彗星撞木星 │ 科學史上的今天：07/16

彗星送水論？地球的水是從哪來？

想知道古地球如何得到水的行星科學家將矛頭指向大泥球。似乎數十億年前曾有彗星雨落下，為我們帶來大量的水。

但，彗星又來自何方？

科學家長期認為彗星誕生於比火星更遠的寒冷區域。一九九〇年代，學者更進一步認定大部分彗星已經被日益成長的行星吸收。然而荷蘭天文學家揚．歐特（Jan Oort）提出不同見解，主張可以有數以兆計的彗星在太陽系邊緣存活，它們距離行星太遠所以沒被重力拉扯，最終圍繞太陽系形成巨大球形外殼，現在將該區域稱為歐特雲。歐特雲的大量彗星可以填滿地球海洋，問題是它們太遠，是地日距離的數千倍，實在不大可能到得了。

於是又有研究者懷疑部分彗星在太陽系較內側存活，或許是土星軌道外，這樣也比歐特雲近了一千倍。然而僅僅停留在臆測，因為想要在那麼遠的地方找到直徑不過數十英里或更小的彗星太困難，大家沒有傻到去做這種嘗試。

唯二例外是年輕的麻省理工學院教授戴夫．朱維特（Dave Jewitt）和他的研究生盧珍（Jane Luu）。裘伊特頭頂高聳，笑容可掬，性格充滿英國式幽默，父母是倫敦的工廠工人和電話操作員。童年時偶然在夜空看見流星勾起他對天文學的迷戀。

從天文學觀測到重水比例：揭開水的宇宙密碼

一九八五年，他突發奇想將新的數位型光感測器 CCD（譯按：感光耦合元件）連接到望遠鏡，藉此在太陽系遙遠角落尋找彗星這種小天體。朱維特認為我們看不見不代表不存在，但研究需要資金，只可惜多數人都不相信，所以計畫案一次一次被拒絕。三十多年後，回憶起當初遭受的輕蔑他依舊義憤填膺。「最常得到的回答是『無法證明計畫裡的測量實際可行』，」他說：「我的天，這是什麼蠢邏輯？整個計畫的意義就是去做一些以前沒做過的嘗試。就算最後真的不可行又怎麼樣呢，重點不就是得試試看嗎？」批判他的人可能陷入了「現有工具檢測不到就代表不存在」的認知偏誤，習慣性地假設科學家尚未找到就代表目標處什麼也沒有。

朱維特和盧珍拒絕放棄，偷偷從其他研究案借用望遠鏡時間尋找數十億英里外可疑的微小物體。

很長時間毫無收穫。一年又一年，然後四年五年六年。直到一九九二年夏夜，他們在夏威夷大島茂納凱亞天文臺工作。那時候他們心灰意冷，覺得五年多光陰白費了，卻沒想到忽然發現了非常微弱的光點。察覺這個點微微移動時，朱維特還暗忖「不可能是真的」，但它確實存在。兩人找到的天體位於海王星外的軌道，後來進一步證實那邊還有數百萬顆彗星。該區域被命名為古柏帶，淵源是最早提出此概念的荷蘭天文學家³⁰，他在一九五〇年代就探討了這個可能（諷刺的是他本人不相信）。

科學家在古柏帶找到大量彗星，人體內的水看似已經確定來源。地球形成後不久，彗星從古柏帶，或許一部分從更遠的歐特雲抵達，送來覆蓋這顆行星表面的水。彗星堪稱飛行的冰山，攜帶的水量確實足以填滿地球海洋。理論很快得到多數人接納及傳播，謎題終於得到解答。

小行星的貢獻：來自太空岩石的生命之源

真的嗎？一九九五年，波瀾再起。亞利桑那州鳳凰城附近一場觀星派對上，輪到混凝土供應公司零件經理湯瑪斯．博普（Thomas Bopp）借用朋友的望遠鏡，他留意到視野角落有個模糊光點。同一天晚上，新墨西哥州克勞德克羅夫特村天文學家艾倫．海爾在家中發現同樣物體。這顆新發現的彗星，是有史以來見過最亮的，命名為稱為海爾─博普彗星。

翌年，戴夫．朱維特隨學者團隊返回茂納凱亞觀測站，這次以強大的電波望遠鏡觀測海爾─博普彗星。他們在海拔一萬四千英尺（約四千兩百六十七公尺）的稀薄空氣中每十三至十六小時輪班一次測量夜間光譜，試圖比較彗星中一種罕見的水形式比例是否與地球海洋相符。

