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銀河系至少存在36個智慧文明,真的嗎?

科學大抖宅_96
・2020/08/31 ・4550字 ・閱讀時間約 9 分鐘

不久前(2020 年 6 月),國內外各大媒體紛紛報導,英國諾丁漢大學(University of Nottingham)的科學家研究發現,銀河系至少應有 36 個智慧文明,吸引了許多人的眼球。無獨有偶,在 2018 年便有報導指出,英國牛津大學人類未來研究所(Future of Humanity Institute)的學者公布,人類是銀河系中唯一高等智慧物種的可能性高達 53% 至 99.6%。明明是類似的問題,相隔兩年的研究卻得出完全不同的結論,讓人看得一頭霧水。

滿天的星星裡還有其他文明存在嗎?這是個人類討論了很久的議題。圖/ by FelixMittermeier@Pixabay

究竟,這些關於外星文明的數量估計,是怎麼做出來的?又是否可信?我們短期內有多大機率證實外星生命的存在?寶傑你怎麼看?

費米悖論:外星人在哪兒?

科學史上關於外星文明的討論,最知名的例子,莫過於物理學家恩里科‧費米(Enrico Fermi,1901–1954)和另外三位同事──包括氫彈之父愛德華‧泰勒(Edward Teller,1908–2003)──之間的對話。

那是在 1950 年夏天的洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)。四人於中午前往用餐時,在路上聊到當時的目擊幽浮報導,以及紐約客雜誌刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫,以解釋市區垃圾桶莫名消失的謎團。雖然一行人並不認為報導裡的幽浮來自外星球,但仍討論起星際旅行的可能性。

費米問泰勒:「在接下來十年內,我們有多大可能,會看到超光速物體的明確證據?」當泰勒回答百萬分之一後,費米說:「這太低了,較可能是百分之十。」當話題結束,大家圍繞餐桌坐定、開始用餐之後,費米突然又冒出一句:「所有(外星)人都到哪兒去了?」

這就是知名的費米悖論(Fermi paradox):宇宙是這麼地遼闊,充滿數不清的恆星,總會有生命於地球之外的地方誕生;而在宇宙悠久的 138 億年歲月中,應有足夠長的時間,讓這些外星生命發展出高度智慧文明;甚至,只需要一定的太空技術,在相對宇宙壽命極短的時間內,約千萬年之譜,就能殖民整個星系。那麼,為什麼地球人完全看不到任何跡象,顯示他們存在?

紐約客雜誌於1950年刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫,同時解釋了當時的幽浮目擊事件,與垃圾桶消失迷團。Alan Dunn (May 20, 1950),The New Yorker。(圖片來源

主動搜尋外星訊號

儘管沒有人知道費米悖論的真確答案,卻有不少人試圖提出可能的解釋,如外星人早就來過、外星人故意不跟我們接觸、我們探索的方式不對、外星生命來不及演化出文明就滅絕了、智慧文明無法避免地會自我毀滅(值得地球人警惕!)、外星人跟我們想的不一樣、地球真的是特別的存在……等等。

然而,不用等理論解釋為什麼,實際搜尋外星人的計畫早就開始進行。

十九世紀末,古列爾莫‧馬可尼(Guglielmo Marconi,1874–1937)發明無線電報系統,利用無線電波發送和接收電碼,電報也從此不再需要靠電線傳送──鐵達尼號失事的時候,也多虧無線電報,才有許多人獲得拯救。到了二十世紀初,利用無線電波傳遞聲音的技術被發明,廣播節目開始出現在我們的生活中;此後,地球人就陸續嘗試搜尋外星人發出的電磁波訊號。

1924 年 8 月,火星軌道運行進入非常接近地球的位置,僅距離 55,777,566 公里,提供了偵測火星人的絕佳機會。天文學家大衛‧佩克‧托德(David Peck Todd)在美國軍方的幫助下,將無線電接收器設置在離地三公里的飛船上,從 8 月 21 日到 23 日共計三十六小時內,嘗試接收火星人的無線電訊號,並備有軍方的密碼學家幫忙解譯;同時,所有無線電台每逢整點都會停止發送五分鐘,避免造成干擾。只可惜,這次實驗沒有得到任何有意義的結果。

1924年當時,美國軍方的電報要求無線電站密切留意任何不尋常的訊號。(圖片來源

到了 1960 年,美國康乃爾大學(Cornell University)的年輕天文學家法蘭克‧德雷克(Frank Drake),利用位於西維吉尼亞州綠堤(Green Bank)的無線電望遠鏡[1],分別觀測了距地球 10.5 光年的天苑四(Epsilon Eridani)和 11.9 光年的天倉五(Tau Ceti),花了數個月搜尋可能的外星智慧文明訊號,卻沒有任何收穫。

似乎,真的沒有外星文明發送電磁波訊號到宇宙中。不過,有此能力的外星文明多嗎?

