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到了打給我-好奇號如何向地球報平安?

陸子鈞
・2012/08/06 ・836字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

2001年自地球出發,隔年成功部屬在火星軌道上的奧德賽衛星。

有史以來最大的探測車-好奇號(Curiosity)即將在台灣時間今天下午一點半登陸火星。航行八個月半,兩億五千萬公里的旅程,這位「大男孩」平安到達目的地後,得向地球上焦急的航太總署(NASA)任務指揮中心報平安。不過這通長途電話卻不簡單。

地球和火星距離兩億五千萬公里,即使接近光速的無線電波,在兩星球間傳遞也需要費時13分鐘。這表示好奇號發生了狀況,13分鐘後位在地球上的指揮中心才會接到消息,再花13分鐘才能將指令送達位在火星上的好奇號;對於收聽地球上即時廣播的我們來說,非常難想像這有多困擾。因此,好奇號具備一定的自動反應能力,能即時應付在火星上遇到的狀況。

另一個大問題是,火星和地球都會自轉,要是好奇號在火星上的位置背對地球,便無法順利將電波訊號直線傳送到地球。對此,兩部先前由航太總署送出,環繞在火星軌道上的衛星-奧德賽衛星(Mars Odyssey probe)火星偵察軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)就派上用場了。

位於火星上空四十萬公里處,佈署於同步軌道上的奧德賽衛星,是由洛克希德·馬丁製造,2001年從地球升空。在前兩次火星探測車任務中,也扮演重要的角色,除了負責任務中的通訊,任務前的著陸地點規劃也都依靠奧德賽對火星地表的了解。奧德賽衛星和2005年部屬的火星偵察軌道器構成航太總署的太空通訊網(Deep Space Network);作為火星探測車資料傳輸的中繼站,無論火星怎麼轉,訊號都能輾轉傳送回地球。

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至於好奇號能否順利度過「驚魂七分鐘」成功著陸,然後透過通訊網向地球報平安呢?屏息以待吧。

▲航太總署介紹火星探測車通訊方式

參考資料:How Mars Odyssey Works|How Stuff Work

相關報導:好奇號探測車預計今天登陸火星|泛科學 [2012 八月 6日]

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文章難易度
陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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星光,指引地球的未來——《困惑的心》推薦跋
時報出版_96
・2023/07/17 ・4372字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 潘康嫻/中研院環境變遷研究中心博士後研究員

人類是天生的科學家。我們生來就想知道為何星星會閃爍,想知道為何太陽會升起。


加來道雄

地球上有一群人總喜歡抬著頭,看著夜空中點亮大地的星燈,這些星光夾藏著宇宙的祕密,穿透無數個光年,抵達藍色的星球。除了欣賞夜色之美,這一群人更試圖從中看出點端倪,這些熠熠星光是怎麼來的?宇宙是什麼樣子?為什麼會有地球?生命從何而來?還有其他如地球般的星球嗎?那裡也有文明嗎?好多個「為什麼」是大自然帶來的啟發,而人類尋找答案的行動,卻是宇宙裡不可思議的精彩。

好多個「為什麼」是大自然帶來的啟發,而人類尋找答案的行動,卻是宇宙裡不可思議的精彩。圖/envatoelements

向遙遠的星系發送信號 尋找未知的外星文明

人類的世界觀從曾經的地球放眼到太陽系,隨著科學與科技的進步,二十世紀的物理學開創宇宙論的發展,至二十一世紀天文觀測的黃金年代,不停歇地向深邃的星空探索,走出新的視野。近二十多年的諾貝爾物理獎,多達三分之一肯定天文學的貢獻,例如 2019 年獲獎的三位學者,一位建構宇宙大霹靂理論模型,另兩位發現一顆繞著另個太陽類型恆星公轉的系外行星。宏觀的宇宙視野,加上相對微觀的行星視角,近代的天文學一再刷新人類對宇宙演化及地球定位的認知。

天文望遠鏡和太空科技的進展,讓現代的天文學家得以挖掘宇宙暗藏的驚奇,透過紅外線觀測,我們看到隱藏在可見光背後恆星誕生的搖籃,也發現了宇宙考古學的線索。2019 年諾貝爾物理學獎得主之一詹姆士・皮博斯(James Peebles)花費大半輩子,帶領我們梳理宇宙 137 億年演化的歷程,如今我們知曉實質物體的總質量佔宇宙的 5%(其餘為 68% 的暗能量,與 27% 的暗物質)。在這 5% 的質量中,粗略估計大大小小星系中的星點,加總起來約略有 1027 顆恆星。假使每顆恆星誕生時也伴隨著行星系統的發展,在如此龐大的總數下,是否也有另一顆適合生命發展的星球?

