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除了太陽和行星,那些太陽系間的愉快小夥伴們──《宇宙必修課》

行星外的漆黑等於空無一物嗎? 圖/Valera268268 @Pixabay

從遠處看過來,我們的太陽系彷彿空空如也。

如果你用圓球包住太陽系,這圓球大到能容下行星中最外圍的海王星軌道;那麼太陽、所有行星和它們的衛星占住的體積,只比圓球體積的 1 兆分之 1 要多一點點。

不過,太陽系也並不是真的如此空曠,行星之間的空間還有許多岩塊、小圓石、冰球、塵埃、成群的帶電粒子和多艘在遠方飛航的探測船。除此之外,太陽系空間裡,也到處都是強大的重力場和磁場。(太陽系最外圍的行星不再是冥王星了,請接受這個事實。)

多不勝數的固定班底:大大小小的星際碎片

行星際空間其實雜物繁多,所以我們的地球以每秒 30 公里的速率在軌道上行進時,每天都會掃起數百噸的流星體,其中尺寸多半小於沙粒。這些流星體高速衝撞地球大氣產生的熱,會造成它們的表面汽化,於是大部分直接焚毀在地球的高層大氣裡。地球脆弱的物種有賴於這層大氣保護罩,才得以繁衍演化。較大的流星體,除了表面會被燒焦,基本上會相當完整的抵達地球表面。

看似漆黑無物的太陽系,實際上飛著各式物質。 圖/NASA

你或許認為經過了 46 億次的繞行太陽之旅之後,地球應該已經清掉了軌道上的所有碎片,但答案是:還沒有。不過和地球過去的遭遇比起來,現在的情況顯然大有改善。大約在太陽和行星形成 5 億年之後,有多到難以想像的碎片不停掉落到地球上,產生的撞擊熱不斷累積,導至大氣熾熱無比,地殼也完全熔融。

其中一顆非常大的碎片,導致了月亮的形成。在分析阿波羅探月計畫太空人帶回來的樣本後,發現月球的鐵和較重元素的含量意外的少,這表示火星大小的迷途原行星和地球發生擦撞後,那些從地球缺鐵的地殼和地函迸發出去;繞著地球運行的碎片,後來可能聚合成我們低密度的美麗月亮。

從地球缺鐵的地殼和地函迸發出去;繞著地球運行的碎片,後來可能聚合成我們低密度的美麗月亮。 圖/NASA

除了這個特別重大的事件,嬰孩時期的地球經歷的重轟炸期並不獨特,因為太陽系的其他行星和大型天體也都經歷過。大家也都受到類似的重大破壞,不過只有缺乏大氣的月球和水星,大致保存了這個時期的撞擊紀錄。

太陽系不但受到形成時留下的廢料撞擊,在近行星際空間裡還散布著火星、月亮和地球受到高速撞擊後,從表面彈出的大大小小岩石。流星體撞擊的電腦模擬證明,撞擊區附近的表岩噴飛的速率,高到可以掙脫天體的重力束縛。我們從地球上火星隕石的發現率,可以推斷出每年約有 1 千噸的火星岩石掉到地球上;而每年或許也有大約等量的月岩掉到地球上。回想起來,我們其實用不著特地飛到月球去拿月球岩石,地球上就多得是。只不過,我們沒辦法挑精撿瘦,而且在阿波羅計畫年代,我們也不知道有這回事。

地球上就撿得到月球岩石?!但你認得出哪顆是來自月球的石頭嗎…… 圖/NASA

可能會讓物種滅絕的狠角色「小行星」

大部分太陽系的小行星分布在火星與木星間,形狀扁平的小行星主帶上。在傳統上,小行星的發現者有命名權,高興用什麼來命名都可以。通常在畫家描繪的圖示裡,小行星帶是太陽系盤面上一個散布著凌亂崎嶇岩塊的區域。

小行星帶的總質量不到月球質量的 5%,月球的質量則只比地球的 1% 要多一點點而已。雖然小行星的質量不大,但它們的軌道不斷受到擾動,因此形成了一群大約數千顆特別危險的近地小行星,它們的扁平軌道會和地球軌道交錯。簡單的計算指出,它們大部分會在 1 億年內撞上地球。尺寸大於 1 公里的小行星在撞上地球時,產生的能量會高到嚴重破壞地球的生態系統,可能使大部分的陸地物種滅絕

這當然是糟透了。

小行星並不是唯一會危害地球生物的外太空天體。在海王星之外的柯伊伯帶(Kuiper Belt),帶寬大約和海王星與太陽的距離相當,其中成員包括了冥王星,是一個滿布彗星的環形區域。遠在六十多年前,荷蘭裔美國天文學家柯伊伯(Gerard Kuiper)就指出,在海王星軌道外頭的寒冷深空裡,藏著從太陽系形成時期殘存下來的冰質天體。由於這附近沒有大質量行星來吸收這些彗星,於是大部分彗星就靜靜的繞太陽運行了數十億年。