德雷克方程式:智慧文明有多少?

1961 年 10 月底,德雷克在綠堤舉辦研討會,邀請所有想得到、對搜尋地球外智慧生命有興趣的科學家與會。然而,作為會議唯一的主辦人,德雷克被庶務忙得焦頭爛額,根本來不及安排議程。另一方面,該年度的諾貝爾化學獎得主將在會議期間公布,而謠傳中的得主正好就是會議參加者――加州大學柏克萊分校的生物化學家卡爾文[2];德雷克還得煩惱張羅香檳,以備萬一。

因為缺乏完善的議程規劃,又為了討論更能聚焦,就在參加者報到的前一天,德雷克思考了銀河系內、有能力使用電磁波訊息交流的智慧文明數目(以字母 N 代表),並假設有七個因素決定了 N 的多寡,分別為:

  • R*:銀河系中恆星形成的平均速率[3]
  • fp:恆星擁有行星的比例
  • ne:行星系中,支持生命生存的行星╱星體數量[4]
  • fl:支持生命生存的行星╱星體上,誕生生命的機率
  • fi:存在生命的行星╱星體演化出智慧生命的機率
  • fc:智慧生命文明裡,有多少比例發展出可被偵測到訊號的科技
  • L:智慧文明持續向太空發送可偵測訊號的時間長度

只要把上述七個參數相乘,就能評估出銀河系中可交流智慧文明的數目――這就是知名的德雷克方程式:\( N=R^*\cdot f_p\cdot n_e\cdot f_l\cdot f_i\cdot f_c\cdot L \)

1961 年 11 月 1 日,德雷克把公式寫在會議廳的黑板上,作為議程的討論主軸;當時的他並不知道,這個方程式日後常被認為是科學史上重要的方程式之一,甚至成為現今思考外星生命存在問題的架構――就連德雷克本人都表示非常驚訝(無誤)。

法蘭克‧德雷克攝於2012年的照片。By Raphael Perrino – Flickr: Dr. Frank Drake, CC BY 2.0

德雷克公式告訴我們什麼?

德雷克公式提及的七個參數,只要有任何數值上的變動,都會大大影響我們觀測到外星智慧生命的可能性;偏偏,裡面有許多參數都難以評估,無法給出準確的數值,誤差範圍極大。

在上個世紀 60 年代,科學界只對第一個參數R*(銀河系中恆星形成的平均速率)稍有概念,也完全不清楚剩下的參數數值為何。當時,尚未有任何太陽系外行星的觀測證據,更無從推測生命誕生於系外行星的可能性。

現代,隨著科技的進步,我們對德雷克方程式裡的參數已更有概念。根據目前的觀測結果,幾乎每個恆星都擁有自己的行星;換言之,方程式的第二個參數 fp(恆星擁有行星的比例)相當接近 1。此外,有 22% 的類太陽恆星,在適居帶擁有地球尺寸的行星──這無法完全決定第三個參數 ne(行星系中,支持生命生存的行星╱星體數量),但很有參考價值。

至於剩下四個參數,就算到了今天,我們若不是所知有限,就是一無所知──這一點也不奇怪,畢竟人類至今唯一能拿來參照的實例,也就只有地球而已。

在 1961 年的那場會議,德雷克和其他科學家們,針對不同參數分別給出了數值範圍的預估,最後得到 N(銀河系內可交流的智慧文明數目)約在 20 到 50,000,000 之間。

從 1961 年的估計,我們可以看見,因為德雷克方程式裡的參數不確定性太大,使其幾乎不具有預測能力。若以開頭所提到、今年六月的新聞來說,雖然宣稱銀河系中有 36 個智慧文明,但只要查看論文,就會發現其範圍實際上是 4 到 211(36-32 ~ 36+175 );而且,研究團隊在過程中還做了許多假設,才得出這樣的數字。換句話說,只要稍微更動假設,結論就很可能天差地遠──儘管如此,在目前有限的科學證據下,最多也只能做到這樣了。