放眼望去,茫茫星海,僅吾唯一?以地球人的角度思考外星生命的可能性,德雷克公式(Drake equation)將文字的問號轉成可運算的概念,考慮環境因素和發展文明的可能性,估計銀河系中存在著少則一千,多則一億的文明數量。但這些年,沒有人聯絡我們,我們也沒有找到對方,費米悖論提醒了估算與現實的落差。天文學家藉著太空科技的發展得以主動探尋,1972 年的先鋒號和 1977 年的航海家,帶著人類寫給外星人的科學密碼信函,至今持續在星際間航行。除了寫信,還可以像發電報一樣,1974 年的阿雷西波訊息(Arecibo message),對著遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團發送訊號,寄望能在高齡星團中找到找到高智慧文明存在的可能性。然而,這一去一回,收到回音得等上五萬年,已不知道是人類幾代以後的事了。

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1977 年的航海家,帶著人類寫給外星人的科學密碼信函,至今持續在星際間航行。圖/wikipedia

一如 15 至 17 世紀的大航海時代,歐洲船隊面對大海,莫不引頸期盼能在望遠鏡裡看到遠方的陸地。行星猶如當時的目標,由於行星不會自行發光,尋找行星的難度如同在千里之外的明亮燈塔旁邊瞧見一隻蚊子,然而技術的困難並未讓人退卻,科學的精彩就在於想辦法突圍。

更清晰地遙望遠方 用太空望遠鏡在地球上一起遨遊宇宙

1995 年米歇爾・麥耶(Michel Mayor)迪迪爾・奎洛茲(Didier Queloz)藉由分析恆星光譜中的都卜勒效應(目標物遠離觀測者時,其光譜會往長波方向拉長稱作紅移,反之靠近則往短波壓縮稱之藍移),在飛馬座找到繞著太陽類型的恆星公轉的第一顆系外行星飛馬座 51b(51 Pegasi b),為系外行星大發現時代展開序幕,也讓他們在 2019 年共享諾貝爾物理獎的殊榮。至今近 25 年觀測資料的累積,尤其有了克卜勒太空望遠鏡和接續的凌日法系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS),系外行星數量自 2014 年開始大幅增加,截至今年 2023 年 6 月統計,約有 5,500 顆系外行星,依據型態將系外行星分成四類:氣體巨行星(又稱熱木星)類海王星超級地球類地行星。天文學家從統計數量和行星形成動力學模型中獲得豐富的訊息,也讓太陽系的形成與演化有了更進一步的認識。以一個系統中的行星質量做序列可以分成四種:由小至大(太陽系即為此類)、由大至小、混合、和大小相似,科學家發現像太陽系八大行星的排序反而非常稀有,像 TRAPPIST-1 系統中七顆行星大小雷同的類型倒是常見,人們才驚覺原來太陽系與其八大行星的組合是如此與眾不同。這個獨特也包含太陽系的氣體行星木星,有顆大質量的木星在外,像吸塵器一樣讓闖入太陽系的天體轉向(例如 1994 年的舒梅克-李維彗星撞擊木星事件),減少外來者體撞擊內太陽系的機會,使得位在適居帶的地球有足夠安全的環境與時間孕育生命。原來要有機會誕生生命,先決條件也要天時地利「星」和。

有沒有一種可能,其實有外星訊號,只是現今的科技還無法察覺和解讀? 二十一世紀的新視野多來自百年前科學家所闢的路,例如愛因斯坦在廣義相對論提出對重力的新見解,物體質量造成的空間扭曲,只是改變的幅度之小不易測量,直至 2015 年天文學家終於在絞盡腦汁精細設計之下,成功打造觀測重力波的天文望遠鏡(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO),2017 年人類首次觀測到雙中子合併事件,解開化學元素週期表上的重金屬形成之謎。在天文學的領域,一個計畫從靈感發想、規劃藍圖、開工建造、出發觀測、收集資料到計畫結束,從開始到最後的時間跨度,往往超過科學家本身的職業生涯。科學家年輕時的構思,常須藉由後生晚輩接棒執行,有生之年不一定看得到科學成果,而這一路上牽起了一代又一代的傳承,一起讓科學的進展跑得更遠,跑向遠在未來的新發現。本篇文章談及的計畫,在筆者的學生時代,早已如火如荼地展開,伴隨著計畫的執行和觀測資料的回傳與分析,是前輩們的堅持與努力,也是帶給新生代天文學家的禮物和邀請:現在的成果來自於我們過去的努力,而未來要由現在的你們來開創。

