天文學未來 10 年的 3 大目標：探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告

人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎？

隨著火箭成本降低，人人都能把衛星丟上太空，現在，當你晚上抬頭看天空，你看到的星星可能不是星星，而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星，可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂，更可怕的是，這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星，在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心，人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲，天空永遠被自己封閉。 終於，有人提出清理太空垃圾的方法了，但這些方法真的可行嗎？

現在的太空垃圾有多少？

最大的太空垃圾可能是整節火箭！

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西，都會成為太空垃圾，最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭，例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭，有許多至今還在宇宙遊蕩，每一個都像公車一樣大。而小東西，則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西，或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片，最小可能只有數毫米，小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡，只要缺乏妥善的管理和追蹤，就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

為什麼說太空垃圾真的很危險？

為了不被地心引力拉入大氣，墜向地球，在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動，包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道（Low Earth Orbit），以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動，是地表音速的 20 倍。也就是說，太空上的車禍可嚴重多了，來自不同方向或不同傾角的物體，可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了，只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是，大小在 10 公分以下的物體，大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼，我們的頭上有多少太空垃圾呢？

根據歐洲太空總署 ESA 的資料，目前軌道上有 6800 個運作中的衛星，相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體，大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個，介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

在這些太空垃圾中，大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後，一起留在太空的第二節推進火箭，小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件？

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年，銥衛星公司運作中的通訊衛星，重量 700 公斤的 iridium 33，和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251，在 789 公里的高空，兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上，化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

NASA 估計，這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片，雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀，但直到到 2023 年 2 月的統計，大約還有一半，也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題？

太空垃圾又多又危險，真的有辦法清除嗎？

2023 年三月，NASA 發表一篇研究，整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本，包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道，或是直接物理性撞擊改變軌道，還有透過捕捉垃圾，直接在太空將垃圾循環利用，作為燃料或其他用途的再利用等方法。

清理不同大小的物體，要用的方法跟產生的效益也不同，因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾，例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益，恩，所謂的效益，就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢？

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層（re-entry），簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具，透過剩餘的推進燃料，順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金，但在移除 30 年後所帶來的效益，將會超過花費的成本，非常划算。

至於小型太空垃圾，主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道，將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中，單純以使用效率來說，設置在太空所需要的能量較低，但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議，主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用，例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話，清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益，比移除大型垃圾能更快回收成本。

方法有了，但我們真的能讓太空再次乾淨嗎？

太空垃圾問題有解嗎？

現在的太空有多擁擠？

如果把歷史發射資料整理出來，會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升，2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星，到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星，想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本，也能夠發射更多的中小型衛星，像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空，例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾，我們清理垃圾的速度又不夠快，還有可能發生凱斯勒現象（Kessler syndrome），也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應，造成更多撞擊和更多碎片，讓不可控的太空垃圾快速增加，直到新的火箭與衛星都難以穿越，我們將無法前往太空，被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

治標也要治本，我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎？

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》，簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則，其中和人造衛星有關的原則主要有三個：

1. 國家責任原則：各國應對其航太活動承擔國際責任，不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
2. 對空間物體的管轄權和控制權原則：射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
3. 外空物體登記原則：凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說，雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計，但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說，分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫，以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格，至於要如何避免在太空發生碰撞，是發射單位要自己負起責任，公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

不過對於衛星任務結束後的處置，FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統，可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道，進到所謂的死亡軌道（Graveyard Orbit），而通常在申請發射衛星時，也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年，衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫，將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力，只離開原本的軌道 120 公里，FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰，對於太空垃圾的管制具有重大的意義，代表著對太空垃圾危害性的重視，也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

清除太空垃圾能有商業價值？

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡，如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少，受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣，我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」，如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾，則必須提高費率。相對的，如果一家公司提供清理太空垃圾的服務，則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

另外，雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出，但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施，或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制，沒想到吧，人類要成為跨行星文明的第一步，竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來，要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化，太空垃圾的危害並不那麼可怕，大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開，因此短時間內也還不會有明顯的感受，但如果你是需要觀測的天文學家，可能就覺得垃圾好礙眼了。