或許有些人還不知道其實水分子有不同形式。大部分水由氫原子組成，核心只有一個質子。但還有別種水存在，由於重量多出一成所以稱為重水，其氫原子是同位素，核心除質子外還包含一個中子。重水很罕見，在地球海洋中每六千四百個水分子只有一個是重水。因此，茂納凱亞團隊準備測量海爾─博普彗星時原本很有信心會找到相同比例的重水，畢竟地球的水應該來自彗星。

然而觀測結果並非如此。海爾─博普彗星重水含量是地球海洋兩倍。這就麻煩了，先前天文學家在哈雷彗星發現類似的高比例重水，當初只視為異常案例，然而後來在百武二號彗星又測量到相同數據。三次觀測結果一致成為難以忽視的證據，顯示彗星並不吻合地球海洋的水分子組成。

「天文學家對海爾─博普的觀測結果作何反應？」我問。

「嚇壞了。」朱維特的意思是指數據背後的涵義：「有點像新時代運動³¹的意識覺醒之類。」他笑了笑又說：「好像不該說這種話才對。」但顯而易見，學界頗受震撼，一夕間又不能靠融化彗星形成海洋了。雖然惠普爾沒說錯，彗星確實充滿水，但海洋來自太陽系其他地方。具體究竟是哪兒？

朱維特和其他許多學者一樣，注意力轉向飄浮在太空中的巨大岩石，即所謂小行星。

從石頭榨水，乍聽很無稽，但事實上有些岩石確實可以。如果加熱隕石，也就是從小行星落到地球的碎片，困在晶體結構內的水分子就能變成水蒸氣。多年前科學家已經知道小行星含水，這些岩石含水量差異很大。多數靠近太陽形成的小行星幾乎不含水，但在火星之外冰冷區域形成者水分含量則可高達百分之十三。

朱維特等人的想法是：如果撞擊地球的小行星夠大就會帶來豐沛的水。此外，天文學家還知道火星木星之間軌道上有一大群小行星，並將該區域稱為小行星帶。而且，小行星中重水與彗星不同，吻合地球海洋和人體。各種線索指向我們這兒的水應該來自宇宙岩石。

感覺好像結案了，但其實小行星帶距離地球三億英里遠。從那種距離要一桿進洞得有多高明的技術？有足夠數量的小行星算準角度飛向地球以水覆蓋地表，這個現象發生機率有多高？人類又如何進一步理解？

——本文摘自《你的身體怎麼來的？從大霹靂到昨日晚餐，解密人體原子的故事》，2025 年 01 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

1994 年 7 月中旬，全世界天文學家都緊盯著舒梅克─李維九號彗星（Shoemaker-Levy 9, 簡稱 SL9）的動向。這是美國天文學家舒梅克夫婦與業餘的天文愛好者李維於前一年三月發現的彗星，當他們發現時，SL9 已經被木星的引力撕裂成許多碎塊。事實上正因為彗星碎裂後，反射陽光的截面積變大了，才能在底片上留下影像，這也是為什麼之前的照片一直沒有它的蹤跡。

經過哈伯太空望遠鏡的確認，SL9 共有二十一個碎塊，直徑從幾百公尺到二公里不等。天文學家計算 SL9 的軌道，發現它們朝木星飛奔而去，這將是人類史上首度有機會目睹太陽系內的天體撞擊事件，因此莫不期待此千載難逢的天文奇景。只是計算結果顯示撞擊點將位於木星背對地球那一面，因此無法從地面直接觀測，所幸伽利略太空望遠鏡離木星只有 1.6 個天文單位，可以全程記錄撞擊過程。

第一次撞擊發生於格林威治時間 1994 年 7 月 16 日 20 點 13 分。在時速二十一萬八千公里的高速撞擊下，木星表面產生高達絕對溫度二萬四千度的火球，蕈狀雲直達三千公里的高空。接下來六天之內，SL9 的所有碎塊陸陸續續撞上木星，以縮時攝影呈現時，猶如燦爛的煙火秀。其中最大的碎塊撞擊木星所釋放的能量相當於六萬億噸 TNT 炸藥（約地球所有核子武器的六百倍），在木星表面造成的暗色斑塊長達一萬二千公里，相當於地球大小，久久不散。

這樣的撞擊事件雖是奇景，卻非罕見。億萬年來，木星以其巨大質量吸引無數飛進內太陽系的彗星朝它而去，像是守門員般為地球擋下了毀滅性的撞擊。然而百密一疏，還是免不了有許多具威脅性的彗星直奔而來。六千五百萬年前墜落於墨西哥猶加敦半島（Yucatán Peninsula）的隕石據信造成恐龍的滅絕；1908 年西伯利亞的通古斯喀（Tunguska）大爆炸極可能也是隕石所致，若是發生在都會區，後果不堪設想。

