土衛二有液態水！｜科學史上的今天：3/9

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 作者 / 保羅．納斯爵士（Sir Paul Nurse）
• 譯者 / 邱佳皇

編按：筆者是知名遺傳學家和細胞生物學家，致力於控制細胞複製的研究工作，也就是所有生物生長和發展的基礎。於 2001 年獲頒諾貝爾生理學／醫學獎（Nobel Prize in Physiology or Medicine），同時也是阿爾伯特．愛因斯坦世界科學獎、拉斯克獎與皇家學會科普利獎章的獲獎者。

在本書中，保羅．納斯用優美、詼諧的語調幫讀者上了一堂生物學簡史，引領我們思考科學家長久以來追尋的生命之謎，讓讀者彷彿身歷其境、穿梭在各個時代的實驗室裡，感受那些科學發現過程的挫敗和欣喜。並除了學術理解，更希望帶給讀者哲學性的思考能力。

天擇殘酷的篩選過程創造了許多意想不到的事情，其中最令人驚奇的就是創造了人類的大腦。據我們目前所知，沒有其他生物和人類一樣能意識到自己的存在，人類的自我意識一定也經過了演化，至少是部分經過演化，讓我們更懂得在這個世界發生變化時調整自己的行為。人類和蝴蝶不同，或許也和我們已知的所有生物都不同，人類能刻意去選擇和對激勵我們的目標進行深思。

人腦和所有其他生物一樣都是基於同樣的化學和物理學所演化出來的，然而，出於某些不明的原因，人腦卻能從同樣簡單的分子以及諸多常見的運作力當中，生出複雜的能力。這一切是如何從人腦的液態古典化學發展出來的？我們眼前有一堆困難的問題需要解決。我們知道人類的神經系統是基於數十億個神經細胞（也稱「神經元」）之間極為複雜的互動組成，這些神經元之間彼此有數兆的連結，稱為突觸。這些極為精密和經常變化且相互連結的神經元網絡會建立訊息傳遞路徑，傳遞和處理大量的電子訊息流。

就如生物界的常例，我們一樣是透過研究較為簡單的生物，像是蠕蟲、蒼蠅和老鼠才知道這些過程。透過神經系統的感覺器官，我們才知道這些系統是如何從環境中收集訊息的。研究人員追踪了視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺信號通過神經系統的活動，同時標示出神經元的一些連結，這些連結會形成記憶、產生感情回應，並創造出像是收縮肌肉等外在行為。

這些運作都很重要，但這些都只是開始。數十億個獨立神經元之間的互動是如何產生抽象的思想、自我意識和明顯的自由意志？對於這些問題的答案我們只觸及了皮毛，想找到令人滿意的答案，我們可能需要整個世紀甚至更久的時間，而我不認為只依賴傳統自然科學就能達成這個目標。

我們將必須更廣泛接受來自心理學、哲學和人文學的見解。電腦科學也能有所幫助，今天我們打造了一個最強大的人工智慧電腦程式，以高度簡化的形式模仿生物的神經網絡處理訊息的方式，這些電腦系統都有令人佩服且愈發強大的數據處理功能，但卻完全無法模仿人類抽象或想像的思考模式與自我察覺的能力或自我意識，就連要定義這些心理特質都非常困難。

現在，我們可以借助小說家、詩人或藝術家的協助，請他們貢獻創意，以更清楚的方式描述人類的心理狀態，或是去質問「活著」到底是指什麼意思。如果我們能在人文學和科學上擁有更加共通的語言，或至少是更多共享的知識能討論這些現象的話，或許更能了解演化如何和為何會讓我們以化學和訊息系統發展，而這個系統又出於某種原因，變成能意識到自己存在的實體。我們必須竭盡自己的想像力和創造力，才有可能了解這些力量可能帶來的結果。

宇宙之大超越我們想像，根據機率法則，似乎很難想像在這麼漫長的時間和廣大的空間中，生命─更何況是有感知能力的生命─只在地球上萌發過一次。我們是否會遇見外星生命是一個完全不同的議題，但假如我們真的遇到，我相信外星生命肯定也像人類一樣，是能自給自足的化學和物理機器，由訊息編碼合成的聚合物打造而成，而且同樣是透過天擇演化。