太空望遠鏡的升空協助天文學家得以更清晰地遙望遠方,讓系外行星的發現轉為低風險的冒險之旅,安全地帶著大家想像另一個世界的雛形,正當書中的主角,天文生物學家拜恩教授,為兒子羅賓說起異星見聞時,好似向星空開啟一扇扇門,父子倆得以一起遨遊宇宙。

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穿越都市的水泥叢林,遠離學校與人群,當我讀到書中拜恩教授帶著羅賓前往國家公園露營,徜徉在大自然的聲音與光影,兩個人在星光下深度傾聽彼此,為人生的焦慮與困惑尋找方向,令我不禁想起,曾經只是為了想看星星,所以去登山的自己,無意間在山林尋回自己的心。臺灣的山勢陡峭地形多變,得要十分專注在腳下的步伐與眼前的山徑,此刻陪伴自己的只有呼吸和心跳。踩著吃力的腳步,一瞬間,世界難得寧靜,只聽得見自己的聲音,「離目標還有些距離,繼續是前進,回頭是放棄。若是堅持,不知還有多少難關?若是放棄,我能接受放棄的自己嗎?難道是走錯路或迷路,所以才這麼難行,那麼路又在何方?」為一睹繁星,在光害日趨嚴重的情況下只得越走越深山,不只用腳感受臺灣地貌的鬼斧神工,還要感官全開地觀察瞬息萬變的天氣,多認識她才能做出適當的應變確保登山安全。白天的路上觀察自然的氣息,與重建內在的自己,晚上終見美麗的星空,走在一條條的山岳路線,整頓人生朝著目標向前行。

書中拜恩教授帶著羅賓前往國家公園露營,徜徉在大自然的聲音與光影,兩個人在星光下深度傾聽彼此,為人生的焦慮與困惑尋找方向。圖/envatoelements

回首看看我們腳下的地球

天文學總是背對著地球往外尋找新的未知,試圖解讀新收到的觀測資料與訊息,然而來自腳下的訊號呢?地球也是行星,是離我們最近的行星,她孕育了這世界的美好,但她的語言,我們真的懂了嗎?羅賓對外界的反應多來自於他所觀察到的地球,作為父親的拜恩教授要怎麼回應孩子呢?

當我們汲汲營營想向外拓展新知識、新世界時,可曾留意腳下正在發燙?若將地球的呼喊換成人類的語言,環境變遷的種種跡象就是地球發燒的訊號。以往科幻災難片當中的賣座奇觀,漸漸成為生活新聞,熱浪、野火、水災旱災、劇烈天氣變化,讓全球不只要解決眼下的困境,也要未雨綢繆地做永續經營的規劃,即刻採取行動已是迫在眉睫。

2021 年,聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)公布第六回的全球氣候變遷評估報告,提及全球暖化現象在冰河面積、海平面上升、全球氣溫,及海洋酸化等等的科學研究報告中,出現許多令人擔憂的新紀錄,並指出二氧化碳與溫室氣體排放量的關聯性,巨變的環境讓各類生物物種面臨生存威脅。因應這場危機,全球達成共識目標於二十一世紀的地球平均氣溫,相比十九世紀最多僅能上升攝氏 1.5 度,並且在 2050 年達成全球淨零碳排放。今日世界各國包含臺灣正積極發展替代能源減少碳排放,同時開發技術增加碳匯,企圖集結眾人的力量把大氣中的碳存回大地。但我們能在有限的時間內力挽狂瀾嗎?假使目標如期達成,是否就高枕無憂了呢?地球和我們的日子就美好了嗎?