彗星太多，時間太長，難保地球未來是否會再遭彗星撞擊之劫。如何及早發現，進而改變彗星軌道，端賴科學家的努力了。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

• 文／C 編、Heidi
• 本文編譯自《The Real Science Behind the Movie “Don’t Look Up”》

2021 年底在 Netflix 上架的《千萬別抬頭》（Don’t Look Up）講的是一個彗星撞地球的故事，但這並不是一部普通的科幻災難片，而是帶有黑色幽默的諷刺電影，用來嘲諷拒絕科學、對科學冷漠的社會大眾。雖然製作團隊原先是想諷刺那些否認全球暖化的言論，但在 COVID-19 疫情肆虐的現在，恰巧也能影射抵制口罩和疫苗的行為、煽動對立的政治操作，以及人們對於社交媒體的過度依賴。即使整部電影看似穿插了不少笑點，仍能從中感受到一股壓抑和無力感。

《千萬別抬頭》還請來了星光熠熠的卡司陣容，包括李奧納多．狄卡皮歐、珍妮佛．勞倫斯、喬納．希爾和凱特．布蘭琪等多位奧斯卡得主。飾演美國總統的梅莉．史翠普更表示這是她拍過最重要的電影！

製作人亞當．麥凱（Adam McKay）希望這部電影能夠如實描繪科學事實以及科學家面臨的挑戰，於是，他邀請知名天文學家艾米．邁因策爾博士（Dr. Amy Mainzer）擔任電影的科學顧問。

邁因策爾博士現為亞利桑那大學月球與行星實驗室的教授、全球頂尖的小行星探測和行星防禦專家，以及 NASA NEOWISE（Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer）計畫的首席研究員，負責監督這項史上規模最大的小行星探測計畫。在 2020 年 3 月，計劃內的一名天文學家成功發現了一顆新的彗星，並且將它命名為 NEOWISE，就跟計畫名稱一樣。

科學家眼中的災難片

本片的科學顧問邁因策爾博士與北美天文學新聞網站《今日宇宙》（Universe Today）的編輯南西．阿特金森（Nancy Atkinson）聊了《千萬別抬頭》這部片，以及電影中的科學。

邁因策爾博士醉心於彗星和小行星的研究，所以她表示，自己非常喜歡隕石浩劫這類電影題材！非常開心能看到以彗星為主題的電影，也十分慶幸能夠成為災難電影的科學顧問。

雖然目前實際上沒有任何小行星或彗星運行在可能撞擊地球的軌道上，也沒有任何一顆即將撞上地球。但本片畢竟是科幻電影，需要設定一顆真的即將撞上地球的彗星，更像是「拋磚引玉」的功能。邁因策爾博士以「科學實在論」打造故事框架，希望觀眾重視科學家的警告，不再相信虛假的謠言。

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而《千萬別抬頭》之所以涵蓋這麼多科學知識，是因為製作團隊對科學深感興趣，非常重視電影中的科學。因此電影畫面中，團隊設計的彗星既要符合電影的視覺需求，又要符合科學上真實彗星的樣貌。劇情不僅描述了發現彗星的過程，包括如何識別、確定彗星軌跡，還刻畫了科學家在探索未知事物時的反應。這不只描繪了科學家的形象，也告訴觀眾科學家是什麼樣的人，還有他們是如何傳播科學知識——有時很順利，但有時真的困難重重。

這部電影讓《今日宇宙》編輯印象最深刻的是，科學家試圖警告災難，卻沒有被當一回事。若是套用在氣候變遷和傳染病肆虐等全球議題上，這種冷漠的態度似乎有點太寫實了。

邁因策爾博士也認為，這齣電影想強調人們對於科學新聞的態度。就像《今日宇宙》編輯平時所從事的科普工作，將複雜的概念轉化為淺顯易懂的文字是很困難的，因為科學家慣用的詞語與日常生活中的用詞完全不同。

例如，「不確定性」（Uncertainty）代表測量結果是一個可能的數值範圍，而不是指我們不確定自己測量的是什麼。在不同的情境下，詞語意思也會不一樣，確實有可能造成溝通障礙——這只是其中一個例子而已。

對邁因策爾博士來說，這部電影講述的是科學家如何傳播知識，如何讓眾人瞭解這些知識，還有如何根據科學做出明智的決定。這樣的題材很有挑戰性，因為這是一部喜劇，希望觀眾可以在笑著看完的同時，能夠更加理解科學家們多麼努力想做到這些事，「可是也請容許我們偶爾做不到。」

