臺灣宇宙夢！ 「太空科技長程發展計畫」30 周年

觀測星系時，科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等，所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

不過，後來我們了解到，宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質，那就是「暗物質（dark matter）」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質，卻實際存在於宇宙中，而且暗物質在宇宙中的含量，遠多於我們看得到的「物質」。

1934 年，瑞士的天文學家茲威基（Fritz Zwicky，1898～1974）觀測「后髮座星系團」時，發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量，與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快，推測存在 400 倍以上的重力缺損（missing mass）。

在這之後，美國天文學家魯賓（Vera Rubin，1928～2016）於 1970 年代觀測仙女座星系時，發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別，並推論仙女座的真正質量，是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年，科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構，發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構，僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足，科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質＝暗物質」。

看不到卻存在？暗物質究竟是什麼？

前面提到我們看不見暗物質，而且不只用可見光看不到，就連用無線電波、X 射線也不行，任何電磁波都無法檢測出這種物質（它們不帶電荷，交互作用極其微弱）。

因為用肉眼、X 射線，或者其他方法都看不到它們，所以稱其為「暗」物質。

不過，從星系的運動看來，可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力（質量）」。這就是由暗物質造成的重力。

• 延伸閱讀：暗物質比先前認為的還要「暗」

看不到的能量：暗能量

事實上，科學家們也逐漸了解到，宇宙中除了暗物質之外，還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為，宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對，不過，1998 年觀測 Ⅰa 型超新星（可精確估計距離）時，發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量（dark energy）」。而且，暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」，以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例，如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星（美國）於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射（CMB），計算出來的結果。

後來，普朗克衛星^＊（歐洲太空總署）於 2013 年起開始觀測宇宙，並發表了更為精準的數值。

歐洲太空總署（ESA）為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射（CMB）而發射至宇宙的觀測裝置（人造衛星）。可與 NASA 發射，廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖，計算出宇宙年齡應為 137 億年左右，誤差在正負 2 億年內；普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖，並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右，誤差在正負 6000 萬年內，數字更為精準。  

暗物質的真面目，究竟是什麼？微中子嗎？

既然暗物質有質量，那會不會是由某種基本粒子構成的呢？也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞（原始黑洞），而我也致力於這些研究，不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子（共 17 種）以及其他未知粒子，都有可能是暗物質，在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷，不與其他物質產生交互作用，會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且，宇宙中也確實充滿了微中子。因此，微中子很可能是暗物質的真面目。

不過，目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

為什麼微中子被撇除了呢？

這是因為，雖然微中子大量存在於宇宙中，質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少，不過依照目前的宇宙論，3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子，那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對，兩者相差過大。

另一方面，暗物質中的冷暗物質（cold dark matter）的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動，進而產生暗物質的擾動（空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同），這種微妙的重力偏差，會讓周圍的暗物質聚集，提升重力，進一步吸引更多原子聚集，最後形成我們現在看到的星系。

相較於此，微中子過輕（屬於熱暗物質，hot dark matter），會以高速飛行。微中子無法固定在一處，這樣就無法聚集起周圍的原子，自然也無法形成星系。

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」，指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射（CMB）可顯示出宇宙初期的溫度起伏，因而得知存在相當微小，卻十分明顯的擾動，此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中，物質會往較濃的部分聚集，並形成星系或星系團等大規模結構。

不過，如同我們前面提到的，科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子，在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下，很難形成現今的星系團。

於是，科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子（SUSY 粒子）」當中光的超伴子——超中性子（neutralino）、名為軸子（axion）的假設粒子；另外，也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」，雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時，即使不假設這些未知粒子的存在，在標準模型的範圍內，微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的，當我們認為微中子應該不是主要暗物質時，就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論，這點十分重要。

那麼，微中子真的完全不可能是暗物質嗎？

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子，由於我們還不曉得它的質量以及存在量，所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過，這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下，一切都還未知。關於這點，我們將在《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。

如果天空少了月亮？文學家應該會很難過，音樂家也會少了創作的題材，沒有中秋節就少了月餅，也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害，天文學家絕對會很高興！

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落，主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐，不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話，造成地球潮起潮落就只剩下太陽，滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐，使地球愈轉愈慢。數十億年前，地球剛形成時，地球自轉的速度比現在快許多；因為月球的潮汐力，讓地球自轉的速度漸漸變慢，慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球，地球的一天可能不到 10 小時。

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿，讓地球自轉軸保持穩定，如果少了月球這個平衡桿，地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度，因為月球的存在，這個傾角的變化幅度不大，大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動，讓地球出現四季變化。

如果沒有月球，地球的自轉軸變動的幅度就會變大，自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響？假設兩個極端的例子，地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度，太陽永遠直射赤道，地球上不會有北回和南回歸線，地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度，太陽直射的區域會從北極到南極，也就是北回歸線位在北緯 90 度（也就是北極點），而南回歸線在南緯 90 度（南極點）。這種情況下，地球四季變化會非常劇烈，北半球夏天時，北極不會結冰，溫度比現在還高，南半球冰凍的區域比現在還大，這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星，一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球，會發現月球上有許多坑洞，這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑，表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石，這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前，一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球，造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後，哺乳類才能興起，人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石，如果撞上地球，可能會改變地球物種的演化，人類說不定就不會出現在地球！ 最後，如果沒有月亮，阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗，要直接踏上其他行星表面（例如火星），難度會高許多，甚至變得不可能！

