為什麼外星人音訊全無？

• 作者 / 喬．馬錢特博士（Dr. Jo Marchant）
• 譯者 / 徐立妍

宇宙最初的光芒

將近一百四十億年前，一切自虛無中霹靂而生，我們的宇宙從一個熾熱、壓縮又微小到無法想像的小點中迸發誕生，接著幾乎是在一瞬間便往外膨脹，形成太空的這個空間以超過光速的程度急速擴張，一直到所有存在的物體大約成為一顆葡萄柚的大小。

然後，宇宙持續擴張、冷卻，接著形成了最初的物質，就在那第一秒內，中子、質子、電子、光子、中微子等各種粒子組成的高密度團相互推擠，形成一股驚人而熾灼的熱，散發出有如霧般的光。宇宙生成大約三十八萬年後，這顆泡泡已經擴張到幾千萬光年以外的地方，並且冷卻到了幾千度左右，這樣的溫度足以讓原子組合在一起，宇宙第一次透出了光。

一開始只是一閃即逝的光，然後黑暗再度籠罩，還要再過幾千萬年，重力才能夠吸引住稍有密度的各種物質，粗暴地將一團團氣體碰撞在一起，形成最早的星星及星系，就這樣，天空的燈光一個個亮了起來。

大多數的宇宙學入門大概都會以自己的方式描述這一連串事件，但謎團仍未解開：大霹靂（Big Bang）真的是一切的開端嗎？或者我們的宇宙只是在另一個更大的多重宇宙中一顆不斷膨脹的泡泡？宇宙會永遠擴張下去嗎？或者到最後會在一次大擠壓中再次崩塌？不過，眾人都能同意宇宙的普遍性質及宇宙是怎麼回事，目前已經揭露的事實是，這是一台龐大且精細的機器，由物理粒子組成，並且其中的作用力也依循著數學方程式及法則。

仰望星辰的人類歷史

這本書要說的是不同的故事。宇宙的科學解釋是我們現代文明的巔峰，如此擲地有聲的見解足以消弭其他所有不同看法。研究宇宙的宇宙學曾一度被形容為在哲學及精神層面上的廣泛追尋，要找出人類存在的意義，要問我們是誰、我們在哪裡、我們為何在此地，如今卻是數學天文學的一個分支。那麼，那些大哉問怎麼了呢？我們對於宇宙已經沒有其他什麼需要知道的嗎？

這本書並不是要詳細描述最新的天文學進展，是要介紹長久以來，人們從星辰收集到的知識歷史，是關於人們的宇宙觀如何讓他們認識了現實的本質及生命的意義；關於我們已經捨棄的那些神祇與靈魂、神話與神獸、宮殿與天體；關於科學觀點如何成為主流，而這段路程又是如何形塑今日的我們。這是一段關於人的故事，講述了祭司、女神、探險家、革命家和君王，故事並非由大霹靂開始，甚至也不是由科學的誕生開始，而是由最早抬頭望向星星的人類開始，以及他們在天空中找到的答案。

為何要在乎過去對天上的信仰？考古學家和歷史學家通常不會如此。我們知道，科學是立基於試圖理解天堂的念頭，不過學者要更全面追溯人類歷史進展時就鮮少以此為焦點，我認為此舉對於我們要理解自己從何而來造成了巨大的盲點。事實上，人們在天空中所看到的模式一直都主宰著人們在地上生活的方式，形塑了對於時間與空間、權力與事實、生與死等概念。
我們在古老的過往中便看見這一點：執著於日食的巴比倫人；建造金字塔以引導靈魂前往星星所在之處的埃及法老；在太陽旗幟下奮戰的羅馬皇帝。對宇宙的概念也形塑了現代世界，即使我們忘記這些影響力的根源，卻也已經深植在社會當中，存在我們的國會、教堂、藝廊、時鐘與地圖裡。從基督教的誕生，乃至歐洲的探險及主宰星球，其中核心的影響力正是對太陽、月亮、星星的信仰，他們指引著不羈的立法人員創建了民主與人權原則、引導經濟學家建立資本主義所仰賴的框架，甚至指示畫家畫出了第一幅抽象畫。

