【探索18-6】發現新大陸2.0 ──小天體的探索之旅

凱伯帶的示意圖

講師|中央大學天文所助理研究學者 章展誥
整理撰文|鄭兆庭

2017年11月,最受矚目的天文新聞是天文學家發現了來自太陽系外的星際小天體—1I/ʻOumuamua(以夏威夷語的「信使」一詞命名)。這是首次觀測到星際小天體,是令人振奮的消息,藉由更全面的巡天計畫,將來能發現更多這類天體,有助於我們了解其他行星系統的形成。時間拉回到六千五百萬年以前,小行星撞擊地球最終導致了恐龍的滅絕。讓中央大學天文研究所的章展誥博士來介紹小行星的基礎知識,並觸及探索太陽系的形成、太空資源開發等議題。

●太陽系的成員和比例

太陽系主要有八大行星、矮行星、小天體等成員。八大行星可以分為內太陽系的類地行星以及外太陽系的類木行星。若將太陽系的大小等比縮小為台灣南北的距離,則太陽至冥王星的距離便是從基隆至恆春,而內太陽系的四顆行星都會集中在台北市的範圍內。有了這樣的距離比例尺在腦海中,我們便能想像太陽系中各個成員距離地球的遠近。

●小天體分佈在哪裡?

現今,藉由先進的觀測技術與強大的運算能力天文學家發現了許多小行星,利用克卜勒定律,便可獲得這些新的小天體的軌道,如此就可追蹤這些小天體的行蹤,就像孫悟空一樣再也逃不出如來佛的手掌心。

內太陽系的小天體主要分佈在火星與木星之間的主小行星帶,此外還有與木星軌道共振的特洛伊小行星和希爾達小行星(Hilda)、以及可能撞擊地球的近地小行星。外太陽系的小天體主要分佈在凱伯帶(Kuiper belt),由於凱伯帶距離地球十分遙遠,目前只能觀測到直徑數百公里大的凱伯帶物體,目前懷疑此處的小天體比主小行星帶來得多。凱伯帶之外尚有離散盤,爲動力狀態較活躍的小天體。這兩類小天體與更外圍的小天體統稱為海王星外天體(Trans-Neptunian Objects, TNOs)。與內太陽系類似的,有一群半人馬小天體(Centaurs)在類木行星間遊走,這類小天體有時像彗星,有時像小行星,因此被命名為半人馬,有著兩種不同的特性。另外,在太陽系的最邊緣,可能存在著歐特雲(Oort cloud),被認為是長週期彗星的來源,然而我們目前尚未直接觀測到這類小天體。

●彗星與小行星

彗星與小行星最大的不同在於表面物質噴發活動。例如:彗星具有彗髮與彗尾。彗星長期處在外太陽系,因此可以保留許多當初形成時的易揮發物體,例如:水與甲烷,當他們進到內太陽系,由於溫度的上升而使其內部物質揮發而形成彗星,而這一個溫度臨界線被稱為太陽系中的「雪線」,大約在主小行星帶的外圍,所以易揮發物質在這範圍外被冰凍得以保存。然而近期的研究發現,某些主帶小行星也有物質噴發活動,被稱為活躍小行星,其形成原因尚不明確。另外,某些木星族彗星並不是每次進到內太陽系皆有物質噴發活動,因此被稱為休眠彗星,而這些休眠彗星成因也尚待了解。

●如何得知小行星的成分?

想獲得小天體的成分最直接的方式是以太空任務取樣。目前已執行完畢的兩項取樣任務都沒有達到預期成果:(一)日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)所發射的隼鳥號(Hayabusa),前往小行星糸川(Itokawa)取樣,只取得微量並不足以分析的樣本;(二)歐洲太空總署(ESA)的羅賽塔號(Rosetta)所搭載的登陸取樣器在登陸67P彗星以後失去了聯繫。接下來,將有另外兩個太空任務會進行小行星表面物質取樣,分別是向小行星龍宮(Ryugu)而去的JAXA隼鳥二號(Hayabusa2)以及朝小行星貝努(Bennu)前進的OSIRIS-REx。

不過太空任務成本過於昂貴,因此研究「從天上掉下來的禮物—隕石」是了解小天體成分的重要手段。隕石來自於近地小行星,而近地小行星來自於主小行星帶,因此隕石被當成小行星的近似物,此外天文學家也發現隕石的光譜與小行星類似,因此量測小行星光譜便可知道其成分。由於不同的物質有不同的來源,例如:較接近太陽的物質會經過熱轉化,較類似普通球粒隕石,而源自於外小行星帶的物質則保留了太陽系較原始的物質,較類似碳質球粒隕石。

90年代時,天文學家發現主帶小行星的成分有著簡單的分布,內到外為熱轉化物質到較原始物質,與簡單的形星系統形成模型相符。然而,最新的研究發現,主帶小行星的成分比上述來的複雜,因此推測太陽系形成早期可能有行星遷移的現象,而造成主小行星帶的複雜成分分布。這是小行星研究對了解太陽系形成所做的貢獻。

●小行星的形狀、大小、結構

太空任務是了解小行星形狀和大小最直接卻也是成本最高的方式。當小行星構接近地球,天文學家能用電波望遠鏡或自適應光學技術(藉以消除大氣擾動)來觀測小行星的形狀和大小。否則,我們只能依據小行星反射的可見光亮度來估計其反照面積而得知其大小,其中需考慮小行星的反照率及距離。而小行星的質量只能透過多體系統(人工的與天然的)量測。得知小行星大小與質量便能計算其整體密度。目前已知的小行星體密度都小於其組成物質,懷疑其內部結構為瓦礫堆模型,即小行星由許多小碎塊所組成,碎塊中有許多空隙與孔洞,因此有著較組成物質低的整體密度。

●小行星採礦的現實與展望

媒體曾報導太空中有鑽石,但實際上鑽石在小行星中的分佈是非常稀疏,毫無利用價值可言。不過,據估計小行星礦藏的經濟效益具有一定的規模,前往小行星採礦在未來勢必會實現。章博士認為,小行星的礦藏在未來將提供地球上的人類更多的資源,也能成為太空旅行或建設的資源跳板。但受限於成本、目標不明確(不知哪個小行星值得投資開發)、機具未成熟等挑戰,這些想法至今僅僅是概念上的討論而已。也因為如此,小行星研究還有許多可為之處。

附帶一提:章博士說,若聽眾也想要跟他一樣擁有一顆以自己名字命名的小行星,最有效的方式不是從事小行星研究工作,而是申請鹿林天文台的觀測時間去尋找一顆新的小行星,以取得命名權。

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本文整理自:106/12/02由章展誥老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「發現新大陸2.0 ──小天體的探索之旅」演講內容。

 

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