帶回彗星標本的使者 --- 星塵號

 

劉名章

Graduate student in Cosmo chemistry
Department of Earth and Space Sciences
, UCLA
Emailmcliu@ess.ucla.edu
http://oro.ess.ucla.edu/~mcliu

  一月15號洛杉磯時間凌晨兩點鐘,一道人造火球劃過了天際,直抵猶他州沙漠。這時,噴射推進實驗室 (Jet Propulsion Lab) NASA Johnson Space Center 的人員無不歡天喜地,因為他們知道,星塵號回來了!比起上次Genesis中減速器反置的烏龍所造成的墜地事件,星塵號著地的是多麼優雅

  好吧!其實前面的形容有點過於肉麻,不過返航的成功,的確給太陽系天文學家與宇宙化學家帶來無比的喜悅。這是人類史上第四次如此靠近彗星本體的任務 (前三次分別是GiottoDeep SpaceDeep Impact),第一次航程最遠的標本收集任務,也是第一次利用世上最輕的固體 (Aerogel) 將彗星塵成功帶回地球供實驗室分析的任務。由於這個任務和我所學有相當程度的關連,因此銜廠公之命為此文,將這個任務的科學目標簡單介紹給各位同好;當然這篇文章並沒有辦法將stardust任務全部細節一併交代,因此,若對英文不排斥的同好,可以上http://stardust.jpl.nasa.gov/,會有非常詳細的說明。

  好了,廢話不多說,請各位看倌往下看了。

  太陽系的形成一直以來都是天文學家欲解的謎題。不管是透過望遠鏡觀測其他恆星形成區域,透過動力學模型來模擬太陽系與行星的形成,或是透過隕石的研究,最終的目的就是想要了解太陽系的起源。由於我所學有限,對前兩者的認知不夠,所以我只對最後一項作介紹,然後再切入我們今天的主題:Stardust

  在太陽系中,有八大行星和一堆小型天體 (在這我不把冥王星算在行星內,若對冥王星有特別偏好者,請多見諒);前四顆類地行星,每一個都已經受過或短或長的分異過程與地質作用,現今之結構與組成已經和形成之初大異其趣。對於要了解太陽系的起源,幫助不太大。後四顆類木行星,雖然一般相信它們形成的時間極早,但由於絕大部份是氫氣,氦氣及一些氣體分子所組成,標本收集有相當程度的困難,多以太空船探測任務為主,不僅耗時且所費不貲;再加上這些氣體星球不能完全反應太陽系最初期成份,所以我們需要固體。我老板說的好:固體會記錄而氣體不會;因此現今普遍的宇宙化學研究,多是利用隕石中的同位素與礦物組成,試著了解太陽系形成時,周遭的天文物理環境與太陽星雲的化學組成 (部份內容可以參閱拙作:同位素宇宙化學一)。只是隕石大多來自於小行星,而小行星本體也或多或少受到了一些後期的變質作用,如撞擊,水與熱作用等等。造成一些最原始的同位素訊號或礦物受到了不同程度的改變。也因此,即使是所謂最原始的隕石,在某種程度上仍然不夠原始,這由隕石中稀有氣體相對於太陽的豐度較低的例子可以為證。

  既然隕石沒有辦法完完全全的反應太陽星雲最原始的化學成份,那我們還有什麼方法可以試著了解這個問題呢?科學家腦筋於是動到彗星身上。天文學家普遍認為彗星也是太陽系最初期的產物,很可能跟隕石一樣記錄了太陽系最初的成份;更重要的,彗星被保存在極冷的地方,從彗星離子尾光譜中的分析得知其相當程度的保留了相當程度的有機物與揮發物質,所以我們多半相信,彗星所留下來的訊號應該會比隕石更完整,更接近真實。也因為如此,星塵號任務在九零年中期,由華盛頓大學天文系教授Donald Brownlee (註一)主導之下,開始了整體的計畫與進展。在一九九九年的二月發射升空,二零零四年一月穿過了Wild/2 彗星的尾巴收集塵埃,並在二零零六年的一月返回地球表面,完成了這一段旅程。

  或許有人會問,我們了解彗星有什麼好處?除了剛剛上面講的,試著去追溯太陽系最原始的成份,了解太陽系的起源之外,還有幾個問題是可以藉由彗星塵提供一些線索的:

  Interplanetary Dust Particles (行星際空間顆粒,簡稱IDPs)與彗星塵的關係?

  彗星塵的形成?多少是前太陽系粒子 (pre-solar grains)?又有多少是在太陽系中形成的?若是在太陽系中形成,在哪?怎麼形成的?

  地球上的水是彗星帶來的嗎?

  生命的起源與彗星的關係?

  各位也可能會覺得好奇,彗星一大把在天上,為什麼星塵號不去別的彗星而要去Wild/2 (順便呼應廠公在八卦區的介紹)?其實很簡單,有三個主要原因:天時,地利與人和。天時與地利指的是,這顆彗星會在適當的時間出現在適當的地點,讓科學家們可以較容易的設計收集塵埃時的太空船路徑與速度。為什麼這很重要?各位可以想像,若在和太空船遭遇時的相對速度太大,塵埃就會直接穿過收集器而帶不回地球了。因此,星塵號幾乎是追著彗星的尾巴,從後面以每秒六公里的速度,將塵埃 "抓進" aerogel當中。那人和又是什麼呢?大家都知道,當彗星跑進內太陽系受到太陽加熱後,揮發物質就會因為高溫而逸失;經過多次循環後( >1000),彗星最後就不再會有彗尾了。像哈雷彗星,它從第一次被發現到1986年,總共已經進來大約一百次。它的原始成份已經受了相當大的改變而不再 "新鮮" 了。所以,它已經無法還原太陽系最原始的成份。而Wild/2彗星,在1974年之前都是屬於木星族彗星 (Jovian comet,指近日點在木星軌道附近),之後受木星重力擾動而改變了它的軌道,近日點內移到火星附近;至今進入內太陽系約五次。也因此這顆彗星從沒有真正的過度靠近太陽而被大量的揮發,其化學組成仍是相對的原始。這對於我們所期待的研究,真是再理想也不過了。

  就在星塵號安然回到地球的兩天後,收集標本的大鐵罐在Johnson Space Center中的無塵室被打開,開始作最初期的狀況確認。就我老板在現場時的轉述,他說:這是非常完美的成功! 有些彗星塵劃過的軌跡可以用肉眼清楚看到,並且收集到的東西似乎比大家原先預想的要來的多且大。當然,這只是非常非常初步的肉眼確認,我們真正會發現什麼,仍要等待所謂PET (Preliminary Examination Team) 的結果。PET將會作初步的彗星礦物學分析,氧氮同位素分析,化學組成分析等等,半年後,我們將會初步的知道這些標本所帶來的資訊。

  在可預期的將來,這些彗星塵將會送到世界各地有能力分析的實驗室進行各項研究,或許到時候,我們將能夠回答上面所列出的數個問題,讓我們對各項起源有更深一層的了解。

註一:請參閱Don Brownlee的網頁:http://www.astro.washington.edu/brownlee/

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