聽現役 NASA 顧問委員聊聊職涯歷程——《撕下標籤，成就最好的自己》

愛因斯坦對於宇宙的理解錯了嗎？

愛因斯坦的廣義相對論重新改寫我們對於時間、空間、與質量的認知，也開啟我們對廣大宇宙研究的大門。

在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時，我們也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型，可能並不完全正確。

正確來說，我們發現我們過去對宇宙的理解，可能真的太少了。少到我們至今所觀測到的所有物質，可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離我們太過遙遠，而是他們可能就在附近，而我們卻全然不了解它。

其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」，到底是什麼來頭？我們能徹底了解它，同時能為我們宇宙的存在，提供一個正確的解釋模型嗎？又或者我們能掌握它，來改變宇宙的未來嗎？

暗能量（dark energy）到底是什麼？這聽起來有夠中二的名字，難道是暗影大人的新能力嗎？

其實暗能量的「暗」，指的是我們看不到也摸不到，用上各種波段的電磁波都察覺不到，甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為我們無法感受到它、不知道他們的型態，所以稱為暗能量。也就是說，如果暗影大人或是哪個最終 BOSS 的絕招是「暗能量波動」，當巨大的能量朝你襲來，不用擔心，站在原地就好，因為它只會穿過你的身體，打不中你的。同樣的，你可能聽過的「暗物質」，指的也是我們無法探知的未知物質。也就是說，暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質，任何我們現在還無法探測到的，都可能是暗物質的其中一種。題外話，近年某些暗物質面紗底下的容貌，已經逐漸能被我們窺見，例如微中子。這部分，之後我們介紹暗物質的節目中，再來好好討論，今天先來和大家聊聊佔了宇宙質能 7 成的暗能量。

矛盾大對決來了，既然我們摸不到，也看不到，我們怎麼知道暗能量存在，還是僅存在我們的中二想像中呢？我們得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人，他不是別人，就是鼎鼎大名的愛因斯坦。

1916 年愛因斯坦推導出廣義相對論，解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為，宇宙應該是靜態的，但是若宇宙中只有物質，宇宙應該會受重力吸引而塌縮，因此需要與反向的能量來平衡重力，這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數 Λ 來平衡他的靜態宇宙模型，而直到非常近期的 1998 年，暗能量 (dark energy) 這個詞才由物理學家麥可．特納提出。

在愛因斯坦之後，著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法，他認為宇宙不一定是平衡的，也可能正在收縮或膨脹當中，並根據廣義相對論推導出 Fridemann 方程式，關於 Fridemann 方程式的故事，先前我們有好好介紹過。

暗能量不只存在於理論上的預測，同時期天文學家開始發現我們熟知的銀河系，並無法代表整個宇宙，原來夜空中很多像星雲的天體，其實是遙遠的星系！宇宙遠比以前認為得大的太多了！1929 年，哈伯進一步發現，這些星系竟然正在遠離我們而去，而且距離我們愈遠的星系，遠離的速度就愈快！宇宙竟然真的是以地球為中心，而地球利用強大的排斥力，將其他星系用力向外推開嗎？當然不是，想像一下，宇宙就像一個葡萄乾麵包，上面布滿的葡萄乾就是各種天體，當麵包發酵膨脹時，不論站在哪顆葡萄乾的視角，所有天體的距離都是互相拉遠，而且距離愈遠的天體，彼此遠離的速度就愈快。

也就是說，哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題，就是這個宇宙的膨脹速度，是隨著時間經過越來越快的加速膨脹，還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢？為什麼這個問題很重要？因為如果是減速膨脹，靠現有的重力理論就可以解釋，宇宙中天體所提供的重力，正在使宇宙減速膨脹，甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹，那麼只考慮重力就不夠了，為了抵抗向內塌縮的重力，勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時，就需要加入暗能量的存在了。

