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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 ・SR值 558 ・八年級

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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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人腦是個很棒的東西!它是殘酷天擇的驚奇產物——《生命之鑰:一場對生命奧祕的美麗探索 》
三采文化集團_96
・2021/12/05 ・2401字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者 / 保羅.納斯爵士(Sir Paul Nurse)
  • 譯者 / 邱佳皇

編按:筆者是知名遺傳學家和細胞生物學家,致力於控制細胞複製的研究工作,也就是所有生物生長和發展的基礎。於 2001 年獲頒諾貝爾生理學/醫學獎(Nobel Prize in Physiology or Medicine),同時也是阿爾伯特.愛因斯坦世界科學獎、拉斯克獎與皇家學會科普利獎章的獲獎者。

在本書中,保羅.納斯用優美、詼諧的語調幫讀者上了一堂生物學簡史,引領我們思考科學家長久以來追尋的生命之謎,讓讀者彷彿身歷其境、穿梭在各個時代的實驗室裡,感受那些科學發現過程的挫敗和欣喜。並除了學術理解,更希望帶給讀者哲學性的思考能力。

天擇殘酷的篩選過程創造了許多意想不到的事情,其中最令人驚奇的就是創造了人類的大腦。據我們目前所知,沒有其他生物和人類一樣能意識到自己的存在,人類的自我意識一定也經過了演化,至少是部分經過演化,讓我們更懂得在這個世界發生變化時調整自己的行為。人類和蝴蝶不同,或許也和我們已知的所有生物都不同,人類能刻意去選擇和對激勵我們的目標進行深思。

人腦和所有其他生物一樣都是基於同樣的化學和物理學所演化出來的,然而,出於某些不明的原因,人腦卻能從同樣簡單的分子以及諸多常見的運作力當中,生出複雜的能力。這一切是如何從人腦的液態古典化學發展出來的?我們眼前有一堆困難的問題需要解決。我們知道人類的神經系統是基於數十億個神經細胞(也稱「神經元」)之間極為複雜的互動組成,這些神經元之間彼此有數兆的連結,稱為突觸。這些極為精密和經常變化且相互連結的神經元網絡會建立訊息傳遞路徑,傳遞和處理大量的電子訊息流。

脊椎動物腦的主要解剖結構,此處將鯊魚和人的腦相比較,基本的部分都可以一一對應,但是形狀和尺寸有巨大的不同。圖/WIKIPEDIA

就如生物界的常例,我們一樣是透過研究較為簡單的生物,像是蠕蟲、蒼蠅和老鼠才知道這些過程。透過神經系統的感覺器官,我們才知道這些系統是如何從環境中收集訊息的。研究人員追踪了視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺信號通過神經系統的活動,同時標示出神經元的一些連結,這些連結會形成記憶、產生感情回應,並創造出像是收縮肌肉等外在行為。

果蠅Drosophila)作為基因對腦發育影響的研究對象,已經得到了深入的研究。圖/WIKIPEDIA

這些運作都很重要,但這些都只是開始。數十億個獨立神經元之間的互動是如何產生抽象的思想、自我意識和明顯的自由意志?對於這些問題的答案我們只觸及了皮毛,想找到令人滿意的答案,我們可能需要整個世紀甚至更久的時間,而我不認為只依賴傳統自然科學就能達成這個目標。

我們將必須更廣泛接受來自心理學、哲學和人文學的見解。電腦科學也能有所幫助,今天我們打造了一個最強大的人工智慧電腦程式,以高度簡化的形式模仿生物的神經網絡處理訊息的方式,這些電腦系統都有令人佩服且愈發強大的數據處理功能,但卻完全無法模仿人類抽象或想像的思考模式與自我察覺的能力或自我意識,就連要定義這些心理特質都非常困難。

現在,我們可以借助小說家、詩人或藝術家的協助,請他們貢獻創意,以更清楚的方式描述人類的心理狀態,或是去質問「活著」到底是指什麼意思。如果我們能在人文學和科學上擁有更加共通的語言,或至少是更多共享的知識能討論這些現象的話,或許更能了解演化如何和為何會讓我們以化學和訊息系統發展,而這個系統又出於某種原因,變成能意識到自己存在的實體。我們必須竭盡自己的想像力和創造力,才有可能了解這些力量可能帶來的結果。