地球是我們唯一確定宇宙中有生命的星球。地球上包括人類在內的生命都非常卓越出色，這些生命經常令我們驚奇，儘管其多樣性令人困惑，科學家們還是努力理出了頭緒，我們對地球上生命的了解，也成為我們文化和文明發展的基礎。我們對生命日益增加的了解，很有可能可以改善全體人類的生活，但擁有這樣知識的助益遠不止於此。

透過生物學我們知道所有生物都是彼此相連且緊密互動的，人類與其他生物息息相關，包括本書談論到的所有生物都是，像是爬行的昆蟲、感染的細菌、發酵的酵母、擁有好奇心的大猩猩和飛舞的黃色蝴蝶，當然還包括這個生物圈的所有成員。這些物種都是生命的佼佼者，是一個龐大家族譜系所延續下來的最新後代，這個大家族透過細胞分裂綿延相連到遠古的時光裡。

就我們所知，人類是唯一了解這樣深遠的連結，並且能去思考這有什麼意義的生物，因此我們對這個地球上的生物有一個特殊的責任，雖然有些生物和我們關係近，有些關係遠，但我們都必須去關心、照顧並盡可能地了解這些生物。

──本文摘自三采文化《生命之鑰：諾貝爾獎得主親撰　一場對生命奧祕的美麗探索》/ 保羅．納斯爵士，2021 年 12 月，三采。

• 作者／林彥興｜EASY 總編輯，現就讀清大天文所，努力在陰溝中仰望繁星

經過三年的漫長等待，Astro2020 終於在台灣時間 11/5 凌晨公布了結果報告。這場十年一次的大型天文會議，產出了一份 600 多頁的報告書，對美國國家天文發展策略提出建議。這份報告，將影響未來數十年美國乃至於全世界的天文物理發展。

這項「十年調查」為何至關重要？

Astro2020 的全稱為「天文學和天體物理學十年調查 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020」。正如其名，這是美國國家學院大約每十年會召開一次的超大型會議。會中將蒐集來自各方天文學家的觀點，回顧過去十年間天文物理的重大突破，鎖定未來十年美國最應該優先投資的研究領域，並且研擬達成這些科學目標所需要的方法與技術，最終將這一連串的構想整理後，向政府機構（如 NASA、NSF）提出建議，成為它們規劃預算的重要參考。換言之，這場會議將會左右未來十年數十億甚至上百億美金的預算分配，重要性可想而知。

Decadal Survey 的歷史相當悠久，第一屆舉辦於 1964 年，之後大約每隔十年開一次，一路進行到今天。歷史上多個重要的天文計畫，比如：

• 甚大天線陣列 VLA（1960s / 1970s）：著名的美國無線電陣列望遠鏡。
• 哈伯太空望遠鏡 HST（1970s）：NASA 的大型軌道天文台（Great Observatories）之一，無人不知的光學太空望遠鏡。
• 錢卓 X 射線太空望遠鏡 Chandra（1980s）：大型軌道天文台之一，軌道上最頂級的 X 射線天文台之一。
• 史匹哲太空望遠鏡 Spitzer（1990s）：大型軌道天文台之一，觀測中紅外線波段的太空望遠鏡。
• ALMA（2000s）：當代最頂尖的次毫米波陣列望遠鏡。
• 韋伯太空望遠鏡 JWST（2000s）：即將於今年底升空，新一代的旗艦級紅外線望遠鏡。
• 羅曼太空望遠鏡 Roman（2010s）：下一代近紅外太空望遠鏡，在不犧牲解析度的前提下，擁有比哈伯大 100 倍的視野。
• 薇拉．魯賓天文台 Rubin（2010s）：預計兩年內落成的革命性巡天望遠鏡。

