《NASA 9大太空任務》:從灶神星和穀神星看到的太陽系簡史

《NASA 9大太空任務》:從灶神星和穀神星看到的太陽系簡史
灶神星(左)、穀神星(右)和愛神星(中)大小的比較|Photo Credit: NASA/JPL Image modified by Jcpag2012@Wikimedia Commons Public Domain
我們想讓你知道的是

曙光號的主要目標是蒐集灶神星和穀神星的組成、內部結構、密度和形狀等相關資訊。這些資料合起來幫科學家更深入了解,太陽系早年時期具有的條件狀況,並據此判定水含量和星體尺寸,在行星演化歷程扮演哪些角色。

文:南西・阿特金森(Nancy Atkinson)

飛越兩個世界:曙光號
兼具二元性,一箭雙鵰的曙光號

仰望晴朗夜空,倘若你運氣好得能目睹一顆流星劃過天際,那麼你眼中看到的,很可能就是灶神星(小行星帶第二大天體)的碎片。

「太陽系天體當中,能和墜入地球的特定流星牽連在一起的只有三顆:月球、火星和灶神星,」馬克.雷曼(Marc Rayman)說,「所有人都聽過月球和火星,聽過灶神星的人,就沒有那麼多了。」雷曼擔任一艘太空船的首席工程師暨任務總監,那艘太空船名叫曙光號(Dawn)。

灶神星和矮行星穀神星是曙光號的兩個目的地和研究目標。任務冠上這個名稱,原因就在於探索這兩個古老世界,能提供我們太陽系最開始時(曙光初露之時)的資訊。

「曙光號能幫我們了解,當初灶神星和穀神星形成的條件狀況,」雷曼說明,「它能為我們填補知識大拼圖的更多缺失空隙,解答說明整個太陽系是如何形成、演化——說不定還能解答環繞遙遠恆星的其他行星系的相關疑點。」

兩顆天體距離我們都極遙遠:灶神星和地球平均相隔3.53億公里,穀神星則約位於4.14億公里之外。它們是在兩個世紀之前才被人發現,先前那兩處遙遠世界完全就是「夾雜在恆星之間的神祕、黯淡光斑」,雷曼表示。曙光號任務之前,我們對灶神星和穀神星的認識,全都得自地基望遠鏡和哈伯太空望遠鏡等地球軌道太空船。不過就連視力敏銳的哈伯為它們拍下的照片——特別是穀神星的照片——都只是像素化模糊影像,帶來的問題比答案更多。

如今曙光號正逐一解開這兩個世界的諸般謎團,回答諸如既然灶神星和穀神星都位於小行星帶,為什麼看來卻是這般不同等疑問。該如何解釋灶神星的奇特扁平外形?還有穀神星上依雷曼所述看似「宇宙信標,仿若行星際燈塔,吸引我們前往探查」的亮點是什麼?那些區域能不能當成證據,確認存有明亮的冰或水,或者引人矚目的礦物沉積?或者是否就如其他人所述,那是外星都市發出的光芒?

曙光號擁有當今其他機器人行星任務都沒有的特點,它使用一種革命性離子推進系統。於是曙光號才能執行史無前例的作業事項。

「縱貫將近60年的太空探勘史,曙光號是唯一環繞兩顆外星天體運行的太空船,」雷曼說明。「我總愛把它想成第一艘真正的行星際太空船。」

這趟持續近十年的任務,克服了重重挑戰和關卡,來完成它的使命。如今曙光號已經完成兩個世界之間的航程,有關這趟任務的諸多層面,都映現出了一種確切的二元論。這艘先進的太空船本身彷彿就徘徊在科學和科幻兩個國度之間,從事這趟任務的人士,有些成員完全認可——有時還體現了——這兩個領域。儘管灶神星和穀神星都曾在歷史不同時期被歸入小行星類別,它們卻代表了兩個非常不同的行星天體類別。