二氧化碳與其他溫室氣體排放帶來的環境巨變,讓各類生物物種面臨生存威脅。圖/envatoelements

從人類張開眼睛認識日月星辰,建立了神話、曆法和文明,發展農耕,再到科學與工業革命,一路解析宇宙和地球的起源、歷史、環境、命運。星星帶給人類的啟發,讓人類的足跡已從地球走向太陽系,從更高的視野回頭凝視地球那令人屏息的湛藍,離開地球的探索,讓我們重新看見地球。文化藝術與科技文明的發展一直以來與大自然息息相關,進步固然帶給人類生活和思維的改變,然而過度的開發讓環境失衡,讓現在的我們必須啟動地球生命保衛戰,永續經營之前要先理解,如何理解則引發更多的提問,解答提問的過程中人類將深刻感受地球的脈動,為身為地球人感到驕傲。BE-WILD-ER-MENT 的故事在過去已開始,現在的行動是創造機會、還是命運?未來,讓我們和這顆有心跳的藍色星球一起來回答吧。

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——本文摘自《困惑的心》,2023 年 7 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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太陽系如何形成、如何演化?就讓「靈神星」來解答!
EASY天文地科小站_96
・2023/04/12 ・2962字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/黃子權|掉入岩石堆中的研究生,現就讀台大地質所
  • 文/林彥興|現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

M 型小行星與行星的誕生

了解太陽系的形成歷史與演化,是行星科學最重要的使命之一。然而,身在太陽系形成後 46 億年的我們所看到的行星,都是經過漫長演化後的結果。它們的表面特性、內部結構,早已與剛形成時大相逕庭。

因此,想要研究太陽系的形成與演化,小行星是相當重要的目標。由於小行星質量小、冷卻快,更不會有複雜的風化和地質運動,因此它們從太陽系形成之初到現在都沒有什麼改變,就像活化石一般。而過去幾十年,人類也確實對小行星進行了廣泛而詳細的研究,比如拍攝照片計算它們的軌道,用光譜分析化學組成,甚至派遣太空船(如 JAXA 的隼鳥一號、隼鳥二號、NASA 的 OSIRIS-REx)直接前往小行星,將樣本採回地球分析。

而在太陽系目前已知的一百多萬顆小行星中,有一個相當特殊的族群,它們大多具有較大的密度和較高的雷達反照率,同時在光譜上缺乏特徵。基於上述特點,科學家們認為它們的組成中有含有不少金屬,因此稱之為 M 型小行星。

根據目前天文學家對行星形成的理解,原行星盤(protoplanetary disk)中的金屬元素分布理應相當分散,因此能夠自然產生元素分異並聚集大量金屬的地方,只有足夠大、足夠熱的原行星(protoplanet)的行星核。所以傳統上,M 型小行星被視為受到撞擊後裸露的行星核,同時也是鐵隕石的來源之一。但截至目前,仍未有探測器直接造訪 M 型小行星,確認這個假說是否正確。

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近期,新的觀測資料更顯示,某些 M 型小行星似乎比人們預想的還輕,各種特徵也和人們對行星核的認知不盡相同(例如,在表面觀測到含水礦物的訊號)。這表示傳統的行星形成與演化模型,也許不盡正確。換個角度看,這也代表對 M 型小行星的研究,也許將能幫助我們揭開行星演化理論中的盲區。

M 型小行星是由什麼構成的?它們的演化歷史又是如何?苦於距離遙遠,過去人們對這些問題往往只能止於粗略的推測。但隨著靈神星號任務逐漸上軌,我們離解答這些問題(的一部分)只有一步之遙了。

靈神星號探測器。圖/NASA/JPL-Caltech/ASU

靈神星探索任務

靈神星探索任務(Psyche)是 NASA 發現計畫(Discovery Program)的一部分。發現計畫始於 1989 年,每隔幾年就會向全美國徵求任務提案,經過重重篩選後,最具有科學價值且最可行的團隊,就可以獲得 NASA 提供的經費,將他們的構想付諸實行。從 1996 年的 NEAR 任務開始,發現計畫已經為十幾個重要的太陽系探索任務提供機會,包含近期因太陽能板發電量降低而終止的火星「洞察號(InSight)」任務。2014 年,第 13、14 次發現計畫徵選開始,最後脫穎而出的其中一個計畫,正是靈神星探索任務。

