Cited from 臺北星空 (Taipei Skylight) 21 (2003年秋) 9 - 15



雖然火星一直是令人著迷的行星、

但爲何它不再是天文學家的最愛

 

/南政次

/高銘鴻

審定/陶蕃麟

葛必揚

編輯/劉愷俐

 

前言

 

火星在今年夏天將以前未有的程度接近、這是自克羅馬儂人(Cro-Magnon) (編者註:出現於新石器時代西南歐的人種、距今約四萬年前)的時代以來、火星最接近地球的一次。然而、這些年來火星似乎没有獲得傳統的天文學家密集的關心。

2001年之中的一段長時間裡、火星表面被一「大黄雲」(giant dust cloud)所掩蔽。這一現象提供天文學家難得的機會來研究火星的大氣動力學。當「大黄雲」出現時、國際天文學聯合會快訊(IAUC)並未宣佈此一消息、同時哈伯太空望遠鏡(HST)也没有在此急切的時機將攝影機轉向火星。

.

本文將描述為何在天空中曾經是迷人的星體,吸引著人們的注意並且豐富我們物理知識的行星火星,在現代天文物理學系的實驗室或天文台,卻不再是天文學家最愛的研究主題。我們也將討論現代的科學組織與系統,如何不適於火星獨特的性質及不能生專注於火星的現代科學家。有些人可能認為哈伯太空望遠鏡或火星全球勘測者號(MGS)的任務已可提供許多研究火星必要的資料;但是,事實上這樣還是不足的。

 

魅力續增之行星

 

從天文學中,人們認識到星體是一運行不止的物體易經所稱的天行健。在太陽系的行星中,木星規律和適時的運動,自古以來中國人即稱它為「星」(編者註:木星公轉週期約11.9年,與我國地支12年週期相近)。另一方面,火星以怪異和不祥的運動著名,而被稱為熒惑。火星的軌道非常鄰近地球的軌道,並且有較大的離心率。這提供人類一個好機會及早地追求科學的真理。如果火星軌道意外地變得較圓,而且沒有複雜的運動方式,刻卜勒(Johannes Kepler, 1571 - 1630)可能永遠不會發現其著名的行星三大運動定律。我們更可以:牛頓(Isaac Newton, 1642 - 1727)的物理世界,可能也將因此而延後誕生。由於牛頓的運動方程式在建構工業化、知識性的現代世界,扮演著一個決定性的角色,因此我們可以,火星的運動對人類的生活曾經扮演過決定性的影響。此外,即便在現代科學出現之前,火星也在傳統的思維思辯上,扮演著重要的角色。以日本為例,無人不知的聖德太子(他是推古天皇的攝政王),是一位六世紀時期的貴族,有一則關於他的傳與火星關連在一起。傳581年時,當時聖德太子年僅九,他聽有一個小男孩唱著歌進入到大阪的住吉海中,太子那是熒惑星,這個法令包括天皇在的許多人覺得十分驚異。在名為 "聖德太子傳 " 的古籍上是這樣記載的:

 

太子侍側奏曰, 是熒惑星也, 天皇大驚問之,何謂, 太子答曰, 天有五星, 主五行, 象五色, 星色青, 主東是木, 熒惑色赤, 主南是火, 此星降化, 為人遊童子間,好作謠歌, 歌未然事, 蓋是星歟, 天皇太喜.

 

這則傳當然是被用來歌頌年輕的聖德太子的才能,儘管在某些層面上,年的聖德太子成為一位悲劇的英雄。中國人可以很容易地指出此一傳是源自於中國的古籍晉書天文志。無論如何,火星(熒惑)是古代東方一個智慧的象,也是中國文化傳遞到日本的一個標誌。

 

接近火星表面

 