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參考資料

• https://platform.leolabs.space/visual…
• https://www.esa.int/Space_Safety/Spac…
• https://fas.org/publication/taking-ou…
• https://www.digitalinformationworld.c…
• https://fas.org/publication/how-do-yo…
• https://fas.org/publication/taking-ou…
• https://ourworldindata.org/grapher/ye…
• https://www.theverge.com/2023/10/3/23…

不要回答！不要回答！不要回答！

Netflix 版「三體」終於上線了，你覺得與外星人接觸是安全的，還是冒險的？

其實啊，人類早就多次嘗試與外星文明接觸，三體中的「那個」技術，甚至也已經驗證成功了？到底誰能先與外星人取得聯繫？是中國還是美國？

接下來的討論可能會暴雷原版小說的設定，但應該不會暴雷 Netflix 版的劇情。

如果你也有一點想跟外星人接觸，那就來看看人類到底已經跟外星人搭訕到什麼程度了吧！

我們與外星文明接觸過了嗎？

對於是否要與外星文明接觸，每個人都有不同想法。三體小說作者劉慈欣在小說中提出一種觀點，那就是人類太弱小，最好避免與外星文明接觸，以免招致不必要的風險。

但是回到現實世界，如果我們真的身處在三體的世界的話，那人類可真的是不停作死啊。早在 1974 年，科學家就利用阿雷西博天文台，向武仙座的 M13 球狀星團發射了一條著名的訊息，也就是「阿雷西博訊息」。這個目標距離地球不算遠，星星又多，被認為是潛在的外星文明所在。阿雷西博訊息中，則包含人類的 DNA 結構、太陽與九大行星、人類的姿態等資訊。每次想到總覺得是新開的炸雞排在發傳單攬客。

除了無實體的電波訊息，人類還向太空中發送了實體的「信件」。1977 年，航海家探測器載著「航海家金唱片」進入太空。唱片中收錄了包含台語在內，55 種語言的問候語、大自然與鳥獸的聲音、115 張圖像、還用 14 顆銀河系內已知的脈衝星來標示出太陽系的位置。是一封向宇宙表達人類文明與友好意圖的信件。恩，如果接收到這個訊息的外星人不是很友善的話，那麼……。

好吧，就算現在說應該要謹慎考慮接觸外星文明的風險，或許已經來不及了。對方是善還是惡，怎麼定義善或惡，會不會突然對我們發動攻擊，我們也只能聽天由命了。

反過來說，過了這麼久，我們收到外星文明的來信了嗎？

要確定有沒有外星文明，接收訊號當然跟發送訊號同等重要甚至更重要。1960 年，天文學家法蘭克．德雷克，就曾通過奧茲瑪計畫，使用直徑 26 公尺的電波望遠鏡，觀察可能有外星文明的天苑四和天倉五兩個恆星系統，標誌著「尋找外星智慧計畫」（the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI）的誕生。可惜，累積了超過 150 小時的訊息，都沒有搜尋到可辨識的訊號。

比較近的則是 1995 年的鳳凰計畫，要研究來自太陽附近一千個恆星所發出的一千兩百到三千百萬赫的無線電波。由於有經費支持，SETI 每年可以花五百萬美元，掃描一千多個恆星，但是目前還沒有任何發現。

中間有一個小插曲是，1967 年 10 月，英國劍橋大學的研究生喬絲琳．貝爾發現無線電望遠鏡收到了一個非常規律的脈衝訊號，訊號周期約為 1.34 秒，每次脈衝持續時間 0.04 秒。因為有可能是來自外星文明的訊號，因此訊號被開玩笑地取為 Little Green Man 1（LGM-1 號）。但後來他們又發現了多個類似的脈衝信號，最後證實這些脈衝是來自高速自轉的中子星，而非某個文明正在傳遞訊息。

在中國也有探索外星生命的計畫，大家最關注的貴州天眼望遠鏡，直徑達五百公尺，是地球上最大的單一口徑電波望遠鏡。天眼望遠鏡在探索外星生命這件事，並不只是傳聞而已。2016 年 9 月天眼正式啟用後，也宣布加入 SETI 計畫。現在貴州天眼的六大任務之一，就包含探測星際通訊，希望能捕捉到來自其他星際文明的訊號。