就如同小行星帶一樣,部分柯伊伯帶天體的軌道極扁平,並會和其他行星軌道相交。例如冥王星和同軌道的那群冥族小天體,它們較靠近太陽時軌道區會和海王星軌道交錯。另外還有一些柯伊伯帶天體的軌道會深入太陽內圍,放肆的穿過許多行星軌道;在這群天體中,最著名的是哈雷彗星。

在柯伊伯帶後方很遠的地方,大約在前往最鄰近恆星的半途上,有一個稱為歐特雲的彗星儲存庫,它呈現球形分布,名字來自首先推斷出它存在的荷蘭天文物理學家歐特(Jan Oort)。

歐特雲(Oort Clude)是長週期彗星的源頭,這類彗星的軌道週期比人類生命還要長。與柯伊伯帶彗星有別的是,歐特雲彗星可以從任何方向,以任何軌道傾角進入太陽系內圍。1990 年代最明亮的海爾─波普彗星(Comet Hale-Bopp)及百武彗星(Comet Hyakutake),都是源自歐特雲,而且在短時間內都不會再度回歸。

海爾─波普彗星。 圖/NASA

有大氣層真好:太陽風極光

太陽風與地球磁場相接想像圖。 圖/NASA @wikipedia

太陽表面每秒會散失超過 1 百萬噸的質量,而形成的物質流稱為太陽風,太陽風主要的成分是帶電的高能粒子。太陽風粒子時速最高可達 1 千公里,粒子以這種高速向外泛流成群穿過太空,只有遇到行星磁場時才會轉向。

太陽風的部分粒子以螺旋軌跡掉向行星的磁北極和磁南極時,會撞擊氣體分子,激發大氣發出多彩多姿的極光。哈伯太空望遠鏡已在土星及木星的極區發現極光,而出現在地球上的北極光及南極光,時不時的提醒我們:有大氣層的保護真好。

我們通常說,地球的大氣層從地球表面向上延伸數十公里。而低軌道上的衛星,在 100 公里到 400 公里高的軌道上,大約 90 分鐘會繞地球一圈。

你雖然無法在這種高度呼吸,不過這個區域仍有不少大氣分子存在,摩擦力已足以讓衛星慢慢失去軌道能量而下墜。為了要對抗這種阻力,低軌道的衛星偶爾要重新提升軌道高度,免得掉回地球,焚毀在大氣中。

大氣層邊界的另一種定義為:「地球氣體分子的壓力」和「行星際氣體分子壓力」相等之處。根據這種定義,地球大氣層的範圍有數千公里。在這個高度上方的 36,800 公里處(大約是地球與月亮距離的 1/10),是通訊衛星的國度。在這個特殊的高度,地球大氣的影響無關緊要,衛星的速率也很低,並且恰好和地球的自轉速率相同,所以衛星每天剛好繞地球一圈。相對於地面,這種衛星看似一直飄浮在正上空,是理想的訊號中繼站,能為地表不同的區域轉傳訊號。

謝謝「重力盾牌」木星,為地球擋下危險

牛頓重力定律指出,雖然你若距離行星愈遠,受到行星重力的影響也愈弱,但這個影響並不會降到零。木星用它強大的重力場,把很多原先會在太陽系內圍造成重大破壞的彗星趕開。所以對地球而言,木星就像重力盾牌,也像在保護地球的粗壯大哥,讓地球享有長達億年,相對平安和寧靜的時期。如果沒有木星提供的保護,地球生命除了很難演化成更有趣的複雜生命,也會活在可能受到致命撞擊而滅絕的危險環境中。

探索土星的卡西尼號探測船(Cassini–Huygens)。 圖/NASA

我們一直在利用行星的重力場為太空探測船提供能量。就以前往探索土星的卡西尼號探測船為例,它受到許多行星的重力協航,其中金星兩次、地球(由金星返回時)和木星各一次。探測船在多顆行星間輾轉飛航,以酷似撞球檯上撞球的路徑行進,是很常見的操作方式。如果不這樣,火箭提供的飛行速率和能量,不足以讓我們的小探測船前往目的地。

眾多命名不盡的小行星

我現在對太陽系的行星際碎片有些許責任了。2000 年 11 月,由李維(David Levy)和舒梅克(Carolyn Shoemaker)發現的主帶小行星 1994KA,後來命名為「13123– 泰森(13123 Tyson)」來向我致敬。我雖然享有這個殊榮,但其實也沒有什麼好自大的,因為還有許多類似的小行星,以喬笛、哈洛特和湯瑪斯等常見的名字命名。還有一些小行星的名字叫梅林、龐德和聖誕老人。

目前發現的小行星,數量已將近數十萬顆,可能很快就會對我們命名的能力產生挑戰。不管這種時日是否會來臨,我覺得相當欣慰的是,以我命名的那個宇宙碎片在行星間遊蕩時,並非孤苦無依,而是有一大堆以真人和虛構人物為名的其他天體為伴。

此刻讓我更高興的是,我的小行星並沒有直衝地球而來。

 

 

本文摘錄自《宇宙必修課:給大忙人的天文物理學入門攻略》,天下文化出版。

 

 

 

 

 

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