幕後花絮：真正的 NEOWISE 計畫在做什麼？

其實，現實中新發現的 NEOWISE 彗星就是電影裡那顆彗星的原型。那是一顆長週期彗星，以驚人的速度從遠方朝太陽系飛來。邁因策爾博士在 2020 年 3 月發現 NEOWISE，7 月時它就接近地球了，就真的像電影中的彗星一樣，我們來得及反應的時間非常短。 

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好消息是，我們已經開始監視那些能釀成全球性災難的近地小行星。以超過 1 公里的近地小行星來說，科學家已經找到了其中 90%，而且沒有一個會對地球造成威脅。

但長週期彗星就是另一回事了。比起小行星，長週期彗星相當稀有，但這不代表它們不存在。雖然科學家持續監測，還是無法推估總數到底有多少。在邁因策爾博士看來，任何物體接近地球的機率都不是零，我們需要獲得更多知識，才能做好準備，方法就是不斷尋找彗星和小行星，並且全面性地監測、追蹤。

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邁因策爾博士也花了很多時間和導演討論小行星監測系統。當科學家們發現未知的小行星或彗星時，會透過這個系統比對所有已知的星體，如果確定是未知星體，系統就會公開觀測資訊，讓其他天文學家看見。從科學家的角度來看，他們努力地傳播科學資訊，但問題在於每個人對於科學的接受程度不同，這樣的矛盾在劇情中也有不少著墨。

電影中的科學家發現彗星只是湊巧，他本身並不是研究彗星的專家，但製片團隊仍花了不少時間呈現他們識別彗星、確定軌道，以及將結果轉告其他科學家的過程。雖然這畢竟是電影，多少美化了實際情況，但還是希望能藉此讓觀眾看見科學論證的嚴謹之處。

科學講述事實，但藝術掌管對事實的感受

本片中有許多大咖演員，他們才華洋溢，而且都有自信能展現出科學家感性的一面。他們都熱衷科學、關心科學在日常生活中扮演的角色，也相信如果人們根據科學做決定，就能找到更好的問題解決方法。邁因策爾博士還花了很多時間陪演員練習台詞，因為劇本裡有很多艱澀的科學術語。這麼做還有另一個好處，就是當他們沒有在聽博士講話時，博士可以表達身為科學家的感受，供他們揣摩。

邁因策爾博士一直覺得科學和藝術之間的關係很有趣。科學告訴我們事情的本質，但藝術掌管我們對這些事情的感受。這部電影呈現出科學家和大眾對於科學的看法：科學家想改變社會，以做出基於科學的決定，但也必須設法讓大眾傾聽科學的聲音——這種矛盾和拉扯，就是這部電影的核心所在。

The harmful ramifications of climate change are ongoing and undeniable. It is crucial we take the necessary steps to protect our planet. Visit https://t.co/7Rx6qOmRf0 to get involved. #DontLookUp pic.twitter.com/dkPN9itpQJ

— Leonardo DiCaprio (@LeoDiCaprio) December 27, 2021

科學家有所隱瞞？他們更想說個沒完

那些拒絕科學的大眾普遍認為 NASA 或政府隱瞞了一些事情，可是所有科學家卻都說，如果他們發現太空有危險物體，絕對會爬上屋頂告訴全世界。

如果換成是邁因策爾博士，她也會這樣做！當科學家學到新的酷東西時，就像一班人去了一趟很棒的旅行，回家後，他可能會讓其他人感到厭煩，因為他不斷提起旅行中的所見所聞。大多數科學家不會停止談論自身所學，因為他們熱愛這些知識，也希望其他人知道這些酷東西，或許他們就會因此愛上科學！

邁因策爾博士希望觀眾看完這部電影後，能夠理解科學家也是人，而且和一般人沒什麼兩樣。「作為科學家，我們經常遇到溝通方面的挑戰，但我們正在努力，而且我們不會放棄！」

• 作者／陳子翔｜師大地球科學系、EASY 天文地科團隊創辦者

看到下圖密布於太陽系的小行星軌道，你是否會對小行星撞地球這樣的災難感到擔心呢？

事實上面對小行星的撞擊風險，科學家也是嚴陣以待。畢竟即便是一顆直徑只有數十公尺的小行星撞上地球，其威力也足以摧毀一座城市。更何況還有許多直徑數百公尺，甚至數公里的近地小行星（near-Earth asteroids）存在。因此，對於這些小行星的觀測、研究與監控就顯得格外重要。