而背負著地球最大單一口徑望遠鏡的名號，自然也引起不少關注。從 2016 年啟用到現在，就陸續出現不少檢測到可疑訊號的新聞。然而，這些訊號還需要經過檢驗，確定不是其他來自地面或地球附近的干擾源，或是我們過去難以發現的輻射源。可以確定的是，目前官方還未正式聲明找到外星文明訊號。

會不會是我們的通訊方法都選擇錯誤了？

即使電磁波用光速傳遞訊息，太陽系的直徑約 2 光年、銀河系直徑約 10 萬光年。或許我們的訊息還需要花很多時間才回得來，更別提那些被拋入太空的實體信件。航海家 1 號曾是世界上移動速度最快的人造物，現在仍以大約時速 6 萬公里的速度遠離地球，大約只有光速的一萬八千分之一倍。就算朝著最近的恆星——比鄰星飛去，最少也需要大約 7 萬 6 千年的時間才會到。

如果用電磁波傳遞訊息，又容易因為穿越星塵、行星、恆星等天體而被阻擋或吸收。不論是人類還是外星文明，都必須找到一個既快速，又不容易衰退的訊號，最好就是能以光速穿越任何障礙物的方式。

在三體小說中，就給出了一個關鍵方法：微中子通訊。

微中子通訊是什麼？

微中子（Neutrino），中國通常翻譯為中微子，是一種基本粒子。也就是說它是物質的最基本組成單位，無法被進一步分割。這種粒子引起了廣泛關注，因為它與其他物質的交互作用極弱，並且以極高的速度運動。微中子能夠輕易穿過大部分物質，通過時幾乎不受阻礙，因此難以檢測。

在宇宙中，微中子的數量僅次於光子，是宇宙中第二多的粒子。有多多呢？地球上面向太陽的方向，每平方公分的面積，大約是你的手指指尖，每秒鐘都會被大約 650 億個來自太陽的微中子穿過，就是這麼多。但是因為微中子與物質的反應真的是太弱了，例如在純水中，它們平均需要向前走 250 光年，才會與水產生一次交互作用，以至於我們幾乎不會發現它們的存在。

但是對物理學家來說，更特別的是微中子展示出三種不同的「味」（flavor），也就是三種樣貌，電子微中子，渺子微中子和濤微中子，分別對應到不同的物理特性。 在粒子物理學裏，有個「標準模型」來描述強力、弱力及電磁力這三種基本力，以及所有基本粒子。在這個標準模型中，微中子是不具備質量的。 然而，當科學家發現微中子竟然有三種味，而且能透過微中子振盪，在三種「味」之間相互轉換，證明了微中子必須具有質量，推翻了標準模型中預測微中子是無質量的假設，表示標準模型還不完備。

微中子在物理界是個非常有研究價值的對象，值得我們花上一整集來好好介紹，這邊就先點到為止。如果你對微中子或其他基本粒子很感興趣，歡迎在留言催促我們。

我們現在只要知道，微中子不僅推翻了標準模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有質量這件事情，更可能更新我們對宇宙的理解，以及增加對暗物質的了解。

但回到我們的問題，如果微中子幾乎不與其他粒子交互作用，我們要怎麼接收來自外星文明的微中子通訊呢？

要如何接收微中子？

Netflix 版《三體》預告片中，這個一閃而過，充滿金色圓球，帶有點宗教與科幻風格的大水缸，就是其中的關鍵。

這個小說中沒有特別提到，但相信觀眾中也有人一眼就看出來。這就是位在日本岐阜縣飛驒市，地表 1,000 公尺之下，由廢棄礦坑改建而成的大型微中子探測器「神岡探測器」。

探測器的主要結構是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的巨大圓柱形的容器。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管，用於捕捉微小的訊號。水缸中則需灌滿 5 萬噸的超純水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿過整座探測器時，微中子和水中的氫原子和氧原子發生交互作用，產生淡藍色的光芒。這與我們在核電系列中提到，核燃料池中會發出淡藍色光芒的原理一樣，是當粒子在水中超越介質光速時，產生類似音爆的「契忍可夫輻射」。

