蒼藍一粟:航海家 1 號的特別任務

  • 文/金升光,任職於中央研究院天文及天文物理研究所、國際天文聯合會會員。

「再仔細看一眼那小點吧。那是這兒。那是家。那是我們。
Look again at that dot. That’s here. That’s home. That’s us.

-卡爾.薩根 (Carl Sagan)

翻開相簿,往往能找到幾張自己和親朋好友或家人們的合照,化剎那為永恆。

1990 年 2 月 14 日,航海家 1 號太空船 (Voyager 1) 在距離地球約 60 億公里遠處,為太陽系家族拍下了第一張全家福,迄今剛好 30 年。

而這組太陽與行星的大合照是由 60 幅影像拼接而成,地球的大小在照片中只是未滿一個畫素、不起眼的小點,幾乎淹沒在太陽強光於相機內產生的雜散光之中。

航海家 1 號所拍到的太陽系行星,第一行從左到右分別是金星、地球、木星,第二行從左到右分別是土星、天王星、海王星。圖/NASA

大力推動這次特別任務的美國天文學家薩根稱之為「Pale blue dot」,意思是暗淡藍點、蒼藍小點或淡藍色的小圓點。

現今提到自拍,就是使用左右手、自拍棒、三腳架或高檔的遙控空拍機。而太陽系全家福,只要透過 1977 年發射的最先進太空船,讓相機瞄準適當的角度,按下快門就可以了嗎?每位攝影家總是有自己獨特的眼光;不過,讓我們先從外太空的角度,稍微深入了解一下這次任務。

目標

航海家 1 號的兩大主要目標是木星 (1979 年) 和土星 (1980 年)。太空船上共搭載 11 組的科學儀器,其中的影像科學系統 (Imaging Science System, ISS) 包括兩台相機。窄角相機焦比 F/8.5,焦長約 1500 毫米 (mm),水平與垂直方向的視角略大於 0.4 度;廣角相機 F/3.5,焦長約 200 毫米,兩方向視角都接近 3.2 度。

換句話說,窄角相機可以一次拍下大部分的滿月(視直徑約 0.5 度),解析度高;廣角相機視野內則可填滿 6 × 6 共 36 個滿月,但解析度較低。

月亮:我等著你來拍我呢(開玩笑的)。圖/GIPHY

相機的焦平面上使用的自然不是傳統底片,也不是現代常見的固態電子元件1,而是承襲自先前水手號計畫 (Mariner Program) 改良後的光導攝像管 (vidicon tube),比較類似早年的陰極射線管。水平與垂直方向各有 800 條掃描線,相當於 800×800 或 64 萬畫素的相機。

拍攝後的影像經過 8 位元的類比數位轉換後可存入磁帶或直接回傳地球。兩台相機都配備了 8 組濾鏡,最後太空船回傳了 39 幅低解析度的單色影像,另外 21 幅高解析度影像分別使用三組濾鏡瞄準行星,合成後可以產生彩色影像。

透過簡單的星空模擬軟體或精確的星曆計算程式,不難重現當年行星排列的概況。

首先,冥王星太暗不在拍攝計畫內、水星太靠近太陽,而火星幾乎背對著鏡頭,在太陽的強光中無法辨識。金星和地球「恰好」在最適合觀測的位置附近,也就是說,行星-太空船(觀測者)-太陽三者所夾的角度接近最大值,受太陽光的影響最小;同時,行星本身不發光,相對於太陽和觀測者的相位如同月亮的圓缺,不同方位看起來也呈現不同的亮度,必須一併考慮。

拍攝計畫考慮了非常多的因素呢!圖/GIPHY

當年航海家 1 號放棄造訪冥王星的機會,在完成了土星環和土衛六(泰坦)的觀測任務之後,以約 35 度的角度遠離行星繞太陽公轉的平面。60 億公里約相當於地球和太陽平均距離的 40 倍,也就是 40 天文單位 (au)。

換個角度來說,這時從太空船觀測地球和太陽之間的夾角,最大不會超過 1/40 弧度,約等於 1.4 度;而相機看到的太陽依然比地球上看到的天狼星亮 800 萬倍,相差超過 17 個星等。

星點

每 5 星等,亮度相差 100 倍。天狼星是地球夜空中最亮的恆星,視星等約 -1.5 等。

然而,反射陽光的行星有時候看起來比天狼星更亮,這和行星的距離、大小、相對相位、大氣和表面組成都有關係。

地球上看金星最亮時約 -5 等,如果有機會從金星軌道看地球應該比從地球上觀測火星大接近更壯觀。粗略估計,人們可以說地球型的行星亮度大約和太陽相差 10 星等以上,因為直徑就相差兩個數量級;木星直徑約地球的 10 倍大,反射面積增加 100 倍,相當於 5 星等,相對的也比較容易觀測。

