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對面的E.T.看過來!韋伯太空望遠鏡曲折的追星路──《五十億年的孤寂》

  • 【科科愛看書】在浩瀚無垠的宇宙中,誰願意寂寞寂寞就好?自古以來,每當人們仰望星空,都希望找到其他生命的痕跡,即便旅途漫長艱辛,我們也從未停止腳步。讓我們跟著《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》了解人類探詢外星生命的故事,或許有生之年,你我便能在光年以外,找到外星好厝邊。

劃時代望遠鏡,揭開宇宙面紗

當哈伯望遠鏡在二十一世紀頭十年或二十年達到使用年限後,它就會脫離軌道墜入太平洋,一台更具革命性的全新自動軌道天文台,將會取代它的位置。1996 年,發布了哈伯望遠鏡的後繼者──「新一代太空望遠鏡」(Next Generation Space Telescope);2002 年,為了向在阿波羅計畫光榮時代帶領 NASA 團隊的局長致敬,而改名為「詹姆士.韋伯太空望遠鏡」(James Webb Space Telescope,JWST)。

這台望遠鏡的任務是全面揭開宇宙最初星系的面紗,這個星系在哈伯望遠鏡的最深空影像中,只顯現為一個小紅點。詹姆士.韋伯太空望遠鏡將只是個開頭,因為美國天文學社群很快就會擬定計畫,設計出更多又大又有野心的太空望遠鏡;就像一名貪得無厭的饕客,在菜單上選了好幾道足以撐破肚皮的前菜一樣。

向在阿波羅計畫光榮時代帶領 NASA 團隊的局長致敬的「詹姆士.韋伯太空望遠鏡」。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

正當 NASA 持續加碼在詹姆士.韋伯太空望遠鏡上的時候,系外行星學也開始快速興起。天文學家第一次能理性地討論找到另一個類地行星的可能,並得到可觀的公眾利益和人們的讚揚。

這些行星獵人計算出來,若是隔著星際距離觀看我們的行星,在一張哈伯深空的影像中,地球會比一個典型的星系還要稍微黯淡一些。理論上來說,那是詹姆士.韋伯太空望遠鏡可以偵測到的東西,且該望遠鏡確實在「讓和恆星有段距離的年輕氣體巨行星呈現在影像中」這點上表現傑出。

但實際上,可居住行星太靠近比它們亮太多的母星,這會導致計畫中的望遠鏡,無法獲取能滿足行星獵人或其大眾粉絲所需的高動態影像。舉例來說,在可見光的範圍內,我們的地球就比太陽暗了大約一百億倍,這個數字代表著,地球每反射一個光子到太空,太陽就會噴出超過一百億個。在紅外線中,其對比則會稍微好一些—在這個波段中,太陽只比地球亮大約一千萬倍。

天文學家喜歡把「拍下繞著似日恆星的另一個地球」和「從幾千英哩外,拍攝一隻螢火蟲在一個明亮光點附近飛舞」做類比,但簡單的事實更有力:要拍下一顆環繞恆星的岩石行星,就有如捕捉一粒靠在熱核能火球邊緣的灰暗砂粒,或是像拍攝一根緊貼著點燃氫彈但自己沒有點燃的火柴一般。要做到這點,你得先要有辦法擋住上百萬或十億個熱核光子,才能讓行星的光子被看見。對幾乎所有的恆星來說,地球大氣的模糊干擾,排除了從地面做出準確測量的可能性—只有太空中的軌道天文台,才能傳收任何環繞其他恆星的可能可居住行星光芒。

想找外星生命?重重考驗等著你

在 1996 年初美國天文學會於德州聖安東尼奧(San Antonio)舉行的一場會議上,就在傑佛瑞.馬西揭露其研究團隊首度發現熱木星後不久,日後將成為 NASA 局長的丹.高丁(Dan Goldin)登台報告了關於「NASA 在後詹姆士.韋伯太空望遠鏡時代可以立刻做些什麼,來支援搜索其他可居住行星」的誘人前景。