火星在天空中複雜的運動方式吸引人類的注意,並激勵人類在十七到十八世紀間發展了天體力學。同時,十七世紀望遠鏡的發明,使得人類對火星表面的研究生新的興趣,第一次對火星表面作有意義觀測的是(1659)惠更斯(Christian Huygens, 1629-1695)。在165911287時,惠更斯用焦距 680 公分的折射望遠鏡,觀測到火星盤面的中央有一個黑暗的大標記。到 930分此標記移動至火星的西側。不久,這個大標記被史基阿葩雷利(Giovanni Schiaparelli, 1835 - 1916)命名為「大三角」(Syrtis Major),至今依然可見。火星在 1659 11 24日最接近地球時,最大視直徑達 17.5角秒;12 1日發生「火星衝」。惠更斯在 12 1 6 30 分及8時又作一系列的觀測,他觀察到「大三角」因火星自轉而再度移動。惠更斯因此而認知到火星的自轉週期與地球自轉週期相近,接近24小時,但比地球長約40分鐘。惠更斯是十七世紀最著名的科學家之一,也是一位天文學家,土星的衛星泰坦(Titan)即是他發現的。惠更斯對土星三重行星的謎提出過睿智的觀點,他認為三重行星是由於土星存在一個環的關係,此環與道有約20°的傾斜。惠更斯也是一個著名的物理學家,他是光的波動理論的先驅(例如惠更斯定理等)

 

惠更斯在 1659 11 28日畫的一系列火星圖第一張畫於19時,圖中接近中央子午線的黑暗標記為大三角(Syrtis Major) 2.5小時之後,他發現大三角旋轉了 40 °

 

 

 

然而我們要強調,惠更斯在 1659年與「大三角」的相遇固然令人欣悅,但那相當偶然。如下文所述,在火星上獲得這樣的研究成果不是件容易的事。發現火星南極冠存在的也是惠更斯,但那已是 1672年了。

 

火星表面的研究從十七世紀至十九世紀持續不斷地進行,例如卡西尼(G. Cassini, 1625-1712)、馬拉第(G. F. Maraldi, 1665 - 1729)、都意斯(W. R. Dawes, 1799 - 1868)、赫協爾(W. Herschel, 1738 - 1822)、普洛特(R. A. Proctor, 1837 - 1888)、史基阿葩雷利(G. V. Schiaparelli, 1835-1910)、羅威爾(P. Lowell, 1855 - 1916)、安東尼雅第(E. M. Antoniadi, 1887 - 1944)等。他們的研究延續到二十世紀(文獻一)。在此,我們將不深入探討十八、十九世紀火星觀測的詳細情形,也不討論如火星運河網路及火星居民等的假想。但是,我們會談些業餘天文者至今仍持續對火星的關愛。史基阿葩雷利或許真的是一位職業的天文學家,但是他花用在天文台的精力並不多(位於義大利米蘭的Brera天文台),在那裡他也是隨性地工作。羅威爾在1896年於美國亞利桑那州旗桿城 (Flagstaff) 火星(Mars Hill)建立的天文台配備的是 61 公分折射望遠鏡,望遠鏡是大的,但此天文台是一個私人的研究單位(文獻二)

 

羅威爾天文台過去可以用大部分的時間進行行星科學的研究,但是現在可能無法再這樣做了。創立於1882年之Pic du Midi de Bigore天文台位於法國和西班牙邊境高 2876 公尺的庀里牛斯山,因為大氣擾動很小,因此是觀測行星、太陽,星際介質、銀河等的最佳觀測地點之一。例如 1941 年萊歐特(Bernard Lyot, 1897 - 1952) Pic天文台拍得的一些由數張影像疊加而成的火星照片,到現在還是引人入勝。都爾福斯 (Audouin Dollfus, 1924)一直是Pic天文台積極的行星研究工作者,他在 1956 年以 60 公分折射望遠鏡觀測到巨大塵暴(Great dust storm)所畫的圖像,至今仍然深具意義(文獻三)。我們知道都爾福斯直到1980年代都在研究火星,但是,自此以後我們很少聽聞有年青的一代繼續在Pic 天文台對火星做有系統的研究。

 

實驗室與天文台近來的發展情形

 

