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18世紀的金星變形秀:行星凌日與黑滴效應

全國大學天文社聯盟
・2022/06/28 ・3216字 ・閱讀時間約 6 分鐘

1761 年 6 月 6 日,歐洲的天文學家們乘船抵達世界各地的天文台,爭相用最先進的儀器紀錄一個罕見的天文現象──金星凌日, 因為此天文現象可以幫助人們精確測算地球與太陽的距離。在英法七年戰爭的氛圍下,兩國的天文學家尤其較勁,都想要第一個量出日地距離,為天文學史畫下濃墨重彩的一筆。然而當大家拭目以待地望向剛與太陽重疊的金星時,卻都露出了驚訝的表情──金星變形了!

說到金星凌日,大家最有印象的或許是 2012 年的一次金星凌日,從天文學家到各個職業的人們都拿著減光濾鏡共襄盛舉,畢竟下一次的金星凌日要到 2117 年才會再發生。然而在過去,金星凌日並不只是歡樂的娛樂事件,也是非常嚴肅的科學事件。

在十八世紀時,多數天文學家都接受哥白尼的日心說,而克卜勒提出的行星運動三大定律,則可以推導出各行星軌道半徑與地球軌道半徑之間的相對長度,然而最大的問題是當時的人們並不知道地球軌道半徑(地球到太陽的平均距離)的絕對長度。為了解決這個問題,英國天文學家愛德蒙.哈雷於 1716 年提出了使用金星凌日來測量日地距離的方法。如圖一所示,金星凌日的軌跡長短與在地球上的何處觀測有關,在軌跡較長處金星凌日的時間較長,反之則較短,這是因為在地球上不同處觀測金星的視角不同造成的。

假設我們在地球上的 A 與 B 兩處量測金星凌日的時間,我們可以量出兩地觀測金星時的視角差,在知道 A 與 B 間距的前提下,我們可以用視差法量出地球到金星在金星凌日發生時的距離(見圖二)。最後根據克卜勒第三行星運動定律─行星公轉太陽週期平方與行星到太陽的平均距離立方成反比─可以得出金星到太陽的距離約為地球到太陽距離的 0.7 倍,我們也可以得知地球與金星在金星凌日時的距離是地球到太陽距離的0.3倍,由此可以推導出太陽與地球的距離。



圖一(左):金星凌日軌跡。圖二(右):視差法算金星與地球距離。

此方法在當時極大鼓舞了天文學家的士氣,大家都摩拳擦掌的為 1761 年的金星凌日作出準備,共一百多名天文學家乘船至世界各地以測量不同地方金星凌日的時長,其中較為著名的有英國派出的庫克船長於大溪地觀測金星凌日,以及荷蘭則派出的 Johan Maurits Moh 到歷史課本中提過的荷蘭東印度公司巴達維雅總部進行觀測(圖三)。

然而正當金星與太陽重疊時,大家卻不知道何時該按下碼表記錄金星凌日開始的時間,因為金星變形了。圖四是最早關於金星變形的紀錄,在金星靠近太陽的邊緣時金星的旁邊會出現黑色的陰影與太陽邊緣相連接,而這樣的陰影狀似水滴,因此這個現象也被稱作「黑滴現象」

圖三(左):巴達維雅總部,Johan Maurits Mohr 的私人天文台。
圖四(右):於1761年被Torbern Bergman 記錄之黑滴現象。

當時的天文學家們為黑滴現象提出了各種不同的解釋,有些天文學家認為黑色的陰影是金星大氣對太陽光的散射與折射造成的錯覺,也有人認為這是地球大氣擾動造成的現象,還有人認為是太陽光通過金星時繞射所造成的陰影。

前面兩種解釋在 1999 年 NASA 的 TRACE 太空望遠鏡對水星凌日的觀測後被否定,因為太空中沒有地球大氣干擾,水星上則沒有大氣可以散射或折射太陽的光線,而觀測的照片中卻仍出現黑滴效應(圖五)。光的繞射所能造成的影響則不足以產生黑滴現象(繞射影響在約 10^{-9} 角秒,可忽略[1])。

