太空探索的故事

美國太空總署(NASA)宣布天文學界重大發現:在離地球不到40光年處,找到7顆類地球行星環繞1顆名為「TRAPPIST-1」矮恆星運行,這是迄今在太陽系外找到生命的最大契機!

該講次從「古人的宇宙幻想神話故事」談到「現今高科技望遠鏡、火箭」,究竟人類探索宇宙的歷史是從何開始?又是如何從渺小的好奇心萌芽為現今遠大的科學移民計畫?

撰文:斗六高中 趙君熙

    你,是否從小有個太空夢,想像自己能飛到九霄之外,親自望著水汪汪的美麗地球呢?

    想飛到太空的方法就是使用火箭,相傳最早火箭的發明,在十八世紀被記錄於明代茅元儀的〈武備志〉–羣豹橫奔箭,但最初因為發明的失敗,所以無法成功用於軍事,因此沒有將火箭發揚光大,然而在西元一九二六年三月十六日,由美國物理學兼火箭學家羅伯特戈達德發射了人類歷史上第一枚液態燃料火箭,雖然只飛行了二點五秒,高度達四十一英尺,但他是一個重要的示範,顯示液體推進劑是可行的。在第二次世界大戰期間德國火箭專家馮·布勞恩的研究團隊研製的V-2火箭極大地促進了大型液體火箭發動機的發展。二戰後,美國蘇聯等許多國家研製了大量的液體火箭發動機,起初因德國戰敗,被劃分為東德西德美國掌握西德的研究學者及大部分菁英人才,而蘇聯掌握東德的硬體設備。在冷戰前期軍備競賽時,因蘇聯擁有已開發完成的重要硬體設備,所以蘇聯佔有較大的優勢,但移民至美國的科學家仍繼續研究及開發,在十年之內,美國太空發展已超越蘇聯,可知相較於物質而言,人才顯得較為重要,較有發展的潛能,因此我們要努力培養人才。目前液體火箭發動機作為成熟的火箭推進系統之一,具有較高的性能和許多獨特的優點,也被廣泛應用於運載火箭太空飛行器以及飛彈

      其實太空發展是可以賺錢的,例如:NASA會找尋明星代言,但台灣在太空發展部分還在努力當中。近日台灣太空史上發射了第一顆完全自主研發的光學遙測衛星─福爾摩沙衛星五號,在二零一七年八月二十四日於美國范登堡空軍基地發射至外太空進行任務,福衛五號的資料傳送是利用無線網路進行傳輸,那何謂無線網路呢?無線網路即是利用電磁波的搖控資訊傳輸系統,那麼電磁波又是怎麼被發現的呢?其實電磁波首先由詹姆斯·馬克士威於一八六五年預測出來,之後由德國物理學家海因里希·赫茲於一八八七年至一八八八年間在實驗中證實存在。馬克士威推導出電磁波方程式即為一種波動方程式,這清楚地顯示出電場和磁場的波動本質。當時剛發現電磁波時。並不知道電磁波的實用性,但是卻在一百年後的今天到處都有使用到電磁波,基礎的研究現在可能用不到,但可能變成後代發展物理學的重要基礎。

      近日,台灣日本共同計劃一項太空計畫─探測太空天氣,這項計畫目的在於偵測太陽風,太陽風指由太陽上層大氣射出的超高速電漿流,當大量的太陽風接近地球時,即會造成無線電干擾,使大多數電器異常。這項計畫已有部分儀器射往太空進行觀測,例如:ERG衛星,上面搭載了量測不同能量範圍的電子和離子酬載,LEP-e就是當中的一項儀器,另外也搭配了量測波動特性的電場和磁場探測儀器,而衛星主要任務是要探索地球磁層內的輻射帶,了解輻射帶內電漿粒子與波動之間的交互作用,並更深入的探討相對論性高能粒子是如何產生及消失,期望能從中發掘關鍵性的證據。地球輻射帶也稱為范艾倫輻射帶,是一個充滿高能帶電粒子的區域,並被地球磁場所束縛限制。此帶狀結構以地球磁軸為中心,分為內外兩層的輻射帶結構。內層輻射帶位於地表約兩個地球半徑以內的空間,主要的成份大部分為較高能量的質子,接著是數量相對少的電子,且該區域的範圍大小和粒子數量相對於外層輻射帶而言較為穩定;而外層輻射帶則大約涵蓋三至八個地球半徑內的所有區域,組成的成分主要包含大量高能電子,而不同於內層輻射帶相對穩定的狀態,外層則呈現多變的範圍大小跟形狀變化,而這些改變多半與太空天氣的變化有直接的關聯性,所以了解范艾倫帶內的複雜物理機制,將是掌握太空天氣的重要指標。

      太空科學還有很大的探索空間,科學事業需要不同專長的結合,也需要整合不同的專業,團隊合作;科學的進展,不是知識的累積,而是利用一套嚴謹的邏輯,探索未知的世界。

 

撰文:西苑高中 陳晞

    就在2017年2月22號,美國太空總署(NASA)宣布天文學界重大發現,在離地球不到40光年處,找到7顆類地球行星環繞1顆名為「TRAPPIST-1」矮恆星運行,這是迄今在太陽系外找到生命的最大契機。從古人的宇宙幻想神話故事到現今高科技望遠鏡、火箭,人類探索宇宙的歷史是從何開始?又是如何從渺小的好奇心萌芽為現今遠大的科學移民計畫?