也就是說，科學家準備一個超大的水缸來與微中子產生反應，並且用超過一萬個光電倍增管，來捕捉微小的契忍可夫輻射訊號。

但這樣的設計十分值得，前面提到的微中子可以在三種「味」中互相轉換，就是在這個水槽中被證實的。

這座「神岡探測器」在建成後 40 幾年來，讓日本孕育出了 5 位的諾貝爾物理獎得主。

三體影集選在這邊拍攝，真的要說，選得好啊。

話說回來，有了微中子的捕捉方法之後，現實中還真的有人研究起了微中子通訊！

微中子通訊是怎麼做到的？

來自羅徹斯特大學與北卡羅來納州立大學的團隊，在 2012 年發表了一篇文章，說明它們已成功使用微中子，以接近光速的速度將訊息穿過 1 公里的距離，其中有 240 公尺是堅硬的岩石。訊息的內容是「Neutrino」，也就是微中子。

這套設備準備起來也不簡單，用來發射微中子的，是一部強大的粒子加速器 NuMI。質子在加速繞行一個周長 3.3 公里的軌道之後，與一個碳標靶相撞，發出高強度的微中子射束。

用來接收微中子的則是邊長約 1.7 公尺，長 5 公尺的六角柱探測器 MINERvA，一樣身處於地底 100 公尺的洞穴中。

當然，這兩套設備的重點都是拿來研究微中子特性，而不是為了通訊設計的。團隊只是趁著主要任務之間的空檔，花了兩小時驗證通訊的可能性。

但微中子那麼難測量，要怎麼拿來通訊呢？團隊換了一個思維，目標只要能傳出０跟１就好，而這裡的０就是沒有發射微中子，而１則是發出微中子，而且是一大堆微中子。多到即使每百億個微中子只有一個會被 MINERvA 偵測到，只要靠著數量暴力，探測器就一定能接收到微中子。最後的實驗結果，平均一秒可以傳 0.1 個位元的訊息，錯誤率 1%。

看起來效率並不實用，卻是一個好的開始。

因為微中子「幾乎能穿透所有物體」的特性，即便我們還沒有其他外星文明可以通訊，或許還是有其他作用。例如潛水艇的通訊、或是與礦坑深處的通訊。進一步說，他幾乎可以在地球上的任一兩點建立點對點的直線通訊，完全不用擔心中間的阻礙。而對於現在最夯的太空競賽來說，月球背面的通訊問題，微中子也可以完美解決。

那麼，在微中子的研究上，各國的進度如何了呢？

除了前面提到的超級神岡，世界上還有幾個有趣的微中子探測器，例如位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站（SNO），它有特殊的球體設計並且改為填充重水，專門用來觀測來自太陽的微中子。

而位於南極的冰立方微中子觀測站，則是將探測器直接埋在南極 1450 到 2450 公尺的冰層底下，將上方的冰層直接作為捕捉微中子的水。非常聰明的設計，這也讓冰立方成為地球上最大的微中子探測器。

除了已經在使用的這幾個探測器之外，美、中、日也即將打造更先進、更強大的探測器。

預計在美國打造的國際計畫——地下深處微中子實驗（Deep Underground Neutrino Experiment），預計成為世界上最大的低溫粒子偵測器。接收器位於南達科他州的地底一公里深處，用作研究的微中子訊號源則來自 1300 公里外的費米實驗室，百萬瓦等級的質子加速器，將產生有史以來最強的微中子束。這台地下深處微中子實驗（Deep Underground Neutrino Experiment）的縮寫非常有趣，就是 DUNE，沙丘。

中國呢，則預計在廣東的江門市，用 2 萬支 51 公分光電倍增管和 2 萬 5000 支 7.6 公分光電倍增管，在地底 700 公尺深處，打造巨大球形的微中子探測器－江門中微子實驗室，內部可以填充兩萬噸的純水。最新的消息是預計 2024 年就能啟用。

最後，經典的超級神岡探測器也不會就此原地踏步，日本預計打造更大的超巨型神岡探測器。容積將提升 5.2 倍、光電管從 11200 個變成 4 萬個，進一步研究微中子與反微中子之間的震盪。

