2009年8月30日 星期日

紅色行星:衛星

°•. 兩個小跟班

兩個黑暗的衛星緊貼著紅色行星疾走,它們是弗伯斯(害怕)和迪摩斯(恐怖),它們的名字來自戰神的隨從。只是在真實世界裡,它們完全不是那麼一回事。較大的弗伯斯直徑約14英哩,只有地球的月亮直徑的1/155,若在其上漫步,一天就走完了。如果你在地球上重100磅,在弗伯斯的重量只有一盎司。迪摩斯就更小了,直徑約8英哩。這兩個衛星都很像小行星,它們都是馬鈴薯形狀、且有不少環坑,表示它們可能原來屬於小行星帶,因接近火星而被火星重力捕獲。實際上,它們也不會比造成恐龍大滅絕的那顆小行星大多少。再4千萬年後,弗伯斯也將墜毀於火星沙漠裡。

°•. 發現

在1726年時,真正有人看到它們之前的150年,史威福就相當準確地描述了弗伯斯迪摩斯。在史威福的著名小說「格列弗遊記」中,他以反省的筆觸敘述主人翁一路上遇到許多不可思議的科學家,最後到達幻想仙境。史威福抨擊當時的普遍想法,就是科學可以引領人類到如同上帝一樣。他認為一昧地追求完美最終只會讓慾望戰勝人性。所以格列弗在第四次也是最後一次的旅程時,他到了一個地方,那裡的馬十分聰慧而人類卻極為野蠻,使他下了一個決定,再也不要回到人類當中。

格列弗在第三次的旅程中,他到了飛行島嶼拉普塔,遇上了一群天文學家,他們控制島嶼在天空中自由飛翔。這群天文學家的智識遠超過他們的歐洲同儕,他們的星圖上登錄了三倍以上的星星,而且發現了93顆彗星。他們也發現兩個更小的星體,或是衛星,環繞著火星。靠裏面的那個與主行星中心的距離為主行星的三倍直徑,外面那個為五倍。前者繞行時間為10小時,後者為21.5小時。它們的周期的比例為10:21.5,它們距火星中心的距離的立方的比例為9:25,兩者十分接近,明顯地表示它們受到相同的重力定律所規範,而重力來自天空中其它物體。史威福另一項鐵口直斷是他筆下的衛星環繞火星的時間比火星自轉還快,因此火星的居民將看到衛星由西邊升起、東邊落下,和當時所知的衛星完全不同。

天文學家第一次真正看到火星的月亮是在1877年。仔細說起來,這要歸功於前一年的土星觀測成果。美國的天文學家郝爾使用位於華府的美國海軍天文台望遠鏡,發現在土星表面上有一個白色斑點,這個斑點會隨著土星自轉而移動。一夜又一夜,經由觀察白班的位置,郝爾算出了土星的自轉周期,這個數值比當時的教科書所寫的少了將近15分鐘。

郝爾因此對現有書籍的繆誤和不負責任的製作方式感到不滿,他也懷疑每一本書上所說:「火星沒有月亮」的真實性。因此,當火星在1877年接近地球時,也就是夏帕雷利「發現」火星運河的那一年,郝爾決定搜尋火星的衛星,將海軍天文台最新的26英吋望遠鏡對準火星。

他知道這個工作將十分困難,其他的天文學家早就試過了,什麼都沒找到。而且,火星不夠大,如果它真的有衛星,必定離它很近,否則太陽的重力會將衛星拖離。麻煩在於從地球觀察時,如果它們真的那麼靠近,衛星會被火星的光芒一面倒的壓制住。現在我們知道,弗伯斯的亮度只有火星的二十萬分之一,而迪摩斯只有六十萬分之一。此外,當火星衝時,火星通常在南方天空,所以澳洲的天文學家會有更好的發現機會。辛苦許久後的某一夜,郝爾發現火星旁邊有一個昏暗光點,後來證實只是一個遠方恆星而已。郝爾心灰意冷決定放棄,但是他的太太鼓勵他繼續下去。

為了增加他的機會,郝爾將望遠鏡儘可能接近火星但讓紅色行星及其光輝在鏡頭可見範圍之外。他後來在筆記上寫著:「要找到火星的衛星有實際上的困難……我打發我的助理回家。很自然的,我想要一個人清靜一下;而且很幸運的是,德雷珀博士正巧邀請他到杜伯津作客。當第一顆衛星幾乎在我手裡時,他最遠只會到巴爾的摩而已。」

