HARPS 發現 50 顆新的系外行星

1990 年，NASA 的航海家 1 號完成任務時，在 64 億公里外回首拍攝一張照片。地球，好似一粒漂浮在深空中的塵埃。該照片被命名為《蒼藍小點》（Pale Blue Dot），天文學家卡爾・薩根（Carl Sagan）隨後寫下了這段經典的語錄：

「凝視著這個淡藍小點：就是這裡。這就是家園。這就是我們。在這個小點上，每一個你愛的人，每一個你認識的人，每一個你曾聽聞的人，每一個人類、都曾經生活於此。我們一切的快樂和掙扎，萬千種引人自豪的宗教信仰、思想體系、經濟法則，每一位獵人與騎兵，每一位英雄與懦夫，每一個文明的締造者與摧毀者，每一位君王與農夫，每一對陷入愛河的年輕伴侶，每一位為人父母者、充滿希望的孩子們、發明家與探險者，每一位靈魂導師，每一位貪腐政客，每一個所謂的「超級巨星」，每一個所謂的「偉大領袖」，每一位歷史上的聖人以及罪人⋯⋯我們的一切一切，全部存在於——這顆懸浮在一束陽光中的渺小塵埃上。」

在浩瀚的宇宙中，地球確實是一粒渺小沙塵，也是我們唯一確定有智慧生命居住的世界。那麼，在茫茫太空中、銀河系的彼端、抑或是更遙遠之處，是否還有其他生命、乃至於文明正在活躍著？在這偌大而寂寥的宇宙中，人類又是否是孤獨的存在？

地球是否特別？平庸與殊異的爭辯

《蒼藍小點》這張影像意味著：地球不過是宇宙空間億萬顆星體中的一粒微塵，在近幾十年來，實驗觀測更指出宇宙比我們想像中來得更大、且正在持續擴張中。從演化論的視角來看，人類並非特別，我們所擁有的聰慧恰恰就是有機化學中基因序列的一種結果。

這些證據指向了一個事實——地球並不特別，只不過是一顆普通的行星。這樣一種看法在哲學上面被稱作「平庸原理」（mediocrity principle）。

然而，對此有不少科學家抱持反對意見，而這一系列說法被稱之為「地球殊異假說」（Rare Earth hypothesis）。他們認為，地球的形成、板塊運動、大氣、海洋、乃至於生命的誕生、演化——這些都並非輕而易舉就能產生的。英國天文學家霍伊爾（Fred Hoyle）爵士曾如此形容：

「生命自發形成的機率，宛若一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747 那樣渺茫。」

確實，一系列有機分子纏繞結合成蛋白質、再組成基因序列、構成原始細胞這一段程序，這機率是非常微小的。而科學家們同時也提出了地球恰恰位在「適居帶」（habitable zone），這些條件決定了生命是否得以形成並且演化：

1. 星系適居帶：恆星系統若接近星系中心，由於超大質量黑洞影響，會導致輻射、宇宙射線、以及星體撞擊的干擾，從而難以形成生命；若過於遠離核心，則會使重元素（例如：鐵、碘）難以形成，這些重元素是組成複雜生命分子的條件。太陽系位在銀河系第三旋臂上，恰好座落在適居帶。
2. 太陽系適居帶：對於一個恆星系統而言，行星與恆星的距離將主宰生命誕生的條件。比如：水星、金星溫度過高，便不適合生命形成；火星、木星外側的行星距離太陽偏遠，則不會有液態水的存在；而地球位處金星、火星之間，不僅溫度適宜、有液態水存在，更有足夠大氣層可以擋避隕石與輻射，使得碳循環得以建立，恰好符合生命形成的條件。
3. 行星適居帶：與前者類似，行星必須在恆星的一定範圍內，才能有良好的溫度環境、使得液態水可以存留。

超級適居行星的發現

所謂的「超級適居行星」（superhabitable planet），顧名思義，就是指位居在適居帶的行星。請注意，不少人常常將其誤解為「超級地球」（super-Earth），但這兩者是不一樣的。

首先，超級地球的判斷依據僅僅是質量，而非適居帶等條件，亦即比地球大出許多的岩質行星、但通常遠比天王星或海王星小。

而另一個相關的數據稱為地球相似指數（Earth Similarity Index, ESI），指的是一行星的大小、質量、溫度等條件與地球的相似程度。以地球的 ESI=1 為標竿，目前所發現 ESI 最高的行星為位在 1,075 光年外的 KOI-4878.01，其 ESI 值高達 0.98，但存在性還在評估中。

不過，ESI 值高並不代表行星中有生命（畢竟有可能遠離行星適居帶）。真正意味著有可能會有生命存在的，便是「超級適居行星」。目前，葛利斯 370b、葛利斯 581c、葛利斯 581d、葛利斯 581g、葛利斯 832c、克卜勒 22b、克卜勒 62e、克卜勒 62f、克卜勒 69c、克卜勒 186f 和克卜勒 442b 等等，皆是超級適居行星的代表。為了探究這些星球是否有生命存在，最具表性的行動莫過於「搜尋地外文明計畫」（SETI）。

