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打包去火星

蔡 志浩
・2012/08/15 ・1960字 ・閱讀時間約 4 分鐘

新一代的火星探測車好奇號(Curiosity)已於 2012 年 8 月 6 日成功登陸火星。人類的火星探險進入另一個全新的階段,而我又開始想要去火星了。「如果有機會參與要在火星過一輩子、有去無回的火星探險任務,我會毫不猶豫地接受。」這是 2010 年 1 月我在 Twitter 寫下的願望。

PIA06689: 'Santa Anita' Panorama

當時,精神號(Spirit)與機會號(Opportunity)兩輛原本的設計是只執行九十天任務的探測車在火星地表的探險正式邁入第七年。從 2004 年 1 月這兩輛探測車登陸開始,我就持續關注這個計畫。讓我引述計畫主持人史提夫.史奎爾(Steve Squyres)在國家地理頻道 2010 年的紀錄片《行星旅遊指南:火星》之中的幾段話,你就知道我為何如此著迷:

「我們的漫遊車是由像我一樣成長於六零年代的人建造的。小時候看著電視上的水星、雙子星與阿波羅計畫,夢想自己長大後也能送太空船到火星。我們做到了。我希望當人們看著人類首次登陸火星時也能受到類似啟發,去做一些連我此刻都想像不到的事。」

「我們刻意賦予這些機器人一些『人』的特質。相機這麼高,就在人眼的高度。當你看著漫遊車拍的照片時的視覺體驗,就像是你站在火星上從太空裝頭盔面罩看出去的樣子。」

比史奎爾年輕十二歲的我,幼時受到的啟發則是來自阿波羅與太空梭計畫。我最終沒有成為太空科學家。但從幼年、少年、青年到中年,對太空探索的興趣、以及對未來的想像(不論是世界的或自己的)都沒有消失。

而當你看著精神號與機會號傳回從人眼高度拍攝的影像,你怎麼能不開始想像自己站在火星地表的感覺?當你想像了六年,您怎麼能不會有親自造訪這顆與地球如此相似又如此相異的行星的念頭?

史奎爾自己也說過,雖然他一輩子的工作就是建造機器人(探測器)並把它們送上火星,但最希望看到的還是火星上輪胎痕跡旁的鞋印。他說:

「如果有辦法讓『我』親自上火星,我才不會去搞那些機器人呢。」

《行星旅遊指南:火星》結尾談到地球生命起源於火星的可能性時,有個很棒的比喻:就像當年人類離開非洲來到世界各地。所以也許我們這些地球生命在未來訪問火星其實是回家,就像我們回到非洲。天體生物學家大衛.馬凱(David McKay)是這麼說的:

「我們到火星不只是為了搜尋生命,更是為了搜尋生命的第二次創世紀(a second genesis of life)。」

這一定會讓你想起 1997 年的電影《千鈞一髮(Gattaca)》的結尾,主角文森(Vincent)搭上前往土衛六(Titan)的太空船時的最後一句獨白:

「有人說人體的每一個原子都曾是宇宙中某個星球的一部分。也許我不是離開,而是回家。」

打包去火星-太空生活背後的古怪科學當然,載人火星任務不是渡假,而是充滿了不確定性的探險。火星是一個非常難抵達的目的地,人類到目前為止送機器人上火星探險的任務有一半是失敗的。包括 2003 年的歐洲太空總署(ESA)的小獵犬二號(Beagle 2)與 1998 年美國國家太空總署(NASA)的極地登陸者號(Mars Polar Lander)與深太空二號(Deep Space 2)。

如果人類真的要飛向火星了,這趟旅程對人類的科技、文明、身體與心理都是嚴苛的考驗。

究竟有多嚴苛?《打包去火星-太空生活背後的古怪科學(Packing for Mars: The Curious Science of Life in the Void)》這本書告訴我們一些超出我們想像的研究發現。作者瑪莉.羅區(Mary Roach)訪問許多科學家與他們那些稀奇古怪實驗的受試者,也訪問了早期的太空人。試圖了解這些人如何在地球(與地球的軌道與衛星上)用我們一般人難以想像與承受的方法研究這些挑戰並尋找解法。

貓頭鷹出版社即將在八月中旬出版這本書的中譯本,我很高興有機會在正式出版前獲贈試讀本。我把 ePub 檔複製到電子書閱讀器隨身帶著,大部分的閱讀時間是在高雄往返台北的高鐵上。這是一本非常精彩也非常有趣的書,我一開始讀就欲罷不能。抓到空檔就讀,不到兩天就讀完了。

在高鐵上讀這本書的時候,我看著窗外時速三百公里的風景開始想像:列車逐漸加速,離開地面,穿過大氣層,離開地球軌道,經過月球,飛向火星。然後我想像我要在這節車箱待上一年。我開始想到長期太空旅行的枯燥與無聊,而很巧合地,閱讀正是填充那些虛無(不論是太空船外的或成員內心的)的最好方式。

我想到我從 1998 年第一個模組進入軌道時就開始關注的國際太空站(International Space Station)上的太空人。他們在工作以外的個人時間經常從事的活動之一就是閱讀。這時我意識到,如果我要打包去火星,行李裡面一定得有一台電子書閱讀器,以及裝置裡裝得滿滿的書。

帶我去火星吧!

Packing for Mars

(原發表於《Taiwan 2.0》部落格。)

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蔡 志浩
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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域

CASE PRESS_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

參考資料

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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