克卜勒衛星捕捉到眾多多重行星系統

本文由 美國穀物協會 委託，泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎？

2007 年，從台北的八座加油站開始，民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3，指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示，則代表不同濃度，最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10，巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

為什麼要加酒精呢？

單論玉米乙醇來說，碳排放趨近於零。為什麼呢？因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟，接著被採收，發酵成為玉米乙醇，最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環，淨排放都是 0，是個零碳的好燃料來源。

當然，我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此，美國農業部經過評估分析，2017 發表的報告指出，玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF（永續航空燃料）前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%，而根據國際民用航空組織（ICAO）的預測，這個數字還會成長，2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF，開始成為航空業減碳的關鍵，及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續，都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高，以食用油為原料進行氫化的 HEFA，以及酒精航空燃料 ATJ（alcohol-to-jet）。

每種燃料的原料都不相同，因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料，因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油，再進行「氫化」。

就引擎來說，我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵，以氫原子佔據這些鍵結，讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高，不易氧化，適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯，接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵，成為長鏈烷烴，性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化，但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外，HEFA 取用的油品來源來自餐廳，雖然是幫助廢油循環使用的好方法，但供應多少比較不穩定。相對的，因為 ATJ 來源是玉米等穀物，通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產，因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF，都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息，例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100％ 的 SAF 燃料完成飛行，締下創舉。

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析，在所有交通工具的碳排放中，航空業佔了其中的 12%，而公路交通則占了 77%。沒錯，航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%，但真正最大宗的碳排來源，還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢？有人擔心，酒精可能會吸收空氣中的水氣，對機械設備造成影響？

其實也不用那麼擔心，畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅，來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說，酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑，當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查，結果發現，由於 E10 汽油摻雜的比例非常低，和傳統汽油的化學性質差異非常小，這 50 年來的車輛，只要符合國際標準製造，都與 E10 汽油完全相容。

解惑：這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎？

在環保議題裡，這種原本以為是一片好心，最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範，例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明，生質乙醇等生物燃料確實有持續性，但必須符合「永續」的標準，並且因為使用的原料是穀物，因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是，隨著目標變明確，專門生產生質酒精的玉米需求增加，這也帶動品種的改良。在美國，玉米產量連年提高，種植總面積卻緩步下降，避開了與糧爭地的問題。

另外，單位面積產量增加，也進一步降低收穫與運輸的複雜度，總碳排量也觀察到下降的趨勢，讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭，低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外，生質燃料車，是否也是個值得加碼投資的方向？

參考資料

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

浩瀚宇宙中，地球是唯一具有生命的星球嗎？會不會在銀河系內的某顆星球上，也有個高度文明在凝視著我們？望著繁星點點的夜空，總不免會興起這樣的念頭吧？然而我們看到的星星，除了幾顆是系內行星與人造衛星之外，其實都是像太陽這樣的恆星，上面本來就不可能有生命。要尋找外星生命，我們得把目標放在繞著恆星轉的行星。

問題是，行星本身不會發亮，我們如何看見太陽系外的行星？

的確，即使行星會反光，若非過於微弱，就是被恆星的光遮蔽。因此長久以來，天文學家普遍相信我們不可能發現系外行星。但是1995年，瑞士日內瓦大學的梅爾（Michel Mayor）與奎羅茲（Didier Queloz）卻宣稱在51光年外的飛馬座51恆星發現一顆行星。這是怎麼做到的？

原來行星繞著恆星公轉時，恆星會因行星的重力作用拉扯而產生輕微擺動，影響恆星朝向地球與遠離地球時的速度，而產生不同的光譜偏移。從偏移程度可以推知恆星相對於地球的運動速度，如果速度呈現週期性變化，就表示有行星存在，而且還能推算出行星的質量大小。

不過這個方法除了質量，對行星仍一無所知。不過，1999年11月5日，美國加州大學柏克萊分校在飛馬座中距離地球約150光年處，發現一顆繞行恆星HD 209458的行星，除了知道它的質量是木星的0.7倍（相當於地球的220倍），還知道體積是木星的2.5倍、大氣成分含有氧和碳。

這顆編號為HD 209458b，別名「歐西里斯」（Osiris）的行星是首度以「凌日法」觀測到系外行星。凌日法的原理是：行星軌道若介於母恆星與地球之間，當它橫過恆星表面時會擋住一小部分的光，我們就可以根據恆星發光的減少程度推算行星的體積。而且恆星的光穿過行星的大氣層時，會被其中所含的元素吸收特定頻率的光，而改變光譜，因此可以得知行星的大氣成分。

歐西里斯的發現是尋找系外行星的重要里程碑，因為知道大氣組成有助於更有效率地發現適合居住的星球。至2014年為止已經發現了約一千顆系外行星，而在質量略大於地球的「超級地球」中，擁有大氣層與一定溫度以上的系外行星更被視為尋找外星生命的優先對象，就讓我們拭目以待吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

美國航太總署（NASA）所屬的克卜勒衛星（Kepler）以凌日法搜尋系外行星的方式成果卓越，不僅在任務開始的頭4個月就發現1200多顆疑似系外行星的資料，而且其中的408筆資料是在多重行星系統中，也就是說，這個系外行星系統很可能包含了2個以上的系外行星，而這些多重行星系統有很多都與我們太陽系迥異。