舉個例子來,任何一所國立大學的預算都受單一會計年度所控管,在大多數大學實驗室的專業研究成績,都被要求以會計年度為單位,來展現他們的成果。人事變動也常是如此。世界上屬於國家級的天文台,其規模都較大,這也導致其預算受到更嚴格的控管。然而,如果要求短期就獲得研究成果,則火星的研究就不會是一個適當的主題或計畫,原因我們將稍後明。再者,研究主題的規範,都是以能在一個實驗室或天文臺獨立自主進行為原則。因此,任何個別的研究者將毫不猶豫地放棄以火星作為研究的主題。這個因素也將解釋於後。

 

依此情形,我們或許能瞭解,為何天文學系或天文物理科系必須終止培養那些想要參與火星研究的學生或剛畢業的學者。一個罕見的例外是京都大學已故的教授宮本正太郎(Shotaro Miyamoto, 1912 - 1992)。他的學術生涯開始於1943,他的博士論文,研究行星星雲,他專長於氣體星雲的發射理論、中子星、日冕和色球層的動力理論。1948年之後他成為京都大學天體物理系宇宙物理學教室的專任教授,1958年他升任為京都大學附屬花山天文台的台長。1956年當他43時開始觀測火星,並於 1958 196611963 1965196719691971 1973年持續的觀測,1976年屆齡退休(文獻 4)。起初他以一架古老的 36公分Cooke折射望遠鏡觀測,後來改成為新的45公分蔡司折射鏡。同時他以台長的身份建立另一個新的天文台-飛天文臺(Hida Observatory),這個天文台配備有60公分蔡司折射鏡。旁人不需要追隨宮本正太郎走過的快樂的道路,這無庸置疑;我們或許不能60公分折射鏡自宮本正太朗以後仍然被充分地利用,但是我們可以這一代較年青者,尚未生使用45公分與60公分折射鏡的人。

 

困境之一

 

我們現在處在一個得思考的位置上,為何在天文系所的一般研究計畫中,火星的研究不容易被包含其中?我們應該可以把第一個原因歸咎於火星特點:火星無法在短暫的時間裡,提供訊息給我們。以木星為例,除了在『合』的短暫時間堙A年我們都可以觀測到木星。然而,火星22個月才接近地球一次。如果我們要完整地追蹤火星季節,我們將需要費時 15 17 年的時間才能完成。因此,我們可以,任何實驗室或天文台的學生,如果他要選擇火星氣象學作研究,則實驗室或天文台,必須對這位學生提供一個為期15年的資助費用。然而,以目前各學系的

組織況是無法滿足這個期望的。

 

羅威爾天文台累積的數據呈現出間隔15年的分佈不均衡性,由此可以看出火星近日點重現對觀測火星的影響。

 

就火星近日點的情形,他們總共拍到約17000張的影像,而位於南非 Bloemfontein Lamont-Hussey 天文台用 69 公分折射望遠鏡在1933 年的遠日點總計還拍不到 500 張的影像(文獻 5),在 1948年他們也才獲得了 1000張影像。而 1956年的火星近日點, 在旗桿城與Bloemfontein就拍了48000張影像。由於羅威爾天文台關心的目標主要是探火星運河,因此他們需要等待15年一次的火星近日點以取得大的火星視直徑。最後他們的這些追尋失敗了,類似的計畫在一般的公立天文台是不可能被採行的。

 

更嚴格的,如果我們儘可能等待大的火星視直徑時機,則當視直徑超過25角秒的年份是最適合的。在二十世紀中,1924年是唯一的事例,當時視直徑達 25.10 角秒。在 79 年後的 2003 8 27 日的火星視直徑達 25.11 角秒。反過來25角秒的大衝是非常罕見的。對於羅威爾天文台的史利弗(E. C. Slipher, 1883 - 1964)而言,他從1907年到1960年間所拍的火星相片,只有1924年所拍的相片才是合用的。當年他拍了 12000張火星相片,但是不幸的是那時相片感光劑尚未發展完全。79年的週期比哈雷彗星的週期還要長,一個人的生命中是無法遇到一次以上的此種景象。