圖五:1999年水星凌日,攝於 NASA’s Transition Region and Explorer (TRACE) 太空船(Schneider, Pasachoff, and Golub/LMSAL and SAO/NASA)

關於黑滴現象的成因一直到 2004 年才得到令人信服的解釋,天文學家 Glenn Schneider 認為黑滴現象是由望遠鏡的點擴散函數(Point Spread Function, PSF)以及太陽的周邊減光造成的 [2]

為了簡單瞭解他所提出的概念,大家可以將大拇指與食指放在一光源之前漸漸靠近(直視強光源會傷害眼睛,請注意光源強度不可以太強),在兩指快要靠在一起時,可以看見兩指中間突然浮現出一段陰暗的橋將兩指相連(如圖六)。

這是因為非點光源會在兩指的邊緣製造出模糊的陰影,而人眼對模糊的陰影並不敏感,因此直到兩指特別靠近時,兩指的陰影重疊導致陰影變明顯才看得出來。圖七與圖八中的兩塊陰影可以幫助大家更好地破除這個錯覺,圖七單純顯示兩塊模糊的陰影,而圖八將陰影的等暗度線畫出來。比較兩圖我們可以發現雖然圖七中兩塊陰影像是連接在一起,然而實際上圖八卻顯示兩陰影並沒有連接在一起 [3]

圖六(左):大拇指與食指之間的暗橋。圖七(中):兩個模糊陰影 [3]。圖八(右):同中間圖,但是增加了等暗度線 [3]

金星凌日所產生的黑滴效應也是透過類似的方式產生的,不過金星模糊陰影與太陽邊緣模糊的成因不同。金星陰影在望遠鏡的觀測中,會因為望遠鏡的點擴散函數而在成像時顯得模糊。望遠鏡的點擴散函數,指的是一望遠鏡在觀測點光源時成像的樣子,不同望遠鏡的點擴散函數有所不同,但通常口徑小做工差的望遠鏡會有較大之點擴散函數,點光源被模糊化的程度也越高,看的也就越不清晰。

回到金星的陰影,當古代人們用做工差且口徑較小的望遠鏡觀測金星時,其陰影非常模糊、黑滴現象較現在的望遠鏡明顯的多,這也是為什麼各地回報黑滴現象的次數隨著望遠鏡的進步逐漸地減少 [4]

太陽邊緣的模糊則主要是因為太陽是一團沒有銳利邊緣的發光電漿。如圖九所示,假設每單位體積電漿能發出的光相同,我們可以看到往太陽邊緣的線上通過的電漿比往太陽中心的線上通過的電漿要少,這也代表著往太陽中心看去的光線較亮,而越往太陽邊緣看去亮度會逐漸減少。圖十是一個比較誇張的示意圖,圖中一模糊的黑影為金星,一模糊的白色邊緣則代表太陽邊緣,即便兩者的邊緣沒有接觸,我們仍能看到金星的邊緣伸出了黑影,與太陽邊緣相連接,這便是黑滴現象的由來。

圖九(左):太陽周邊減光成因示意圖。圖十(右):黑滴現象示意圖。

回到日地距離的問題上,難道在這兩百多年的時間中沒有其他方式能量測金星與地球的距離嗎?實際上在雷達與遙測技術的加持下,人們早在 1964 年就能夠以高精度量測地球到金星間的距離了,因此如今的日地距離測量早已與金星凌日無關。

不過黑滴現象這一歷史悠久的問題,仍在一代一代天文學家的不懈努力下被解決了;時至今日,我們仍面臨著宇宙的諸多未知,而我由衷的期待這些現在看似無解的問題,能在未來的某一天被解決,無論花上幾十年、幾百年的時間。