而計畫要觀測的目標靈神星(16 Psyche)於 1852 年被義大利天文學家加斯帕里斯(Annibale de Gasparis)發現,並以希臘神話中靈魂之神「賽姬」命名。祂是第 16 個被發現的小行星,雖然不是最大的小行星(平均寬度約 220 公里)但卻是目前已知小行星中第 10 重的,其質量佔小行星帶總質量的 1%。根據估算,靈神星的密度大約為 3.9 g/cm3,遠低於鐵鎳隕石的 7.9 g/cm3,因此靈神星不太可能真的完全由金屬構成,比較可能是類似石鐵隕石那樣,由金屬與岩石共同組成。

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科學家對靈神星的想像。圖/ NASA/JPL

作為發現計畫的一員,靈神星計畫切實地反映了該系列任務的宗旨:便宜、快速的解答重要的疑問。M 型小行星是行星形成與演化中相當重要的一片拼圖,而靈神星又是體積最大的 M 型小行星,其重要性不言而喻。對靈神星的探測,勢必能更加推進人們對行星演化的認知。

靈神星號的科學目標及預期解答的問題為:

  1. 靈神星是行星核還是未熔結物質?
  2. 靈神星表面的相對年齡為何?
  3. 小型金屬天體是否含有和高壓地核同比例的輕金屬?
  4. 靈神星形成環境的氧化還原性?
  5. 靈神星地表及撞擊坑特徵?

為了達到這些目標,靈神星號上搭載了以下儀器:

  • 多光譜成像儀 (Multispectral Imager)
  • 伽馬射線/中子光譜儀 (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer, GRNS)
  • 通量閘磁強計 (Fluxgate Magnetometer)
  • X頻無線電實驗 (Radio Science (X-band))

整體而言,靈神星號的載酬相當簡要,科研儀器加總起來只占約 30 公斤,且每項儀器都是經過「實戰」驗證過的:多光譜成像儀來自火星好奇號探測車,GRNS 來自水星的信使號任務、磁強計參與了洞察號任務、X 頻無線電實驗(利用通訊時訊號的都卜勒效應測量重力強度變化)更是有多項成功紀錄。使用這些驗證過的儀器不僅能減少任務風險,同時能省下不少研發經費,提高任務的 CP 值。另外,靈神星號同時也會為深空網路(Deep Space Network, DSN)測試全新的「深空光學通訊(Deep Space Optical Communication, DSOC)」系統,利用雷射作為資料載體進行傳輸,科學家估計 DSOC 的資料傳輸速度,將比過去使用無線電的 DSN 快 10 到 100 倍。

靈神星號各項儀器位置圖。圖/修改自NASA/JPL-Caltech/ASU
靈神星號的伽馬射線光譜儀及中子光譜儀。圖/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

另外,隨著科技進步,太空探索不再是國家機構的天下,各種商業公司紛紛加入了衛星製造的行列。因此重視任務 CP 值的靈神星號,從設計初期,科學家們便決定向商業公司尋求成熟、有發射紀錄且搭載了離子推進系統的衛星載具。最終他們選定了 Maxar 旗下的 Space Systems/Loral(SSL)公司的 1300 系列框架作為靈神星號的主體,並由噴氣推進實驗室(JPL)整合飛行系統(包含指令及資料處理系統)。靈神星號的推進系統是一具 SPT-140 霍爾效應推進器(Hall effect thruster),藉由游離氙氣並透過磁場將其加速噴出以獲得推力。搭配發電量達 20 千瓦的太陽能板及 922 公斤的氙氣,足夠支持靈神星號走完將近六年的航程。

抵達靈神星後,探測器將嵌入軌道開始環繞靈神星。科學家為靈神星號安排了四個逐漸降低的軌道(A 到 D),每個軌道都有各自主要的研究目標:

  1. 最高也是最初始的軌道 A 半徑約 700 公里,靈神新號將會在這裡測量靈神星的磁場。
  2. 56 天後,探測器將降至軌道 B(半徑 290 公里)並且開始對靈神星的地貌進行調查。
  3. 76 天後,靈神星將下降至半徑 170 公里的軌道 C,這是最小的穩定繞極軌道,同時也是最適合用來探測靈神星重力場的高度。
  4. 100 天後靈神星號將會降至最後、最低的軌道 D,軌道半徑僅 85 公里,在這探測器將利用 GRNS 調查靈神星表面的元素分布。
靈神星號任務示意圖。圖/修改自 NASA/JPL-Caltech

靈神星號原訂的發射日期為 2022 年 9 月。然而在飛行前的測試中,任務團隊發現飛行軟體異常,導致它錯過了 2022 年的發射窗口。經過幾個月的調查和調整,目前 NASA 公布的下個發射窗口為 2023 年 10 月 10 日以後,屆時靈神星號將會搭乘 SpaceX 的獵鷹重型火箭進入太空,就讓我們好好期待靈神星號傳回來的各種資料吧!