揪出藏身夜空中的小行星

對近地小行星監測的第一步，就是要先找出「它們在哪裡」。如同在戰場上比起收到敵方要發動攻勢的情報，更可怕的就是連敵人是誰、敵人在哪裡都還不清楚就被暗中襲擊了。

然而棘手的是，由於直徑小，反照率低的特性，小行星的亮度往往非常低，需要仰賴觀測性能強大的天文台才有辦法看見它們。但大型天文台的觀測視野卻通常很小，難以有效率的「掃描」廣大的夜空，而且這些天文台本來就有很多天文研究工作要進行，能撥給小行星觀測的時間也相當有限。

有鑑於這些因素，專門設立搜尋近地小天體的計畫與望遠鏡，就成了更合適的選項。像是林肯近地小行星研究小組（Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LINEAR）、卡特林那巡天系統計畫（Catalina Sky Survey, CSS）以及泛星計畫（Pan-STARRS）等。它們扮演「小行星獵人」的角色定期掃視夜空，尋找移動中的可疑光點。目前透過這些計劃發現的近地小行星已經多達數萬個。

用自動化的監測系統，找出小行星中的「危險份子」

發現這些小行星的下一步，就是由觀測資料計算出它們的軌道，並找出哪些小行星對於我們的威脅比較大。而面對數量龐大的近地小行星資料，NASA 噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）早在 2002 年就開發出一套名為「哨兵（Sentry）」的監測系統，運用設計好的演算法，自動化的評估每個近地小行星撞擊地球的機率，並列出對地球威脅比較大的小行星名單。

以目前的速率來看，每年大約有 3000 個新的近地小行星被發現。而未來隨著更多更先進的天文台投入小行星搜尋的計畫，可以預期小行星的發現數量還會出現顯著的成長。因此就在不久前，NASA 的天文學家已發展出下一代更先進的小行星監測系統：哨兵 II（Sentry II），以因應未來更龐大的資料，同時也對已經使用了近 20 年的哨兵系進行補強。

監測系統升級上線，更完善的為地球把關

就如同各種應用程式都會進行版本更新，並在更新中修正上一個版本的缺點，這次哨兵 II 系統的升級，也從哨兵一代系統多年累積的經驗進行修正。

首先，第一代哨兵系統只有計算萬有引力對小行星軌道的影響，並沒有考量其他外力，例如來自太陽的輻射壓等等。這些力量雖然相對微小，但積少成多、聚沙成塔，長期下來也能影響小行星運行的軌道。另一方面，由於小行星本身會自轉，因此小行星的受光面和背光面會不停改變方向，如此一來熱輻射對小行星造成的力，也會隨著轉動而變化，這個效應被稱作「亞爾科夫斯基效應」（Yarkovsky Effect）。而哨兵 II 的演算法都有將這些因素納入考量，讓小行星的軌道估計算更為精準。

再來，當小行星的非常靠近地球時，受到地球引力的影響，軌道以及速度都會大幅改變。其原理與太空探測器借助行星的引力來改變自身的軌道和加減速的「重力彈弓」效應相同。

然而太空探測器上面有很多精密的儀器提供科學家精準的定位，小行星卻只能透過地面觀測來估算出它的軌道，科學家其軌道掌握的精確度當然就比較差。而當小行星接近地球時，軌道的計算誤差就會被大幅放大。一個小行星飛掠地球時幾百公尺的誤差，到了下一次來訪時可能就成了幾千公里的差別了。而這幾千公里，就有可能是「撞上地球」和「安全通過」的差距。好消息是，由於在軌道計算上考量的因素更全面，演算法也更加精密，讓哨兵 II 即使在面對這樣的狀況，也能計算出更為精準的結果。

最後，哨兵 II 系統在計算小行星的撞擊風險時，判斷的方式也相較上一代系統更縝密。如同任何觀測與測量，小行星的軌道也會存在誤差，而哨兵 II 會從小行星軌道的誤差範圍內隨機取樣進行計算，以檢查小行星有沒有撞上地球的可能性。相比於第一代哨兵系統預先將有撞擊風險的軌道推算出來後才評估撞擊機率的做法，這樣的更新能降低漏網之魚出現的可能性。

持續探索可能的威脅

小行星、彗星等天體的撞擊一直以來都是很多科幻作品的題材。從科學的角度來看，太陽系中也的確存在非常多小天體，可能對地球上的生命構成威脅。雖然對於近地小天體的災害預防，當今的科學與科技還遠達不到萬無一失的程度，但過去三十年，人類對近地小行星的認識已有了顯著的進展。從搜尋小行星的各個計畫，到針對小行星的太空探測任務，以及本篇文章介紹的兩代哨兵監測系統，都帶給我們許多重要資訊，立下人類面對小行星撞擊風險時不可或缺的基石。

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