郝爾在1877年8月11~12日的夜間2點30分時發現了迪摩斯,他寫道:「我只有一點點時間確認它的位置,因為由[波多馬克]河上飄來的大霧中止了觀察的工作。」雖然迪摩斯弗伯斯小且暗,但是它的位置離火星的光輝比較遠,反而較容易找到。不過,郝爾在那個時候還不能確定他看到的小小光點是一顆衛星,因為也可能是背景中的遠方恆星。郝爾希望繼續觀察該物體,看看它會不會隨著火星移動,若是衛星則應如此;但是在天亮之前天氣一直沒有好轉。接下來的三個夜晚依舊是多雲的天氣。在8月15日的晚上,由於黃昏時有一場大雷雨,即使天空已轉萬里無雲,空氣擾動卻很厲害,火星就像是激流中的石頭晃動著。終於在下一個夜晚,郝爾再度看見迪摩斯,確定它一定是顆衛星,因為它和火星一起移動。

在接下的的晚上,已過了子夜許久,郝爾正等著迪摩斯由火星的後面繞出來,他發現了更裡面的弗伯斯。起初,他甚至以為火星有兩個或三個內側衛星,因為他在同一個晚上看到衛星在相反兩側出現。事實上,如同史威福很早以前所說的,弗伯斯繞行火星的時間比火星自轉要快,所以在同一個夜晚它可以同時出現在火星相反兩側。在一個火星日裡,它繞行火星三圈,周期為7小時39分。所以火星上的居民可以看到一個淡淡的月亮由西方升起,在11小時內完成盈虧變化,然後由東邊落下。更暗且更遠的迪摩斯繞行速度較慢,周期為30小時18分,比一個火星日長了約6小時。因為衛星的運行受到紅色行星的重力控制,由衛星的運動第一次推導出可以信賴的火星質量。

郝爾以神話中戰神的隨從為這兩個衛星命名:弗伯斯迪摩斯。這兩個名字是由英國伊頓地方的學者梅登所建議的。梅登家族後來又為另一個小世界命名。在1930年時,他的姪孫女柏妮建議將一個新發現的星球命名為冥王星

就如同史威福說過的,火星有兩個衛星,而且其中一個繞行星的速度比行星自轉速度還快。他是怎麼知道的?其實,雖然史威福是第一個人對火星的衛星作了詳細描述,他卻不是第一個人建議它們的存在;克卜勒才是。雖然克卜勒是一個偉大的天文學家,找到了行星運行定律,並瞭解行星依橢圓軌道運行,但他對占星術及數字占卜也很著迷。克卜勒認為他找到一個行星的衛星數目之數字規律:水星和金星沒有,地球有一個,火星是未知數,木星當時只知道有四個。既然火星在地球和木星之間,所以火星衛星的數目也應在兩者之間,所以他分派給火星兩個,土星則是六個或八個。或許他們都只是運氣好,猜對了,但史威福格列弗遊記的預測又怎麼解釋呢?

所有的英雄和英雌們從此快樂地生活著–在火星的衛星上。1770年代,科學家將弗伯斯上最大環坑命名為史蒂克尼,是郝爾的太太娘家的姓,沒有她郝爾不會繼續下去;在南極附近的第二大環坑命名為郝爾;南半球的一條山脊命名為克卜勒迪摩斯上的一個小環坑命名為史威福

°•. 弗伯斯和迪摩斯

站在弗伯斯對著火星的那一面。因為它實在是太靠近火星表面了,甚至還不到芝加哥檀香山的距離,此時紅色行星的模樣相當於100倍大由地球看月球的光景,讓你沐浴在橘色的光線下,其亮度超過地球上看月球的數千倍。不過,弗伯斯的表面幾乎是全黑的,和新鮮的煤差不多的顏色。在你西邊幾英哩處是史蒂克尼環坑,直徑約六英哩,幾乎是衛星平均直徑的一半。再往南邊是郝爾環坑,直徑約四英哩。如果你不喜歡弗伯斯,你可以隨時離開,用跳的就可以了。因為這個小小世界的重力十分微弱,在向著火星的那一面,脫離速度僅達每小時7英哩。你若從腰際的高度釋放一個石頭,要花上半分鐘才會到達地上。

