「外星人如果造訪地球，是福是禍？」台北天文館資訊組徐組長表示…

火星 vs. 地球

長久以來，人類對火星充滿好奇，火星上有沒有水？那裡住著火星人嗎？這些未知，讓人類發射各種探測器和太空船前往火星，希望一探火星的奧秘！

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山，它比地球上最大的茂納開亞火山（MaunaKea）還巨大，如果從火山底部算起，奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半！火星的直徑大約只有地球的一半，為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢？

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點（hotspot）火山，這類火山的岩漿來自地函，熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動，地球的地殼會移動，這造成熱點穿出地殼的位置改變，時間久後，會形成一長串的火山，其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山，目前大島就位在熱點上，夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老，而且離大島愈遠愈老。

地球上因為板塊運動，熱點火山不會長得太大，長到一定程度，就會因為板塊運動移開熱點，沒有熱點提供岩漿，火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同，火星沒有板塊運動，地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出，岩漿在同一熱點一直堆積長高，所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究，火星早期有較厚的大氣，溫度適中，甚至表面有河川流水，跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢？

火星早期曾經有磁場，後來磁場消失，讓火星大氣失去防護，漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小，地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣，大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧，流失到外太空，最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一，而且還持續流失中！

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小，所以散熱較快，造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識，我們才明白地球原來如此特別！

真的有火星人嗎？

人類對火星上有沒有生命充滿想像，其中最有名的可能是帕西瓦爾．羅威爾（Percival Lowell）「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪，對火星非常著迷。1890 年代，他用自己建造的天文台觀看火星，並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河，建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道，這是火星有智慧生物存在的證據。

1965 年，美國的水手 4 號太空船飛掠火星，發現火星表面一片荒蕪，根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過，火星有生命存在的想法太吸引人，人類還是不斷用各種方式探索火星，尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢？一方面是科學上的原因，希望找到地球外的生命形態，不管這種生命形態是不是跟地球一樣，都是非常重大的發現；另一方面可能是情感上的因素，不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方，孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗，只要有水的地方幾乎都找得到生命，水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖，地表有水流動，所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物，因為水存在火星表面的時間並不長，無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水，不過水還是有可能存在地表下，所以，生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星，不久的將來人類也會登上火星，到時候火星有沒有生命的問題，可能就會有答案。

• 文／玄冥
  曾經做過 Radio Astronomy，現在叛逃去 Structure Formation 了，但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨，澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待，將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前，他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向，但是今天不一樣，他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道，他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術（Radio Interferometry），用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術，如果說大家對電波干涉術不熟悉的話，那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新（圖一）。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術，拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡（EHT）」（圖二）。

大家聽到「電波干涉儀」時，腦海中浮出的想像，可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上，電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的（圖三），以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術，再介紹兩者結合的原理，一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

什麼是無線電波？

無線電波（Radio wave，簡稱電波）是一種電磁波，它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播，以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段，因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是，相對於可見光波，電波波長更長（約 1 mm 以上），較容易穿過障礙物，讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體（如原恆星）。然而，能穿透障礙物的代價是，在相同的望遠鏡口徑下，電波望遠鏡的「角解析度（Angular resolution）」比較低。

角解析度（或稱角分辨率）是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力，白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑，但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻，如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話，我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛，才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度，是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

光的干涉，相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中，我們將光源對準布幕，並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光，便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋，源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同，因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反，會造成相消干涉而形成暗紋；若抵達布幕時震動方向相同，則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些（見圖四、五）。從實驗設備的上方俯視，藍色的點代表光源，紅色的點則是紙板上的狹縫位置，圖片底端是布幕，白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現，當狹縫間距越遠，布幕上亮紋就越細緻，而從圖五則可以看見，當光源橫向移動時，布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出，越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感，電波作為一種波亦有相同的特性。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍？

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機，通常會將電波接收器對準海平面，隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器（紅點）跟敵機（藍點）以及海面（黑色區域）的相對位置圖，此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器，其中較短的電波是從敵機直達接收器，而較長的則是經海面反射後抵達接收器，這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣，對波源的移動非常敏感（圖六），因此可以非常準確的判斷出敵機的位置；而如圖七所示，當電波接收器與海平面之間的高度差愈大，干涉條紋愈細緻，這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上，如果將電波接收器放在濱海的峭壁上，其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器，這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束，許多軍事科技被轉為民用或科研用途，電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說，電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時，因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候，往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度，人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關，卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現，天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈，其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊，這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。^(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧！

銀河系和太陽，是天空中兩個最亮的電波源，因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到，較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代，因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位，而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後，澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手，在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀，以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度，由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分（約 1/10 度），也得知這個天體的大小在八角分以下。