今日光害籠罩著我們的星球，星星幾乎消失了，過去在黑暗的夜空中能看見上千顆星星，但今日在城市裡的我們只能看見幾十顆。天文學家擔心，就連這些很快也會遠遠不敵人造衛星的數量，在美國和歐洲的大多數人根本再也看不見銀河。看著自然遺產這樣逐漸消蝕實在是災難一場，我們與銀河系及浩瀚宇宙之間的連結也會就此消逝。沒有人為此群起大聲疾呼，大多數人只是聳聳肩，依舊盯著自己的手機，絲毫不擔心即將失去這片在歷史上其他每一種人類文化都視為必要的景象。

宇宙的本質與生命的追尋

但是，我們仍然努力想弄清楚我們在宇宙中的位置，科學在這方面的進展十分成功：今天一個五歲小孩比起幾千年前的古早文化更清楚物理宇宙的歷史、組成及本質，但是科學也將這些文化在生命中發現的意義拆解了大半，將個人經驗屏除在我們對現實的理解之外，取而代之的是時空概念抽象而數學化的網格。

地球從存在的中心被踢到了邊緣，生命被重塑成隨機意外的結果，而且也完全不管神明了，現在一切都能以物理法則來解釋。我們在宇宙秩序中完全不是什麼有意義的角色，而是如物理學家史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）所言，我們只是「化學渣滓」，存在於一個中等大小的星球表面，繞著一個沒什麼重要性的星球運行。

幾百年來不斷有人批評反對這樣冰冷機械式地解釋人性，過程中經常全盤否決科學的見解，一直到不久之前仍屬於禁忌話題，但現在即使是受人敬重的科學家也對此表達擔憂，他們認為或許物理物質並非宇宙全貌、並非我們的全貌；或許，科學只看見了全貌的一半。我們可以解釋星體與星系，但心智呢？意識本身呢？這些論戰逐漸形成一場世紀之戰，可能會改變整個西方的世界觀。

畫下戰線之後，我想我們必須換個角度思考，提出概述，因此這是一本關於宇宙的書，不是科學指南，是從人性出發。我不長篇大論地講述，而是選擇了十二個時刻，你或許也可以稱之為墊腳石，讓我們理解歷史上的人們是如何看待天空，尤其是這十二篇故事依循著西方物質宇宙觀點的崛起，爬梳這套宇宙模型如何主導我們的生活。這些故事從人類最早透過洞穴壁畫及巨石陣來表達人性開始追溯，途中講述了基督教、民主及科學等重要傳統的誕生，最後進行到追尋外星生命以及近來飛入真正的且虛擬的太空之旅。

這趟旅程能夠解釋今日的我們是誰，或許還能指引出未來的航道。所謂當局者迷，我們很難看見其極限，因此我希望拉遠距離去檢視人類宇宙信仰的深度歷史，或許有助於我們探索世界觀的界線，還可能看得更遠。我們是如何成為無意義的宇宙中被動的機械？這些信念如何影響我們生活的方式？而我們由此又能前往何方？

• 作者：林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

你看過銀河嗎？

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上，將會看到天上有一條淡淡的、若有似無的亮帶，好像一條薄薄的雲橫跨夜空，它正是我們所居住的星系 ── 銀河系（Milky Way）的盤面。在數位相機的加持之下，我們還能看到這薄薄的盤面上，其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶，複雜、深邃而美麗。

但如果，你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛，你將看到兩個視角高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形「泡泡」，矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡 Fermi Bubbles」，是銀河系中巨大且神祕的結構之一。

費米泡泡的起源，以及存在的意義，一直是過去十多年來，天文學家相當關注的研究主題。

最近（2022 年 3 月），一篇刊登於《自然天文學》（Nature Astronomy）的研究顯示，壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前，銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。

