2016年9月30日

實驗室裡的冥王星

作者/吳宇中(國家同步輻射研究中心副研究員及交通大學應用化學系合聘副教授,研究興趣為分子光譜,光化學與星際化學。)
 
 (插圖:吳宛蓁)

 古柏帶的位置
在太陽系裡,除了恆星與行星以外還存在著各式各樣的小天體。小天體主要為岩石所構成,在過去人們的認知這些小天體僅分佈於火星軌道與木星軌道之間的小行星帶(Asteroid belt)。然而在1992年時麻省理工學院的朱維特(David C. Jewitt)及他的研究生劉麗杏(Jane X. Luu),首度發現在冥王星外側存在的小天體(1992QB1)後,直至今日天文學家陸續發現在海王星外側的空間分佈著總數超過1300顆以上的小天體,稱之為海王星外天體(Trans-Neptunian Objects, TNOs)。這些小天體的密集分佈距離太陽約35~100天文單位(AU)之間,此盤狀的區域在今日稱之為古柏帶(Kuiper belt),因此這區間的小星體又可稱為古柏帶星體(Kuiper Belt Objects, KBOs)。

據估計在古柏帶之中,直徑超過100公里的星體至少超過35000個,它們的數量與質量為小行星帶中相似大小星體數量的好幾百倍。事實上,天文學家古柏(Gerard Kuiper)早在1951年即提出過在早期的太陽系演化過程會形成一個類似的圓盤,而且他認為這個狹長的圓盤迄今依然存在。而這些在早期太陽原行星盤上沒有形成行星的碎片,在相互吸引碰撞後組成了微行星帶,並被行星拋射至外太陽系。因當時古柏的推論是合理且正確的,也因此這個區域就取名為古柏帶。除此之外,古柏帶亦被天文學家認為是短週期彗星(週期短於200年,如哈雷慧星)的發源地,而長週期的彗星發源地則被認為來自於太陽系更外圍的歐特雲(Oort cloud),距離約為1千到10萬天文單位。
 
冥王星的化學反應模擬實驗
這些海王星外天體或是古柏帶天體中最著名的即是原本被定義為行星的冥王星了,自從2005年在古柏帶發現了比冥王星更大的鬩神星(Eris)後,於2006年的國際天文聯合會議(International Astronomical Union, IAU)中重新定義其身份為矮行星(dwarf planet)。而目前承認的5 個矮行星,只有穀神星(Ceres)位於小行星帶,其餘4個皆位於古柏帶。這4個矮行星以大小排序分別是鬩神星(Eris)、冥王星(Pluto)、鳥神星(Makemake)以及妊神星(Haumea)。

在過去數十年,冥王星的資訊一直是透過天文望遠鏡遙測的方式獲得,然而冥王星距離太陽實在太遠,因此利用冥王星表面反射的太陽光取得的光譜資料的方式,來瞭解冥王星上的資訊是非常困難的。也因此在過去數十年我們對冥王星的資訊很有限,大概只知道冥王星有很稀薄的大氣(約為地球大氣壓的1/100萬到1/10萬),大氣組成主要為氮氣和少量的甲烷與一氧化碳。而表面的溫度受到冥王星本身的自轉週期及橢圓軌道的影響,約分佈在-240~-218°C之間。當溫度較高時,覆蓋在表面的冰轉而揮發進入大氣,而當溫度較低時大氣冷凝回表面,因此大氣與表面冰層的主要組成成分類似,而且比例呈動態的平衡,相互影響。

在2012年時,美國西南研究院的科學家利用改裝後的哈柏天文望遠鏡,首次測量到冥王星表面紫外光譜在波長220奈米處有明顯的吸收,當時科學家就推測此吸收訊號可能來自於表面的碳氫化合物,或是腈(nitrile)這類的有機分子所致。

當時看到這篇報導引起了我的興趣,因為此時我在國家同步輻射研究中心星際化學實驗室才剛建置完成,正好需要一個研究的主題方向,而且美國航太總署(NASA)所發射的新視野號(New horizons)無人探測船預計2015年與冥王星接觸展開一系列更精密的觀測,到那時冥王星的研究一定會達到高峰,當時我覺得這正是一個切入研究冥王星上的化學反應的好時機。我們利用新建立的電子轟擊/間質隔離系統與同步輻射紫外光束線結合,開始進行一系列模擬冥王星表面化學反應的研究(圖一)。


圖一:電子轟擊 ∕ 間質隔離系統。(作者提供)

利用氦氣密閉循環低溫系統可以提供中心腔體的樣品靶達到低於10K(−263.15°C)的溫度,同時也可利用溫度控制器,將精確的控制樣品靶到我們想要的低溫。中心腔體與下方的高真空分子渦輪幫浦相連接,使得腔體內部的氣壓可以維持在超高真空的環境。另外系統側邊的電子槍可提供高能量的電子束,模擬分子經由宇宙射線轟擊所誘發的化學反應,而系統左邊則連接同步輻射的紫外光光束線,由同步輻射提供高能量的紫外光模擬由照光所誘發的反應。......【更多內容請閱讀科學月刊第562期】

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