《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。

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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。」

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【影音】整理數十萬張空拍影像,就像一場馬拉松:看見・齊柏林基金會「數位典藏」計畫

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Photo Credit:TNL Brand Studio

我們想讓你知道的是

「透過影像為環境發聲」是齊柏林畢生在做的事,也是看見・齊柏林基金會要接力做下去的事。打造一座把台灣存起來的影像資料庫,讓齊柏林留下的影像資產得以傳承世代,「數位典藏」計畫需要你我一同支持響應。

2017年,《看見台灣》的導演齊柏林匆匆離開這個世界,留下無數珍貴空拍影像資產;這些跨越1990年代到2017年、長達25年台灣自然與人文地景變遷的真實紀錄,不只保留了台灣之美,更在學術研究、環保倡議和環境教育上有著無可取代的價值。然而,龐大的影像素材需要經過「數位典藏」才能被有效應用,因此「看見・齊柏林基金會」成立的初衷,就是為了承接數位典藏的使命,讓齊導畢生的心血,能夠世代傳承,發揮永續的影響力。經過兩年的摸索,基金會最終研擬出最合適的數位典藏計畫,不只將齊導作品數位化、分類歸檔,更要建置線上影像資料庫,並將繼續記錄台灣的使命傳承下去。

根據看見・齊柏林基金會統計,齊柏林導演在空中拍攝超過2500小時所累積的影像,約為10萬張空拍底片、50萬張數位照片,上千小時的空拍影片;要為如此龐大的影像資料建檔與整理,勢必耗費許多金錢、時間與人力。不過,只要能集結眾人之力,這一場數位典藏人員及專業志工接力的馬拉松,將會是美麗而撼動人心的一段旅程。

「數位典藏」做什麼?

數位典藏(digital archive),意思是將有保存價值的實體或非實體資料,透過數位化(諸如攝影、掃描、影音拍攝、全文輸入等)與加上屬性資料等詮釋資料(Metadata),建立數位檔案的形式,作為永久保管儲存。

而看見・齊柏林基金會的數位典藏計畫可分為三大工作線,分別為:

  • 傳統底片組:挑選底片→掃描成數位檔案→建立屬性資料→歸檔
  • 數位照片組:挑選照片→建立屬性資料→歸檔
  • 空拍影片組:挑選影片→建立屬性資料→歸檔

除了要將齊導留下來的影像作品數位化歸檔,數位典藏計畫還包括改版建置「iTaiwan8影像資料庫」,也就是建設完整的線上影像資料庫系統,讓齊導作品更便於靈活運用,也能讓更多世人看見。

飛行2500小時累積的空拍影像,怎麼整理?

  • 整理底片/數位掃描

數位典藏組專員詹宇雯的工作,是負責整理傳統底片。即便存放在防潮櫃中,傳統底片仍面臨逐漸老化褪色的壓力,需要與時間賽跑進行數位化保存;然而大多未經篩選的10萬張底片,有些因為直升機震動導致些微的畫面模糊,也有因飛行路線連續較重複的地景構圖,而詹宇雯的其中一項任務,就是拿著放大鏡一一檢視精挑,並標註定位和勘誤照片資訊。

「整理底片最常發生的問題就是人工出錯,因為以前留下的資料可能是齊導或其他志工整理出來、用手寫的,貼紙可能貼錯或資料寫錯。」詹宇雯說起某次經驗,當時有一張台北車站的照片被貼了很多年份,為了找出正確年份,她試圖辨識照片裡招牌跑馬燈上的氣溫、股市市值等資料,交叉比對推斷出正確年份。雖然偶有這種偵探辦案一樣的趣事,但大多數時候是耗費專注度與眼力的過程。

完成底片挑選的階段,接著進到底片掃描數位化。然而,這步驟並不容易,除了整體的影像品質控制與檔案管理,齊柏林導演留下的底片最遠距今至少11年,老化褪色的底片容易出現色彩偏誤,須進行色彩還原,再修掉畫面上的髒點、存成解析度高的數位影像才算完成。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
整理傳統底片的過程,必須拿著放大鏡一一檢視精挑,標註定位和勘誤照片資訊。
  • 建立屬性資料