「曙光號是貨真價實的歷史性任務,」雷曼說明,「研究我們這個太陽系在一開始就形成的兩件化石,並向我們講述有關我們本身起點的部分故事。」

曙光號太空船

太空船進入行星軌道開始繞行,做了一點勘查作業——你大概可以稱之為探索一處奇異新世界。接著太空船離開,朝向另一個世界飛去,再次進入軌道,執行更多探勘作業。接著那艘以一道藍綠光束推進的太空船就要出發,朝向沒有人去過的地方勇往直前。

配上適合的激昂背景音樂,這可以是《星艦迷航記》電視劇集經典系列的場景。不過這裡描述的卻是航太總署曙光號的真實冒險事蹟。

「完全歸功於離子引擎這種未來式類科幻技術,我們才有辦法入軌繞行多處目的地,」雷曼表示,「我們基本上就是把兩項任務合而為一。」

曙光號在2007年9月升空,沿途曾借助火星重力助推以航向灶神星,接著在2011年7月進入灶神星軌道。太空船在那裡花了14個月進行調查,接著就啟程前往穀神星。它在2015年3月進入穀神星軌道。

曙光號的主要目標是蒐集灶神星和穀神星的組成、內部結構、密度和形狀等相關資訊。這些資料合起來幫科學家更深入了解,太陽系早年時期具有的條件狀況,並據此判定水含量和星體尺寸,在行星演化歷程扮演哪些角色。

為執行它的科學任務,曙光號攜帶了一套三件科學裝備:一架可見光照相機、一台可見光和紅外線測繪光譜儀,以及一台伽瑪射線和中子光譜儀。曙光號製作出視覺地圖、地形圖和礦產圖,加上磁場和重力場地圖,完成了灶神星和穀神星表面的全方位圖像。除此之外,無線電和光學導航資料還提供資訊,勾勒出兩顆星體的內部組成。

曙光號發射時,以翼尖到翼尖尺寸來看,它是航太總署的最大行星際太空船。單單太空船本身就有2.36公尺長——約相當於一輛大型摩托車的長度。把太陽能板陣列伸展開來,曙光號尺寸約相當於一輛半掛式拖車,達19.7公尺。

圖107-1
Photo Credit: 聯經出版提供
藝術家描繪曙光號太空船離開地球的概念創作。

雷曼的噴射推進實驗室辦公室外走道,長度略超過8.3公尺。曙光號有兩扇太陽能板陣列,每扇長度正是8.3公尺。雷曼決定把那條走道布置成那艘太空船太陽能板的模樣,藉此不斷提醒他的團隊成員。「由於曙光號在相當長時間以前發射,而現在又相隔十分遙遠,很容易忘了那艘太空船實際上有多大。」他說明,「這幅代表圖示幫我們謹記在心,曙光號是真實的、有形體的東西,而不只是電腦鏈結另一端的某種事物或資料源頭。」

從灶神星和穀神星看到的太陽系簡史

我們的太陽系是46億年前由環繞我們新生太陽的一團氣體和塵埃凝聚而成。這片所謂的原行星盤(protoplanetary disk)裡面的氣體和塵埃,大半都聚結形成了行星。早期時代的盤中物質,隨著與太陽相隔距離遠近而有所差別,其中岩質天體的形成位置比較靠近太陽溫暖天域,冰質天體則在比較遠處形成。

此外在盤中還有從未增長成為行星的岩質物體,科學家推理論述,在早期渾沌太陽系中,一次次大型碰撞事件把這些天體砸碎化為齎粉。這些岩質「殘餘」成為如今在我們太陽系內徘徊的小行星。

由於這些殘骸內含有關太陽系早年時代的蛛絲馬跡,科學家一直期盼能更貼近研究它們。

絕大多數小行星棲身小行星帶,那是個模樣像甜甜圈的大型環圈,介於火星和木星軌道之間,軌道和太陽相隔大約三億到六億公里。

灶神星和穀神星是小行星帶的兩顆最大星體,不過別把它們稱為小行星,雷曼說道。

「許多人仍然誤以為穀神星和灶神星是小行星,」他說,「其實從地球物理學不管哪個層面來看,它們都不是小行星。它們是很大的地方,而且兩顆星都展現出行星天體特有的許多地質學歷程。」