宇宙真的正在加速膨脹？

為了確認宇宙正在減速或加速膨脹，好推算暗能量是否存在，科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步，天文學家可以透過不同方式，觀測更早期的宇宙。

愈遠的天體發出的光，需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設我們觀察離地球1億光年遠的星球，由於我們看到的影像是從星球出發後，經過 1 億年後才到達地球，因此在望遠鏡中看到的，其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點，如果我們將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處，就能看到更早期的宇宙樣貌，幫助我們了解宇宙過去的樣子。

科學家主要透過三種方法，分別用來觀測晚期、中期、到早期的宇宙。第一種方法是觀測 Ia 型超新星爆炸，它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期，吸收大量鄰近伴星的氣體，使得內部重力超過某個極限，引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量，亮度甚至可以媲美整個星系，因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是，因為每個 Ia 型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同，可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點，又稱為標準燭光。當它離我們愈遠亮度就愈小，只要觀測亮度就可以得知它離我們的距離。

接著，透過光譜分析，我們還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候，警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化，同樣的道理放在電磁波上，當超新星遠離我們，電磁波頻譜的頻率會下降，我們稱為頻譜「紅移」。最後，只要我們同時觀測好幾顆超新星，並且量測每一顆的距離和遠離我們的速度，看看是不是真的離我們越遠的超新星離開的速度越快，就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。

第二種方法是觀測宇宙大尺度結構，宇宙中星系的分佈其實是不均勻的，有些地方有星系團，也有一些地方是孔洞，整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時，向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡，就像我們在擠壓彈力球一樣，向內壓時內部壓力會增強，導致物質向外拋射，壓力減弱後又會停止拋射，這樣來回震盪的過程，就在宇宙中形成一個個震波漣漪，稱為重子聲學振盪（BAO，baryon acoustic oscillations）。有趣的是，當好幾個地方都在震盪，就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中，波腹部份聚集較多物質就會形成星系團，波節部份不足以形成星系就形成孔洞，是不是覺得我們的宇宙就像是一鍋湯，而我們只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢？不過即使是連一粒胡椒都不如的我們，透過觀測宇宙星系分布並透過理論計算，人類科學家還是可以得知這些結構的大小，並且推知這些結構上的星系距離我們多遠，最後再搭配紅移光譜，一樣可以算出宇宙膨脹的速度。今年七月升空，11 月 8 號從太空傳回第一張照片的歐幾里得太空望遠鏡，它的其中一項任務，就是專門觀測重子聲學振盪，來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給我們對宇宙的全新認知，關於這一部分，我們很快會再來深入介紹。

第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射，它是宇宙的第一道曙光，在此以前，宇宙能量很高，光和電漿相互作用，不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時，宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合，宇宙終於變得乾淨了，光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面，至今仍不斷經過遙遙 137 億年的時間抵達地球，被我們觀測到，稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是，根據這些照片，我們能發現早在 137 億年前，宇宙各處就不是均勻的。透過分析這些微波的分布，科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時我們發現，目前的已知物質，也就是元素週期表上看得到的原子，只佔所有能量的 4.93%，而看不到的暗物質，佔 27.17%，那還有 67.9%，將近七成的組成分是什麼？科學家認為就是暗能量。

哇！暗能量佔的比例這麼高？那我們未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎？先不要想的這麼美，其實暗能量在宇宙中的密度很低，依照質能等價公式，質量跟能量是可以互相換算的。換算下來暗能量每立方公分只有 10 的負 24 次方公克，相比之下，水的密度是立方公分 1 公克！真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大，是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中，不像一般的物質，只集中在一些星系和星體中。

現在我們知道暗能量存在，而且量也不少，但回到最關鍵問題，這些暗能量到底是怎麼來的呢？

宇宙與暗能量的未來

科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」，根據量子力學，我們過往認為的真空，其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。雖然這聽起來很玄，但各位看完我們的影片並按下訂閱之後，這些訂閱數就一定會是真的。都看到影片最後一段了，就拜託大家再多動一下手指吧！