費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞，腦海中浮現的第一個問題往往是：

「費米是誰？這個泡泡跟他有什麼關係？」

在物理界，恩里科．費米（Enrico Fermi）這個名字可謂家喻戶曉。他是 20 世紀初最重要的物理學家之一，曾參與曼哈頓計畫，設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈；並且在量子力學、核子物理、粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念、研究計畫不計其數。這之中，就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

正如其名，費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡，它於 2008 年發射升空，是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們，費米擁有更大的視野、更高的靈敏度和空間解析度，可以看得更廣、更暗、更清楚。

它的主要任務，是不斷的掃視整片天空，繪製伽瑪射線的全天地圖（all sky map），研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天體。

費米太空望遠鏡升空短短兩年後，天文學家就從觀測資料中發現，如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體（比如銀河系的瀰散氣體、中子星、其他星系等）全部扣除，將會看到銀河中心的上下兩側，各有一對高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形區域，而這是從未發現過的銀河系新結構！

天文學家於是將它命名為「費米泡泡 Fermi Bubble」，以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。

而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外，天文學家也在微波和 X 射線波段看到了相似的結構。

在微波波段，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和普朗克衛星（Planck）都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域，天文學家稱之為「微波薄霧 microwave haze」。而在 X 射線波段，2019 年才昇空的義羅西塔（eROSITA）衛星則發現了與費米泡泡相似，但是更大的泡泡狀結構，被稱為「eROSITA 泡泡」。

另外，在紫外線波段，雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構，但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線，可以計算出費米泡泡的膨脹速率，大約是每秒數百到數千公里的等級。

綜合以上資料，天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前，銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了 10⁴⁸ – 10⁴⁹ 焦耳的龐大能量（相當於太陽終其一生釋放的能量，再乘以 10000 倍以上），並加熱了銀河系中心的氣體，使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天，就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。

但是，這張錯綜複雜的拼圖，還缺少了最核心的一塊：

這麼龐大的能量，究竟是從何而來？

超新星爆發還是黑洞噴流？費米泡泡的身世之謎

費米泡泡剛被發現不久，天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎，提出了兩位候選人：

第一種觀點，認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成，其中年輕的恆星由於壽命短暫，很快的就走完它的一生，並發生超新星爆炸，釋放出巨大的能量。

另一種觀點，則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體，並在過程中將能量以噴流（jet）或外流（outflow）的形式釋放出來。

兩種說法聽起來都頗有可能，而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象，那該怎麼知道哪邊才是對的呢？這時，天文學家們就兵分兩路，觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測，尋找更多可能的隱藏線索；理論學家則利用電腦模擬，嘗試在電腦中重現出觀測結果。

早年，兩派假說各有各的優勢，也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積，天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果，因此更具說服力。但即使如此，想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵，仍是相當困難的挑戰。

三個願望，一次滿足

然而今（2022）年三月，清大天文所楊湘怡教授利用三維磁流體力學電腦模擬（MHD Simulation），就一次重現了費米泡泡、義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。

他們假設銀河系中心的超大質量黑洞，在 260 萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有 10⁵⁰ 焦耳的強大能量，其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時，電子會將能量傳遞給光子，就好像被保齡球打到的球瓶一樣，讓光子從低能量的可見光，變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制，讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。

與此同時，這些高能電子在銀河系的磁場中運動時，會以「同步輻射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波與無線電波，形成我們看到的微波薄霧。最後，強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時，會產生以每秒數千公里高速移動的震波（Shock Wave）。震波所到之處，受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線，成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度，也與紫外線觀測的結果相符。

這個研究結果，將伽瑪射線、X 光、紫外線到微波的所有觀測結果，用黑洞噴流漂亮的一次重現，這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。

未來展望

那麼，費米泡泡的身世之迷，就此蓋棺論定了嗎？

嗯⋯⋯還沒這麼快。

無論多麼精細的模擬，終究是對真實世界的近似與簡化，理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制，計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多、更好的儀器，挑戰模擬的結果。