永不放棄對外星生命的探問

儘管德雷克方程式能給予我們的資訊非常有限,但其貢獻仍不可抹滅:它提供了一種看待問題的架構,將「銀河系內可交流的智慧文明數目」拆開、化簡,成為數個單純因素的組合。

自從德雷克方程式面世之後,許多人套用類似的架構,提出不同的修改版本;如麻省理工學院(MIT)教授莎拉‧西格爾(Sara Seager)就參考德雷克方程式,將「大氣層可偵測到生命印記(Biosignature)的行星數目」分解為數個參數,以推估下一個十年、我們有多大可能性主動發現這些孕育生命的系外行星。最後她發現,以現有的地球科技所及,能找到且存在生命的系外行星,可能只有兩個──在不考慮誤差的狀況下,情況並不樂觀。

至於費米悖論,目前雖然尚無法得到解答,但依據近年的觀測證據,再加上對德雷克方程式、和其他修改版的估計,或許,我們無法太過理想性地認為,銀河系充滿了智慧生命等待交流──考量到宇宙漫長的歷史、與無窮盡的遼闊,縱使外星智慧文明真實(或曾經)存在,也不見得剛好能被地球人發現。

從無線電廣播發明至今,僅約莫百年;可以想像,如果有外星智慧生命要靠電磁波訊號偵測到地球人的存在,不但必須距離地球一百光年之內,而且科技程度還得恰恰好在這幾十年、至少發達到足以接收我們的訊號,且不能因為外在環境或自身緣故而毀滅──怎麼想都不是容易的事。

而德雷克在綠堤研討會提出他的方程式之後,除了持續天文學相關工作,甚至主導了傳送訊息給外星文明的活動:1974 年,在其他研究者──包括知名天文學家與科普作家卡爾‧薩根(Carl Sagan,1934–1996)──的幫助下,他們設計的訊息從波多黎各阿雷西博天文台(Arecibo Observatory),以強力的電磁波發送向距離地球 25,000 光年的球狀星團 M13,內容包括了人類的DNA 結構,和太陽系的介紹等等,史稱阿雷西博訊息(Arecibo Message)。儘管人類可能永遠無法收到回覆,在宇宙中傳播的阿雷西博訊息,卻已成為地球文明曾經存在的證據,等待很久很久以後,某個遙遠星系的外星文明觀測到它。

阿雷西博訊息。此處標示的顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。(圖片來源

就算目前對外星生命的探尋一無所獲,但宇宙總是充滿各式驚奇與可能;或許,在可見的未來,我們就會從系外行星的大氣層發現外星生命存在的印記,甚至接收到外星文明的訊號也不一定。願原力與你同在!生生不息,繁榮昌盛!(一秒同時惹怒Star Wars和Star Trek粉絲)

註釋

  • [1] 該望遠鏡在當時由美國國家電波天文台(National Radio Astronomy Observatory)營運,位於美國國立無線電寂靜地帶(National Radio Quiet Zone)。
  • [2] 梅爾文‧埃利斯‧卡爾文(Melvin Ellis Calvin,1911 – 1997),美國化學家,1961年諾貝爾化學獎得主。
  • [3] 恆星中質量最小、溫度最低的紅矮星原本不被包括在定義裡;現代的版本已將其納入。
  • [4] 原本的定義中,只考慮行星的數量,但德雷克之後將其擴充,以包括所有星體。行星系中支持生命生存的星體不必然是行星,衛星也是可能的選擇;例如木星的衛星「歐羅巴」(Europa)在表面的冰層之下,可能擁有液態水海洋,也被認為是外星生命可能存在的地方。

參考資料

  1. “Where is everybody?”: An account of Fermi’s question, Eric M. Jones, Los Alamos technical report, March 1985.
  2. How My Dad’s Equation Sparked the Search for Extraterrestrial IntelligenceNadia Drake, National Geographic, June 30, 2014
  3. An Equation to Estimate the Probability of Identifying an Inhabited World Within the Next Decade, Sara Seager, MIT, 2013
  4. 《悖論:破解科學史上最複雜的9大謎團》,吉姆‧艾爾─卡利里,三采文化(2013)
  5. Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars, Erik A. Petigura, Andrew W. Howard, and Geoffrey W. Marcy, PNAS 110 (48), November 26, 2013
  6. It’s the 25th anniversary of Earth’s first (and only) attempt to phone E.T., Bill Steele, Cornell Chronicle, November 12, 1999
  7. Wikipedia: Drake equation
  8. Wikipedia: Search for extraterrestrial intelligence

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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