參考資料:

  1. The Transit of Venus and the Notorious Black Drop, Schaefer, B. E. (2000) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000AAS…197.0103S/abstract
  2. TRACE observations of the 15 November 1999 transit of Mercury and the Black Drop effect: considerations for the 2004 transit of Venus, Glenn Schneider (2004) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103503003841?via%3Dihub
  3. Stackexchange, Why do shadows from the sun join each other when near enough? (2014) https://physics.stackexchange.com/questions/94235/why-do-shadows-from-the-sun-join-each-other-when-near-enough
  4. The black-drop effect explained, Jay M. Pasachof (2005) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2005tvnv.conf..242P/abstract
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誰在海邊蓋天文台啊(惱)──世界第一座電波干涉儀
全國大學天文社聯盟
・2022/04/15 ・4114字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 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)。

圖一:事件視界望遠鏡拍攝之 M87 星系中心的超大質量黑洞。圖/EHT
圖二:事件視界望遠鏡。圖/NRAO

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。

圖三:在澳洲 Dover Heights 岸邊的電波干涉儀。圖/CSIRO

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。

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。圖/envato elements

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。

圖四(左)、圖五(右):雙狹縫干涉示意圖。

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。

圖六(左)、圖七(右):海岸干涉儀示意圖。

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。

在美國新墨西哥州的無線電干涉儀:甚大天線陣Very Large Array。圖/Hajor, CC BY-SA 3.0

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。

圖八:由甚大天線陣列(VLA)拍攝之天鵝座A電波星系的電波影像。圖/Mhardcastle, VLA data
圖九:由歐洲南方天文台拍攝之人馬座 A 電波星系,結合可見光與電波的影像。圖/ESO

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 SunNature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspotsProceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(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.
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蒼藍一粟:航海家 1 號的特別任務
科學月刊_96
・2020/03/25 ・3013字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 491 ・五年級
  • 文/金升光,任職於中央研究院天文及天文物理研究所、國際天文聯合會會員。

「再仔細看一眼那小點吧。那是這兒。那是家。那是我們。
Look again at that dot. That’s here. That’s home. That’s us.

-卡爾.薩根 (Carl Sagan)

翻開相簿,往往能找到幾張自己和親朋好友或家人們的合照,化剎那為永恆。

1990 年 2 月 14 日,航海家 1 號太空船 (Voyager 1) 在距離地球約 60 億公里遠處,為太陽系家族拍下了第一張全家福,迄今剛好 30 年。

而這組太陽與行星的大合照是由 60 幅影像拼接而成,地球的大小在照片中只是未滿一個畫素、不起眼的小點,幾乎淹沒在太陽強光於相機內產生的雜散光之中。

航海家 1 號所拍到的太陽系行星,第一行從左到右分別是金星、地球、木星,第二行從左到右分別是土星、天王星、海王星。圖/NASA

大力推動這次特別任務的美國天文學家薩根稱之為「Pale blue dot」,意思是暗淡藍點、蒼藍小點或淡藍色的小圓點。

現今提到自拍,就是使用左右手、自拍棒、三腳架或高檔的遙控空拍機。而太陽系全家福,只要透過 1977 年發射的最先進太空船,讓相機瞄準適當的角度,按下快門就可以了嗎?每位攝影家總是有自己獨特的眼光;不過,讓我們先從外太空的角度,稍微深入了解一下這次任務。

目標

航海家 1 號的兩大主要目標是木星 (1979 年) 和土星 (1980 年)。太空船上共搭載 11 組的科學儀器,其中的影像科學系統 (Imaging Science System, ISS) 包括兩台相機。窄角相機焦比 F/8.5,焦長約 1500 毫米 (mm),水平與垂直方向的視角略大於 0.4 度;廣角相機 F/3.5,焦長約 200 毫米,兩方向視角都接近 3.2 度。