高丁企圖重塑 NASA 與天體生物學相關的整體科學計畫,並由新的生命搜索太空望遠鏡擔任主打明星。他解釋,「大約從現在開始的十年後,」NASA 將準備好發射「行星發現者」這種軌道天文台,它不但可以定位可能可居住的行星,還能透過多種星光阻擋技術,拍攝該行星的低解析影像。這個軌道天文台將在每一小團行星碎點的光譜中,尋找大氣中的生物標識。

這是 NASA 第一次向公眾提及日後所謂的「類地行星發現者」任務概念,高丁對入迷的觀眾說,如果「類地行星發現者」在鄰近恆星發現了有機會的行星,那麼「或許在二十五年內」就會打造企圖心更大的望遠鏡,以「能看見海洋、雲朵、大陸和山脈的解析度」,來拍攝那些行星。高丁為一個並不遙遠的未來做出排程,在那之中,多虧美國的財富智慧,外星地表地圖可讓全球各地學校教室的牆壁增色。他接著又說,在二十一世紀的某一刻,那些顯現為可居住的行星,會成為自動星際探測機的首要目標。

在高丁的如意算盤中,「類地行星發現者」可能會在 2006 年升空,未來則由一座 2020 年代前半登場的太空望遠鏡接班;屆時那台新望遠鏡將開始在任一鄰近的系外類地行星上,實施蘭德麥奈利(Rand McNally)地圖繪製。

然而不幸地,詹姆士.韋伯太空望遠鏡的發展,最終比計畫要困難許多。為了要拍攝最早的恆星和星系,這台望遠鏡需要比哈伯大上很多的主鏡,並且需要為拍攝分子雲、巨行星和最早星系最明亮放射的紅外線而特別進行優化。它也得要進行低溫冷卻,好讓其內在熱度不會洗去宇宙曙光期的微弱光線。最後,它不能在近地軌道上運作,因為我們地球有如電燈泡一樣的紅外線光芒,會污染精細的觀測結果。

經過許多年的眾多開發週期,設計終於拍板定案:詹姆士.韋伯太空望遠鏡將配備 6.5 公尺的主鏡,其集光區域將近哈伯的七倍,並安置於地球與太陽連線上的一個穩定點,離地球有一百萬英哩,約比地球跟月球的距離遠四倍。

這望遠鏡的每一個方面,都需要大規模的新技術。一面有波音七三七那麼長、那麼寬的多層「太陽罩」,保護著望遠鏡以及整套特製最先進的儀器和偵測器。這整套組合無法讓任何現有火箭裝載,因此為了要發射出去,整個軌道天文台要像摺紙一樣折疊起來;在它於太空深處張開之前,就像蛹中的蝴蝶一樣。為了要能摺疊,詹姆士.韋伯太空望遠鏡的主鏡會分成十八片可調整角度的鍍金六角形,每一片都以極輕且高毒性的鈹金屬雕製而成。

韋伯太空望遠鏡將安置於地球與太陽連線上的一個穩定點,離地球有一百萬英哩,約比地球跟月球的距離遠四倍。然而它所需要的技術實在太高,發展比預期難上非常多。圖/By NASA/ESA, Public Domain, wikimedia commons

多個國際夥伴簽約打造這個儀器或是提供發射載具,但 NASA 將負擔主要成本,初估大約是十五億美元。發射時間則預定在 2010 年前後。隨著該計畫真正的複雜度和實際規模逐漸明朗,成本預估不斷持續上修,但該增加的資助卻越來越不見蹤影,以至於詹姆士.韋伯太空望遠鏡所需的費用,得從 NASA 其他太空科學計畫挪來使用。到最後,光是技術開發就要花上二十億美元。

詹姆士.韋伯太空望遠鏡的進度表開始失控,計畫總成本不斷膨脹,只好將越來越多的主要支出向後挪移。到了 2012 年,詹姆士.韋伯太空望遠鏡的建造、測試、發射,以及頭五年的運作費用,總共估計將近九十億美元,而發射日期不會早於 2018 年。