而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外，這個過程甚至可能幫助我們開啟蟲洞！關於真空能量與時空旅行的關係，可以參考我們的這一集哦（閃電俠）。

為了重新認識我們的宇宙，科學家此時再次拿出了宇宙常數 Λ 和 Fridemann 方程式，建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型－ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解釋宇宙微波背景輻射、宇宙大爆炸時，最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像，也都基於此模型。

不過 ΛCDM 理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數 Λ，應該要與位置、時間無關，是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣，要如何解釋這個觀測差異？第二個問題是，假設暗能量是真空中的量子漲落所造成，依此推算出的宇宙常數數值，還跟觀測差了 120 個數量級！也就是 10 後面有 120 個零，整個宇宙中的原子數量也才 82 個數量級而已！

因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量，而是由一種未知的粒子場所驅動，而這個場與時間有關，導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在，宇宙會膨脹，是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的！就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用，到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待我們發現！另一派科學家也認為沒有暗能量，我們會看到加速膨脹，只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中，也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多，口感比較鬆的地方，由於這個地方總體重力比較小，天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快，但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹，宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。

這些理論或許可以解釋部份的問題，但沒有一個能解釋所有觀測數據，而且由於觀測的限制，這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前我們只能說，暗能量的效應確實存在，但我們還不知道它確切是什麼。

有人可能想問，研究暗物質對我們真的那麼重要嗎？其實，它不只影響了宇宙過去演化的歷史，也影響著我們將來的命運。由於宇宙膨脹，物質的密度會因為膨脹被稀釋，但如果暗能量是常數，就代表密度不會改變，因此宇宙會膨脹的愈來愈快，導致遙遠的星系加速離我們遠去，最後暗能量會超過所有的基本作用力，包括重力、電磁力和核力，星系、太陽系、地球都將被拉開，甚至中子和質子都互相分離，使原子不復存在，進入大撕裂時期，也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情，在那之前地球會先被死去的太陽吞沒，我們應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。

最後總結一下，暗能量到底是什麼？很抱歉，經過了幾十年的努力，這個問題依舊是一個問號，但藉由宇宙學的研究，使我們更謙卑更加發覺自身的渺小，我們或許已經掌握許多物質運作的原理，也開發出許多高科技產品，但這些只是整個宇宙的 5% 仔，宇宙中還有許多未知等待我們去探索，而它深深關係到我們的過去和未來。

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參考資料

• 解析北京清大「推翻 」方程式背後深意！白紙革命爭自由民主平等
• https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf
• https://news.harvard.edu/gazette/stor…

• 作者 / 丹尼爾‧古德曼
• 譯者 / 許可欣

大衛．斯伯格（David Spergel）

在學生時代，我曾想過以後可能會從事科學之外的職業。在我讀高中時，我活躍於撰寫校刊和參加學生會活動。而到了大學，我對傳播和政策仍十分有興趣。在大學的最後一年，我申請到研究所和法學院就讀。在就讀研究所時，我寫了一篇政策報告專門評論星際大戰中的策略。我想若那時攻讀哈佛大學博士學位花比較久的時間，或是未如此順利，那麼我的職業生涯發展可能大有不同。

我的研究進展十分順利，也迅速開啟我的科學家職業生涯。當時，我投入兩年的時間完成論文，經過兩年博士後研究，我成為普林斯頓大學天文物理學系教授。

能在兩年的時間內在哈佛大學完成博士學位幾乎是前所未聞。我能這麼快完成學位的原因有很多，其中之一是我曾在普林斯頓大學和牛津大學進行研究，因此我熟悉研究過程。我也已經完成學業課程，所以我可以專注在研究上。另外，身為一名理論學家，我能夠運用其他人已經生成的數據，而不必從頭開始。我還有別人沒有的優勢，那就是身為普林斯頓大學的大學生，我有幸能接觸新型的超大天線陣列無線電望遠鏡，獲得第一手數據，而身為哈佛大學的博士生，我研究暗物質探測領域，當時還是一個嶄新領域，我能站在與其他研究者截然不同的角度來思考問題。