宇宙之大超越我們想像,根據機率法則,似乎很難想像在這麼漫長的時間和廣大的空間中,生命─更何況是有感知能力的生命─只在地球上萌發過一次。我們是否會遇見外星生命是一個完全不同的議題,但假如我們真的遇到,我相信外星生命肯定也像人類一樣,是能自給自足的化學和物理機器,由訊息編碼合成的聚合物打造而成,而且同樣是透過天擇演化。

银河系, 暗星云, 宇宙, 天空, 日本
銀河系裡就有一千億顆行星,這還沒算上其他更遠的星系,也許宇宙的某個角落裡,也有著生機蓬勃的生命。圖/Pixabay

地球是我們唯一確定宇宙中有生命的星球。地球上包括人類在內的生命都非常卓越出色,這些生命經常令我們驚奇,儘管其多樣性令人困惑,科學家們還是努力理出了頭緒,我們對地球上生命的了解,也成為我們文化和文明發展的基礎。我們對生命日益增加的了解,很有可能可以改善全體人類的生活,但擁有這樣知識的助益遠不止於此。

透過生物學我們知道所有生物都是彼此相連且緊密互動的,人類與其他生物息息相關,包括本書談論到的所有生物都是,像是爬行的昆蟲、感染的細菌、發酵的酵母、擁有好奇心的大猩猩和飛舞的黃色蝴蝶,當然還包括這個生物圈的所有成員。這些物種都是生命的佼佼者,是一個龐大家族譜系所延續下來的最新後代,這個大家族透過細胞分裂綿延相連到遠古的時光裡。

就我們所知,人類是唯一了解這樣深遠的連結,並且能去思考這有什麼意義的生物,因此我們對這個地球上的生物有一個特殊的責任,雖然有些生物和我們關係近,有些關係遠,但我們都必須去關心、照顧並盡可能地了解這些生物。

──本文摘自三采文化《生命之鑰:諾貝爾獎得主親撰 一場對生命奧祕的美麗探索》/ 保羅.納斯爵士,2021 年 12 月,三采

三采文化集團_96
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閱讀在生活中不曾改變, 它讓我們看見一句話的力量,足以撼動你我的人生。而產生一本書的力量,更足以改變全世界

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天文學未來 10 年的 3 大目標:探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告
EASY天文地科小站_96
・2021/11/26 ・3393字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 作者/林彥興|EASY 總編輯,現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

經過三年的漫長等待,Astro2020 終於在台灣時間 11/5 凌晨公布了結果報告。這場十年一次的大型天文會議,產出了一份 600 多頁的報告書,對美國國家天文發展策略提出建議。這份報告,將影響未來數十年美國乃至於全世界的天文物理發展。

圖/NASA/ESA; NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet; Illustris Collaboration; NASA Goddard; NASA/JPL-Caltech; NASA/Ames/JPL-Caltech

這項「十年調查」為何至關重要?

Astro2020 的全稱為「天文學和天體物理學十年調查 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020」。正如其名,這是美國國家學院大約每十年會召開一次的超大型會議。會中將蒐集來自各方天文學家的觀點,回顧過去十年間天文物理的重大突破,鎖定未來十年美國最應該優先投資的研究領域,並且研擬達成這些科學目標所需要的方法與技術,最終將這一連串的構想整理後,向政府機構(如 NASA、NSF)提出建議,成為它們規劃預算的重要參考。換言之,這場會議將會左右未來十年數十億甚至上百億美金的預算分配,重要性可想而知。

Decadal Survey 的歷史相當悠久,第一屆舉辦於 1964 年,之後大約每隔十年開一次,一路進行到今天。歷史上多個重要的天文計畫,比如:

  • 甚大天線陣列 VLA(1960s / 1970s):著名的美國無線電陣列望遠鏡。
  • 哈伯太空望遠鏡 HST(1970s):NASA 的大型軌道天文台(Great Observatories)之一,無人不知的光學太空望遠鏡。
  • 錢卓 X 射線太空望遠鏡 Chandra(1980s):大型軌道天文台之一,軌道上最頂級的 X 射線天文台之一。
  • 史匹哲太空望遠鏡 Spitzer(1990s):大型軌道天文台之一,觀測中紅外線波段的太空望遠鏡。
  • ALMA(2000s):當代最頂尖的次毫米波陣列望遠鏡。
  • 韋伯太空望遠鏡 JWST(2000s):即將於今年底升空,新一代的旗艦級紅外線望遠鏡。
  • 羅曼太空望遠鏡 Roman(2010s):下一代近紅外太空望遠鏡,在不犧牲解析度的前提下,擁有比哈伯大 100 倍的視野。
  • 薇拉.魯賓天文台 Rubin(2010s):預計兩年內落成的革命性巡天望遠鏡。

