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呼叫外星生命!如果外星人主動聯絡,我們到底要不要回應?——《關於夜空的 362 個問題》

PanSci_96
・2019/07/25 ・3003字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 491 ・五年級

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編按:本文摘自《關於夜空的 362 個問題》,蒐集了英國最長壽科普節目《仰望星空》的觀眾提問。所有你對太空宇宙會有的疑問,都將在本書中為你解答。本節討論的是「呼叫所有生命形式……」。

我們把訊號從地球送出去已經超過五十年了,在接收端的那一頭如果有其他文明,會不會偵測到這些訊號呢?

我們的無線電訊號洩漏到太空中已經大約六十年了,最早傳出去的無線電波已經前進了六十光年。不過,隨著訊號愈來愈遠,它們也會愈來愈分散,更加難偵測。大部分的訊號也受限在很窄的無線電波頻率範圍內,所以它們會和大部分的自然天文訊號有所區別。

先鋒鍍金鋁板,是指安裝在兩艘無人駕駛太空探測器-先鋒 10 號及先鋒 11 號上,一塊載有由人類發出的訊息的鍍金鋁板。圖/wikipedia

當我們尋找外星文明的訊號時,目標是找到與我們相似類型的傳輸,因為那就是我們發射出去的東西,可是誰說外星文明和我們使用的技術是相同的呢?也許他們會用 X 光通訊,而且一直都在發射 X 光束到太空中。如果他們和我們的想法一樣,可能也一直在尋找從其他行星放射出的 X 光,而我們根本沒有大量放射出這種東西。

在地球無線電訊號發射的範圍內,有沒有任何星系裡出現「適居帶」裡存在行星的跡象呢?

我們假設地球已經散發出六十年的無線電波了,這當中有奇怪的、特意發出的訊號,也有來自地面的電視與收音機傳輸時無意間「洩漏」出去的訊號。最早的無線電波以光速前進,所以已經達到了六十光年之外,我們知道在這個範圍內有大約一百顆行星。其中大部分都是氣態巨行星,而且和它們的母星公轉距離都非常接近,不過還是有幾顆距離母星比較遙遠。

「適居帶」一般的定義是在恆星周邊,液態水能夠存在的區域。相對於比較大、比較亮的恆星,比較小、比較黯淡的恆星的適居帶會比較接近母星。

而液態水是否存在,則要靠行星的大氣層決定,一般來說有大氣層會稍微增加行星表面的溫度。

值得一提的一個星系是巨蟹座 55,這裡有五個行星是我們知道的。這顆恆星本身比太陽略小,以名義上適居帶會比較靠近恆星一點。在這五個已知的行星當中,有三個的公轉位置比較接近恆星,第四個比較遠一點。從適居帶的角度來看是很可惜的,因為其中一顆比較靠內的行星稱為「超級地球」,只比地球的質量大八倍多,直徑大約是兩倍。

藝術家筆下的巨蟹座 55e。圖/wikipedia

可惜巨蟹座 55e 這個行星距離母星的公轉距離只有兩百萬公里,公轉一圈不到十八小時,所以可能會被燒成煤炭渣。不過有一個比較大的行星公轉的位置,大約像金星和太陽之間的距離。它所繞行的恆星比較冷一點,就位在接近適居帶的地點,可是這顆行星是一個氣體巨行星,質量大約在海王星與土星之間。如果它有比較大的衛星,而且大氣層夠厚,那麼也許是個可以居住的地方。可惜我們還不能偵測到外太陽系行星的衛星是否存在,所以必須等待進一步的推測。

第二個很有意思的例子是繞著 HD 85512 恆星公轉的行星,距離我們大約三十五光年。這顆恆星比太陽略冷一些,不過這顆行星公轉的位置比較近,大約比水星繞著太陽公轉位置再近一些。這顆行星的質量比地球大幾倍,所以可能是岩石型的。行星表面的溫度會依照覆蓋其上的雲量而定,不過可以大約推測一下。利用一系列的假設,比方說這裡的大氣層和我們的大氣層,組成成分不會相去太遠等,我們可以計算出這裡的表面溫度,確實適合液態水存在。不過這些只是很概略的計算,要到我們真的能研究直接來自這顆行星大氣層的光,才能夠確定。

巨蟹座 55e(右)與地球(左)的大小比較。圖/wikipedia

這個領域的研究進展快得驚人,所以很有可能等你讀到這裡的時候,我們已經在鄰近的恆星的適居帶裡發現了一顆像地球的行星。在二○一一年十月播出的《仰望夜空》裡,我們邀請任職於歐洲太空總署以及倫敦大學學院的泰提妮博士,猜猜看我們再過多久會發現這種行星,而她打賭在一年之內,人類就會發現一顆像地球的行星了!