Deimos Picture - Viking 2Phobos Picture - Viking 2因為微弱的重力,弗伯斯迪摩斯都用不著變成圓形。大的世界,例如地球和火星都是圓的,因為重力會將它們擠壓成形。弗伯斯迪摩斯仍維持馬鈴薯的形狀。弗伯斯最長軸由頂點至頂點為16英哩,次長軸為14英哩,最短軸為11.5英哩。迪摩斯有個類似的外形,只是更小,三軸分別是10英哩、7.5英哩和6英哩。任何一個衛星永遠用同一面向著火星,就如同月球對地球一樣。它們的最長軸都指向火星,次長軸都指向它們繞火星的軌道,最短軸和其它兩軸垂直,最短軸的端點則為衛星的北極和南極。(左為弗伯斯,右為迪摩斯)

註:目前火星全球測量者已傳回弗伯斯最新的高解析度的照片(見下圖),但航太總署還沒有迪摩斯的新拍攝計畫,所以迪摩斯現在最好的照片還是由海盜二號於1976年所拍攝。

Phobos Picture - Mars Global Surveyor

弗伯斯的重量甚至不到月球的一百萬分之一,這是它的低逃離速度的原因之一。此外,火星也有貢獻。如果你站在面對火星的那個端點上,你不止是離弗伯斯的中心最遠,火星的重力也試著將你自小衛星上拖離。如果你站在弗伯斯的另一邊,也就是離火星最遠的位置,逃離速度仍然類似,還是上述的兩個原因,只是這次火星試著將弗伯斯自你的腳下拖離。弗伯斯的最大脫離速度為每小時40英哩,相較於地球的脫離速度每小時25,000英哩,實在是小意思。迪摩斯雖然有個類似弗伯斯的怪形狀,但它的脫離速度變化範圍比較小,自每小時10英哩至16英哩,因為它距火星比較遠,火星重力的影響也比較小。

Stickney Crater - Phobos - MGS兩個衛星都受到數不清的來自太空岩屑的撞擊。迪摩斯看起來比弗伯斯平滑,因為土壤已部份填平了這個較小衛星的環坑。在弗伯斯上,造成史蒂克尼環坑的撞擊幾乎將這顆衛星打碎了。由環坑向外延伸的細溝槽最長可達12英哩,它們可能就是撞擊之應力造成的。火星可能曾經擁有不止兩顆衛星,但也可能曾經有比造成史蒂克尼環坑更大的撞擊,因而失去它們。

由於這兩顆衛星,以及它們的低逃離速度,火星應該有兩個塵環才對。這兩個塵環的成因是發生在弗伯斯迪摩斯上的撞擊將物質彈射開來,而這兩顆衛星的重力實在太弱,無法保有這些物質。但這兩個塵環實在太暗了,目前還沒被觀測到。

弗伯斯迪摩斯都很黑,它們對光線的反射度只有百分之七。它們的密度也很低,不到水的密度的兩倍,約為火星密度的一半。它們的黝黑程度和低密度顯示它們是由含碳粒體的物質所組成,這種黑色物體在外小行星帶十分常見。事實上,以它們的黝黑程度和低密度來看,弗伯斯迪摩斯和科學家分類為C類(含碳的)的黑色小行星極為相似。在1991年和1993年時,它們和小行星的類似性得到更多的證據,飛往木星的伽利略太空船航行通過小行星帶,並傳回第一張小行星的近照。伽利略號飛掠兩個小行星,葛斯普拉伊達,它們也是馬鈴薯形狀、帶有環坑,就像弗伯斯迪摩斯一樣。接著於1997年近地小行星會合任務休梅克太空船飛掠小行星瑪蒂,再於2001年降落在小行星愛神上,都得到相同的觀測結果。

火星的兩個衛星可能原來真的是小行星,然後被紅色行星抓住。分析一下,火星在小行星帶旁邊,它的巨大鄰居住在小行帶的另外一邊,無疑地也在小行星狩獵中分到一份。木星外側的衛星環繞木星的軌道都極橢而且極為傾斜,還有許多以反方向運轉,所有跡象都顯示它們不是和行星同時形成的。土星、天王星、海王星也都有捕獲的衛星。