它們都曾是 Decadal Survey 推薦優先執行的重要計畫。

天文學未來 10 年的 3 大目標

Astro2020 提出，2020 年代天文物理的三個優先領域分別是：

1. 通往適居世界之路 Pathways to Habitable Worlds
   以高對比度（high contrast）的探索系外行星與其中可能存在的生命跡象。
2. 動態宇宙的新窗口 New Windows on the Dynamic Universe
   以重力波、微中子等多個資訊信使研究超新星爆炸、中子星合併等劇烈事件。
3. 揭密星系演化推手 Unveiling the Drivers of Galaxy Growth
   研究宇宙一百多億年來的星系演化。

綜合上述三個領域的需求之後，Astro2020 提出未來美國應該優先投資的幾項重大計畫分別如下。

首先，Astro2020 對太空望遠鏡計畫的建議可能是最令人驚喜的。報告建議，美國應該啟動一系列「大型軌道天文台技術成熟計畫 Great Observatories Mission and Technology Maturation Program」，為 20 至 30 年後天文物理需要的天文台計畫鋪路。

其中最高優先度的計畫，是建造一座六米級的光學（從紫外線到近紅外線）望遠鏡，預計成本 110 億美元。從觀測的波段來看，它可以看成是現役哈伯太空望遠鏡的超級強化版；又或者，從 NASA 在 2019 年提供的四座「The New Great Observatories」概念研究來看，可以看成是縮小版的 LUVOIR-B，或是增強版的 HabEx。

Astro2020 認為，這樣的規格才有機會同時讓望遠鏡有辦法達成前述三大優先領域的需求（尤其是直接拍攝類似太陽－地球系統的系外行星大氣光譜），且有希望在 2040 年代前期升空。另外兩個應當在 2020 年代後半開始發展的計畫，分別是下一代 X 射線與遠紅外線的任務（分別可以看成 Lynx 和 Origin 的縮小版）。

在地面望遠鏡方面，當務之急是繼續興建美國的兩座下一代巨型望遠鏡：三十米望遠鏡（TMT）與巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）。在使用自適應光學的情況下，這個等級的望遠鏡將能達到 0.01 – 0.02 角秒等級的超高解析度，龐大的集光面積也將使它們能夠擁有非常高的靈敏度（sensitivity）。這樣的能力幾乎對天文物理的所有領域都能有革命性的幫助，比如它將能夠偵測、拍攝、甚至取得類地行星的大氣光譜。

但是，相比起另一個類似定位的歐洲計畫「歐洲極大望遠鏡 EELT」，GMT 與 TMT 的進度目前都嚴重落後。尤其原定要建造在夏威夷的 TMT，因為與當地原住民的衝突，自 2015 年開始就難以施工。Astro2020 建議，政府應該提供更多援助，幫忙解決兩個計畫預算不足的情況。但如果兩個計畫進度持續落後，Astro2020 也提供一套標準讓政府決定是否要放棄其中之一。

除了光學之外，報告也建議在智利與南極建立下一代的微波望遠鏡，在宇宙微波背景（CMB）中尋找暴漲等宇宙學事件的證據，並且能夠提供前所未有的大面積、高靈敏度次毫米波天圖。下一代的甚大陣列望遠鏡（ngVLA）的先期研究也是重點之一，為其在 2030 年代的建造鋪路。此外下一代微中子探測器（IceCube-2）、重力波探測器（LIGO）等中等大小的計畫也要持續推進。

讓天文研究者更平等，也是重要議題

除了上述科學/科技相關的主題之外，Astro2020 也是 Decadal Survey 首次提到天文物理領域中存在的性別／種族等社會與倫理問題，以及許多對於「人」相關的建議。

報告中強調了美國天文學界的性別／種族倫理問題依舊嚴重，並且建議應將多元性納入獎項的評審機制，增加對學生、新進研究人員的資源投注，以及強化對各種不平等現象的資料收集，以更準確的將資源提供給需要的人。最後，報告也指出 Starlink、5G 等人類活動對天文研究產生的干擾。