它們都曾是 Decadal Survey 推薦優先執行的重要計畫。

JWST(左)與 Roman(右)太空望遠鏡分別是 2000 年與 2010 年 Decadal Survey 推薦優先執行的太空望遠鏡任務,它們預計將在 2020 年代的天文觀測中扮演重要的角色。由此也可以看到,Decadal Survey 所推薦的大型旗艦計畫,往往需要十多年甚至二十年以上的時間才能發展成熟。圖/NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez|GSFC/SVS

天文學未來 10 年的 3 大目標

Astro2020 提出,2020 年代天文物理的三個優先領域分別是:

  1. 通往適居世界之路 Pathways to Habitable Worlds
    以高對比度(high contrast)的探索系外行星與其中可能存在的生命跡象。
  2. 動態宇宙的新窗口 New Windows on the Dynamic Universe
    以重力波、微中子等多個資訊信使研究超新星爆炸、中子星合併等劇烈事件。
  3. 揭密星系演化推手 Unveiling the Drivers of Galaxy Growth
    研究宇宙一百多億年來的星系演化。

綜合上述三個領域的需求之後,Astro2020 提出未來美國應該優先投資的幾項重大計畫分別如下。

首先,Astro2020 對太空望遠鏡計畫的建議可能是最令人驚喜的。報告建議,美國應該啟動一系列「大型軌道天文台技術成熟計畫 Great Observatories Mission and Technology Maturation Program」,為 20 至 30 年後天文物理需要的天文台計畫鋪路。

其中最高優先度的計畫,是建造一座六米級的光學(從紫外線到近紅外線)望遠鏡,預計成本 110 億美元。從觀測的波段來看,它可以看成是現役哈伯太空望遠鏡的超級強化版;又或者,從 NASA 在 2019 年提供的四座「The New Great Observatories」概念研究來看,可以看成是縮小版的 LUVOIR-B,或是增強版的 HabEx。

Astro2020 認為,這樣的規格才有機會同時讓望遠鏡有辦法達成前述三大優先領域的需求(尤其是直接拍攝類似太陽-地球系統的系外行星大氣光譜),且有希望在 2040 年代前期升空。另外兩個應當在 2020 年代後半開始發展的計畫,分別是下一代 X 射線與遠紅外線的任務(分別可以看成 Lynx 和 Origin 的縮小版)。

LUVOIR-B 概念圖。Astro2020 推薦優先發展的下一代旗艦太空望遠鏡可能與此相似。圖/NASA GSFC

在地面望遠鏡方面,當務之急是繼續興建美國的兩座下一代巨型望遠鏡:三十米望遠鏡(TMT)與巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)。在使用自適應光學的情況下,這個等級的望遠鏡將能達到 0.01 – 0.02 角秒等級的超高解析度,龐大的集光面積也將使它們能夠擁有非常高的靈敏度(sensitivity)。這樣的能力幾乎對天文物理的所有領域都能有革命性的幫助,比如它將能夠偵測、拍攝、甚至取得類地行星的大氣光譜。

但是,相比起另一個類似定位的歐洲計畫「歐洲極大望遠鏡 EELT」,GMT 與 TMT 的進度目前都嚴重落後。尤其原定要建造在夏威夷的 TMT,因為與當地原住民的衝突,自 2015 年開始就難以施工。Astro2020 建議,政府應該提供更多援助,幫忙解決兩個計畫預算不足的情況。但如果兩個計畫進度持續落後,Astro2020 也提供一套標準讓政府決定是否要放棄其中之一。

TMT 與 GMT。圖/USELTP/NOIRLab/TMT/GMT/NSF/AURA

除了光學之外,報告也建議在智利與南極建立下一代的微波望遠鏡,在宇宙微波背景(CMB)中尋找暴漲等宇宙學事件的證據,並且能夠提供前所未有的大面積、高靈敏度次毫米波天圖。下一代的甚大陣列望遠鏡(ngVLA)的先期研究也是重點之一,為其在 2030 年代的建造鋪路。此外下一代微中子探測器(IceCube-2)、重力波探測器(LIGO)等中等大小的計畫也要持續推進。

