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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2764字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會不會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大。這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

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貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

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很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

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而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

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「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

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EASY天文地科小站_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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造訪危險鄰居:歐西里斯的貝努採樣返回任務
EASY天文地科小站_96
・2023/09/23 ・3760字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 謝承安/現就讀臺大物理系,因喜愛動畫《戀愛小行星》而喜好小行星
  • 林彥興/現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

2016 年 9 月 8 日,歐西里斯探測器(OSIRIS-REx)由擎天神五號火箭發射升空,追隨著前輩們 ── 隼鳥號隼鳥二號 ── 的腳步,前往近地小行星貝努(101955 Bennu),執行人類史上第三次的小行星取樣任務。

經過兩年多的飛行,歐西里斯號於 2018 年底成功抵達貝努,並在幾個月後成功採集樣本,預計在今年 9 月 24 號返回地球。透過採集小行星上的原始樣本,科學家將能夠推論 46 億年來太陽系的演變歷史,但除此之外,歐西里斯探測器也在環繞貝努的過程中進行了眾多觀測,也為小行星研究貢獻許多,現在就讓我們回顧歐西里斯號的浩瀚之旅!

歐西里斯基本介紹

歐西里斯想像圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

要了解歐西里斯號的觀測目標,我們只需要把他的英文全名攤開來看:

Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer

翻譯作太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者。其縮寫歐西里斯,是埃及神話中的冥神。儘管你可能無法了解各個專有名詞,但在看過那麼長的名字後,應該也能知道歐西里斯探測器的任務可不僅是採集樣本而已。

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歐西里斯號的目標是小行星 101955 號「貝努」。

這是一顆於 1999 年由林肯近地小行星研究小組(LINEAR)發現的近地小行星。之所以選擇貝努作為觀測目標,是因為貝努的軌道與地球十分接近,有撞擊地球的潛在風險,另一方面距離近,也可以讓探測器在較短的時間內抵達。

值得一提的是,「貝努」這個名字源自古埃及神話的神鳥,同時也是引領前往冥界的諸神之嚮導。同時,貝努小行星上的各式地形或是地點,也都是以不同神話中的鳥類來命名。

貝努的表面地圖,圖中的地名皆與鳥類神話有關。如 Strix 來自羅馬神話中的條紋鳥、Simurgh 則來自波斯神話中的西摩格鳥。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

在發射後過了兩年,2018 年,歐西里斯號逐漸接近貝努,並以相機模組中的 8 吋望遠鏡(Polycam)不斷進行觀測,直至十二月成功抵達貝努。

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而抵達後的第一項任務,就是詳細繪製全小行星的地圖,過去科學家曾經透過金石太陽系雷達來(GSSR)來探測貝努的模樣,但地面上的雷達雖然可以看到貝努的大致形狀,解析度卻仍不足以窺見小行星上詳細的地形起伏,也就無法事先決定採集樣本的地點但藉由探測器上攜帶的雷射測高儀(OSIRIS-REx Laser Altimeter, OLA),歐西里斯號得以透過發射雷射訊號與接收的時間差, 像是測量海底深度的聲納一樣,繪製全小行星的地形高度圖。另外其配載的高解析度相機(MapCam),也可以讓科學家一覽高解析度的貝努影像。

雷射測高儀測量過程示意圖。圖/NASA/Goddard/University of Arizona
NASA 哥達德太空中心以歐西里斯號製作的貝努表面導覽。影/Youtube

除了解地形以外,決定採樣地點時,另一項重要的考量是採樣地礦物或化學組成。正如同地球上各處的岩石化學組成不盡相同,不論是含水量、顆粒粗細程度以及有機物的有無,皆是採樣任務執行時需要考量的情況。於是,歐西里斯號使用了三種方法來探測小行星表面上的礦物。

第一種方法是透過風化層 X 射線成像光譜儀(Regolith X-Ray Imaging Spectrometer, REXIS)來觀測 X 射線光譜。讀者或許會想,X 射線多用來觀測高能天體的輻射,像是黑洞、超新星爆發等事件,並且小行星本身也不會發出 X 射線,為何要攜帶這樣的探測儀器?