結語

Decadal Survey 是美國天文物理界十年一遇的盛事。它回顧過去十年的天文物理成果，並為未來十年的發展劃下藍圖。Astro2020 建議，美國應該繼續建造兩座三十米級的地面光學望遠鏡（TMT、GMT），讓它們能在 2030 年代投入觀測。並且為 2040 年代的六米級大型光學太空望遠鏡的開發鋪路。除了科學與科技上的規劃，報告也指出天文物理界仍存在許多性別、種族等與「人」相關的問題有待改善。

整體來說，Astro2020 為 2020 年代的天文物理描述了令人興奮的未來。接下來，就讓我們一同期待，這些斑斕的夢是否能夠成為現實吧！

參考資料

1. Interactive Overview: Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s
2. Astro2020 Science White Papers · Bulletin of the AAS
3. The New Great Observatories
4. US astronomy’s 10-year plan is super-ambitious
5. Influential U.S. astronomy wish list calls for giant space telescope to spot an Earth analog

延伸閱讀

1. 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史- PanSci 泛科學
2. 百倍於哈伯觀測能力，大小尺度通通包辦！——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
3. 為何NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一） – PanSci 泛科學
4. 史上最大口徑的JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二） – PanSci 泛科學
5. 太空巨獸JWST 升空後的150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三） – PanSci 泛科學
6. 淺談JWST 的科學意義：探索宇宙深處與塵埃後的外星世界！——認識韋伯太空望遠鏡（四） – PanSci 泛科學
7. 放眼系外行星的新一代望遠鏡：HabEx太空望遠鏡
8. 天文學家的野望LYNX X射線太空望遠鏡
9. 一閃一閃亮晶晶，滿天都是人造衛星- PanSci 泛科學

• 本文轉載自臺北天文館，《臺北星空》第 99 期。
• 文／許晉翊。臺北市立天文科學教育館研究員。

塵埃可能是參宿四變暗的罪魁禍首

去年年底，天文學家發現參宿四的亮度異常降低，這現象還被某些人解釋為這顆紅超巨星已幾乎沒有核燃料，即將發生超新星爆炸。不過，華盛頓大學和羅威爾天文台的天文學家認為，參宿四更可能只是正在發生其他紅超巨星也會發生的事情：拋出的外層大氣遮住了一些往地球的光線。

天文學家在二月進行的觀測數據中，發現參宿四表面平均溫度比 2004 年的測量低了 50 至 100 度，這個結果使他們更加確定其答案必為星際塵埃，若是對流胞上升至表面冷卻的話，那降幅會更為明顯。

科學家宣稱在隕石中發現了外星蛋白質

繼默奇森隕石發現胺基酸以來，在 1990 年的一塊隕石中，隱藏了更具突破性的進展，蛋白質一般是由多個胺基酸組成的，同時也是地球上幾乎所有生物體中的必要組成成分，從細胞核膜到遺傳物質 DNA 都有蛋白質的身影。在這被稱為「Acfer 086」的隕石所含有的蛋白質，被稱為血石素 (Hemolithin) ，是一種新的命名，旨在描述其具有一半血紅素 (Hemoglobin) 及一半卵磷脂 (Lecithin) 的分子結構，科學家發現的這種新蛋白質，成分中含有鐵和鋰，且氘與氫的比例與地球上的不同，基本上可以確認絕非地球上的物質。儘管研究團隊認為這是最有可能的解釋，但是他們也指出其發現的複合性分子可能不是蛋白質，而只是一種聚合物，所以現在下結論仍為之過早，但是種種跡象顯示「它」是蛋白質的機率相當高。

宇宙最早的物質可能潛藏於中子星的核心

中子星是恆星死亡後的核心塌縮而形成，中子星的質量上限約在兩個太陽質量，更大的質量將會形成黑洞，然而最近天文學家發現了少數超過這個上限的中子星。

研究團隊計算了中子星物質的狀態方程式，計算的結果描述了中子星的可能結構。結合最近 LIGO 和 VIRGO 的重力波觀測結果，更進一步揭露了許多中子星內部的訊息。根據他們的研究，這些死亡恆星的中心可能可以找到由夸克形成的核心，其含量甚至可能佔核心組成的一半以上，未來更多的中子星觀測資料將可提升或改善這項研究結果的正確性。