     太空探索最根本的發展是從火箭開始,人造衛星、太空望遠鏡、太空人都是靠火箭穿過大氣層運送到太空。火箭,顧名思義,火藥綁在箭上。最早出現於中國宋代用於戰爭,是現代的火箭的雛形,可惜中國火箭的發展止於煙火娛樂與軍事用途上。在1926年,美國物理學家高達德成功地發射世界上第一枚液態燃料火箭,但在當時並未受到重視。

    真正對火箭有深入研究的是野心勃勃的德國,在一戰時期,德國被迫簽訂凡爾賽條約,被限制其軍火的發展,當時武器的主力是大砲,被限制生產大砲的德國轉而發展火箭,兩者的推進原理幾乎相同,最大的不同在於燃燒時間的長短,火箭比大砲更強調持續的推進力,當時的火箭射程有40公里。

    二戰結束後,德國分別被美蘇佔領為東德西德,進入冷戰時期的美蘇開始航太科技的競爭,美國接納了西德的科學家,蘇聯占領的東德擁有許多技工,顯然而知,當時蘇聯的航太科技程度遠超過美國。當時的大事件分別有:1957年成功發射擎天神飛彈,這是第一種洲際彈道飛彈(最常射程的飛彈)、1958年的紅石飛彈是第一種以德國v2火箭技術為核心發展的液態火箭、發射美國第一顆人造衛星、1961年蘇聯的東方號第一次將太空人加加林送入太空、1969年,伴隨美國阿波羅11號完成人類第一次登月任務,太空競賽達到頂峰,美國也在此年正式超越蘇聯,短短幾年就可看出當時快速發展的航太科技。

    現今太空探索的權威仍是美國太空總署(NASA),太空發展的趨向不再是送人上太空,而是利用太空望遠鏡探索未知的太空,哈伯望遠鏡、伽瑪射線望遠鏡、X射線望遠鏡,韋柏紅外線望遠鏡成為探索的主力。而找到7顆類地球行星就是由X射線及紅外線望遠鏡發現的,這次的重大發現使今後的太空探索發展指日可待。

    至於臺灣有沒有發展太空探索?答案是有的。就在去年2016年12月20日,台灣和日本合作一枚監測太空天氣的衛星在日本鹿耳島順利升空,這個ERG計畫將會探測輻射帶如何保護地球,透過這次合作,也將展現台灣的科學實力。ERG衛星搭載八個科學儀器,而其中一個重要儀器LEP-e「低能量電子測量儀」會捕捉通過范艾倫輻射帶而增強能量的電子,這個斥資2000萬台幣的30公分高的儀器留著台灣血液,出自中研院與成大之手。目標是探索地球的高能輻射帶,了解粒子的加速機制,並對其中複雜的波動與粒子之間的關係找出關鍵性證據。

    太空科技發展至今僅僅60年,已有豐碩的成果,誰會想到當時人們從心中萌芽的一個小小念頭興起21世紀太空探索的波瀾,短短60年讓人類從對宇宙的無知到現今偉大的科學成就,渺小的人類透過一個遠大的夢想而存在於無垠的宇宙,這大概就是科學最令人激動的地方吧!

 

撰文:西苑高中 林莉軒

    在星光閃爍的夜晚裡,你是否會仰望著天空,思考著浩瀚無垠的宇宙有什麼?除了太陽系之外,是否還存在與地球一樣的星球?該場演講將揭開宇宙的神秘面紗。

    恰巧在講座的前一晚,美國NASA發布他們找到了七個與地球相同的星球,在一個與太陽系相似的星系……。

    人類探索太空的歷史是從二戰之後約60年,歷經了艱難的過程,雖然當時的電腦不發達,但他們卻利用這樣的設備,讓人類登上月球。

    早期人類是如何開始太空探索呢?答案是火箭。顧名思義,火箭就是有火還有箭,並在箭上綁火藥,而火箭的歷史又可追溯至宋朝。但把火箭發揚光大的卻不是中國人,而是美國人­─高達德(太空探索的先驅)。他已開始思考如何利用噴射動能的方式,把火箭送上太空,可惜礙於當時的科技不發達,無法繼續發展。