在博士後研究期間，我的指導教授約翰．巴考爾（John Bahcall）告訴我物理學家漢斯．貝特（Hans Bethe）曾說過人們應該全力投入他們具有不公平優勢的領域。意思是說若要深入在某一領域取得成功，需要具備別人沒有的優勢。就如同我曾在普林斯頓大學和哈佛大學就讀，我具備這樣的優勢。

不公平的優勢有很多不同的形式，可能包含處理問題的新技術。舉例來說，嶄新的數學方法。更常見的是新科技的問世，例如：新型探測器或測量方法。優勢也可能是來自另一派科學分支的理論見解，就我的情況而言，我的優勢是我能將粒子或凝聚態物理學的新概念應用於宇宙學。在職業生涯中，我能將所擁有的優勢應用到有趣的科學問題上，何其有幸！

家庭榜樣

我從小在紐約長島的杭亭頓長大。我就讀杭亭頓的公立學校，在數學和科學領域尤為出色。高中時我有很多優秀的老師，其中最熟的是新聞學老師。我是校刊編輯，也撰寫過多篇校刊文章。我在高中時期學會如何寫一手好文章，我所學到的溝通技巧在未來的職業生涯中也非常重要。

我的父親是紐約市立大學的物理系教授，母親則是一名高中家政課老師。我的家庭很鼓勵孩子投入科學領域，但這並不代表我父親督促我朝科學領域發展，他其實沒有強迫我或我的手足踏入科學領域。事實上，我是家中唯一在物理學界發展的孩子。身為物理系教授的父親確實是我的榜樣。紐約市立大學的教授以教學為主，研究為輔。我父親是很成功的老師，作育英才無數，他教過的學生很多都是家族中第一個上大學的孩子。

高中畢業後，我被普林斯頓大學錄取，但那時還不確定我要讀什麼。我考慮主修數學和物理學，也曾想到威爾遜公共與國際事務學院學習政府和政策。我發現普林斯頓大學大一課程非常有挑戰性。我修習數學系的入門課程，這才意識到雖然高中時是數學頂尖的學生，但我似乎不具備成為數學家的天分。另外我還發現我在實驗室缺乏協調能力，也不適合成為實驗學家。

從大三開始，我發現我對做研究很感興趣。大三第一學期我與牛津大學的客座教授詹姆斯．班尼（James Binney）進行軌道動力學的理論研究，在第二學期與吉莉安．納普（Gillian Knapp）教授運用無線電觀測星際介質。大四時我繼續與納普教授一起工作。

大四接近尾聲時，我又面臨不確定該朝哪個方向走的困境。我向四所設有天體物理學、法律和政府課程研究所的學校提出申請。我的前兩大志願是哈佛大學和加州理工學院。在參訪哈佛大學期間，我遇到比爾．普雷斯（Bill Press）教授，我和普雷斯教授一見如故，我們討論了各種技術問題。因此，我決定選擇哈佛大學就讀，我希望未來能成為普雷斯教授的指導學生。就算未如預期，在這麼一個師資優秀的學系，我總能找到一個誨人不倦的指導教授。另外，我認為哈佛大學的所在地劍橋市比加州理工學院有更豐富多元的社會環境，所以我選擇哈佛大學。

被哈佛大學錄取後，我延後一年入學。利用那段時間，我來到牛津大學。那是非常棒的一年，我愛上在異國生活的新奇感，也交了很多朋友。在牛津大學時，我修了幾門課。但大部分的時間，我投入研究並撰寫銀河動力學相關論文。在經歷普林斯頓大學和牛津大學的學術洗禮後，我來到哈佛大學開始新的研究。