位於南極的 IceCube 微中子偵測器,是了解宇宙中高能事件的重要窗口之一。圖/Felipe Pedreros, IceCube/NSF

讓天文研究者更平等,也是重要議題

除了上述科學/科技相關的主題之外,Astro2020 也是 Decadal Survey 首次提到天文物理領域中存在的性別/種族等社會與倫理問題,以及許多對於「人」相關的建議。

報告中強調了美國天文學界的性別/種族倫理問題依舊嚴重,並且建議應將多元性納入獎項的評審機制,增加對學生、新進研究人員的資源投注,以及強化對各種不平等現象的資料收集,以更準確的將資源提供給需要的人。最後,報告也指出 Starlink、5G 等人類活動對天文研究產生的干擾。

Starlink 衛星群通過望遠鏡的視野中。這對天文觀測,尤其是對大面積的光譜巡天(Spectral Survey)會產生巨大的干擾。圖/ CTIO, NOIRLab, NSF, AURA and DECam DELVE Survey

結語

Decadal Survey 是美國天文物理界十年一遇的盛事。它回顧過去十年的天文物理成果,並為未來十年的發展劃下藍圖。Astro2020 建議,美國應該繼續建造兩座三十米級的地面光學望遠鏡(TMT、GMT),讓它們能在 2030 年代投入觀測。並且為 2040 年代的六米級大型光學太空望遠鏡的開發鋪路。除了科學與科技上的規劃,報告也指出天文物理界仍存在許多性別、種族等與「人」相關的問題有待改善。

整體來說,Astro2020 為 2020 年代的天文物理描述了令人興奮的未來。接下來,就讓我們一同期待,這些斑斕的夢是否能夠成為現實吧!

參考資料

  1. Interactive Overview: Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s
  2. Astro2020 Science White Papers · Bulletin of the AAS
  3. The New Great Observatories
  4. US astronomy’s 10-year plan is super-ambitious
  5. Influential U.S. astronomy wish list calls for giant space telescope to spot an Earth analog

延伸閱讀

  1. 出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史- PanSci 泛科學
  2. 百倍於哈伯觀測能力,大小尺度通通包辦!——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
  3. 為何NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?——認識韋伯太空望遠鏡(一) – PanSci 泛科學
  4. 史上最大口徑的JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二) – PanSci 泛科學
  5. 太空巨獸JWST 升空後的150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡(三) – PanSci 泛科學
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2020 重要天文事件回顧
臺北天文館_96
・2021/03/01 ・4340字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

塵埃可能是參宿四變暗的罪魁禍首

參宿四是全天第九亮星,也是獵戶座第二亮星。圖/轉自《臺北星空》

去年年底,天文學家發現參宿四的亮度異常降低,這現象還被某些人解釋為這顆紅超巨星已幾乎沒有核燃料,即將發生超新星爆炸。不過,華盛頓大學和羅威爾天文台的天文學家認為,參宿四更可能只是正在發生其他紅超巨星也會發生的事情:拋出的外層大氣遮住了一些往地球的光線。

天文學家在二月進行的觀測數據中,發現參宿四表面平均溫度比 2004 年的測量低了 50 至 100 度,這個結果使他們更加確定其答案必為星際塵埃,若是對流胞上升至表面冷卻的話,那降幅會更為明顯。

科學家宣稱在隕石中發現了外星蛋白質

血石素的結構。圖/arXiv

繼默奇森隕石發現胺基酸以來,在 1990 年的一塊隕石中,隱藏了更具突破性的進展,蛋白質一般是由多個胺基酸組成的,同時也是地球上幾乎所有生物體中的必要組成成分,從細胞核膜到遺傳物質 DNA 都有蛋白質的身影。在這被稱為「Acfer 086」的隕石所含有的蛋白質,被稱為血石素 (Hemolithin) ,是一種新的命名,旨在描述其具有一半血紅素 (Hemoglobin) 及一半卵磷脂 (Lecithin) 的分子結構,科學家發現的這種新蛋白質,成分中含有鐵和鋰,且氘與氫的比例與地球上的不同,基本上可以確認絕非地球上的物質。儘管研究團隊認為這是最有可能的解釋,但是他們也指出其發現的複合性分子可能不是蛋白質,而只是一種聚合物,所以現在下結論仍為之過早,但是種種跡象顯示「它」是蛋白質的機率相當高。