十年前（2011 年）美國國家科學委員會（NRC）發布了一份報告，對於環繞地球的碎片數量發出了警報^[1]。當時根據美國太空總署的估計，碎片已達到「臨界點」，導致在軌道上的碎片，不斷碰撞並產生更多碎片，從而增加了人造衛星故障的風險。十年過去了，繞地球運行的碎片數量越來越多，甚至風險增加得更快；是否太空碎片數量的臨界點正在逼近？沒有人知道答案，但可能很快。

何謂太空碎片？

首先，我們先來談談什麼是太空碎片。

依據美國航空太空總署（NASA）定義，太空碎片泛指不提供有效服務，且繞行地球運行的人造物，如廢棄衛星、留在軌道上的火箭與其零件、大碎片相互碰撞後產生的小碎片，均可為之。而太空碎片最主要來源為火箭殘餘燃料爆炸而產生的碎片。

根據全球最完整追蹤太空碎片的系統——美國太空監視網絡（SSN），所登錄的太空碎片已超過一億個。

衛星送入軌道，依照能量守恆和動量守恆定律，飛行的速度必須達到每秒幾公里，才能繞著地球飛行；因此如果它在軌道上撞到任何太空碎片，比如廢棄衛星撞到一片油漆碎片，即使不是災難性的，也可能造成巨大的損失。

太空碎片造成的災難有多嚴重？

自 1957 年以來，人造衛星和火箭製造了越來越多軌道碎片物體，大小從幾微米到幾米不等。儘管已經達成了一些國際協議，限制碎片的增長速度，各國卻沒有嚴格的計劃來減少現有碎片的數量。

如今越來越多功用的人造衛星被發射進入地球周圍的低軌道，然而其所造成的碎片與衛星數量分佈超過太空碎片容量限制時，則可能發生理論失控的碰撞反應^[2]。

最近，美國太空新聞（Spacenews）報導，非洲的小國家盧安達（Rwanda）向國際電信聯盟（ITU）申請 327,230 顆衛星^[3]，加拿大的開普勒新創公司提出 115,000 顆衛星的超級大型太空網路系統，加上亞馬遜、OneWeb、SpaceX 和 Telesat 等公司已經在積極開發的系統，以及地球靜止軌道上的通訊衛星，這些衛星數量遠遠超過預期需求的容量，達到碰撞臨界點的極限風險；問題是國際電信聯盟沒有執法權，國際電信聯盟對軌道壅塞的規定為零。

2007 年中國反衛星計劃試驗所產生的的碎片擴散，以及 2009 年銥星（Iridium）與俄羅斯 Cosmos 的碰撞，讓人們意識到，並提高了積極管理碎片情況的緊迫性，努力採取緩解方法，並提出了許多減少太空碎片的技術。去年（2021）年底，中國的天宮太空站緊急啟動姿態控制，以規避靠近中的星鏈（Starlink）太空網路衛星潛在的碰撞危機。

「凱斯勒效應」和連鎖反應

美國 NASA 科學家在 1978 年提出凱斯勒效應（Kessler Effect）理論，說明當太空碎片達到或超過容量限制時，由於碎片碰撞而失效的太空船數量將顯著增加。地球軌道上大大小小的物體，數量將變得非常大，它們會不斷相互碰撞，產生更多碎片——最後成為一種被稱為「碰撞級密度」的連鎖反應。緊隨其後，新產生的碎片將呈指數倍增，直到近地太空被各種大小垃圾堵塞。

一旦這樣的衛星碰撞災難發生，整個連鎖反應可能只需要幾天或幾週的時間，最後可能只有幾顆衛星完好無損。

若是繼續毫無限制地增加巨型衛星星系，可能會導致數十年，甚至更長時間的太空活動完全喪失。

太空碎片一旦超過臨界點，造成碰撞災難，無論是太空網路、衛星導航、通訊衛星、地球監控、氣象預報等等，大部分可能都將失去功能。科技帶給人們的便利，以及所建立的文明，將大幅衰減、倒退。

如何解決太空碎片的問題？

若是我們什麼都不做，可能會導致每年 5 兆美元的太空商業收入損失。重新開放太空將花費至少數千億美元，並且可能需要數十年才能實現。若是能想出補救措施，就能確保太空碎片不會帶來災難性的問題，但這就需要一個非常縝密的計劃，涉及幾個新的太空系統和數十億美元的投資。

美國、歐盟、澳洲和日本以及各國的太空機構都意識到太空碎片問題的嚴重性，相繼提出不同的補救措施，包括：建立太空碎片追蹤機制，由觀測站和天文台精確跟蹤、監控太空物體的軌跡，避免現役衛星與大型物體相撞；提出減少計劃，清除太空小碎片物體的數量；跨國協調衛星的太空交通，以維持安全的飛行路徑；在設計人造衛星時，規劃衛星壽命結束前的退場機制，讓衛星降低軌道返回地球，並且在大氣層燒掉。這些方法目前都正在陸續實驗、進行中。

最近有一個例子，在今年 2 月初所發射的星鏈 （Starlink）太空網路衛星，發射時正好受到太陽風暴衝擊，有 40 顆衛星被風暴摧毀，幸好當時這一批衛星有返回地球的機制，能夠重新進入大氣層並燃燒掉，順利地減少了一批太空垃圾。

註解

1. Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
2. Space debris
3. Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
4. Space Debris: Wall-E’s Future is Real