銀河系中也許有至少 36 個外星高等智慧文明存在

繼德瑞克方程式後，人類就一直持續在搜尋地外高等智慧文明，但長時間以來一無所獲，新的研究認為該方程式的後面幾項參數，不確定值太多，使得整個方程式的實用性降低，研究人員建立了一套新的參數及計算標準，稱為天文生物學哥白尼極限，在六種嚴格的限制條件下，得到的外星文明數量約為 36個。

若將此 36 個外星文明平均打散在銀河系中，可以得到每個文明的平均距離至少有 17,000 光年，而人類自有無線電訊號以來，也才 125 年，亦即最遠的傳播僅達125 光年，此外，無線電波在傳遞過程中也會逐漸變弱，因此，除非我們能想到如何建造無線電擴音器，並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力，否則我們仍無法與任何外星文明聯絡。

首次發現奇怪的冥府行星

天文學家發現一顆非常奇怪的系外行星 TOI-849b ，它位於 730 光年遠，母恆星TOI-849 與太陽非常相似。 TOI-849b 僅比海王星小一點，但質量卻是海王星的兩倍多，因此密度與地球差不多！如此高密度顯示它是岩質行星，但大小卻遠高於岩質行星的上限。這意味著它可能是非常罕見的冥府行星（Chthonia），即是大氣層已被剝離的氣體行星核心。

天文學家認為這種極靠近恆星的氣體行星，會被高熱剝離大氣，如 Gliese 3470 b 被觀測正以高速失去其大氣層。但這不足以解決 TOI-849b 大氣全部損失的原因，還有大天體碰撞等事件的可能性。另一可能原因是 TOI-849b 開始形成氣體行星時，沒有足夠的物質成為大氣。又或者是它在行星系統演化後期時形成，抑或是在原行星盤的間隙中形成的，使得沒有足夠的材料來增加大氣。研究小組計劃將繼續觀測，以確定 TOI-849b 是否還剩下任何大氣。

天文學家在本超星系團旁發現了新的長城結構

宇宙的結構並不是由隨機分佈的星系所組成，而是互纏互繞、具有藕斷絲連的特性，受到萬有引力的影響，較為靠近的星系組合成一個星系群或星系團，或隸屬於一個超星系團，這些藕斷絲連的網狀結構，又被稱為大尺度纖維狀結構，其中最大的一條被稱為武仙－北冕座長城，全長跨越 97 億光年，是目前已知最巨大的結構。新發現的纖維狀結構橫跨南極天空，至少長達 13.7 億光年，發現者將其命名為「南極長城」（South Pole Wall） ，而且南極長城的特別之處在於它離銀河系非常近，簡直就像是在我們的後院而已，僅有5億光年遠，（我們所在的結構稱為拉尼亞凱亞超星系團，直徑達5.2億光年，所以5億光年確實就像是後院的存在）換句話說，它是離我們最近的長城結構。

迄今為止質量最大的合併事件證實了中介質量黑洞的存在

在 70 億光年外，一對碰撞的黑洞產生了新的重力波，在 2019 年 5 月 21 日由 LIGO 和 VIRGO 雙重認證得知，這次的重力波事件是黑洞天文學中最受囑目的發現之一，因為該天體質量介於恆星級黑洞及超大質量黑洞之間，正是天文學家急欲尋找的中介質量黑洞，且我科技部及清華大學研究團隊亦參與其中。本次的重力波訊號與往常的訊號相比非常短，但經過艱困的比對分析後，科學家得知這是分別由 66 倍太陽質量及 85 倍太陽質量的黑洞合併而成，產物為一個約 142 倍太陽質量的黑洞，這是自發現重力波以來迄今為止最大質量的重力波源。