然而弔詭的是，如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體，這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體！更令人驚訝的是，該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星，於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A⁽⁴⁾ 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空，陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下，天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系⁽⁵⁾（圖八、九）。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系，然而在電波望遠鏡下，時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出，噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道，噴流是在星系中心大質量黑洞進食（吸積）時所噴出的強烈電漿流，其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波，從而被電波干涉儀接收。

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈，因此對星系演化有著至關重要的影響，今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷，如今的電波干涉儀，已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉，不再是依託於大海的孤立接收器；干涉儀技術的改良，立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往，而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往，人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往，因此當硝煙散去，人們便互相合作，將戰時的科技化作探索太空的利器，揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今，我們擁有更強大的科技，希望人們能夠繼承這份嚮往，一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

1. 毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
2. 黑洞甜甜圈之後：宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡！——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
3. 黑洞攝影怎麼拍？七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
4. 仰望宇宙的好據點，大國爭相來插旗：「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
5. 太陽升起前，把握最後的永夜！與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
6. 人類史上首張黑洞近照：這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的？ – PanSci 泛科學

參考資料

1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the Sun. Nature, 157(3980), 158-159.
3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspots. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 190(1022), 357-375.
4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature, 161(4087), 312-313.
5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

• 作者／前NASA太空任務科學家 李傑信

太陽系形成初期，火星與地球的起跑線相同。火星地處石質行星外緣，獲水量比地球大，但受體積龐大的木星干擾，無法收集到足夠建材凝聚成像地球一樣的健康軀體，只長成了一個小矮個兒。火星地心引力不夠強，抓不住氮、氫、水氣等氣體，氣體集體逃亡，45 億年下來，只剩下 600～1,000 帕大氣壓，液態水失蹤，紫外線肆虐，地表生命消失。相比之下，後到的綠色微生物將地球轉變成一個充滿自由氧氣的生物星球，是生命的樂園；反之，火星連二氧化碳都不夠，是生命的悲慘世界。

在隕石風暴的第一個 7 億年裡，每次巨大隕石碰撞，都對生命有「消毒」的威懾力。由隕石帶來巨大的動能，被行星吸收，轉成熱能，造成地球和火星同樣地表熾熱，可能遠遠超過生命耐熱極限。我們揣測，生命時鐘應在隕石風暴停止後的 38 億年前起算。

隕石風暴停止後，地表溫度開始下降。一般球體散熱的速度，以其總表面積對所含質量的比值作為比較標準 ^[註1]，換言之，我們要看球體每公斤的質量能分到多大的散熱面。使用這個標準，火星有效散熱面大約是地球的 2 倍。假如其他一切條件相等，火星降溫速度比地球約快 2 倍。實際上地球比重為 5.497，火星比重 3.96，地球的單位含熱量比火星高。若從 38 億年前起按下碼錶，火星應比地球率先抵達生命起源極限的溫度，比如攝氏 140 度。當火星地表生命有起源條件時，地球地表可能依然熾熱，仍是高溫消毒爐。

以地球古菌生命經驗，只要賦予一線生機，生命就可能蓬勃發展。地球生命在隕石風暴停止後 3 億年，就已粗具規模，但地球還是比火星晚抵達生命發展的極限條件。我們揣測，火星生命可能在隕石風暴停止後不久就濫觴。

火星可能先有生命，贏了這場和地球的生命競賽。

隕石列車

行星間隕石互訪，亙古以來，絡繹不絕。

在隕石風暴肆虐的年代，每個行星都承受大量隕石撞擊，可以想像行星上很多岩塊被崩離行星進入太空，穿梭於各行星之間。

地球和火星是太陽系中的近鄰。地球塊頭大，地心引力強，岩石脫離地球困難；火星個兒小，地心引力弱，岩石脫離火星容易。

作者在第三章「一飛衝天」的「水手號」爬坡追火星一節打了個比喻：太陽重力場有如一個山坡，太陽在山腳，地球在山腰，往下看有金星和水星，往上望有火星、木星、土星等行星。從地球到金星、水星，走下坡路，比較省勁；從地球到火星，要爬坡，費力。

同樣的，從火星出發的隕石，往地球掉，有如下坡滑行，輕鬆容易；從地球出發到火星的隕石，掙脫地心引力不易，又得費力爬坡飛行，已是「二振」局面，打出全壘打較難。

人類沒有去過火星，不知火星上有無從地球去的隕石。金星的個頭是地球的 81.5％，金星隕石到地球的困難程度應該和地球到火星的差不多。金星大氣、土壤成分測量，是前蘇聯對人類的貢獻，以這些數據要鑑定出金星隕石不難。人類到 2020 年為止總共掌握了 40,000 塊隕石，但作者尋遍資料，都找不到金星隕石。依理推測，在火星上也可能很難找到地球隕石。