宇宙最早的物質可能潛藏於中子星的核心

藝術家對於中子星剖面的想像圖。圖/轉自《臺北星空》

中子星是恆星死亡後的核心塌縮而形成,中子星的質量上限約在兩個太陽質量,更大的質量將會形成黑洞,然而最近天文學家發現了少數超過這個上限的中子星。

研究團隊計算了中子星物質的狀態方程式,計算的結果描述了中子星的可能結構。結合最近 LIGO 和 VIRGO 的重力波觀測結果,更進一步揭露了許多中子星內部的訊息。根據他們的研究,這些死亡恆星的中心可能可以找到由夸克形成的核心,其含量甚至可能佔核心組成的一半以上,未來更多的中子星觀測資料將可提升或改善這項研究結果的正確性。

銀河系中也許有至少 36 個外星高等智慧文明存在

除非人類能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則無法與任何外星文明聯絡。圖/轉自《臺北星空》

繼德瑞克方程式後,人類就一直持續在搜尋地外高等智慧文明,但長時間以來一無所獲,新的研究認為該方程式的後面幾項參數,不確定值太多,使得整個方程式的實用性降低,研究人員建立了一套新的參數及計算標準,稱為天文生物學哥白尼極限,在六種嚴格的限制條件下,得到的外星文明數量約為 36個。

若將此 36 個外星文明平均打散在銀河系中,可以得到每個文明的平均距離至少有 17,000 光年,而人類自有無線電訊號以來,也才 125 年,亦即最遠的傳播僅達125 光年,此外,無線電波在傳遞過程中也會逐漸變弱,因此,除非我們能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則我們仍無法與任何外星文明聯絡。

首次發現奇怪的冥府行星

冥府行星示意圖。圖/轉自《臺北星空》

天文學家發現一顆非常奇怪的系外行星 TOI-849b ,它位於 730 光年遠,母恆星TOI-849 與太陽非常相似。 TOI-849b 僅比海王星小一點,但質量卻是海王星的兩倍多,因此密度與地球差不多!如此高密度顯示它是岩質行星,但大小卻遠高於岩質行星的上限。這意味著它可能是非常罕見的冥府行星(Chthonia),即是大氣層已被剝離的氣體行星核心。

天文學家認為這種極靠近恆星的氣體行星,會被高熱剝離大氣,如 Gliese 3470 b 被觀測正以高速失去其大氣層。但這不足以解決 TOI-849b 大氣全部損失的原因,還有大天體碰撞等事件的可能性。另一可能原因是 TOI-849b 開始形成氣體行星時,沒有足夠的物質成為大氣。又或者是它在行星系統演化後期時形成,抑或是在原行星盤的間隙中形成的,使得沒有足夠的材料來增加大氣。研究小組計劃將繼續觀測,以確定 TOI-849b 是否還剩下任何大氣。

天文學家在本超星系團旁發現了新的長城結構

紅色區塊屬於南極長城。圖/轉自《臺北星空》

宇宙的結構並不是由隨機分佈的星系所組成,而是互纏互繞、具有藕斷絲連的特性,受到萬有引力的影響,較為靠近的星系組合成一個星系群或星系團,或隸屬於一個超星系團,這些藕斷絲連的網狀結構,又被稱為大尺度纖維狀結構,其中最大的一條被稱為武仙-北冕座長城,全長跨越 97 億光年,是目前已知最巨大的結構。新發現的纖維狀結構橫跨南極天空,至少長達 13.7 億光年,發現者將其命名為「南極長城」(South Pole Wall) ,而且南極長城的特別之處在於它離銀河系非常近,簡直就像是在我們的後院而已,僅有5億光年遠,(我們所在的結構稱為拉尼亞凱亞超星系團,直徑達5.2億光年,所以5億光年確實就像是後院的存在)換句話說,它是離我們最近的長城結構。

迄今為止質量最大的合併事件證實了中介質量黑洞的存在

一對黑洞的合併產生新重力波的觀測事件,證實了中介質量黑洞的存在。圖/轉自《臺北星空》

在 70 億光年外,一對碰撞的黑洞產生了新的重力波,在 2019 年 5 月 21 日由 LIGO 和 VIRGO 雙重認證得知,這次的重力波事件是黑洞天文學中最受囑目的發現之一,因為該天體質量介於恆星級黑洞及超大質量黑洞之間,正是天文學家急欲尋找的中介質量黑洞,且我科技部及清華大學研究團隊亦參與其中。本次的重力波訊號與往常的訊號相比非常短,但經過艱困的比對分析後,科學家得知這是分別由 66 倍太陽質量及 85 倍太陽質量的黑洞合併而成,產物為一個約 142 倍太陽質量的黑洞,這是自發現重力波以來迄今為止最大質量的重力波源。