麻煩是雖然弗伯斯迪摩斯外形很像是捕獲的衛星,但是它們又不遵循捕獲的衛星應走的路線。兩顆衛星都十分接近火星,而不是在遠遠的外側;它們的軌道都接近正圓,而不是極橢;它們繞火星的軌道面幾乎和火星的赤道面相同,不是傾斜一個大角度;而且它們繞行火星的方向和火星自轉方向相同,不是反方向運轉。因此,某些科學家猜想它們可能是與火星一起形成的,來自相同的物質。但這樣就很難解釋它們為何看起來和火星有這麼大的差別。

罕見的是天文家正在觀察弗伯斯最後1%的生命。在1945年,夏普利斯在發現這顆衛星的同一個天文台工作時又有了新發現,弗伯斯的軌道正在衰減中。他也發現弗伯斯的速度正在加快。聽起來怪怪的,其實是很正常的軌道運動學,當一個衛星向內掉落時,它必須運行快一些,以避免它墜毀在行星上。就像是一個學生的成績變差了,他必須更加努力以免更糟的分數出現。如果弗伯斯的軌道在自發現它後就沒有縮小過,那現在它在軌道上的位置快了約20度。

在1959年,蘇聯天文學家史克勞夫斯基曾因此而提出一聳動觀點,他認為弗伯斯迪摩斯不是自然的衛星,而是失落的火星文明所留下的太空站,一種想像甚至連洛爾都沒有夢想過的。史克勞夫斯基寫道:「這個構想,火星的月亮是人造衛星,或許一開始聽起來很不可思議。以我的觀點,它值得慎重考量。」史克勞夫斯基也相信地球以外的文明是共產主義,因為資本主義的星球最終會自我摧毀。

史克勞夫斯基的理由是,弗伯斯的軌道一直衰退的原因是它和火星的大氣層產生摩擦。要由大氣層的摩擦力產生所觀測到的衰退率,他計算出弗伯斯的密度不會超過水的千分之一,因此它必須是中空的才行。同樣的道理,弗伯斯的同志迪摩斯也是人造物體。不過當美國太空船第一次拍攝到這兩顆火星衛星的近照時,有一個官方笑話一直在流傳,如果它們真的是太空站,火星人將它們偽裝的太好了。

弗伯斯不會活多久了。依據最新的觀測結果顯示,它與火星的距離每年減少1~2英吋,不止是因為和火星大氣層摩擦,還因為弗伯斯和火星彼此之間的潮汐力量。除非人類介入拯救這顆衛星,它將在4千萬年之後撞上火星表面。曾經有多少個火星衛星面對相同的命運呢?迪摩斯是安全的,因為它與火星的距離比較遠。理論上,迪摩斯應正在遠離火星,不過目前還沒有觀測證據。

對在火星表面的居民來說,火星的任何一顆衛星在晚上都沒有什麼看頭,若和地球居民看月球相比的話。因為火星的兩個月亮雖然很靠近它,但實在是太小。由火星看弗伯斯的大小相當於地球看月球的大小的三分之一,亮度為二十分之一。迪摩斯看起來像個恆星,只是亮度比地球看金星高一些。此外,由於這兩個月亮和火星十分接近,像是弗伯斯與火星表面的距離只有月球至地球表面距離的1/63,所以它們的陰暗面都會發亮,這是因為太陽光由火星表面反射而形成。同樣地,地球也會反射太陽光,稱為「地球照」,照亮月球的陰暗面。只是「火星照」強了很多。

弗伯斯迪摩斯在火星的天空中以相反的方向運行。弗伯斯由西向東疾行,每天升起及下降2~3次。迪摩斯則緩步徐行,幾乎要三天才完成一次月出及月落。因為這兩顆衛星都很接近火星,軌道也十分接近火星的赤道面,所以火星南北兩極的居民完全看不到它們。

在未來,這兩顆衛星是有可能當作太空站,為火星殖民服務。因為它們的低逃離速度,很容易發射太空船至火星表面。而且,它們都能提供底下世界的奇妙景觀:沙漠行星和高大的火山、巨大的撞擊盆地、非比尋常的大峽谷、籠罩全球的沙塵暴,以及未來前往火星冒險的地球生命。

0 留言:

張貼留言