 


1956 Audouin Dollfus Pic du Midi天文台用60 公分折射望遠鏡所畫之火星圖。左圖中顯示大雲覆蓋著南極地區。註:曙光灣(Aurorae Sinus)與太陽湖(Solis L.)在圖中;一個月後 Dollfus在幾乎相同的LCM 下畫了第二張圖(右圖)

 

儘管不符合當代的觀點,但我們不能否認,仍可能會有人在這罕見的機會上下注,去作相關的研究。

 

79年的週期

 

火星對地球的相對運動有一個約79年的大週期是可以理解的。令 P為火星的平均會合週期,Q為地球的公轉週期,則P - 2Q是地球環繞太陽二次後再到達會合週期所需要的天數。如果將這些額外天數乘上整數,生另一個Q的整數倍數,則一個循環將會發生。

 

因此,假如一個正確的週期性存在,我們應該可以得到下列公式:

 

mQ=n(P - 2Q)

 

公式中的mn是任意的正整數(自然數)。這個公式可以改寫成為:

 

Q/(P - 2Q)=n/m

 

上式中的 n/m應是有理數,但實際上我們可能遇到 n/m是無理數的情形。因此上式代表的是一個近似的方程式。現在,我們注意到公式可繼續改寫為:

 

(2n+m)Q=nP

 

這個公式指出 2n+m乘上Q會正比於P;因此當公式成立時2n+m代表再次會合的年數。實際上Q P 分別為 Q=365.256 P=779.94(文獻6)。所以 Q/(P - 2Q))=7.390-----

 

這個是個無理數,永不停歇。因此,我們這裡選出幾個合理的近似來逼近它。首先,如果我們選擇n/m等於739/100。雖然它是一個好的近似,但是,循環的年數變為2n+m=1578;這個太大,不會引起人們興趣。(依據(文獻)1578 年前,即火星在西元 425 8 9日與地球「大接近」,當時的視直徑為24.63 角秒)。因此,我們必須將 739/100=147.8/20 推導為另外合理的數。而 148/20 是一個候選數

這數值產生「316年」的週期性。而148/20等於 35/5 ,在此條件下 2n+m成為 79。這結果指出 79 年的週期與 316 年的週期的正確性相同(316=4×79)。而316年的週期又相當接近於1578年週期。依上述結果,在2082年我們將會遇上另一次火星「大接近」(最接近日期是830日,最大視直徑為 25.06 角秒(文獻 )。現今活著的世人大多無見此「大接近」。但在2082年以前,我們將在2050年有另一火星「大接近」再現,它是 1971年我們已經過的「大接近」的再現;附帶一提,我們注意 7.390落在有理數 7 8 之間。同時 n/m=7/1 8/1 將導致 2n+m分別等於 1517 。因此,15 年或17年的再現期,正是我們非常粗略估算的近似結果。

 

困境之二

 

火星的另一項特性,使天文台欲獨自選擇火星為研究主題的難度增加。如前所述,火星自轉的週期接近地球的自轉週期,只比地球長約40分鐘,這是惠更斯首先發現的。這為觀測火星引入一特殊的因子。簡而言之,任何個別的天文台或觀測站不能連續地追蹤火星上特定的現象。如果我們在一個固定的天文站觀測,理想況下我們可以在「火星衝」的時候,觀察火星由東昇到西沒約 8小時之久。這表示我們一天之中能觀察火星約 120°的表面;同時這也暗示我們無法觀察另外 240°的火星表面。那麼次日又如何呢?因為火星自轉週期比地球長 40 分鐘,因此在 24 小時後,火星僅旋轉 350 °,差了 10 °才轉足一圈。這表示,如果我們要觀察火星另外 120°的表面,我們將需要另外12天的時間。因此,若要觀察整個火星的表面,我們至少需要 36 天的時間。事實上,一天要觀測 8 小時是不容易的,而且還可能遇到陰雨天。如果我們要追蹤火星上一個正在擴張或移動快速的現象,單一的觀測站是無法達到我們的需求。