那時候，高能粒子物理學家正在探討是否能透過高能加速器產生暗物質。理論學家推測宇宙中的大多數物質並非由我們熟悉的質子或中子構成，他們認為暗物質是大質量弱交互作用粒子，正如超對稱粒子物理學標準模型的擴展理論所預測。

身為天體物理學家，我很幸運能夠以不同角度來看待暗物質相關議題。假設粒子物理學家對於暗物質組成的看法正確，我想知道還有什麼檢測暗物質的方式。在牛津大學期間，我仍持續與班尼教授一起研究，班尼教授是我大三撰寫銀河動力學論文的指導教授。所以我對動力學有深刻的了解，也對銀河系結構有所涉獵。

開放的發揮空間

我的博士論文指出地球繞著太陽公轉，而太陽繞著銀河系旋轉，因此地球轉動速度每年會隨季節變化。舉例來說，受銀河系的暗物質的影響，地球在六月轉動速度最快，而十二月轉動速度最慢。年度速率的調整代表事件發生率應以能量的函數進行調整，這也相對容易計算。自那時起，這種調整就成為實驗中用來區分暗物質和背景事件的觀察信號。由於我是該領域的第一位天體物理學家，所以我有一個開放的發揮空間，有幾個有趣且相對容易解決的問題。我很快完成一系列文章，並整合為論文。

是否能成為一名好的研究人員仰賴好幾項因素而定。首先，需要對研究感興趣，能盡情享受研究帶來的快樂。其次，時間和努力。第三是天分。天分有很多種，有些人擅長數學，而有些人擅長計算。創造力也很重要，因為創造力能找到解決問題不同的方法。

我認為最重要的是發現有趣問題的能力。有一些學生善於解決已知的問題，但要能夠找到有趣的機會並不是每個人都能做到的，這是一個更高的層次。作為一名教授，這是最難教會學生的，但這非常重要。

完成博士學位後，我留在哈佛大學從事博士後研究。我收到普林斯頓大學高等研究院巴考爾教授邀請參觀。巴考爾教授邀請我加入高等研究院，我在那裡工作兩年。這對我來說是個難得的機會，為我開創新領域。

我很高興能在普林斯頓大學高等研究院進行研究，但是想要投入教育界。當系主任傑瑞．奧斯特里克（Jerry Ostriker）鼓勵我申請教職時，我正在與普林斯頓大學天文物理學系的一位成員合作進行一項計劃。目前，我擔任普林斯頓大學天文物理學系教授已逾三十年。儘管我是一位理論學家，但我還是很喜歡與實驗學家和天文觀測員合作。我會與一兩個學者合作小型計劃，也和很多龐大的團隊合作大型計劃。我喜歡與他人合作，藉此向他們學習。我試圖尋找新穎的方法運用天體物理學儀器來解決有趣的問題。我仍在發掘或創造優勢，希望在新領域發展順利。

寫作和政策是我一直喜歡的領域，也是我學生時代想要深造的領域。這些領域在我後來的職業中日益重要。我同時是美國國家科學院（National Academy of Sciences）太空研究委員會和美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration，簡稱NASA）顧問委員會主席。我也在許多諮詢委員會任職，負責諸多大型計劃。我花很多時間制定政策和進行管理，讓工作順利進行的重要技能包含傾聽、寫作、思考大局，將枝微末節與重點區分開來。

關於主角

大衛．斯伯格是天文物理學家，畢業於普林斯頓大學和哈佛大學。他是普林斯頓大學天文物理學系教授，也是物理學系、機械與航空航天工程學系的副教授。他還擔任紐約熨斗研究院（Flatiron Institute）天文物理學計算中心主任。

• 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。

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。

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。

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！

延伸閱讀

1. 我們的征途是星辰大海：回顧隼鳥二號的億里長征
2. Just Look Up！小行星監測系統「哨兵」全面升級
3. 災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？

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。」

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）。

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。

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。

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？

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：

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。

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。

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。

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。

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