克卜勒衛星是利用行星行經母星前方，遮蔽母星而使母星亮度下降的凌日法來偵測系外行星的存在。從母星星光降低的程度，天文學家可估計行星的大小；再從行星穿越母星盤面的時間，可估算出行星繞母星一周的公轉週期。換言之，這種方式必須是行星軌道面幾乎側向地球；而在同一個行星系統中觀測到好幾個凌日行星，代表這些行星的軌道通通得幾乎側向地球。

在我們太陽系中，有些行星的軌道相對於黃道面的傾角高達7度左右。如果有個其他行星系統上的外星天文學家觀察我們太陽系，並無法透過凌日法看到全部8顆行星，尤其是軌道傾角高達7度的水星和高達3.4度的金星。因此相較之下，克卜勒偵測到的多重行星系統，似乎多半比太陽系還扁平，它們的軌道傾角差異多在1度之內。為什麼會這樣？

天文學家認為：其中一個線索在於行星本身。克卜勒衛星發現的多重行星系統，主要都是以比海王星小的行星為主，缺乏木星級的氣體巨行星。科學家相信：氣體巨行星的強大重力，在行星系統剛形成沒多久的階段，會擾亂行星系統，增加鄰近行星的軌道傾斜角。證據之一是其他研究已找到許多有氣體巨行星的行星系統，但這些行星系統不像克卜勒衛星找到的那樣扁平。

多重行星系統可能提供一個機會，讓天文學家得以確認那些體積較小的岩質行星的密度。行星質量愈大，利用徑向速度法（radial velocit）偵測到的機會愈大，也就是說，它們的重力拉動母恆星、使母星位置變動的情形會更明顯。但類似地球體積、地球軌道的系外行星，其質量不足以拖曳母星、使它的位置變動大到現代科技得以偵測的地步。

在那些有一個以上凌日行星的系外行星系統中，天文學家可以從另一方面來檢測行星狀態，就是凌日時間的變動。各個行星從母星前方通過所需的凌日時間，其實會因彼此間的重力交互作用而稍有變動，變動量的大小就與這些行星的質量有關。克卜勒衛星觀測到得多重行星系統，許多都有這樣的凌日時間變動現象。

目前克卜勒衛星仍持續收集資料中，它可以觀測到距離母星較遠的寬軌行星，其中有些還剛好位在其母恆星的適居區（水能以液態存在的區域）中。而凌日時間變動在確認岩質行星工作上，可能是個關鍵；如果這些岩質行星又恰好位在適居區中，那麼這些岩質行星的表面或許就有對生物生存很重要的液態水存在。

資料來源：Kepler’s Astounding Haul of Multiple-Planet Systems, 2011.05.23, KLC

本文引用自臺北天文館之網路天文館網站

(Kepler-37系外行星家族與其他太陽系行星的大小比較。圖出處:NASA)

文 / WhyJ

天文學界搜尋系外行星的競賽在一般人的眼中看起來可能很有趣：找到越小的系外行星，代表你或你的研究團隊越厲害！筆者推測，Kepler-37b這顆NASA在今年二月宣布發現的比水星還小的系外行星，應該可以讓他們炫耀好一陣子吧。

從第一顆系外行星被發現以來，至今雖然未滿20個年頭，但在這短短的時間內，進展可謂一日千里。從剛開始只能探測比木星還要大好幾倍的氣體巨星，逐漸地增加探測下限，世界各國的研究者都在絞盡腦汁思考如何能探測更小的行星，尤其是像太陽系內類地行星的這種大小，更是天文學家亟欲搜尋的熱門焦點。

近幾年來，觀測技術與儀器的進步終於讓我們以大海撈針的搜索方式找到了跟地球大小差不多尺寸的系外行星，例如NASA在2009年發射的克卜勒太空望遠鏡，就是專門用來執行搜索系外行星的任務。而它也不負眾望，到目前為止竟然已經發現了2740顆可能的系外行星！其中有些甚至是同一顆恆星具有許多衛星，儼然已經是「另一個太陽系」。

這次的主角Kepler-37，也是克卜勒太空望遠鏡所調查的一顆恆星。今年二月Barclay等人新出爐的研究指出，在Kepler-37的光度隨時間變化的曲線中，存在著因為行星運行至恆星前面，而造成恆星的光度短暫下降，並週期性重複的現象。這種方法稱為「凌日法」，是目前探測與地球大小相當的系外行星的少數辦法之一。由於行星越小，凌日時能夠遮掩恆星的部分越少，觀察到的光度下降量就越低，因此越難偵測。但如果反過來思考，只要知道恆星的光度下降量，就可以回推系外行星的精確大小。經過計算後，Kepler-37有三個行星，分別為Kepler-37b, -37c與-37d，而他們的相對大小如圖所示。

發現了嗎? Kepler-37b比水星還要小，跟月球的尺寸相當。這發現可謂意義重大：如果有個一模一樣的「太陽系」在遙遠的深空彼端，科學家終於有能力把裡面的成員一一揪出來了! 雖然對外星生命的狂熱者來說，因質量太小而不太可能有大氣或海洋存在的Kepler-37b可能是個令人失望的行星，但Barclay等人的論文中倒是有句宣示意味濃厚的結語：「以後這種大小的行星一定會越找越多!」，看來系外行星探索的任務，還真是令人期待。

參考資料：

• NASA’s Kepler Mission Discovers 461 New Planet Candidates. NASA [01.07.2013]
• Barclay et al. (2013), A sub-Mercury-sized exoplanet. Nature 494, 452-454.