中介質量黑洞是黑洞系列的一個謎團,我們常發現的是恆星質量黑洞及超大質量黑洞,但是藉由重力波的觀測, GW190521 成為對於中介質量黑洞的第一次決定性的直接觀測。超大質量黑洞的形成過程仍是個謎,長久以來,科學家不清楚它們是由恆星大量坍縮聚集而成,抑或是透過一種尚未被發現的方式產生的,所以科學家一直在尋找中介質量黑洞,來填補介於兩者差異甚大的質量空隙,如今,科學家終於有證據可以證明中介質量黑洞確實存在。

歐西里斯號成功登陸貝努收集樣本

OSIRIS-REx 收集樣本示意圖。圖/轉自《臺北星空》

OSIRIS-REx 任務耗資 8 億美元,在 2016 年 9 月發射, 2018 年 12 月 3 日抵達500 公尺大的貝努近地小行星。經過一年多環繞研究後,團隊選擇了一個名為夜鶯(Nightingale)的小隕石坑為降落地點,因為該點表面物質的顆粒較細,且相對新鮮沒經過長期暴露於太空環境而變質。但夜鶯周圍也充滿危險,其中包括要經過一個兩層樓高,綽號厄運山(Mt. Doom)的巨石,而隕石坑內也有其他障礙物,因此太空船的目標是一個寬 8 公尺相對平坦無石塊的區域, OSIRIS-Rex 任務距離達3億公里之遙,相當不容易。臺灣本地時間 10 月 21 日 6 時 12 分歐西里斯號(OSIRISRex)號降落到近地小行星貝努(Bennu)表面,目標是從貝努表面收集至少 60 克的灰塵和碎石,預計 2023 年 9 月 24 日將樣品送回地球,以研究太陽系的起源與生命相關有機物和水的來源。中間還有一段插曲:一些岩石碎塊阻擋導致收集器無法完全閉合,使得在探測器的三公尺機械手臂末端的收集器內的小行星表面碎片樣本,一直在緩慢漏失到太空中,好在後來已經克服此狀況,且收集來的樣本也遠高於當初設定的最低目標。

阿雷西博望遠鏡的輝煌與終結

曾完成多項偉大天文學研究的阿雷西博天文臺,因結構損壞而除役。圖/轉自《臺北星空》

該望遠鏡於 1963 年落成啟用,阿雷西博天文臺開始運作之後,做出的科學貢獻不勝枚舉。 1964 年天文學家藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSRB0531+21,自轉週期33毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。 1974 年,天文學家法蘭克德瑞克及卡爾薩根設計了知名的阿雷西博訊息,內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。 1989 年趁著小行星(4769)Castalia 經過,阿雷西博望遠鏡首次利用其功能描繪出小行星的 3D 圖像,迄今已研究過數百個近地小行星。今年的 12 月 1 日的一聲巨響,支撐平台的纜線應聲斷裂,整個接收平台、900 噸重的心臟與一個纜線塔硬生生撞入下方的碟型天線。雖然造成多大破壞還在評估,但照片與影片仍然震驚所有人,阿雷西博望遠鏡結束其 57 年傳奇的一生

嫦娥五號返回艙帶回月壤, 40 年以來的新鮮貨

中國嫦娥五號於去年年底返航,完成人類 40 年來首次收集月球樣本的任務。圖/轉自《臺北星空》

歷經 23 天的飛行,攜帶著月壤的中國嫦娥五號返回艙於 12 月 17 日凌晨 1 時 59 分安全返回地球,這是 40 年來首次收集月球樣本的任務。其返回艙在中國北部內蒙古四子王旗著陸場著陸。內蒙古地區夜間達攝氏零下 30 度,對於地面工作人員的準備是一大考驗。

嫦娥五號於 12 月 1 日登陸月球,並於兩天後開始返航,中國航天局也在月球上,升起了中國五星旗幟。此次任務是自 1976 年蘇聯「月球 24 號」任務以來的首次嘗試,使中國成為繼美國和蘇聯之後,第三個從月球上取回樣本的國家。飛船的任務是在「風暴洋」的區域收集兩公斤 (4.5磅) 的物質,該區域是一片廣闊的、此前尚未被探索過的熔岩平原。

中國的科學家們希望藉由採集回來的樣本了解月球的起源、形成以及月球表面的火山活動,並期望在 2022 年以前建立一個載人太空站,並最終將中國人送往月球。

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