地球－火星間的高速公路雖然不是單行道，但交通流量可能極不平衡：火星客擁擠於途，地球客門可羅雀。

即使我們接受以上的論點，讓比地球先發展出來的火星細菌生命買票，登上隕石列車，以上千倍於重力場的爆炸性加速度出發，在太空無水分、無養料，還飽受強烈宇宙射線轟擊千萬年的情況下抵達地球時，仍得遭遇大氣摩擦產生攝氏 2,000 度的高溫。降落時，再與地面高速碰撞減速，又是上千個重力加速度。細菌雖小，但核心只是一汪水含著生命密碼 DNA，能承受重重魔障般的顛簸旅途，活著抵達地球這個生命樂園嗎？

魔障旅途

脫離火星的隕石速度最低每秒 5 公里，就可進入太陽軌道，有機會抵達地球。但脫離火星的隕石肯定不會受到如此溫柔的待遇。火星隕石一般以爆炸性速度離境，加速度可達上千倍重力加速度。細菌再小，也是生物，承受重力加速度的能力有一定極限。

有位瑞典科學家曾將潛伏期的細菌放在高射炮的彈頭中射出，彈頭承受巨大的重力加速度。實驗結果，細菌仍是活的。所以我們有把握說，乘坐大小適當的火星隕石列車，細菌可能安全離境。

進入太空後，宇宙射線無情地打將過來，坐在經濟艙中的隕石表面乘客可能很快喪生。看隕石的塊頭有多大，坐在核心的乘客受到厚實的隕石層保護，可能安然過關。

隕石可能在太空飛行上千萬年。隕石溫度在深凍狀態，超低溫很可能歪打正著，引發隕石核心細菌進入冬眠潛伏、長期存活。厚實隕石殼又成為最佳熱絕緣材料，維持隕石核心溫度不變。

隕石以每小時 40,000 公里的高速衝進地球大氣層，摩擦生熱，表面白熱化，溫度可達攝氏 2,000 多度，然後以高速撞上地面。細菌又要承受好幾千個重力加速度，才能抵達目的地。

有人發現，剛落地的隕石有時表面竟然會被一層霜包住。這種現象可能是因為隕石深凍溫低，絕緣性良好，僅允許表面薄層白熱化，著地後，隕石迅速被核心溫度冷卻。

這時候，火星細菌才可以從到站的隕石列車裡探出頭來，看到四周豐富的資源，說聲：酷！地球真是一個好地方！

移民地球，播種生命

到目前 2020 年為止，人類搜集了 40,000 餘塊由宇宙各處來的隕石，其中 224 塊來自火星。在地面尋找火星隕石不易，即使撿到，通常都要經過漫長的歲月後，才發現那塊不起眼的石頭，原來竟是由火星來的。

1911 年在埃及砸死一隻狗的那塊隕石，在 20 世紀 80 年代後才被驗明正身，死的那隻狗也跟著進入史冊，略可瞑目。 1999 年底在加州洛杉磯鑑定的兩塊隕石，是發現者在 1979 年於莫哈維沙漠撿到的，在車房待了 20 年才認祖歸宗。即使由專家特別搜集的 ALH84001 號隕石，從開始就大出風頭，也還是在冷藏庫中度過 9 個寒暑，才確定出身，大放異彩。

隕石平均掉落在地球每個角落。地球表面 3/4 是海洋，其他是大片的荒郊野外，從撿到的幾塊火星隕石，很難估計地球總共有多少火星隕石。但大膽的科學家還是勇敢地估計了一下，結果是：地球大約每年搜集 500 公斤的火星材料。45 億年下來，得 22.5 億公噸。如果把這些火星材料平均撒在臺灣全島，厚度得有 1.5 公分。其中 90％，應是 38 億年前，隕石風暴結束前後時期飛過來的。這是一個不算小的數目字，足夠對地球進行生命播種的工作。

總結來說，地球生命環境優越，生命非常可能是獨立起源演化的，與任何外來因素無關。但也有專家認為，地球生命起源後，隕石碰撞仍然不停，地球生命繁殖演化道路受阻，留在地表死路一條，有些細菌就乘上隕石逃亡列車，進入太陽或地球軌道，等地球生命環境穩定後，再返回故鄉，自身播種。當然，地球生命也可能經由稀少的隕石，感染火星，因此火星生命也有可能是地球古菌。

不過，火星個子小，散熱快，很可能比地球搶先抵達生命起源條件。目前無法排除的可能模式是：火星生命在火星成形後，乘坐頻繁出發的隕石列車，抵達地球，播種生命。

那麼，我們會是火星人嗎？

註解

註 1：以地球的情況而言，大部分熱能是由行星內部放射性元素產生的核熱能，但由於目前尚不清楚火星內部的核熱能，故在此略。

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪：追尋跟著水走的火星生命》，2021 年 7 月，三民。