針對「如果外星生物聯絡我們,我們應不應該回應?」這個問題,有沒有任何科學上的研究呢?

關於這個問題的討論,通常圍繞著「一開始到底為什麼要聯絡?」也許外星生物想要分享它們的知識,讓大家對宇宙的了解更為透徹,這樣的話,真誠與坦白的對話,是對於雙方都有益處的。但是也有可能外星種族是在尋找征服的目標,也許是為了開採地球的資源,或者只是要把人類打包到自己的午餐盒裡。如果是這樣的話,我們可能最好不要回應,不過等到我們了解這一點時,可能也太晚了。如果這種溝通看起來是特別針對地球的,那麼可能他們已經發現了我們的存在,也可能已經在路上了!

圖/needpix

很多人都提出意見,認為我們不應該與外星人聯絡,因為他們可能是來毀滅我們的。可是也有人會認為,如果他們成功做到了星際間的通訊,並且來到這裡,那麼他們可能不僅僅是為了毀滅與戰爭而來。不過如果他們的科技都比我們先進呢?我們眼中的他們,可能就像牛羊眼中的我們,那麼他們會不會穿著人類的毛皮,用香草和香料搭配我們的肉食用呢?

如果我們真的接到來自其他地方的通訊,那麼比較立即需要克服的問題是:

誰要代表我們發言?我們會希望像許多的科幻電影那樣,讓美國來主導對話嗎?

在國際間已經有這樣的討論,比方說聯合國就討論過在這個情況下要怎麼做,包括該怎麼回應,以及我們該說什麼。這樣的決定有時候彷彿可以當作科幻的領域而一笑置之,不過如果來自外星生物的通訊真的來了,到那時候再來想可能就真的太晚了。在此同時,一般的共識傾向我們既然無法把自己的存在隱藏起來,那麼應該不要太大肆宣揚自己,等到我們已經決定好一旦收到回應時該怎麼做,再改變做法。

利用低頻電波陣列(LOFAR)進行「尋找外星智慧計畫」(SETI)是否合理與值得?

低頻電波陣列是建造在歐洲各地的一個巨大無線電波望遠鏡,當中有一個站就在漢普夏的奇爾波頓。不過這個陣列並不是由我們所熟悉的無線電波望遠鏡所組成的,而是一個由無線電天線組成的網絡。

低頻電波陣列是建造在歐洲各地的一個巨大無線電波望遠鏡。圖/wikimedia

它們的作用類似電視與收音機的天線,會同步收集來自廣大天空中的訊號。低頻電波陣列的強大之處在於可以同時集合來自大量天線的訊號,使天文學家能詳盡地觀測任何一個特定的位置。既然結合訊號是由電腦分析所進行,所以基本上低頻電波陣列是可以同時研究各個方向的訊號的。

感覺起來,這對於尋找外星智慧計畫是非常理想的工具,不過這個望遠鏡其實還要符合很多其他目的需求。當然囉,沒有什麼能阻止人們從低頻電波陣列中取得資料,並且加以過濾,找出人造的訊號。

——本文摘自《關於夜空的 362 個問題:從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕,了解天文學的入門書》,2019 年 4 月,貓頭鷹出版

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宇宙如何影響我們的文明?星空信仰下的人們——《人類大宇宙》
遠流出版_96
・2022/10/17 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者 / 喬.馬錢特博士(Dr. Jo Marchant)
  • 譯者 / 徐立妍

宇宙最初的光芒

將近一百四十億年前,一切自虛無中霹靂而生,我們的宇宙從一個熾熱、壓縮又微小到無法想像的小點中迸發誕生,接著幾乎是在一瞬間便往外膨脹,形成太空的這個空間以超過光速的程度急速擴張,一直到所有存在的物體大約成為一顆葡萄柚的大小。