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延伸閱讀

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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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人類在宇宙中是否孤寂?——宇宙中是否可能有其他文明?
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/04/12 ・4993字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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1990 年,NASA 的航海家 1 號完成任務時,在 64 億公里外回首拍攝一張照片。地球,好似一粒漂浮在深空中的塵埃。該照片被命名為《蒼藍小點》(Pale Blue Dot),天文學家卡爾・薩根(Carl Sagan)隨後寫下了這段經典的語錄:

「凝視著這個淡藍小點:就是這裡。這就是家園。這就是我們。在這個小點上,每一個你愛的人,每一個你認識的人,每一個你曾聽聞的人,每一個人類、都曾經生活於此。我們一切的快樂和掙扎,萬千種引人自豪的宗教信仰、思想體系、經濟法則,每一位獵人與騎兵,每一位英雄與懦夫,每一個文明的締造者與摧毀者,每一位君王與農夫,每一對陷入愛河的年輕伴侶,每一位為人父母者、充滿希望的孩子們、發明家與探險者,每一位靈魂導師,每一位貪腐政客,每一個所謂的「超級巨星」,每一個所謂的「偉大領袖」,每一位歷史上的聖人以及罪人⋯⋯我們的一切一切,全部存在於——這顆懸浮在一束陽光中的渺小塵埃上。」

著名地球照片《蒼藍小點》。 圖/wikimedia

在浩瀚的宇宙中,地球確實是一粒渺小沙塵,也是我們唯一確定有智慧生命居住的世界。那麼,在茫茫太空中、銀河系的彼端、抑或是更遙遠之處,是否還有其他生命、乃至於文明正在活躍著?在這偌大而寂寥的宇宙中,人類又是否是孤獨的存在?

地球是否特別?平庸與殊異的爭辯

《蒼藍小點》這張影像意味著:地球不過是宇宙空間億萬顆星體中的一粒微塵,在近幾十年來,實驗觀測更指出宇宙比我們想像中來得更大、且正在持續擴張中。從演化論的視角來看,人類並非特別,我們所擁有的聰慧恰恰就是有機化學中基因序列的一種結果。

這些證據指向了一個事實——地球並不特別,只不過是一顆普通的行星。這樣一種看法在哲學上面被稱作「平庸原理」(mediocrity principle)。

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然而,對此有不少科學家抱持反對意見,而這一系列說法被稱之為「地球殊異假說」(Rare Earth hypothesis)。他們認為,地球的形成、板塊運動、大氣、海洋、乃至於生命的誕生、演化——這些都並非輕而易舉就能產生的。英國天文學家霍伊爾(Fred Hoyle)爵士曾如此形容:

「生命自發形成的機率,宛若一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747 那樣渺茫。」

確實,一系列有機分子纏繞結合成蛋白質、再組成基因序列、構成原始細胞這一段程序,這機率是非常微小的。而科學家們同時也提出了地球恰恰位在「適居帶」(habitable zone),這些條件決定了生命是否得以形成並且演化:

  1. 星系適居帶:恆星系統若接近星系中心,由於超大質量黑洞影響,會導致輻射、宇宙射線、以及星體撞擊的干擾,從而難以形成生命;若過於遠離核心,則會使重元素(例如:鐵、碘)難以形成,這些重元素是組成複雜生命分子的條件。太陽系位在銀河系第三旋臂上,恰好座落在適居帶。
  2. 太陽系適居帶:對於一個恆星系統而言,行星與恆星的距離將主宰生命誕生的條件。比如:水星、金星溫度過高,便不適合生命形成;火星、木星外側的行星距離太陽偏遠,則不會有液態水的存在;而地球位處金星、火星之間,不僅溫度適宜、有液態水存在,更有足夠大氣層可以擋避隕石與輻射,使得碳循環得以建立,恰好符合生命形成的條件。
  3. 行星適居帶:與前者類似,行星必須在恆星的一定範圍內,才能有良好的溫度環境、使得液態水可以存留。
太陽系在銀河系中的位置。圖/Wikipedia