換句話說,窄角相機可以一次拍下大部分的滿月(視直徑約 0.5 度),解析度高;廣角相機視野內則可填滿 6 × 6 共 36 個滿月,但解析度較低。

月亮:我等著你來拍我呢(開玩笑的)。圖/GIPHY

相機的焦平面上使用的自然不是傳統底片,也不是現代常見的固態電子元件1,而是承襲自先前水手號計畫 (Mariner Program) 改良後的光導攝像管 (vidicon tube),比較類似早年的陰極射線管。水平與垂直方向各有 800 條掃描線,相當於 800×800 或 64 萬畫素的相機。

拍攝後的影像經過 8 位元的類比數位轉換後可存入磁帶或直接回傳地球。兩台相機都配備了 8 組濾鏡,最後太空船回傳了 39 幅低解析度的單色影像,另外 21 幅高解析度影像分別使用三組濾鏡瞄準行星,合成後可以產生彩色影像。

透過簡單的星空模擬軟體或精確的星曆計算程式,不難重現當年行星排列的概況。

首先,冥王星太暗不在拍攝計畫內、水星太靠近太陽,而火星幾乎背對著鏡頭,在太陽的強光中無法辨識。金星和地球「恰好」在最適合觀測的位置附近,也就是說,行星-太空船(觀測者)-太陽三者所夾的角度接近最大值,受太陽光的影響最小;同時,行星本身不發光,相對於太陽和觀測者的相位如同月亮的圓缺,不同方位看起來也呈現不同的亮度,必須一併考慮。

拍攝計畫考慮了非常多的因素呢!圖/GIPHY

當年航海家 1 號放棄造訪冥王星的機會,在完成了土星環和土衛六(泰坦)的觀測任務之後,以約 35 度的角度遠離行星繞太陽公轉的平面。60 億公里約相當於地球和太陽平均距離的 40 倍,也就是 40 天文單位 (au)。

換個角度來說,這時從太空船觀測地球和太陽之間的夾角,最大不會超過 1/40 弧度,約等於 1.4 度;而相機看到的太陽依然比地球上看到的天狼星亮 800 萬倍,相差超過 17 個星等。

星點

每 5 星等,亮度相差 100 倍。天狼星是地球夜空中最亮的恆星,視星等約 -1.5 等。

然而,反射陽光的行星有時候看起來比天狼星更亮,這和行星的距離、大小、相對相位、大氣和表面組成都有關係。

地球上看金星最亮時約 -5 等,如果有機會從金星軌道看地球應該比從地球上觀測火星大接近更壯觀。粗略估計,人們可以說地球型的行星亮度大約和太陽相差 10 星等以上,因為直徑就相差兩個數量級;木星直徑約地球的 10 倍大,反射面積增加 100 倍,相當於 5 星等,相對的也比較容易觀測。

土星外觀。圖/GustavoAckles@Pixabay

經過多年努力,面對不同意見、疑慮和實務上的困難,其實薩根也承認,即使從土星軌道看,地球和幾顆較小的行星仍然只會是照片中的一個星點,不會有太多的科學內涵;但另一方面,這是人類第一次有機會從如此遙遠的太空回頭認識自己的世界。

這也是影像科學系統的最後一組照片:為保留太空船電力等資源進行星際空間研究,ISS 在完成任務後隨即關閉。

從太陽系行星的邊陲地帶以光速行進 5 個多小時才到達地球,而照片在 3 月到 5 月間陸續回傳分析。 NASA 在美東時間 6 月 6 日召開記者會,正式公布這次觀測的結果。