更宏觀的看，如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍，它釋放出的龐大的能量，是否曾對銀河系造成其他的影響？我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史，以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制？這些都有待天文學家的持續探索。

費米泡泡的故事，仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料（學術論文）

1. Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
2. Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
3. X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
4. Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year

延伸閱讀（報導與科普文章）

1. 本次研究相關
   • Fermi and eRosita bubbles may originate from past activity of the Galactic black hole | Nature Portfolio Astronomy Community
   • 銀河系的巨大泡泡可能與中心的超大質量黑洞活動有關｜楊湘怡老師個人網頁
   • Massive bubbles at center of Milky Way caused by supermassive black hole | University of Michigan News
   • Giant Bubbles Above and Below Milky Way’s Center Caused by Galaxy’s Central Black Hole | Sci-News.com
   • Study says massive ‘bubbles’ in space might share origins – Taipei Times
   • Gigantic Bubbles at Center of Milky Way Caused by Powerful Jet of Energy From Supermassive Black Hole
   • Scientists Seek Origin of Mysterious Gigantic Bubble Structures In Our Galaxy
   • 百万度高温，横跨5万光年，银河系中心的巨大高能气泡 Tracing the Fermi bubble within our galaxy
2. 費米泡泡相關
   • 銀河系巨大費米泡-科學人雜誌
   • 銀河系黑洞吹泡泡,噴流留殘影- PanSci 泛科學
   • Was the Milky Way a Quasar?
3. 其他相關天文物理科普文章
   • 毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
   • 宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星- PanSci 泛科學
   • 電腦裡的小宇宙，重現絢麗的恆星爆炸！專訪陳科榮
   • 中研院天文所季報：多彩魅力的CHARMS

火星 vs. 地球

長久以來，人類對火星充滿好奇，火星上有沒有水？那裡住著火星人嗎？這些未知，讓人類發射各種探測器和太空船前往火星，希望一探火星的奧秘！

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山，它比地球上最大的茂納開亞火山（MaunaKea）還巨大，如果從火山底部算起，奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半！火星的直徑大約只有地球的一半，為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢？

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點（hotspot）火山，這類火山的岩漿來自地函，熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動，地球的地殼會移動，這造成熱點穿出地殼的位置改變，時間久後，會形成一長串的火山，其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山，目前大島就位在熱點上，夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老，而且離大島愈遠愈老。

地球上因為板塊運動，熱點火山不會長得太大，長到一定程度，就會因為板塊運動移開熱點，沒有熱點提供岩漿，火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同，火星沒有板塊運動，地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出，岩漿在同一熱點一直堆積長高，所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究，火星早期有較厚的大氣，溫度適中，甚至表面有河川流水，跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢？

火星早期曾經有磁場，後來磁場消失，讓火星大氣失去防護，漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小，地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣，大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧，流失到外太空，最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一，而且還持續流失中！

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小，所以散熱較快，造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識，我們才明白地球原來如此特別！

真的有火星人嗎？

人類對火星上有沒有生命充滿想像，其中最有名的可能是帕西瓦爾．羅威爾（Percival Lowell）「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪，對火星非常著迷。1890 年代，他用自己建造的天文台觀看火星，並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河，建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道，這是火星有智慧生物存在的證據。

1965 年，美國的水手 4 號太空船飛掠火星，發現火星表面一片荒蕪，根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過，火星有生命存在的想法太吸引人，人類還是不斷用各種方式探索火星，尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢？一方面是科學上的原因，希望找到地球外的生命形態，不管這種生命形態是不是跟地球一樣，都是非常重大的發現；另一方面可能是情感上的因素，不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方，孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗，只要有水的地方幾乎都找得到生命，水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖，地表有水流動，所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物，因為水存在火星表面的時間並不長，無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水，不過水還是有可能存在地表下，所以，生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星，不久的將來人類也會登上火星，到時候火星有沒有生命的問題，可能就會有答案。