所謂「建立屬性資料」,其實就是為影像添增各種描述紀錄的資訊,有了這些資訊,龐大的影像資料才能被有效率的搜尋、管理。數位典藏組副組長陳宣穎表示,以齊導拍攝的影像為例,包含:拍攝主題、地點及詮釋地景的關鍵字都屬於此範疇;而其中投入最多時間的便是「定位」和「建立關鍵字」這兩項任務。

「定位」指的是找出拍攝主體所在地點和座標,有時可透過既有的飛行軌跡紀錄來推測,但更多時候是在沒有軌跡紀錄的狀態下,憑藉地理知識及照片上的蛛絲馬跡判讀位置。如果影像拍攝年代久遠,或是地景變化很大,就需要運用更多歷史圖資或佐證資料去搜索、推論。

「我們要一張一張照片判讀,建立屬性資料。像是早期的傳統相機沒有定位功能,常常看到照片中只有一大片山稜線,此時我們就要仔細比對地圖、衛星影像,想辦法查找,盡可能貼近正確。」陳宣穎說。

「建立關鍵字」看起來似乎相對輕鬆,然而事實上,光是決定有哪些關鍵字可以使用,就是一門功夫。第一步必須辨認影像中的景物,例如一塊農田種植的是什麼作物,就必須蒐集其他資料輔助判斷;其次,由於空拍照片尺度不一,在畫面中佔比多大的景物需要設立關鍵字,也需要經過討論訂定規則;最後,還必須從使用者的角度思考,依據一般人的搜尋習慣設立關鍵字。

因此,在建立屬性資料的過程中,看見・齊柏林基金會也特別諮詢多位專家,共同研究規劃出適合台灣空中影像的關鍵字建置邏輯,並以此基礎進行分門別類、校正檢核,確保影像被妥善歸納及運用。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
建立屬性資料時需要大量對比地圖,並依照訂定好的規則建立屬性資料,使歸納邏輯一致。
  • 影音資料典藏

相較於照片整理,動態影片的典藏工程更為多元複雜。首先,要針對近千小時空拍影片進行盤點,接著進行特殊格式轉檔與備份,再逐步建立邏輯編碼、標示檔案管理方式,以推動後續屬性資料建立。

「影片整理最大的兩個挑戰,其一是影片內容橫跨的範圍很大,導演可能是台中起飛、屏東降落,因此要去判斷每個影片節點的地景定位;其二是飛機上升的垂直範圍很大、晃動又劇烈,有時候會遇到『果凍效應1』致使內容失真。」影音製作組專員鄭宇程說明,由於各時期的影片拍帶檔案格式、影像內容品質、影片時長都不同,大大增加了管理建檔難度。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
影音資料的典藏,需要讀取大量的檔案,逐格檢視、分段建立屬性資料、調色等。

加入數位典藏的馬拉松,傳承接棒台灣之美

從一步步定義操作流程、統一色彩管理語言、購置影像處理設備等,到培訓志工與實習生、讓人力支援一步到位、避免巨量資料的協作過程中出現錯誤,都是數位典藏計畫的範疇。多元內容創意部副總監王俐文表示,「數位典藏」四個字說來簡單,但過程繁複龐雜,需要所有人一致的專注、耐心、細心、以及熱忱。

「iTaiwan8影像資料庫」作為看見・齊柏林基金會數位典藏計畫的目標之一,改版上線只是第一步,接下來除了完成龐大影像資料的典藏,更大的挑戰是要繼續記錄台灣,讓影像不會只停留在2017年。

「透過影像為環境發聲」是齊導畢生在做的事,也是基金會要接力做下去的事。而數位典藏計畫,就是齊導生命的延續,也是基金會動力的源頭。要打造一座把台灣存起來的影像資料庫並不容易,看見・齊柏林基金會亟需各界的支持,共同建置屬於台灣最美的影像資料庫。讓我們一起守護齊柏林留下的影像資產,讓土地脈動的珍貴影像得以傳承世代,發揮更多價值。

捐款支持看見・齊柏林基金會,透過影像為環境發聲


註1:果凍效應(rolling shutter)是數位相機CMOS感光元件的一種效應,當使用電子快門來拍攝高速移動的物件時,原本垂直的物件拍攝出的畫面卻為傾斜甚至變形。(資料來源:維基百科)


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