記者會上,同時擁有普立茲獎桂冠的薩根指著照片中的微弱光點,向眾人介紹:這就是我們生活的地方,在一個藍色的小點上。

蒼藍

在 1968 年耶誕節前夕,首度脫離地球引力進入月球軌道的阿波羅 8 號的 3 位太空人,正執行繞月飛行任務為將來的登月做準備。

窗外單調的月球表面和坑洞、漆黑的夜空和繁星,彷彿進入幾乎黑白的世界。當地平線上忽然出現一顆藍色的行星冉冉上升,美麗的景象立即吸引 3 人的目光,放下手邊的工作按下快門,這意外的「地球初升」或「地出 (Earthrise)」也成為史上傳頌最廣的照片之一。

這就是當年拍下的「地出 (Earthrise)」照片。圖/Wikipedia

如果把鏡頭拉遠到航海家的軌道或更遠,加上若干比例的雲層反射就成了「蒼藍」。但是,同樣反射陽光的其他太陽系天體為什麼呈現不同的顏色?地球很特別嗎?未來人工智慧程式能夠從萬千個遙遠世界中分辨出具有獨特生命力的光點嗎?

1990 年代初期,太陽系仍是宇宙中所僅知的行星系統。2019 年諾貝爾物理獎頒給了宇宙學理論和類太陽恆星旁系外行星的新發現,是因為他們改變人類對於宇宙演化和地球在宇宙中地位的理解與認知2。近 30 年來,已有數千顆系外行星被發現,然而,能夠偵測到行星大氣吸收譜線或反射光譜的目標仍屬鳳毛麟角。

透過未來更大口徑的望遠鏡和特殊技術,佐以行星物理、大氣化學等分析,科學家有可能分辨出類似地球表面植被和大氣循環特徵等生命存在的可能信號,這正是目前天文生物學 (astrobiology) 熱門的研究主題之一。

也許有一天,比 AlphaGo 更先進的程式會突然暫緩執行中的枯燥任務,轉頭拍下傳世的照片?也許,另個程式能看透來自遙遠宇宙的蒼藍微光,如薩根寫下他對這微光背後人文歷史的關懷?

歷史其實有些弔詭。就在航海家 1 號相機完成終極任務之前不久,1989 年 11 月 9 日,柏林圍牆倒下了;30 年後的今天,人們透過新的科技又豎立起各種有形無形的高牆。持續破紀錄的氣象數字、災難成為常態、環境汙染進入生態循環,大自然並不在乎這些人為的疆界。

就在獅子座編號 HD 100655 的 6 等巨星旁有顆行星叫做「水沙連 (Sazum)」;或許附近軌道上還有一個暗淡藍點,上面有群外星天文學家正在研究著超級先進望遠鏡在寶瓶座方向拍到,一顆 10 等暗星——我們的太陽旁邊的奇異光點。

那是這兒。那是家。那是我們。同一個地球,同一片天空。

註解

  1. 詳請參閱《科學月刊》2009 年 12 月諾貝爾物理獎報導—〈奠定現代網路生活的發明〉。
  2. 詳請參閱《科學月刊》2019 年 12 月號諾貝爾物理獎報導—〈宇宙學〉與〈系外行星〉。

延伸閱讀

  1. 國際天文聯合會 (International Astronomical Union, IAU) 100周年
  2. Solar System Portrait – View of the Sun, Earth and Venus, NASA
  3. Krissansen-Totton, J. et al., Is the Pale Blue Dot Unique? Optimized Photometric Bands for Identifying Earth-like Exoplanets, Astrophysical Journal, Vol. 817: 31, 2016.

〈本文選自《科學月刊》2020 年 3 月號〉

在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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龍,彩虹與性別——不只中國和歐洲,還有其他好幾種龍?
寒波_96
・2022/03/01 ・3840字 ・閱讀時間約 8 分鐘

語言學家白樂思(Robert Blust)對南島語的研究最為出名,也是文化演化的專家。直到 2022 年以 81 歲去世前,他仍持續發表論文,討論彩虹禁忌等議題。白樂思長期對「龍」有興趣,好奇這種想像動物的起源;而 2019 年發表的論文中,白老意識流走得更遠,探討龍為什麼有雙性。