被金融海嘯沖垮的太空計畫

詹姆士.韋伯太空望遠鏡的「分娩痛」,又因為反覆的國家與全球經濟災難加劇,並在 2008 年開始的經濟大衰退達到頂點。在大衰退中,美國政府花了上兆美元,來防止主要銀行和其他金融機構全面崩盤。一度預期會穩定成長的 NASA 預算,此刻還幸運地維持平盤,但即便如此仍無法趕上通貨膨脹的速度。1990 年代由總統柯林頓所儲存建立的上兆元聯邦剩餘資產,在 2000 年代因減稅和繼任總統小布希的失控開支,轉為數兆美元的虧損。

在哥倫比亞號太空梭事故之後,小布希委任一項大膽的新任務給 NASA,讓這單位又回到 NASA 原本的後阿波羅時代計畫:打造新的重型運載火箭,然後用它們回到月球,並把人送往火星。這任務日後被稱做「星座計畫」(Constellation program)。

但小布希其實並沒有提供足夠的資助,也沒有來自美國國會的大力支持,更沒有在他首度發表後再度提起這計畫。就跟小布希任內開始的眾多政府計畫一樣,星座計畫看起來唯一的長處,就是把幾十億美元的公共資金與聯邦資金,轉移到與此脈脈相連的私人承包商金庫裡,而那些單位總是只回報一丁點結果而已。

小布希委任一項新任務給 NASA,後阿波羅時代計畫:打造新的重型運載火箭,然後用它們回到月球,並把人送往火星。這任務日後被稱做「星座計畫」。然而這個計畫更加劇了韋伯太空望遠鏡的難產。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

2006 年,NASA 選擇從它的科學預算中挪用數十億美元,支撐小布希這個失敗的計畫,而讓詹姆士.韋伯太空望遠鏡的開發陷入混亂之中,並讓一個即刻的 TPF 開發與發射計畫正式宣告「無限期延遲」,而沒了指望。並不是每個人都為這損失哀悼—許多不是研究系外行星的天文學家已經開始覺得,「類地行星發現者」的狹隘目標和預計成本,對於他們同樣需要太空望遠鏡但乏人關照的子領域來說,幾乎是種生存威脅。確實,有些人甚至主動透過具影響力的研究團體和計畫委員會,以遊說方式阻止它的進行。

經過多年不上不下的結果和超過一百億的支出後,星座計畫在 2010 年由總統歐巴馬中止,但這已經對 NASA 科學計畫造成損害。為了資助詹姆士.韋伯太空望遠鏡,整個單位被迫縮編,延後或取消幾乎所有下一代天文物理學及行星科學的主要任務。這個軌道天文台若想成功,只有在有效排除 NASA 絕大多數太空科學代表作的龐大花費下,才有可能辦到。隨著前一代老化的太空望遠鏡一台接一台地破損故障,不論詹姆士.韋伯太空望遠鏡最終何時升空,屆時天上都可能只剩下這台望遠鏡,獨自在一個突然沒有其他大型軌道天文台的天空中,望向宇宙的邊緣以及時間的起點。

在缺乏金錢和強大機構支援的情況下,「類地行星發現者」就跟那些遙遠的恆星一樣,如此地遙不可及。因為計畫持續延遲超支,美國國會也反覆威脅要把支助詹姆士.韋伯太空望遠鏡的資金抽掉,哈伯望遠鏡的接班計畫也就可能無法達成。就算達成,望遠鏡的可用年限也只有十年,因為屆時其燃料儲存將會用盡,設備也會退化。天文學家私下議論,由哈伯開啟的黃金時代恐怕就要結束了。

哈伯大夫:我們並不孤單

這個想法讓約翰.格朗菲德(John Grunsfeld)的心情格外沉重。這位留著大八字鬍的天文物理學家,也是歷經五次太空梭任務的 NASA 太空人。他的五次任務中,其中三次就是造訪哈伯望遠鏡。哈伯望遠鏡能夠成功,有不少部分得歸功於格朗菲德在三次哈伯維修任務中,在創紀錄的五十八小時半太空漫步時,套著太空裝展現了精湛的修復工夫。媒體盛讚格朗菲德是個英雄,稱他為「哈伯大夫」。透過將太空梭駛入軌道,維修史上最具生產力的太空望遠鏡,再以同一台望遠鏡研究脈衝雙星以及其他異常迷人的天文現象,格朗菲德經歷到 NASA 載人太空計畫與科學太空計畫的強大協同利益。