結論

這些微中子探測器的研究目標必然是微中子本身的特性。但既然微中子通訊是有可能的，在任務之餘研究一下這個可能性，也不是說不行吧。

雖然我們現在還沒連繫上我們的好鄰居，但很難說明天就有哪個外星文明終於接收到我們對外宣傳的訊息，發出微中子通訊問候，甚至按圖索驥跑來地球。

至於那時我們應該怎麼辦呢？我們的網站上有幾篇文章，包括介紹黑暗森林法則，以及從《異星入境》看我們要如何與語言不通的外星文明溝通。有興趣的朋友，可以點擊資訊欄的連結觀看。在外星人降臨之前，也不妨參考我們的科學小物哦。

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延伸閱讀

參考資料

• 《3 體》| 正式預告 | Netflix  
• https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=40773
• https://pb.ps-taiwan.org/modules/news…
• https://www.digitimes.com.tw/col/arti…
• https://astrobiology.com/2016/10/nati…
• https://web.archive.org/web/201911180…
• https://pansci.asia/archives/80656
• https://arxiv.org/abs/1203.2847
• https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/150…
• https://pansci.asia/archives/149105
• https://www.dunescience.org/
• https://www.ourchinastory.com/zh/3608…
• https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/…

• 謝承安／ EASY 天文地科團隊成員，因喜愛動畫《戀愛中的小行星》開始研究小行星，現就讀臺大物理系。
• 林彥興／清大天文所碩士， EASY 天文地科團隊總編輯，努力在陰溝中仰望繁星。

• Take Home Message
  • 殘屑盤是恆星周遭的盤狀結構，由於北落師門殘屑盤離地球僅 25 光年，數十年來天文學家時常會藉由觀測它以了解殘屑盤的特性。
  • 去（2023）年韋伯望遠鏡的觀測結果與過去不同，顯示北落師門殘屑盤其實分成多個部分，更讓他們相信北落師門中有多個行星環繞。
  • 韋伯望遠鏡提供的影像還揭露許多來源未知的構造及現象，例如內側殘屑盤與內側裂縫等，都有待繼續探索。

北落師門（Fomalhaut）又稱南魚座 α 星，是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月，以美國亞利桑那大學（University of Arizona）天文學家加斯帕（András Gáspár）為首的研究團隊在《自然天文學》（Nature Astronomy）期刊上發表，他們藉由詹姆士．韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST，簡稱韋伯望遠鏡），在北落師門周圍殘屑盤（debris disk）中首次發現了「系外小行星帶」的存在。韋伯望遠鏡拍下美麗的照片，也瞬間席捲各大科學與科普媒體的版面（圖一）。

天文學家選擇北落師門作為目標並非偶然。半個世紀以來，北落師門一直是天文學家研究殘屑盤時的首選目標之一。韋伯望遠鏡的新影像為我們帶來什麼新發現？過去與現在的觀測方式又有什麼差異？本文將帶著大家一起回顧北落師門殘屑盤的觀測史。

行星相互碰撞後的殘屑盤

殘屑盤是環繞在恆星周遭，由顆粒大小不一的塵埃所組成的盤狀結構。如果讀者們聽過行星形成的故事，也知道行星是從恆星四周、由氣體與塵埃組成的「原行星盤」（protoplanetary disk）中誕生，那你或許會認為殘屑盤可能就是行星形成後剩下的塵埃。但實際上並非如此，在恆星形成初期的數百萬年間，原行星盤中的氣體和塵埃會被恆星吸積或是吸收恆星輻射的能量後蒸發，同時也會聚集成小型天體或行星，這些原因都會使原行星盤消散。而殘屑盤則是由盤面上的小行星等天體們互相碰撞後，產生的第二代塵埃組成（圖二）。

這些塵埃發光的機制主要有兩種。第一，塵埃本身可以散射來自母恆星的星光，從而讓天文學家能在可見光與近紅外波段看到它們。第二，塵埃在吸收來自恆星的星光之後，以熱輻射的形式將這些能量重新釋放。由於恆星的光強度與距離成平方反比，愈靠近恆星，塵埃的溫度就愈高，因此發出的輻射以近紅外線為主；反之，愈是遠離恆星，塵埃的溫度就愈低，發出的光就以中遠紅外線為主。

觀測目標：北落師門

北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時，美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的紅外線天文衛星（Infrared Astronomical Satellite, IRAS）發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高，代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年，這項發現引起眾多天文學家的關注，並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡，希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中，哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope, HST，簡稱哈伯望遠鏡）、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA）與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度，因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。