大家都知道中國龍、歐洲龍,別的地方竟然也有龍?而且多個文化中,同一條龍還兼具兩個性別?來看看白老先生已臻化境的思緒。

電影《馴龍高手》系列中的龍,有明顯的性別之分。圖/BBC

中國、歐洲以外,世界其他的龍

說到龍,我們一般想的是中國龍和歐洲龍,它們彼此間有差異,仍都被視為龍。條列龍的各項特徵,再檢視其他地方的文化,根據白樂思的整理,全世界至少有 7 個地方存在類似龍的想像動物。中國、歐洲以外,還有中東、印度、中美洲、北美洲、澳洲。 

歐洲的 dragon 不是龍,中國的龍不是 dragon,但是無礙皆視之為相似的 dragon/龍。這樣可以接受的話,其他地方的「龍」多數通常被稱為蛇(serpent),它們有許多特徵和中國與歐洲的龍類似。 

例如中美洲的「羽蛇(plumed serpent)」、北美洲的「角蛇(horned serpent)」、澳洲的「彩虹蛇(rainbow serpent)」,都可以視為不同版本的龍。

不同文化各自對龍的描述變化多端,不過各款龍之間也有許多共通特色,其中一項是「一條龍兼具兩性(bisexual)」,白樂思認為值得深究。

北美洲的角蛇(horned serpent)。圖/deviantart

一條龍同時兼具兩個性別?

龍有性別嗎?我們對龍的印象,特別是歐洲(惡)龍,可能比較接近猥瑣大叔。然而,歐洲的煉金術脈絡中,確實會將龍想像為兩性兼具。儘管這項認知相當小眾。 

白樂思還指出,中國古代的道家脈絡,也將龍視為陰陽兩性的合體。例如《莊子》記載:

「孔子曰:『吾乃今於是乎見龍!龍,合而成體,散而成章,乘雲氣而養乎陰陽。予口張而不能嗋,予又何規老聃哉?』」 。

同一條龍兼具兩性的想像,在中國和歐洲皆不普及,但是確實存在。兩地有互相影響的可能性,白樂思卻指出,文化獨立發展的中美洲、澳洲,也就是中美洲馬雅人的伊察姆納(Itzam Na),以及澳洲的彩虹蛇,也觀察到同一條龍又女又男的現象。 

澳洲的彩虹蛇(rainbow serpent)。圖/kullillaart

歸納可知,世界各地普遍存在的「龍/蛇」不見得有性別,不過在中國、歐洲、中美洲、澳洲 4 個獨立文化的特定脈絡下,存在兩性兼具狀態的龍。神秘的是,龍是想像出的動物,為什麼缺乏直接交流的不同人群,想像的龍卻有類似特色呢?

龍與虹

白樂思認為關鍵在於「彩虹」。簡單說:想像的龍,起源自真實的彩虹;而彩虹有互補的兩性,腦補衍伸的龍也跟著具有雙性。 

不同版本的龍/蛇,有一群共通特徵, 例如會飛行、守護泉水或其他水體、在晴雨之際現蹤、色彩豐富、驚嚇年輕女生、在瀑布附近出沒等等。 

白樂思列出 27 項特徵,每款龍跟另一款龍總是會重複好幾項。很多特徵都和彩虹有關,種種跡象令白樂思推論,龍的原型源於彩虹。 

白樂思整理世界各地不同龍/蛇,27 項特徵的有無 (+ 記表示具有此特徵)。包含歐洲 (1)、古代東歐西亞 (2)、印度 (3)、東亞 (4)、中美 (5)、北美 (6),不過沒有包括澳洲的彩虹蛇。圖/參考資料 1

彩虹是自然現象,來自太陽光穿過空氣中水珠,折射後的分光。彩虹幾乎只會在兩個情境出現,晴雨交錯之際、水體附近(牛頓的實驗室……不對!)。 

古人缺乏現代的科學知識,與自然的接觸機會卻遠超過我們。彩虹不會在大太陽或大雨時現蹤,只會在陰晴拉鋸時現形,卻又轉瞬即逝。他們會如何解釋彩虹? 

