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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

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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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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