然後,宇宙持續擴張、冷卻,接著形成了最初的物質,就在那第一秒內,中子、質子、電子、光子、中微子等各種粒子組成的高密度團相互推擠,形成一股驚人而熾灼的熱,散發出有如霧般的光。宇宙生成大約三十八萬年後,這顆泡泡已經擴張到幾千萬光年以外的地方,並且冷卻到了幾千度左右,這樣的溫度足以讓原子組合在一起,宇宙第一次透出了光。

一開始只是一閃即逝的光,然後黑暗再度籠罩,還要再過幾千萬年,重力才能夠吸引住稍有密度的各種物質,粗暴地將一團團氣體碰撞在一起,形成最早的星星及星系,就這樣,天空的燈光一個個亮了起來。

大霹靂(Big Bang)。圖/envato.elements

大多數的宇宙學入門大概都會以自己的方式描述這一連串事件,但謎團仍未解開:大霹靂(Big Bang)真的是一切的開端嗎?或者我們的宇宙只是在另一個更大的多重宇宙中一顆不斷膨脹的泡泡?宇宙會永遠擴張下去嗎?或者到最後會在一次大擠壓中再次崩塌?不過,眾人都能同意宇宙的普遍性質及宇宙是怎麼回事,目前已經揭露的事實是,這是一台龐大且精細的機器,由物理粒子組成,並且其中的作用力也依循著數學方程式及法則。

仰望星辰的人類歷史

這本書要說的是不同的故事。宇宙的科學解釋是我們現代文明的巔峰,如此擲地有聲的見解足以消弭其他所有不同看法。研究宇宙的宇宙學曾一度被形容為在哲學及精神層面上的廣泛追尋,要找出人類存在的意義,要問我們是誰、我們在哪裡、我們為何在此地,如今卻是數學天文學的一個分支。那麼,那些大哉問怎麼了呢?我們對於宇宙已經沒有其他什麼需要知道的嗎?

這本書並不是要詳細描述最新的天文學進展,是要介紹長久以來,人們從星辰收集到的知識歷史,是關於人們的宇宙觀如何讓他們認識了現實的本質及生命的意義;關於我們已經捨棄的那些神祇與靈魂、神話與神獸、宮殿與天體;關於科學觀點如何成為主流,而這段路程又是如何形塑今日的我們。這是一段關於人的故事,講述了祭司、女神、探險家、革命家和君王,故事並非由大霹靂開始,甚至也不是由科學的誕生開始,而是由最早抬頭望向星星的人類開始,以及他們在天空中找到的答案。

為何要在乎過去對天上的信仰?考古學家和歷史學家通常不會如此。我們知道,科學是立基於試圖理解天堂的念頭,不過學者要更全面追溯人類歷史進展時就鮮少以此為焦點,我認為此舉對於我們要理解自己從何而來造成了巨大的盲點。事實上,人們在天空中所看到的模式一直都主宰著人們在地上生活的方式,形塑了對於時間與空間、權力與事實、生與死等概念。
我們在古老的過往中便看見這一點:執著於日食的巴比倫人;建造金字塔以引導靈魂前往星星所在之處的埃及法老;在太陽旗幟下奮戰的羅馬皇帝。對宇宙的概念也形塑了現代世界,即使我們忘記這些影響力的根源,卻也已經深植在社會當中,存在我們的國會、教堂、藝廊、時鐘與地圖裡。從基督教的誕生,乃至歐洲的探險及主宰星球,其中核心的影響力正是對太陽、月亮、星星的信仰,他們指引著不羈的立法人員創建了民主與人權原則、引導經濟學家建立資本主義所仰賴的框架,甚至指示畫家畫出了第一幅抽象畫。

捷克布拉格舊市政廳天文鐘。圖/envato.elements

今日光害籠罩著我們的星球,星星幾乎消失了,過去在黑暗的夜空中能看見上千顆星星,但今日在城市裡的我們只能看見幾十顆。天文學家擔心,就連這些很快也會遠遠不敵人造衛星的數量,在美國和歐洲的大多數人根本再也看不見銀河。看著自然遺產這樣逐漸消蝕實在是災難一場,我們與銀河系及浩瀚宇宙之間的連結也會就此消逝。沒有人為此群起大聲疾呼,大多數人只是聳聳肩,依舊盯著自己的手機,絲毫不擔心即將失去這片在歷史上其他每一種人類文化都視為必要的景象。