事實上,當元素吸收到宇宙射線或太陽所發出的 X 射線時,內層的電子會吸收能量並游離,而外層的電子便會向下躍遷,補上原本內層電子的位置,更外層電子又再補上外層電子的位置。在這一連串的過程中,便會發出 X 射線。而由於每個元素的能階都是獨一無二的,藉由觀測X射線的光譜,我們便能了解小行星上各處的元素豐度。

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這樣的分析方式被稱作 X 射線螢光分析(X-ray fluorescence, XRF),是一種非破壞性的元素鑑定方式,地質考察、考古甚至是博物館文物鑑定都常利用此方式進行探測。

REXIS 儀器。圖/REXIS Team / The planetary society

另外,歐西里斯號上還配戴可見光與紅外線分光儀(OVIRS),也能夠獲取小行星可見光與紅外線波段的光譜來辨別來辨別礦物或是有機物的種類。並且由於不同礦物的熱導率差異,歐西里斯還可以藉由熱輻射光譜儀(OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer, OTES)掃描全小行星的熱輻射地圖來了解礦物與化學豐度。

熱輻射儀也可以更進一步用於研究小行星上的熱量傳輸問題。當小行星吸收太陽光後將以輻射的方式將能量釋放時,其光壓會給予小行星一個微小的作用力。在經年累月的作用下,便會對其軌道產生改變,此現象稱之為亞爾科夫斯基效應(Yarkovsky effect)。

由於亞爾科夫斯基效應的強弱會受到小行星的反照率、表面材質甚至是地形而影響,如果對小行星不夠了解,那預測小行星軌道的難度將大幅提升。因此歐西里斯號的近距離探測,對精準預測貝努的軌道非常重要。

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樣本採集:歐西里斯與貝努的零距離接觸

在近兩年的搜集數據後,歐西里斯號便開始執行此次任務的最終目標:採集樣本。

一開始,科學家們有四個候選地點:夜鷺(Nightingale),此處位於年輕的隕石坑上,且具有最細顆粒的礦物;翠鳥(Kingfisher)為新的隕石坑並具有豐富的含水量;魚鷹(Osprey)具有較低反照率的岩石樣本;鷸(Sandpiper)位於兩個隕石坑之間,可能含有水合礦物。

在科學家掙扎的選擇後,最終決定在名為「夜鷺」的地點進行採樣。因為此處較年輕的地質特性,能夠讓我們採集到貝努更原始的樣本,以此探討貝努在太陽系闖蕩時所遺留的痕跡,再加上較細的礦物也能讓執行任務時能有較高的成功率。至於其他候選地點,只能說後會有期了。

NASA所選定的四個樣本採集地點之照片。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

2020年10月20號,歐西里斯號伸出他的機器手臂,名為 Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism(TAGSAM),顧名思義便是碰一下小行星表面後便離開。其運作原理,是在碰觸到小行星表面時釋放加壓氮氣產生爆炸,再搜集飛散出來的碎屑樣本。

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說起來雖然簡單,但降落在微小重力的且未知內部構造的小行星上其實非常困難,科學家們需要考量到所有可能影響的作用力,甚至是太陽光所造成的輻射壓都必須考慮進去。

現在,想像你是個科學家,坐在任務的控制室中,透過相機模組中的 SamCam,望著歐西里斯號逐漸靠近小行星,3,2,1⋯⋯,碰!(狀聲詞,事實上,太空中是沒有聲音的。)

Touch-And-Go任務的執行過程。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

採集任務看似十分成功,歐西里斯號將 TAGSAM 的頂端放入樣品返回艙(Sample Return Capsule, SRC)中,SRC 也使用了眾多隔板將散落在太空中的碎屑放入其中,兩天後,歐西里斯號回傳了樣本採集艙的影像,確認歐西里斯號已搜集足夠的樣本,但此時卻發現了些意外,由於採集的樣本太大顆,艙門無法完全緊閉,導致有部分樣本散逸至太空中,還好這不影響任務的完成,算是有驚無險。

小行星的樣本從樣品返回艙中散逸。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

2021 年 4 月 7 日,歐西里斯號展開他的最後一次飛越任務,此次他以超近距離(約 3.5 公里)觀測「夜鷺」在採集後的模樣,可以清楚看見採樣任務前後的區別,中心區域產生了一個深度超過45公分的凹痕! 周圍的岩石也因此錯位。

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過去天文學家們透過眾多觀測數據推論,大多數的小行星比起堅硬的石頭,更像是散亂的碎石堆。後來科學家們也透過此次採樣任務確認貝努表面並非像是地殼般的堅硬固體,而比較像是流體般,才產生如此大的凹痕。

「夜鷺」在採樣任務前後的差異。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

在做完惜別任務後,2021 年 5 月 10 號,歐西里斯號啟動了他的主引擎,開始返回地球的旅程。預計在今(2023)年 9 月 24 號,裝載著貝努樣本的樣本返回艙將與歐西里斯號脫離,並以秒速 12 公里的高速衝入地球大氣層,並著陸於猶他州的沙漠中,由研究人員回收後取出樣本進行更近一步的分析。

然而歐西里斯號的旅程仍尚未結束。

接下來它將在 2029 年對另一個有潛在撞擊地球風險的小行星 99942 阿波菲斯(APophis)進行觀測。就讓我們歡迎冥神與他所攜帶的樣本歸來,以及期待未來科學上的重大發現吧!

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延伸閱讀

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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。

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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。