    德國發展火箭的契機,是來自於一戰、二戰的失敗。一戰戰敗後,德國簽訂了凡爾賽條約,條約中載明德國不能發展大砲,因為大砲是一戰中最有殺傷力的武器,只要設計精良,它可在列車上從德國打到巴黎,約40~50公里。因此德國改以發展火箭,而火箭和大砲推進方式的差異在於大砲只需供給一次動力,而火箭需要一直提供動力,且可調整方向,更重要的是它可飛越海峽至英國。二戰後,德國分裂成東德、西德,而蘇聯佔領東德並搶奪了製造火箭的工程師,西德則由美國占領,但只搶奪了知道火箭原理的科學家,之後就開啟了「美蘇太空競賽」。

    一開始,火箭並非用來載人,而是用來轟炸,也就是飛彈,第一顆飛彈是美國擎天神飛彈而東方號飛彈是世界第一顆洲際飛彈。再比較蘇聯的B2飛彈,蘇聯的飛彈構造更勝一籌,且更先進。試想一下,當你是60年前的太空人,心情如何?大概是視死如歸吧!舉例來說,世界上第一位太空人­­­─蘇聯的加加林,搭乘一艘不能控制方向的太空船,雖然成功地回來,卻不符合定義上的成功,原因是人並未跟太空船一同返回,但理論上,是一個成功的經驗。

    一開始是蘇聯領先,直到美國登上月球並留下腳印,且是世界上唯一踏上月球表面的國家。美國贏了太空競賽,到目前為止,美國發射了許多太空望遠鏡,而發現七個與地球相似的星球也歸功於此。

   台灣與日本合作的科學計畫,目的是觀測太空天氣,而太空天氣會影響火箭發射、手機訊號等;另一方面則是地球磁場­­­–范艾倫輻射帶,也是地球與火星最大的差異。地球有濃厚的大氣;火星沒有,而漫畫「火星異種」正呼應了為什麼人類在火星上難以生存,原因是地球有磁場的保護,所以地球磁場會把太陽風向兩旁擠壓,甚至把有害粒子限制在某個部分,而火星沒有,這也是地球有濃厚大氣的原因。極光也是因為太陽風的吹拂與地球磁場的作用,產生的現象,因此需要研究太空天氣。

    地球有自轉軸和地磁,而且地磁會倒轉,造成候鳥亂飛等現象,磁場是由於地球內部含有液態金屬的岩漿流動,產生的磁場會把高速粒子禁錮在范艾倫輻射帶。團隊為了研究地球磁場如何把這些粒子禁錮在輻射帶中,還做了一顆衛星。

    ERG衛星是由衛星、太陽能板和通訊的光天線所構成,將衛星放大來看,上面有許多疙瘩,而電子會沿著弧線掉進,每一個都收集不同的電子,台灣則獨立發展LEPE儀器,低能量的電子偵測器。雖然只負責做一個儀器,卻可利用其他數據進行研究,雖然儀器不大,價值卻高達2000多萬台幣,因為每一個零件都只有一個,因此格外珍貴。   

    而衛星會沿著橢圓形的軌道繞行,發射除了需要很大的推力,還需要「柯式力」,發射地點通常會選擇低緯度地區,因此選擇鹿耳島。

    2016年許多太空活動的運氣都不太好,像是價值90億台幣的衛星,雖然發射成功,但姿態控制軟體有誤,需要往左偏反而更往右,情況非常不好;而獵鷹九號在太空發生爆炸導致福衛五號發射延期,還有中國的軍事偵察衛星也宣布失敗。因此研究人員都懷著忐忑不安的心抵達日本的觀測所。

    發射當天,日本不僅召開記者會,還播映自己製作的模擬發射影片,對於科學報導相當重視,值得台灣學習。數秒準備發射時,研究人員階露出緊張的神情,觀測所的氣氛相當緊繃,幸好最後發射成功,但團隊依舊不得鬆懈,謹慎的繼續追蹤。

    每個人的心中都有屬於自己的小宇宙,就像現實的宇宙一樣持續且緩慢的膨脹,只要努力尋找,相信每個人都能找到屬於自己的太陽系,並持續地發光發熱,如同科學家所做的宇宙探索一般。

 

【科學講古列車】Q&A 太空探索的故事│顏吉鴻

 