所以,我們應該考慮用下列方式:

假設某個時刻,火星在格林威治(本初子午線 0°)南方的子午線上閃耀, 8小時後它將移動到加州附近(120°W),再 8 小時後,火星將移動至 120°E 附近(包含台灣地區)。這也就是,如果英國、加州及台灣之間有觀測的合作,則在一天當中是有可能觀測到火星全部的表面。如果在格林威治的一位觀測者,觀測到火星的子午線灣(Sinus Meridiani);則在加州的觀測者將觀測火星上 120°W 的區域;而台灣的觀測者可以觀測到火星上240°W 的區域。如果能有更多的觀測站加入這「三點觀測站」,我們深信將會獲得更豐富的火星觀測資料。

 

這個想法是羅威爾天文台在1954年和1956年火星近日點之際提出來的,並經由國際火星委員會(IMC)推動。但是過去我們並沒有充分告知此有此一想法。日本設置一個國家火星委員會,來呼應羅威爾天文台的想法,這又發生一段小插曲:國際火星委員會郵寄一套新的乾片給日本的國家火星委員會,這些乾片是用作火星的合作觀測。但是乾片很難通過神的海關。可能神的海關官員並不關心任何這樣的事務,管他什麼火星?什麼國際性的?當然,這樣的困惑並不是只在日本發生的特例,在天文學不普及的任何地方都可能發生的類似的情形。

 

至今我們未曾聽到其他任何有成效的合作計畫。要建立一個觀測火星的合作聯盟,我們將需要全世界數個研究機構聯合起來,而且這些機構是真正有興趣於長期觀測火星。

 

展望未來

 

關於合作觀測火星,筆者舉一個代表性的例子,這發生於2001 7 9日,筆者待在沖繩島一個月觀察火星,當時火星正被 2001年的大雲所掩蔽著。事情就在筆者抵達那霸的次日發生。當時我們愉快地觀測火星並接收以電子郵件傳送給我們的資料。這些工作進展可以證明,我們非常充分地追蹤火星表面:首先, Do n P a r k e r 在佛羅里達州以目視及CCD觀測在中央子午線經度(LCM)334°W354°W的區段。接著,維吉尼亞州的Sam Whitby觀測在LCM=340°W的區段。亞桑那州鳳凰城的Dave MooreCCD繼續拍攝了LCM=023°W028°W區段的影像。來到大洋州有 Maurice Valimberti 在澳洲的墨爾本拍LCM=084°W090°W的影像;在馬紹爾群島的 Kent de Groff獲得了 LCM=087°W 097°W的影像。隨後火星來到日本;在那霸伊舍堂弘與南政次以 LCM=110°W183°W之際進行觀測。在這段時間,在那霸的比嘉保信拍攝LCM=130°W178°W影帶;在藤澤的村上昌己觀測 LCM=139°W 的區間;在廣島的森田行雄則拍下 LCM=154°W CCD影像。同時,我們也已經收到新加坡的陳韋龍所拍LCM=164°W170°W範圍的 CCD影像。所以,火星整個表面有一半以上,被我們連續而綿密地觀測。很不幸,2001年的火星低垂,使北半球不易觀測(火星位於天蝎座與人馬座),因此歐洲的觀測者幾乎難以動員起來。稍後,收到了79日在巴西的Nelson Falsarella拍的LCM=260°W 276°W 293°W的影像。我們可以這些觀測人員都是不受契約束縳且與世界上觀察火星的實驗室沒有任何關聯。前面所提到的美國人是隸屬於月球與行星觀測協會(ALPO)之火星部門;而日本的觀測人員則屬於東亞天文學會(OAA,創立於1920)之火星部門。屬於火星觀測的「三點觀測站」成員之一的英國天文學會也有火星部門,而且是史最悠久的。

 

火星今年(2003)2001年更為閃亮,而且已經有來自於美國、義大利、法國、葡萄牙等的數位CCD觀測者加入火星觀測。在亞洲,來自於香港的兩位觀測人員瞄準著火星。因此,今年火星觀測的情況比以往改善了很多。