宇宙的本質與生命的追尋

但是,我們仍然努力想弄清楚我們在宇宙中的位置,科學在這方面的進展十分成功:今天一個五歲小孩比起幾千年前的古早文化更清楚物理宇宙的歷史、組成及本質,但是科學也將這些文化在生命中發現的意義拆解了大半,將個人經驗屏除在我們對現實的理解之外,取而代之的是時空概念抽象而數學化的網格。

地球從存在的中心被踢到了邊緣,生命被重塑成隨機意外的結果,而且也完全不管神明了,現在一切都能以物理法則來解釋。我們在宇宙秩序中完全不是什麼有意義的角色,而是如物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)所言,我們只是「化學渣滓」,存在於一個中等大小的星球表面,繞著一個沒什麼重要性的星球運行。

幾百年來不斷有人批評反對這樣冰冷機械式地解釋人性,過程中經常全盤否決科學的見解,一直到不久之前仍屬於禁忌話題,但現在即使是受人敬重的科學家也對此表達擔憂,他們認為或許物理物質並非宇宙全貌、並非我們的全貌;或許,科學只看見了全貌的一半。我們可以解釋星體與星系,但心智呢?意識本身呢?這些論戰逐漸形成一場世紀之戰,可能會改變整個西方的世界觀。

畫下戰線之後,我想我們必須換個角度思考,提出概述,因此這是一本關於宇宙的書,不是科學指南,是從人性出發。我不長篇大論地講述,而是選擇了十二個時刻,你或許也可以稱之為墊腳石,讓我們理解歷史上的人們是如何看待天空,尤其是這十二篇故事依循著西方物質宇宙觀點的崛起,爬梳這套宇宙模型如何主導我們的生活。這些故事從人類最早透過洞穴壁畫及巨石陣來表達人性開始追溯,途中講述了基督教、民主及科學等重要傳統的誕生,最後進行到追尋外星生命以及近來飛入真正的且虛擬的太空之旅。

這趟旅程能夠解釋今日的我們是誰,或許還能指引出未來的航道。所謂當局者迷,我們很難看見其極限,因此我希望拉遠距離去檢視人類宇宙信仰的深度歷史,或許有助於我們探索世界觀的界線,還可能看得更遠。我們是如何成為無意義的宇宙中被動的機械?這些信念如何影響我們生活的方式?而我們由此又能前往何方?

———本書摘自《人類大宇宙》,2022年 9 月,遠流出版。

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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。

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喂?喂?你有聽到嗎?去除訊號死角怎麼這麼難!——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/14 ・2371字 ・閱讀時間約 4 分鐘

不斷掉入收訊黑洞

在德國高速列車 ICE 上從柏林(Berlin)打電話到科隆(Köln):「喂?喂??(快速地查看了一下手機)……我快到柏林了,可能很快就會經過了……喂?……你剛離開(把手機貼在耳朵上)……喂?……(聲音變大了)……列車停靠下一站的時候我再打給你,好嗎?」

雖然高速列車 ICE 上接聽手機的專用區域已經加裝了增強手機收訊的強波器,但這種狀況仍然不斷發生,讓人覺得這段車程有夠累人,尤其是擔心斷訊時,還會不自覺地加大聲量。大聲說話當然沒用,但我們還是會這樣。讓人在全國各地都能接聽手機到有什麼難的呢?為什麼在某些地區,我們每隔幾公里就會掉進收訊黑洞,要怎麼改善這種狀況呢?

我們對這個議題的興趣是在德國下巴伐利亞地區(Niederbayern)某場研討會上被引出來的,已經忘了會議主題是什麼,不過休息時間發生的事我們還是記得很清楚。

有一群人跳起來興奮地揮舞雙手,跑來跑去開心極了,直到有人喊了一聲:「有了!」然後所有人衝到他旁邊擠在一起,像是在小孩生日派對上玩搶椅子遊戲,不過這群人想要的不是椅子,而是更珍貴的東西:手機訊號