超級適居行星的發現

所謂的「超級適居行星」(superhabitable planet),顧名思義,就是指位居在適居帶的行星。請注意,不少人常常將其誤解為「超級地球」(super-Earth),但這兩者是不一樣的。

首先,超級地球的判斷依據僅僅是質量,而非適居帶等條件,亦即比地球大出許多的岩質行星、但通常遠比天王星或海王星小。

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而另一個相關的數據稱為地球相似指數(Earth Similarity Index, ESI),指的是一行星的大小、質量、溫度等條件與地球的相似程度。以地球的 ESI=1 為標竿,目前所發現 ESI 最高的行星為位在 1,075 光年外的 KOI-4878.01,其 ESI 值高達 0.98,但存在性還在評估中。

不過,ESI 值高並不代表行星中有生命(畢竟有可能遠離行星適居帶)。真正意味著有可能會有生命存在的,便是「超級適居行星」。目前,葛利斯 370b、葛利斯 581c、葛利斯 581d、葛利斯 581g、葛利斯 832c、克卜勒 22b、克卜勒 62e、克卜勒 62f、克卜勒 69c、克卜勒 186f 和克卜勒 442b 等等,皆是超級適居行星的代表。為了探究這些星球是否有生命存在,最具表性的行動莫過於「搜尋地外文明計畫」(SETI)。

地球數以萬億計的物種中,人類算得上是最具高等智慧的生物。但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在,那麼,對方是否有可能比我們先進?他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎?他們能掌握陽光、電磁等能源嗎?他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構?又或者,他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行?

在探討這個問題之前,先讓我們回到「人類」身上。人類是因為達成了哪些「成就」,而擁有了智慧呢?

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費米悖論:我們為何從未接觸過外星智慧?

或許宇宙深處已然有著科技程度比我們先進數百萬年的高等文明,那些 III 型文明或許早已可以駕馭光速飛行、甚至能掌握時空動力學跳脫距離限制到訪地球。根據「德雷克公式」(Drake equation),銀河系中可能與我們接觸的先進文明數量大約可以表示為:

其中,等號右側從左至右依序為:銀河系恆星形成速率、恆星系統有行星的可能性、位於適居帶行星的平均數目、行星上發展出生命的可能性、生命演化成為智慧文明的可能性、智慧文明得以進行通訊的可能性、以及該智慧生命的預期壽命。根據估算,可能與人類通訊的智慧文明在銀河系中最少一千、最多則高達一億個。

我們總是如此預估:在擁有 137 億年歷史的廣袤宇宙中,與地球類似的星體非常多,先進地外文明的存在性相對而言也非常高,而德瑞克公式更意味著本銀河系中便可能有成千上萬個智慧文明存在。於是,一個矛盾產生了:

既然宇宙的尺度與年齡意味著高等文明應當存在,那麼——為何這個敘述迄今沒有得到充分的科學證據支持?

更簡潔的說法,便是:

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宇宙中高等文明存在的可能性極高,然而為什麼這些智慧生命至今尚未與我們接觸過?

這便是著名的「費米悖論」(Fermi paradox)。關於這項提問,也出現了各種不同的說法或解答。

第一種答案認為,目前其實並沒有外星文明存在,因為:

  • 生命誕生的條件是極其稀罕的,有可能進化失敗、又或許尚未崛起(地球殊異假說)。
  • 自我摧滅:智慧生命在能完成恆星際旅行之前,便可能因為核戰爭、生化戰爭、或是資源枯竭等災難而自我毀滅了。

第二種則認為,外星文明其實存在,卻因為:

  • 尺度限制:受限於空間限制,使得智慧生命不容易前來;此外,也有可能是外星生命已經接獲人類的訊號,只是訊號尚未返回地球。
  • 技術因素:外星文明未必比地球文明進步;又或是,人類找尋外星生命的方法有誤,也有可能外星技術現象與自然現象過於雷同而難以區辨。
  • 刻意緘默「動物園假說」(zoo hypothesis)意味著外星智慧有可能已經收到人類訊息,但為了觀察人類舉動而不願回答;或者,科幻作家劉慈欣提出的「黑暗森林法則」認為,在尚未分別對方意圖之時、為保有宇宙資源等利益,刻意隱匿行蹤,必要時可能摧毀對方文明;又或者,基於技術奇點(technological singularity),與人類差別太遠從而無法有效答覆。
  • 已然接觸:外星智慧已然與人類接觸,但可能因為維度差異、或者隱匿行蹤,致使人類尚未發覺。例如文章中所提及的「馮紐曼探測器」(von Neumann probe)預示著:智慧文明可能透過奈米乃至於原子尺度的探測針、散播並且監控著地球人的舉動。