 

南政次在 1988 9 23 16 30(格林威治時間)於台北所畫。中央子午線經度 LCM=154°W,季節=278°Ls ,視直徑= 23.8" ,圓山天文台 25公分折光式望遠鏡。註:可看到南極冠在圖的頂端,西蕾海(Mare Sirenum)接近子午線,太陽湖(Solis Lacus)連於。在北半球的奧林巴斯山(Olympus Mons)呈圓形,明亮可見。在迎日的黑點是 Propontis I

 

筆者承蒙蔡章獻台長的允許,曾經在1986年與1988年於台北市立天文台停留過二次(原圓山天文台,已於1999 年拆除),觀測火星近日;因而瞭解到台北是一個合適且美好的觀察火星的地點。因此,我們期待在台灣能有數位長期觀察火星的觀測者生,來把握住今年火星「大接近」的機會。最後,關於火星的全球觀察,我們可以哈伯太空望遠鏡是優於地面的觀測者。因為哈伯望遠鏡是一個可移動迴轉的實驗室並且提供詳盡的火星表面資料。事實上,1999年哈伯太空望遠鏡在火星上靠近阿基達利啊海(Mare Acidalium)北邊的Baltia處發現一個颱風,而且追蹤觀測這個颱風一整天。但是,哈伯太空望遠鏡卻不能提供前一天或後一天的颱風訊息。然而,幾位業餘的天文愛好者在地面的觀測站也追蹤到相似的如鬼魅般的白雲。我們的觀測雖然不明確,但參照哈伯望遠鏡的資料,可以提供颱風的規模與尺度。我們應該可以如是:哈伯太空望遠鏡的影像資料對我們的觀測是有益的,且可補充我們觀測之不足,但是同樣地,我們的觀測也可以提供長於一星期的較長週期資料。

 

火星全球測量者號(MGS)的任務提供一個長期的觀測及詳細的訊息。但是不幸地MGS的設計使得觀察的時間都是下午二點鐘(編註:MGS以繞極軌道天環繞火星12次,也就是兩小時環繞火星一週,次均由軌道攝影機(MOC)分別拍攝紅光與藍光的半球照片一張,用來製作火星的全球氣候圖。由於自轉週期是軌道週期的整數倍,導致次攝影都是火星地方時間的下午兩點鐘)。他們僅從下午二點的資料就作火星全部盤面的觀測,因而生奇怪的景象:在早晨的一邊卻可見到下午的雲;另外,對於火星氣象學觀點而言,雲、霧、白雲或塵埃的資料都非常重要,特別是在晨曦下所觀測到的,而MGS永遠不能提供晨間時段的資訊。

 

從前,火星的觀測被賦予不同的意義,但是如今僅限於火星氣象學中季節的觀測。地球上的觀測站進行認真的合作,對火星作為期 15 17年的觀測,現今仍然有存在的價,這個任務或許要持續到火星觀測衛星的數量充足,或是人類已經登陸火星,並且在火星上生活至少一個火星年之後。

 

文獻

(1) William Sheehan, The Planet Mars, A History of Observation and Discovery (University of Arizona Press 1996)

 

(2) D. Strauss; Percival Lowell (Harvard University Press 2001)

 

(3) A. Dollfus;50 Ans d'Astronomie (EDP Sciences, 1998)

 

(4) 宮本正太郎論文集 (京都電腦學院 1993)

 

(5) E. C. Slipher; The Photographic Story of Mars (Sky Publishing Corporation, 1962)

 

(6) The Handbook of the BAA for the Year 2003

 

(7) J. Meeus; Astronomical Table of the Sun, Moon and Planets, 2nd Ed (Willmann-Bell, Inc. 1995)

 

作者:南 政 (MINAMI Masatsugu)

Director, the Mars Section of the OAA東亞天文學會 (日本)

 

http://www.tam.gov.tw/Taipeisky/21/09-15.pdf

 


Back to the Façade /Back to the CMO Home Page