每次自由活動時間或晚上到山上散步,只剩「德國電信」(Deutsche Telekom)的通訊用戶手機還有訊號時,會讓人心情變得更煩躁。

走來走去,卻到處都沒有訊號。 圖/GIPHY

前文中提到的每個人似乎都有個故事好說。德國的通訊網絡就像一塊充滿孔洞的乳酪,似乎到處都有訊號死角。在國際行動網路報告權威機構「打開訊號」公司(Opensignal)的一項研究中,調查了用戶使用手機通訊的體驗,德國在 100 個國家中,排行第 50 名,落後於印尼和位於中亞的吉爾吉斯坦共和國(Kyrgyzstan)。

鄉下地方的訊號特別不穩,但柏林中部地區也是,顯然這裡有個 4G 黑洞。據傳有位部長說自己不會在車上與外國同僚講電話,因為要是一直斷訊,那就太尷尬了。

現在還不清楚這個問題到底影響有多大,因為「死角」沒有科學定義。是有些路上沒訊號就算嗎?還是要整個地區都沒有呢?那麼「德國電信」的用戶有訊號,但「沃達豐」(Vodafone)電信公司的用戶沒訊號的地區,又怎麼算呢?

不過有一點很清楚,在德國光用手機講電話就不順暢了,更別說上網。畢竟,我們不只希望打電話時不斷訊,還想要開視訊會議,理想狀況下,啟動自動駕駛的汽車應該要能透過網路聯繫其他自動駕駛的汽車才對。這在技術上可行嗎?

訊號的傳輸暗藏著物理技巧

看看打電話時會發生什麼事。當你打電話給某人時,你的手機會發出電磁波,它們會在空中散開尋找下一個輸電桿,「基地臺」就是聚集這種接收手機訊號輸電桿的小區域。當我們從柏林搭火車到科隆時,主掌手機訊號傳輸的基地臺會從這個移到另一個。你的手機訊號會透過定向無線電(Directional Radio)或電纜轉發給在辦公室同事、在家的孩子,或者你是一名政治家,訊號會轉發給你外國的部長級同僚。

我們家孩子曾經試圖尋找這種天線,他們尋找時,腦中想的是必須安裝在屋子某處的那種典型細天線,或是俗稱小耳朵的碟型衛星訊號接收器。不過手機天線不是長那樣,它更像是一根連著整串怪異灰色長方形盒子的粗壯金屬棒,這種形狀是特意配合天線必須為長條形所塑造的,其中暗含著物理技巧。每個盒子裡接連安放著幾個同款發射器,如果只用到一個發射器,訊號會向各個方向均勻發散,也就是向上、向下和向左右周圍,有點像是發光的燈泡。但大家通常不想要向上和向下的訊號,尤其是住家就在發射下方時。

圖/商周出版

工程師會面臨一個問題:要如何控制訊號盡可能向前發射,而非朝其他方向發散?以燈泡為例,是用燈罩來解決燈光散射的問題,只讓光線投射到需要的方向。無線電天線很難做到這一點,但有一種簡單卻讓人激賞的物理方法可以控制發射方向:讓幾個發射器彼此發射無線電波,以便互相控制。

這就是基地臺上的無線電天線桿會重疊裝載數個天線的原因,這樣它們發射出來的無線電波就會交疊。如果將這些天線對齊,與地面平行的橫向電波會增強,波峰和波谷則弱化或甚至相互抵消,並以這種方式將訊號傳輸至發射器另一端的目的地。在沒有山脈、樹木、或房子等任何障礙物的情形下,這種平行於地面傳播的方式,可以將訊號傳送到很遠的地方,至少在德國離岸 30 公里的地方通常都還能講電話。

圖/商周出版

現在我們當然想要找到自己的無線電天線桿,下一個天線桿可能在住家公寓附近的什麼地方呢?我們在去商店購物的路上和散步的路途中朝上張望,看起來可能很像個傻子。我們懷疑天線在住家西邊,因為位居東邊的客廳訊號總是最差。一開始,我們什麼也沒找到,所以上網搜尋最近的手機基地臺。終於找到了!在德國聯邦網路局(Bundesnetzagentur)的網站上,可以準確看到基地臺分布情況(我們對分布圖的詳細程度感到非常驚訝)。

在這個網站,不僅可以看到通常安裝在大型建築物上的大型天線位置,還有其他小型基地臺(Small Cell),這些小型基地臺安裝的是較小的天線,通常位於人潮眾多的地方,例如展覽廳或市中心。結合 Google 街景地圖,就可以輕鬆查看負責你手機訊號的基地臺所在位置。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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