約翰.格朗菲德是歷經五次太空梭任務的 NASA 太空人。哈伯望遠鏡能夠成功,有不少部分得歸功於格朗菲德在三次哈伯維修任務中,在創紀錄的五十八小時半太空漫步時,套著太空裝展現了精湛的修復工夫,因此被稱為「哈伯大夫」。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

他針對花在國際太空站與太空梭上的上億美元,以及維持太空望遠鏡黃金時代所需的資助深思。並思考 NASA 生氣蓬勃的載人探索計畫,該怎麼像太空梭和大型軌道天文台計畫一樣,再一次與這機構純然的科學研究一同打造強大的合作關係,好讓雙方都大幅獲益。2003 和 2004 年間,他擔任 NASA 的首席科學家,協助開發小布希星座計畫的科學應用;結果發現,巨大火箭拿來發射特大號天文望遠鏡,跟把太空人送往月球一樣管用。舉例來說,這樣的火箭可以在不耗費大量成本且把主鏡切片折疊的艱難條件下,就把詹姆士.韋伯太空望遠鏡發射出去。它也能讓更大的 TPF 式軌道天文台變得更便宜。然而,當這計畫的科學預算蒙上一層飢餓的陰影時,事情變得事與願違。

在完成最後一次哈伯維修任務後,2010 年年初,格朗菲德離開 NASA,前往馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所擔任副所長。在差不多兩年的任期內,他與研究所所長—天文學家麥特.曼騰(Matt Mountain)緊密合作,替該研究所某天可能也會著手的 TPF 式望遠鏡打下基礎。他們把自家設計很巧妙地縮寫為 ATLAST(總算),全名為技術進階大口徑太空望遠鏡(Advanced Technology Large- Aperture Space Telescope),讓它成為一台除了其他功能外,還能傳送可能可居住的系外行星影像的重負荷天文學儀器。哈伯大夫就此成為了「類地行星發現者大夫」,或是「總算大夫」。

格朗菲德擺脫了備受矚目的 NASA 公僕角色之後,在新職位任職的他講起話來變得熱心而詳盡,甚至會主動提及打造新軌道天文台,來尋找其他行星及生命的重要性和價值。然而,2011 年下半年,格朗菲德的電話響起,那通電話來自一個 NASA 工作的朋友。NASA 希望他回來擔任科學任務部的副行政官—這職位將會讓格朗菲德執掌全球最大一筆純科學預算,儘管這筆預算過去未曾達成 NASA 的無數任務。

他接受了,並在回歸 NASA 後,馬上收斂起自己過去對打造「生命搜索用太空望遠鏡」暢所欲言的擁護,取而代之的是一種強調 NASA 所有科學計畫都要保持平衡的謹慎公眾人格。雖然在外星地球搜尋方面沒有給予大膽的新資助,但格朗菲德的好友和舊交都沒忘記他以前的熱情。在我花了將近一年與 NASA 媒體團隊進行徒勞的 e-mail 往來,期盼能採訪到格朗菲德副行政官後,我對先前訪談中格朗菲德副所長的暢所欲言,充滿了欣慰與確幸之情。

「哈伯和韋伯太空望遠鏡,可能會讓宇宙中是否有其他生命的問題懸而未決,」他說。「在下一世代的大型太空望遠鏡中,我們需要的能力,是觀察最靠近我們的一千顆恆星周圍,每顆可能可居住行星的大氣層和其表面特色。」

我們終將發現自己並不孤單,我們終將發現其他可居住行星,原則上每一顆人類都能造訪,這就是未來的大局面。

「而我想說服公眾、美國國會以及未來的政府當局,這樣的下一步是值得投資的。」很明顯地,格朗菲德讀過齊奧爾科夫斯基。


 

 

本文摘自《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》,八旗文化出版。

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