太空競賽!(1):第一顆人造衛星

1950年代美國與蘇聯之間展開「太空競賽(Space Race)」,在那個還沒有人造衛星的年代,兩大強權角力的戰場之一就在人類尚未涉足的太空。蘇聯發射了人類史上第一顆人造衛星「史普尼克1號」,而緊接其後的美國首顆人造衛星「探索者1號」則讓人類發現了地球周遭的重要保護傘:范艾倫輻射帶。

撰文|許世穎

人類對於仰望宇宙、探索太空的熱情總是不減。人類使用了各種方式,嘗試從宇宙中攫取知識。綜觀人類歷史,探索太空的技術曾有幾次顯著的提升。一次是1609年伽利略.伽利萊(Galileo Galilei)使用望遠鏡看向夜空,大大拓展了人類的視野。還有一次就是冷戰期間,美國與蘇聯展開的「太空競賽(Space Race)」。

「太空競賽」發生在冷戰期間,當時的國際局勢非常緊繃,雖然沒有直接的軍事衝突,但美國與蘇聯在各個方面都展開角力。人類尚未成功涉足的太空自然成為雙方競爭的目標之一。那個時候美國與蘇聯雖然都已經有能力將人造物體發射到太空的高度,但雙方都還沒有發射過任何一顆能在太空環境穩定運作的人造衛星。

1955年美國宣布要在1957至1958年間的國際地球物理年時發射全世界第一顆人造衛星。輸人不輸陣,蘇聯在美國發表聲明後四天,也跟著宣布要在同樣的時間發射第一顆人造衛星。兩個世界強權間的太空競賽由此揭開序幕。

●世界第一顆人造衛星:蘇聯的史普尼克1

首先完成這項成就的是蘇聯。蘇聯所規劃的第一顆人造衛星後來被命名為「史普尼克1號(英:Sputnik-1,圖1)」。原先史普尼克1號規劃搭載200至300公斤的科學儀器,總重量約1000公斤,即便在現代,這麼重的衛星也是少數中的少數。當時的蘇聯根本沒有能力完成這樣的任務。為了能夠加速進程,史普尼克1號最後精簡到只剩下100公斤,而上面搭載的儀器也只剩一台簡單的無線電發射器。

圖1:史普尼克1號。圖片來源:NSSDC, NASA [1]

由於收到小道消息說美國要在10月6日以「地球上方的衛星(Satellite Over the Plane)」為題發表重要的進展,蘇聯科學家猜測美國要在那天發射衛星(結果也沒有...),因此刻意加速進程,趕在美國之前發射。1957年10月4日,蘇聯成功發射史普尼克1號,史普尼克1號也就成為人類史上第一顆人造衛星。

當時的報章媒體也以大篇幅報導此任務(圖2)。儘管史普尼克1號的象徵意義遠大於實質作用,它還是給全世界帶來巨大的衝擊,甚至是恐懼。在被稱為「史普尼克危機(Sputnik crisis)」的時期中,其中一個恐懼來源就是對史普尼克1號的「未知」。蘇聯在史普尼克1號發射初期完全沒有釋出任何照片,沒人知道究竟這顆衛星長什麼樣子、有什麼功能,只知道它比美國預計接下來要嘗試發射的衛星還要重了10倍。上面搭載什麼東西都有可能,甚至包括軍事武器。

圖2:1957年10月5日紐約時報頭版,大篇幅報導史普尼克1號的消息。圖片來源:The New York Times [2]

原先美國認為自己在各方面都勝過蘇聯,在這之前美國已經兩次嘗試將衛星射上太空,都以失敗告終。現在蘇聯突然趕在美國之前早一步將衛星送上太空,這表示蘇聯在技術已經迎頭趕上。更何況「有能力將衛星送上太空」也暗示「有能力將核彈送到任何角落」,這給西方國家帶來無比的恐懼,也讓美國備感壓力。當時的美國總統艾森豪下令加緊腳步,盡可能提早發射屬於美國人造衛星。美國趕在同年的12月6日再次嘗試發射人造衛星,趕鴨子上架的結果就是又一次的挫敗。這顆背負美國人期望的衛星,從地面上發射後數秒,就在電視轉播的畫面中爆炸。

●美國第一顆人造衛星:探索者1號,證實范艾倫幅射帶

1958年1月31日,美國終於成功發射了它們的第一顆人造衛星「探索者1號(Explorer 1,圖3)」,探索者1號雖然只有14公斤重,但上面搭載了8公斤左右的科學儀器,最重要的就是一個「蓋格計數器」,用來量測「宇宙射線」。

圖3:史普尼克1號。圖片來源:NASA [3]

宇宙中充滿了各式各樣的小粒子,這些粒子就被稱為「宇宙射線」。由於大氣層的阻擋,地表上的宇宙射線數量少,能量也不強,並不會對生物造成影響。隨著高度的上升,宇宙射線的強度、數量就會逐漸增加。

科學家能夠估算不同高度下的宇宙射線流量,而探索者1號傳回來資料大多符合科學家的預期。但卻有個奇怪的地方:一旦超過某個高度(大約500公里),蓋格計數器就意外地量測不到任何宇宙射線。

美國物理學家詹姆斯.范.艾倫(James Van Allen)認為這不是因為那裏沒有宇宙射線,剛好相反:因為那個區域的宇宙射線實在太多啦!蓋格計數器不敷使用,因此數據看起來才像是沒有宇宙射線的樣子。同一年稍晚發射的探索者3號(Explorer 3)傳回來的數據則證實了這個推測。這個充滿高能帶電粒子的區域也被命名為「范艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt,圖4)」。

圖4:1958年發現范艾倫輻射帶後的示意圖。圖片來源: NASA's Goddard Space Flight Center/Historic image of Van Allen Belts courtesy of NASA’s Langley Research Center [4]

高能帶電粒子會對生物、電器造成損壞,而范艾倫輻射帶可以保護地球不會直接直接被太陽風打到。不過由於這個輻射帶本身就充滿了高能帶電粒子,因此它同時也讓人類離開地球、航向太空的時更加危險、困難。而探索者1號、3號回傳的宇宙射線數據則能讓人類在未來太空探索時能夠更安全。

●人造衛星後的下一步...?

在蘇聯發射了世界第一顆人造衛星以後,人類航向太空的夢想瞬間拉近許多,可是科學家們對於人體在太空中的反應仍理解有限,因此下一個探索太空的目標就是「將大型生物送上太空」。這個目標也是由蘇聯率先達成,甚至比美國第一顆人造衛星「探索者1號」還要更早完成。然而蘇聯的這個任務雖然成功完成,但卻是個徹底的悲劇......這個故事我們留著下次再說!

 

 

參考資料:

  1. Wikipedia / Sputnik 1 (2021.12.22)
  2. The New York Times / Front Page Image, Oct. 5, 1957 (2021.12.22)
  3. Wikipedia / Explorer 1 (2021.12.22)
  4. NASA / Studying the Van Allen Belts 60 Years After America’s First Spacecraft (2021.12.22)
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