可能是這樣:

「水(雨) 與火(太陽)爭奪天空的主權,閃電霹靂、雷聲隆隆,那個雲啊~那個霧啊~激烈的鬥爭以後,斑斕的長蛇回到水邊的巢穴,等待下一次出動。」 

假如龍源自彩虹,那麼不意外地,龍幾乎都與天氣掛鉤,還時常出沒於水邊。但是也有例外,像是大家最熟悉的歐洲龍,通常與氣候脫鉤,不過仍時常擔任守護者,以及驚嚇女生的猥瑣大叔。 

白樂思認為各款式的龍,澳洲的彩虹蛇或許最接近原始樣貌,而歐洲龍深受基督教化,有些面貌已經不同。

十分有趣的是,基督教文化中將彩虹與龍徹底拆開,彩虹和美善掛鉤,龍(與蛇)則是負面的醜惡形象。其他文化中,龍有時候是正面形象,如中國龍;許多傳統文化則視彩虹為負面,或又敬又畏。

電影《哈比人:荒谷惡龍》中的惡龍史矛革,呈現歐洲龍的典型形象。圖/pabloolivera

不過中國龍也包括不同版本,像是成為皇帝象徵的龍,和彩虹完全失去聯繫,與基督教歐洲龍類似。

但是中國民間傳統的龍仍與彩虹有關,例如羅錦堂貢獻的口述資料指出:甘肅的蘭州人,傳統認為彩虹是一條水龍,從海洋喝水,噴出雨水。這較為接近澳洲彩虹蛇的概念。 

彩虹有兩道,龍有雙性

為什麼一條龍兼具兩性?白樂思認為是由於龍的模板:彩虹,本來就有光譜上互補的兩道。英文稱為 primary rainbow 和 secondary rainbow,中文叫作「虹」與「霓」。 

人類時常將自然現象性別化,例如古早中國人的描述中,組成一對的「虹」是男生、「霓」是女生。 除此之外,將虹、霓性別化,或是和性別掛鉤的文化,也能在世界各地觀察到,如帛琉、墨西哥、巴拿馬、奈及利亞等地。

彩虹以外,許多語言的不同名詞,都存在不同的性別態(例如法語有陰性、陽性)。太陽、月亮的性別化比較普遍,星星、彩虹則比較少。這方面非常多變,反映出人類文化的豐富。 

白樂思主張,想像的龍,起源於真實的彩虹。而互補的內外兩道彩虹,常被賦予擬生物化的兩性,那麼人們在腦補時,有時候也將性別賦予龍,便是合理的發展。這就是「為什麼同一條龍兼有兩個性別?」的解答。 

龍的超能力,來自人類想像力

白樂思對龍的想法正確嗎?這套思路認真想來,能發現一些漏洞(像是從彩虹兩性,到龍雙性的連結),不過不論是否正確,都很有啓發性。

依照白樂思的觀點,龍和彩虹禁忌(rainbow taboo)類似,都是人類心靈對自然環境的反應,衍生而成的文化。龍又比彩虹禁忌複雜得多。

如果白樂思的腦補意識流有走對方向,我的理解是,彩虹是很基礎的人類共通意識,可以算是各款龍的原型。接著在各種文化中,各地的龍被加上不同元素,如鱷魚、水蛇等等,發展出不同的樣貌。

彩虹沒有直接變成龍,龍是人類想像的產物,龍有多少超能力,都來自人類的想像力。

白樂思 2021 年 8 月 17 日的講話,我們懷念他:

延伸閱讀

參考資料

  1. Blust, R. (2019). Why Dragons Are Bisexual. Anthropos, 114(1), 169-180.
  2. 光象—虹、霓、暈、華

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。