對於地外文明的探索與展望

對於探索地外文明,人類的野心從未止息。1972 年,無人探測器先鋒號裝載了一塊鍍金鋁板,其中囊括一些有關人類科技的基本訊息,例如——人類的身材面貌、氫原子躍遷圖示(用以表示長度與時間單位)、太陽系位置、以及地球的所在地等等。這塊「先鋒號鍍金鋁板」(Pioneer plaque)雖然不是第一個離開太陽系的人造物件(第一個離開太陽系的是航海家一號),但卻是第一個攜帶了人類文明訊息離開太陽系的人造物件。

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先鋒號鍍金鋁板上面所鐫刻的訊息。圖/Planetary

如同先前提及的,SETI 或許是最具代表性的團體。1974 年,SETI 透過無線電訊息發送了知名的「阿雷西波訊息」(Arecibo message)至遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團。這串訊息陣列包含了:二進位數字、DNA 序列、核苷酸、雙股螺旋、人類平均身高與人口、行星系統、以及望遠鏡結構。假設 M13 星團的外星文明接收到訊息,那麼根據傳播速度推算,人類接收到回覆大約是五萬年之後的事了。

阿雷西波號所發射的無線電波信息,其中攜帶了人類相關的基本資訊。圖/PHL

1977 年,有鑒於先鋒號刻板基礎,以薩根為主的 NASA 委員會將地球上的 55 種語言、各種大自然的聲音、不同年代的音樂,以及有關於科學、人體構造、生態、建築物、交通建設、書信文物等 116 張影像,一併收錄至一張唱片裡,其中還包括時任總統卡特(Jimmy Carter)的書面信息,再透過航海家探測器發射至太空。這張「航海家金唱片」(Voyager Golden Record)預計 4 萬年後才會到達距離太陽系 1.7 光年的地方。

航海家金唱片及其所攜帶的信息。圖/NASA

雖說上述訊息目前為止都尚未得到回覆,當然,就宇宙尺度而言恐怕要等到數萬年後才會有所答覆。不過,值得一提的是,近年來天文學家透過克卜勒望遠鏡觀測到 KIC 8462852(又稱 Tabby 星、博雅吉安星)的光度有異常變化。

關於這個變化,有人認為可能是新形成的恆星塵埃造成的,但是科學家在觀測後尚未發現相關跡象;有人認為是星體碰撞下的殘骸導致的,然而克卜勒望遠鏡觀測到此情況的機會亦非常低;也有人認為是彗星群受到重力影響而朝往該恆星方向運動,不過這說法無法解釋為何光度會顯著下降。

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這光度異常不規律的起伏至今仍是謎團,而所有證據彷彿指向了另一個極端的可能性——人工巨型結構(即「戴森球」)。假設該恆星系統有高等文明存在,便得以透過「戴森雲」這類結構控制恆星能量。乍聽之下似乎無比驚人,然而,目前唯有這個說法可以合理解釋光度的異常變化,因此,科學家並不否定 KIC 8462852 存在先進外星文明。

作者註:目前 KIC 8462852 的光度變化,科學界基本上已經排除戴森球的可能性

我們期待這些有關外星智慧的謎團能夠解開,也期許人類文明能在短時間內擺脫戰亂、資源枯竭等危機,從而在本世紀末順利躍升成為第 I 型文明。最後,讓我們引用 1977 年收錄在航海家金唱片中、吉米・卡特前總統的一段語錄作為總結:

「這個禮物來自於有點遙遠的世界,夾帶著屬於我們的聲音、我們的科學、我們的圖像、我們的音樂、我們的思想、以及我們的感觸。我們嘗試永存現有的時光,好讓來日得以共生於你們所處的時光中。我們期望有朝一日,能夠共同解決彼此所面臨的難題,並且聯合組成一個星系文明。這張唱片象徵著我們的希望、我們的決心、以及我們的善意——在這浩瀚且壯麗的宇宙中。」

參考文獻

  • 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  • 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  • 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  • 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
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Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。