土星外觀。圖/GustavoAckles@Pixabay

經過多年努力,面對不同意見、疑慮和實務上的困難,其實薩根也承認,即使從土星軌道看,地球和幾顆較小的行星仍然只會是照片中的一個星點,不會有太多的科學內涵;但另一方面,這是人類第一次有機會從如此遙遠的太空回頭認識自己的世界。

這也是影像科學系統的最後一組照片:為保留太空船電力等資源進行星際空間研究,ISS 在完成任務後隨即關閉。

從太陽系行星的邊陲地帶以光速行進 5 個多小時才到達地球,而照片在 3 月到 5 月間陸續回傳分析。 NASA 在美東時間 6 月 6 日召開記者會,正式公布這次觀測的結果。

記者會上,同時擁有普立茲獎桂冠的薩根指著照片中的微弱光點,向眾人介紹:這就是我們生活的地方,在一個藍色的小點上。

蒼藍

在 1968 年耶誕節前夕,首度脫離地球引力進入月球軌道的阿波羅 8 號的 3 位太空人,正執行繞月飛行任務為將來的登月做準備。

窗外單調的月球表面和坑洞、漆黑的夜空和繁星,彷彿進入幾乎黑白的世界。當地平線上忽然出現一顆藍色的行星冉冉上升,美麗的景象立即吸引 3 人的目光,放下手邊的工作按下快門,這意外的「地球初升」或「地出 (Earthrise)」也成為史上傳頌最廣的照片之一。

這就是當年拍下的「地出 (Earthrise)」照片。圖/Wikipedia

如果把鏡頭拉遠到航海家的軌道或更遠,加上若干比例的雲層反射就成了「蒼藍」。但是,同樣反射陽光的其他太陽系天體為什麼呈現不同的顏色?地球很特別嗎?未來人工智慧程式能夠從萬千個遙遠世界中分辨出具有獨特生命力的光點嗎?

1990 年代初期,太陽系仍是宇宙中所僅知的行星系統。2019 年諾貝爾物理獎頒給了宇宙學理論和類太陽恆星旁系外行星的新發現,是因為他們改變人類對於宇宙演化和地球在宇宙中地位的理解與認知2。近 30 年來,已有數千顆系外行星被發現,然而,能夠偵測到行星大氣吸收譜線或反射光譜的目標仍屬鳳毛麟角。

透過未來更大口徑的望遠鏡和特殊技術,佐以行星物理、大氣化學等分析,科學家有可能分辨出類似地球表面植被和大氣循環特徵等生命存在的可能信號,這正是目前天文生物學 (astrobiology) 熱門的研究主題之一。

也許有一天,比 AlphaGo 更先進的程式會突然暫緩執行中的枯燥任務,轉頭拍下傳世的照片?也許,另個程式能看透來自遙遠宇宙的蒼藍微光,如薩根寫下他對這微光背後人文歷史的關懷?

歷史其實有些弔詭。就在航海家 1 號相機完成終極任務之前不久,1989 年 11 月 9 日,柏林圍牆倒下了;30 年後的今天,人們透過新的科技又豎立起各種有形無形的高牆。持續破紀錄的氣象數字、災難成為常態、環境汙染進入生態循環,大自然並不在乎這些人為的疆界。

就在獅子座編號 HD 100655 的 6 等巨星旁有顆行星叫做「水沙連 (Sazum)」;或許附近軌道上還有一個暗淡藍點,上面有群外星天文學家正在研究著超級先進望遠鏡在寶瓶座方向拍到,一顆 10 等暗星——我們的太陽旁邊的奇異光點。

那是這兒。那是家。那是我們。同一個地球,同一片天空。

註解

  1. 詳請參閱《科學月刊》2009 年 12 月諾貝爾物理獎報導—〈奠定現代網路生活的發明〉。
  2. 詳請參閱《科學月刊》2019 年 12 月號諾貝爾物理獎報導—〈宇宙學〉與〈系外行星〉。

延伸閱讀

  1. 國際天文聯合會 (International Astronomical Union, IAU) 100周年
  2. Solar System Portrait – View of the Sun, Earth and Venus, NASA
  3. Krissansen-Totton, J. et al., Is the Pale Blue Dot Unique? Optimized Photometric Bands for Identifying Earth-like Exoplanets, Astrophysical Journal, Vol. 817: 31, 2016.

〈本文選自《科學月刊》2020 年 3 月號〉

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