擺著的政治宣傳意義。

況且,由一個華府圈內人來替總統推行登月計畫,向國會要錢熟門熟路豈不是很方便XD。在阿波羅計畫時期的諸多波折與風雨之中(例如說,太空人在地球上的純氧模擬駕駛艙中不幸慘烈的被燒死,參考電影《登月先鋒》),韋伯局長因為有背景,因此是較頂得住各方壓力的人選。

不過,說起登月,JWST 要去的是比月球更加更加遙遠的地方呢:目標是地-日系統的第二拉格朗日點。比起距離地球四十萬公里的月亮,地-日系統的 L2 是四倍遠,離地球一百五十萬公里!

* 之所以強調地日L2,是因為不想和地月系統的L2混淆,兩個點差很大。

我們完全可以理解承包商只要出包,整個望遠鏡就得重新檢查測試一遍,以確保萬無一失的理由:在地日 L2 點,沒有人能聽到工程師的尖叫(無誤),機器在那麼遠的地方壞了等於永久報銷,幾乎沒辦法修。不像哈伯太空望遠鏡近在近地軌道,繞地球運轉,有故障還能派人乘太空梭去維修——史上最貴水電工。
出處 (注意本圖非正確比例)
近年人類才剛開始陸續把太空探測器放到拉格朗日點,地日 L2 附近而言,目前蠻空曠又寂寥的 [清單]。

曾在該點活躍的普郎克衛星WMAP (這倆是真的在看宇宙微波背景輻射的)都已經退役,移出地日 L2 社區之後在某個繞日軌道上安息了。目前似乎只剩一顆 GAIA 衛星在那邊執行「銀河系內恆星亮度與距離大普查」任務。

發射到拉格朗日點的探測器,其實還是會圍繞著該點做近似的圓周運動,分為週期性的「Halo軌道」和非週期性的「Lissajous 軌道」。JWST 屬於 Halo軌道。

JWST 的主反射鏡巨大無比,直徑達到 6.5 公尺是哈伯口徑的 2.7 倍。但因為大量採用輕質材料,重量只有哈伯的兩倍。此外 JWST 和哈伯的不同點在,它沒辦法像前輩一樣拍出絢麗繽紛的相片。

理由是 JWST 的拍攝波長範圍,並沒有包括全部得可見光!所以,即使將來拍攝了圖像,它也只會有涵蓋一些的橘紅光波長的部分,此外就都是在肉眼不可見的近紅外光的範圍內進行了。那得出「照片」中的藍色和綠色,就是假色(false color)的部分,代表的並不是真的藍色和綠色(可見光波長),而是用來表示其他肉眼不可見的波長。

在地球地面的望遠鏡沒辦法拍攝近紅外光影像,因為大氣層會強烈吸收紅外線(的一些頻段),更慘的是因為溫室氣體的貢獻,光是大氣層本身發出的紅外光就淹沒來自外太空的紅外線了。一個迂迴解法是利用飛機搭載儀器鏡片,飛到平流層去拍,在平流層高度的水氣稀少,對紅外光的阻撓不多是也。

反觀在太空繞地球運轉的的哈伯望遠鏡......居然也沒辦法非常靈敏的拍近紅外光,這次是因為它沒有安裝「主動冷卻系統」,在繞地球的過程中,哈伯的鏡片反覆被太陽加熱,這熱度就會導致鏡片發出紅外光,產生揮之不去的訊號干擾。簡言之哈伯雖可拍攝紅外光,但畫質不優。

JWST 有比鏡片更大的的多層遮陽板,確保鏡片落在陰影中。以外還有液氦主動冷卻系統——黑體輻射發光強度和絕對溫度四次方成正比,總之,就是冷凍鏡片,確保自己不發出太多紅外光干擾——拍攝別人的鬍子之前要把自己的鬍子刮乾淨(無誤)。將來可以提供更優的畫質。

但也因為如此,遮陽板的兩側有著三百多度的溫差,向陽面可以煎蛋,而背陽面會讓氮氣凝結成固態。溫差的熱漲冷縮對機體結構的強度完整度是個挑戰。
出處 ( jwst.nasa.gov )

換言之,可見光的部分交給地面望遠鏡和哈伯就好了。JWST 負責在紅外光的部分......要觀測什麼東西?中文維基百科說可以看宇宙微波背景輻射,顯然錯了,JWST 沒有看微波波段的功能。

這就講到「紅外線天文學」的部分,星際塵埃的發射(因為熱)有一部分是在紅外波段,於是可以。此外,極度遙遠的星系發射的可見光,因為宇宙膨脹,他們的光抵達地球時已經被紅移(redshifted)到近紅外的波段了,所以韋伯適合看很遠的東西。而因為我們這宇宙光的性質,看得很遠同時代表了看到很古老的東西。韋伯望遠鏡可望看到比哈伯超深空還要遙遠的、處在宇宙早期的古老天體,以及可觀測宇宙的最邊緣。

另外我發現這兩則太空科新聞的內在關聯了XD 將來韋伯望遠鏡也可以用來觀察系外行星,分析光譜以探查系外行星的化學組成,甚至是看系外星系形成早期的「原行星盤」(protoplanetary disk)裡面的動態,我相信這是因為紅外線波長較長,容易從原行星盤的溫熱塵埃中穿透出來(繞射),有點像用熱成像儀在火場裡搜尋起火點的原理。

一個比較令人難過的細節是,放在 L1、L2 拉格朗日點的衛星,都需要持續靠一次次的燃料推進去校正它的軌道,所以任務的長度就取決於帶了多少燃料去,JWST 設計年限是 5 年,期望可以達到 10 年。最終有多少燃料儲備這點,很大取決於一開始的發射有多準,越精準進入軌道,太空船就不需要做太多初始的推進調整,就會有更多燃料慢慢噴。

* L1, L2, L3 點都需要主動調整,不然這裡的物體會逐漸漂遠到鄰近的日心軌道。這也是剛剛提到退役的 Planck 和 WMAP 的下場。地日 L3 點因為在太陽背面,和地球間有強烈的通信干擾,把衛星放那似乎沒啥好處,目前也沒有人造物體在那。

至於 L4, L5 則是力學擾動穩定的位置,不需要任何調整,在那裏和地球一起等速運行的東西,無論是小行星還是人造太空船都會一直待在一個區域內,但會有反覆振盪、前後漂移的行為。住 L4, L5 的壞處也在這,反而是進去了就會卡在那,並且會有小行星和你作伴。


影片:超棒的三集系列 [1, 2, 3],說明要怎麼在拉格朗日點附近航行



影片:從地球到地日 L2 點(的 Halo 軌道)的30天飛行過程中,JWST 會逐一展開它的隔熱遮陽版、反射鏡和次級反射鏡和其他科學儀器。基本上就是一台變形金剛。

謝謝收看。

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