撰文:西苑高中 張耘瑋

  自兩河流域的加爾底亞人便開啟了觀察天文的記載,而我們中國則是直到夏朝才開始,西方人在這方面總是快我們很多。近代並不是西方一枝獨秀,雖然很多定理都是由他們發現的,牛頓說過『我能看得比別人遠是因為我站在巨人的肩膀上』,我想我們的巨人必也是西方人,但我們不能氣餒。我覺得講師他們的團隊做到了,跟日本天文物理研究所和國立成功大學太空與電漿科學研究所共組團隊,與日本宇宙航空研究開發機構之日本宇宙科學研究所合作的ERG科學衛星,已於12月20日成功發射升空。一個成功背後當然一定經歷過很多次失敗,講師說過『這是由很多專業聚集而成的結晶』,這給了我很多省思:念書的過程其實我都是自己一個人。現在,我要開始尋找一群不同專長的同學一起成長,一起完成夢想。

  我曾在大學上過一陣子的課,知道沒有標準答案的問題其實是比一個有標準答案的難上許多,需要複雜的重複演算,確定自己的思路有沒有錯,而這大概是一般人無法達到的吧!所以我一直很佩服他們的勇氣,因為思考真的是無止盡,他們要耗多少時間在研究室呢?不,我錯了!是在玩呢!他們樂此不疲。

  講師說到專業與興趣是不同方面的事,像我現在對醫療有很大的興趣,我在家會拿起書來研究,不時看看模型,但如果我夢想實現了,卻不是光有興趣就可以解決,必須解決病患的問題,面對的是活的人。我相信人對某方面有興趣,卻有可能因為社會的期待及壓力而達到沸點,要怎麼冷卻到室溫呢?是我該摸索的。

  就在講師來的前一天美國NASA宣布發現七顆類地行星,其中三顆甚至可能含有液態水。發現適合人類居住的星球固然好,但別忘了我們現在住的是地球,要如何減緩對地球的破壞才是首要的吧!

  『蠡酌管窺』,在國文來講是見識狹小的意思,但以天文來看又不完全是這個意思。講師說到我們現在載人太空船航行的紀錄是來到了太陽系的邊緣,意思是說太陽系以外的世界我們人類完全沒到過,但卻知道了很多這個宇宙的事了,這個事實是多令人興奮,雖然還有超多事情等著我們去探索,但我想他們不害怕,反而更期待。

 

撰文:西苑高中 張家勝

    仰望星空,細數繁星,璀璨的星星像是在對我眨眼睛,我的意念就如同一顆流星劃破天空,渴望知曉無邊無際的宇宙是否有藏著什麼天大的秘密,人類實在很渺小。就如同我們面對廣闊無垠的海洋或幽暗的山谷一樣,面對那浩瀚的宇宙,就連我們身處的太陽系,在宇宙中都顯得微不足道。

是否在那遙遠的另一方也有著其它的生命像我一樣發出如此深切的感嘆?又或許我在宇宙中並不孤單,就好比最近新發現的那七顆類地行星。在外太空探索新的生命一直以來都是天文學家的最終目標,有人曾經說過:「宇宙是人類最後的一塊疆界。」這也使得人類一直對太空抱著如此濃厚的興趣。雖然我們身處的太陽系很微小,但我們的存在對於整個宇宙來說就很特別了,如同那七顆行星,或許真有那麼一顆跟地球相仿,甚至可能成為未來人類移居的可能。

    天文學在許多地方是有其爭議性的,雖然我們人類現今能使用各種儀器分析星體上的光線,分析光線和顏色所代表的意義,但這些都只是依照地球上既有的物質經實驗過後的成果來推敲地球以外星體的構造,然而,是否我們的推論是錯的呢?這個答案是肯定的,除了月球之外,其它的星球我們都還無法上去做正式的研究或紀錄,除了行星本身的環境惡劣,距離也是個問題,舉個例子,光一秒所走的距離為三十萬公里,也就是說光能在短短一秒內繞行地球七圈半,我們離月球大約是光走一秒多的距離,光走到人馬座的鄰星需要四年多,那還是離我們最近的星,更何況數百萬數億光年外的星系了,我們望遠鏡所能看到的只是宇宙的那一小角,因為更遠的星系所散發的光太弱我們偵測不到,除非我們有更大的望遠鏡,既然如此,面對這般如此不確定的知識,我們獲取會有益處嗎?我想這個問題見仁見智,宇宙如此遼闊,沒有相當的好奇心和想像空間,是難以體會它的雄偉的。

        天文學是一門特別的學問,除去那遙不可及的距離後,更多的是那充滿可能性的理想,我們現在或許還無法發現什麼天大的秘密,但我們也許能成為後代的恆星,照亮他們通往那充滿奧秘的世界,總括來說,我並不覺得太陽系是如此微不足道的角色,我們想窺視全宇宙的想法或許有先天真,但是絕對是讓人敬佩的,一方面我們也不斷地去理解我們所身處的宇宙,一方面也漸漸地讓自己心中的那片宇宙變大。

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日期: 2017/2/23(四) 講題: 太空探索的故事 地點: 台中-西苑高中 活動照片: 點我看當天花絮