中介質量黑洞是黑洞系列的一個謎團，我們常發現的是恆星質量黑洞及超大質量黑洞，但是藉由重力波的觀測， GW190521 成為對於中介質量黑洞的第一次決定性的直接觀測。超大質量黑洞的形成過程仍是個謎，長久以來，科學家不清楚它們是由恆星大量坍縮聚集而成，抑或是透過一種尚未被發現的方式產生的，所以科學家一直在尋找中介質量黑洞，來填補介於兩者差異甚大的質量空隙，如今，科學家終於有證據可以證明中介質量黑洞確實存在。

歐西里斯號成功登陸貝努收集樣本

OSIRIS-REx 任務耗資 8 億美元，在 2016 年 9 月發射， 2018 年 12 月 3 日抵達500 公尺大的貝努近地小行星。經過一年多環繞研究後，團隊選擇了一個名為夜鶯（Nightingale）的小隕石坑為降落地點，因為該點表面物質的顆粒較細，且相對新鮮沒經過長期暴露於太空環境而變質。但夜鶯周圍也充滿危險，其中包括要經過一個兩層樓高，綽號厄運山（Mt. Doom）的巨石，而隕石坑內也有其他障礙物，因此太空船的目標是一個寬 8 公尺相對平坦無石塊的區域， OSIRIS-Rex 任務距離達3億公里之遙，相當不容易。臺灣本地時間 10 月 21 日 6 時 12 分歐西里斯號（OSIRISRex）號降落到近地小行星貝努（Bennu）表面，目標是從貝努表面收集至少 60 克的灰塵和碎石，預計 2023 年 9 月 24 日將樣品送回地球，以研究太陽系的起源與生命相關有機物和水的來源。中間還有一段插曲：一些岩石碎塊阻擋導致收集器無法完全閉合，使得在探測器的三公尺機械手臂末端的收集器內的小行星表面碎片樣本，一直在緩慢漏失到太空中，好在後來已經克服此狀況，且收集來的樣本也遠高於當初設定的最低目標。

阿雷西博望遠鏡的輝煌與終結

該望遠鏡於 1963 年落成啟用，阿雷西博天文臺開始運作之後，做出的科學貢獻不勝枚舉。 1964 年天文學家藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天，有別於原先認為的 88 天；1968 年提供了蟹狀星雲脈衝星（Crab Pulsar, PSRB0531+21，自轉週期33毫秒）存在的確切證據，也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。 1974 年，天文學家法蘭克德瑞克及卡爾薩根設計了知名的阿雷西博訊息，內容包含人類的 DNA 結構，和太陽系的介紹等等，以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆，卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。 1989 年趁著小行星(4769)Castalia 經過，阿雷西博望遠鏡首次利用其功能描繪出小行星的 3D 圖像，迄今已研究過數百個近地小行星。今年的 12 月 1 日的一聲巨響，支撐平台的纜線應聲斷裂，整個接收平台、900 噸重的心臟與一個纜線塔硬生生撞入下方的碟型天線。雖然造成多大破壞還在評估，但照片與影片仍然震驚所有人，阿雷西博望遠鏡結束其 57 年傳奇的一生。

嫦娥五號返回艙帶回月壤， 40 年以來的新鮮貨

歷經 23 天的飛行，攜帶著月壤的中國嫦娥五號返回艙於 12 月 17 日凌晨 1 時 59 分安全返回地球，這是 40 年來首次收集月球樣本的任務。其返回艙在中國北部內蒙古四子王旗著陸場著陸。內蒙古地區夜間達攝氏零下 30 度，對於地面工作人員的準備是一大考驗。

嫦娥五號於 12 月 1 日登陸月球，並於兩天後開始返航，中國航天局也在月球上，升起了中國五星旗幟。此次任務是自 1976 年蘇聯「月球 24 號」任務以來的首次嘗試，使中國成為繼美國和蘇聯之後，第三個從月球上取回樣本的國家。飛船的任務是在「風暴洋」的區域收集兩公斤 (4.5磅) 的物質，該區域是一片廣闊的、此前尚未被探索過的熔岩平原。

中國的科學家們希望藉由採集回來的樣本了解月球的起源、形成以及月球表面的火山活動，並期望在 2022 年以前建立一個載人太空站，並最終將中國人送往月球。