圖110-1
Photo Credit: 聯經出版提供
穀神星和灶神星的相貌還比較接近半成形的行星,卻比較不像是小行星一類的太空岩塊。

雷曼偏好原行星(protoplanet)一詞——意思是它們從來沒有真正增長到稱得上成熟行星的程度。

這兩顆原行星的最大謎團之一是,為什麼它們彼此那麼不同。

「雙方都能提供早期太陽系的蛛絲馬跡,讓我們窺見當初的形成條件和歷程,然而它們卻發展成兩種非常不同的星體。」雷曼說明,「灶神星是一顆很乾燥卻又很耐人尋味的岩質世界。相較而言,穀神星就擁有大量冰,甚至表層下可能還有海洋。」

兩顆原行星彼此這麼接近分別演化,地質學上卻出現這般巨大的差異,雷曼說,這就構成了一座橋樑,把內太陽系岩質星體和外太陽系的冰質星體橋接在一起。

相關書摘 ▶《NASA 9大太空任務》:下一趟火星任務、下個世代的太空天文台

書籍介紹

本文摘錄自《NASA 9大太空任務:一窺宇宙最真實探索實錄》,聯經出版
*透過以上連結購書,《關鍵評論網》由此所得將全數捐贈兒福聯盟

作者:南西・阿特金森(Nancy Atkinson)
譯者:蔡承志

《NASA 9大太空任務:一窺宇宙最真實探索實錄》將帶領讀者,跟隨35位美國太空總署的科學家和工程師,完成九項太空任務,其中包括:

  1. 新視野號帶你破解冥王星之祕
  2. 跟著好奇號漫遊火星
  3. 透過哈伯太空望遠鏡窺見宇宙深處
  4. 飛越兩個世界的曙光號
  5. 克卜勒任務展開獵星行動
  6. 揭開土星環祕密的卡西尼——惠更斯號
  7. 太陽動力學天文台24小時監看太陽
  8. 獨行已逾十年的火星偵察軌道器
  9. 月球勘測軌道飛行器掃描月球零死角

南西・阿特金森是一位擅長報導太空科技的專業記者,也是美國太空總署JPL太陽系大使。她拜訪多位科學家和工程師,揭示各個太空任務背後的故事和發現,也分享他們的想法,以美麗的太空圖片與圖表輔佐說明。讀者宛如置身太空船與專家一起完成任務,加深對太陽系的知識。

《NASA 9大太空任務》揭露的科學發現與宇宙景觀,令人驚嘆。結合驚險的發現之旅,讓讀者深刻體會到真正的探索與發現的精神:

我們到底是為了什麼探測太空?回顧早年探索事蹟,當麥哲倫、達伽馬,甚至皮西亞斯等人啟程踏上旅途的時候,許多人無疑都認為,冒著生命危險,花了那麼多錢,來查探地平線外有什麼東西,根本是種愚行。然而那群探險家並沒有找到他們預期的事項,但他們的探索事蹟到頭來卻改變了世界。相同道理,機器人太空任務和望遠鏡,以及地基望遠鏡,也協助我們探索遙遠處所,而且促成了那麼多未知的——也未料到的——宇宙相關事項的發現。

驅動我們投身探索與發現的部分起因是無形的:拓展我們的地平線、滿足我們的好奇心、尋找所有非我們所能逆料之事項,並嘗試解答先前所討論的深刻問題:好比宇宙是怎麼開創的?生命是如何開展的?我們是不是孤單的?

探索也有實質的效益,好比科學、醫藥、通訊、運輸等種種技術的開發與進步。探索精神激勵我們創造發明,於是我們才能投身探索,並可能由此而改變世界。如今我們還不能清楚知道,倘若人類真能前往火星、木衛二或更遙遠的地方,我們會找到什麼事項,不過假使我們只待在我們的地球「搖籃」裡面,那麼我們就永遠都不會知道。

NASA9大太空任務
Photo Credit: 聯經出版

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航