● 哈伯的觀測

2008 年， NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果（圖三），讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀（coronagraph）在 600 奈米（nm）的可見光波段下拍攝，中間的白點代表北落師門的位置，而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤，放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外，天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行，並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星，於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中，天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散，到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃，而非真正的行星。

● ALMA 的觀測

ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相，他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構，且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到，殘屑盤中的塵埃溫度愈低，放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米（mm）波段觀測到的影像，主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。

● 韋伯望遠鏡的觀測

最後則要來看去年韋伯望遠鏡所使用中紅外線儀（mid-infrared instrument, MIRI）拍攝的影像（圖五）。與之前的觀測不同，這次的影像顯示北落師門的殘屑盤其實分成幾個部分：

首先，哈伯望遠鏡與 ALMA 之前就已觀測到的塵埃環，它的半徑約 136～150 天文單位（AU）、寬約 20～25 AU，而溫度則落在約 50～60 K，與太陽系的古柏帶（Kuiper belt）十分相似，因此被稱為「類古柏帶環」（KBA ring）。雖然在觀測上的溫度相似，但其實此塵埃環與北落師門的距離是古柏帶到太陽的四倍；不過北落師門光度約為太陽的 16 倍，根據前述提及的平方反比關係，才導致兩者的溫度相近。此外，在更外層名為「暈」（halo）的黯淡結構則對應古柏帶外圍天體密度較低的區域。

再來，韋伯望遠鏡還發現了更多未解的謎團：內側殘屑盤（inner disk）與中間環（intermediate ring）。其實早在本次韋伯望遠鏡的觀測之前，天文學家就已經從北落師門的光譜推測，北落師門的殘屑盤中除了存在前面提過的類古柏帶環之外，應該還有另一批更靠近恆星、溫度更高的塵埃，溫度與大小對應太陽系中的環狀小行星帶。但當韋伯望遠鏡實際觀測後，卻發現與太陽系的環狀小行星帶相比，北落師門有著相當瀰散的內側殘屑盤。為什麼會有這樣的不同呢？目前天文學家也不清楚，仍待進一步研究。

最後，在類古柏帶環與內側殘屑盤之間，還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」，在太陽系中則沒有對應的結構，這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。

此外，雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星，但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初，殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生，經過不斷地碰撞合併，其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論，在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星，它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃，從而產生「內側裂縫」（inner gap）的結構。

另一方面，天文學家也藉由數值模擬發現，如果僅考慮來自北落師門的重力影響，類古柏帶環應該要比觀測到的更寬才對。因此他們推測，很可能在類古柏帶環內外兩側有兩顆行星，像控制羊群的牧羊犬一樣以自身的重力限制塵埃移動，才產生了這麼細的塵埃環。

● 更多的殘屑盤觀測

北落師門雖然是一顆年齡僅4.4億年的年輕恆星，卻已經是一個擁有殘屑盤、形成行星的成熟恆星系統。而來自韋伯望遠鏡的最新觀測結果，無疑讓天文學家更深入地認識殘屑盤中複雜的結構，也更令他們相信北落師門系統中有多個行星環繞。

不過，北落師門系統仍舊有許多未解之謎。例如為什麼太陽系有著環狀的小行星帶，北落師門卻是瀰散的內側殘屑盤？在無數的恆星中，究竟是太陽系還是北落師門的殘屑盤構造比較常見？殘屑盤中是否有行星存在？如果有，在北落師門的演化歷史中又扮演著怎樣的角色呢？這些問題都有待更多的觀測與理論模擬來解答。

在北落師門之後，觀測團隊預計將韋伯望遠鏡指向天琴座的織女星（α Lyr, Vega），以及位於波江座的天苑四（ε Eri），兩者都是離地球非常近且擁有殘屑盤的恆星。其中織女星的溫度與質量比北落師門更大，而天苑四的質量與溫度雖然比太陽小，卻有強烈的磁場活動。藉由觀測不同系統中殘屑盤的性質差異，並與太陽系進行對比，不僅能更加認識殘屑盤的起源、與行星的交互作用，更能理解我們自己的恆星系中，數百萬顆的太陽系小天體從何而來。

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• 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
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延伸閱讀

1. Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
2. MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
3. Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.