地球數以萬億計的物種中，人類算得上是最具高等智慧的生物。但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在，那麼，對方是否有可能比我們先進？他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎？他們能掌握陽光、電磁等能源嗎？他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構？又或者，他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行？

在探討這個問題之前，先讓我們回到「人類」身上。人類是因為達成了哪些「成就」，而擁有了智慧呢？

費米悖論：我們為何從未接觸過外星智慧？

或許宇宙深處已然有著科技程度比我們先進數百萬年的高等文明，那些 III 型文明或許早已可以駕馭光速飛行、甚至能掌握時空動力學跳脫距離限制到訪地球。根據「德雷克公式」（Drake equation），銀河系中可能與我們接觸的先進文明數量大約可以表示為：

其中，等號右側從左至右依序為：銀河系恆星形成速率、恆星系統有行星的可能性、位於適居帶行星的平均數目、行星上發展出生命的可能性、生命演化成為智慧文明的可能性、智慧文明得以進行通訊的可能性、以及該智慧生命的預期壽命。根據估算，可能與人類通訊的智慧文明在銀河系中最少一千、最多則高達一億個。

我們總是如此預估：在擁有 137 億年歷史的廣袤宇宙中，與地球類似的星體非常多，先進地外文明的存在性相對而言也非常高，而德瑞克公式更意味著本銀河系中便可能有成千上萬個智慧文明存在。於是，一個矛盾產生了：

既然宇宙的尺度與年齡意味著高等文明應當存在，那麼——為何這個敘述迄今沒有得到充分的科學證據支持？

更簡潔的說法，便是：

宇宙中高等文明存在的可能性極高，然而為什麼這些智慧生命至今尚未與我們接觸過？

這便是著名的「費米悖論」（Fermi paradox）。關於這項提問，也出現了各種不同的說法或解答。

第一種答案認為，目前其實並沒有外星文明存在，因為：

• 生命誕生的條件是極其稀罕的，有可能進化失敗、又或許尚未崛起（地球殊異假說）。
• 自我摧滅：智慧生命在能完成恆星際旅行之前，便可能因為核戰爭、生化戰爭、或是資源枯竭等災難而自我毀滅了。

第二種則認為，外星文明其實存在，卻因為：

• 尺度限制：受限於空間限制，使得智慧生命不容易前來；此外，也有可能是外星生命已經接獲人類的訊號，只是訊號尚未返回地球。
• 技術因素：外星文明未必比地球文明進步；又或是，人類找尋外星生命的方法有誤，也有可能外星技術現象與自然現象過於雷同而難以區辨。
• 刻意緘默：「動物園假說」（zoo hypothesis）意味著外星智慧有可能已經收到人類訊息，但為了觀察人類舉動而不願回答；或者，科幻作家劉慈欣提出的「黑暗森林法則」認為，在尚未分別對方意圖之時、為保有宇宙資源等利益，刻意隱匿行蹤，必要時可能摧毀對方文明；又或者，基於技術奇點（technological singularity），與人類差別太遠從而無法有效答覆。
• 已然接觸：外星智慧已然與人類接觸，但可能因為維度差異、或者隱匿行蹤，致使人類尚未發覺。例如文章中所提及的「馮紐曼探測器」（von Neumann probe）預示著：智慧文明可能透過奈米乃至於原子尺度的探測針、散播並且監控著地球人的舉動。

對於地外文明的探索與展望

對於探索地外文明，人類的野心從未止息。1972 年，無人探測器先鋒號裝載了一塊鍍金鋁板，其中囊括一些有關人類科技的基本訊息，例如——人類的身材面貌、氫原子躍遷圖示（用以表示長度與時間單位）、太陽系位置、以及地球的所在地等等。這塊「先鋒號鍍金鋁板」（Pioneer plaque）雖然不是第一個離開太陽系的人造物件（第一個離開太陽系的是航海家一號），但卻是第一個攜帶了人類文明訊息離開太陽系的人造物件。

如同先前提及的，SETI 或許是最具代表性的團體。1974 年，SETI 透過無線電訊息發送了知名的「阿雷西波訊息」（Arecibo message）至遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團。這串訊息陣列包含了：二進位數字、DNA 序列、核苷酸、雙股螺旋、人類平均身高與人口、行星系統、以及望遠鏡結構。假設 M13 星團的外星文明接收到訊息，那麼根據傳播速度推算，人類接收到回覆大約是五萬年之後的事了。

1977 年，有鑒於先鋒號刻板基礎，以薩根為主的 NASA 委員會將地球上的 55 種語言、各種大自然的聲音、不同年代的音樂，以及有關於科學、人體構造、生態、建築物、交通建設、書信文物等 116 張影像，一併收錄至一張唱片裡，其中還包括時任總統卡特（Jimmy Carter）的書面信息，再透過航海家探測器發射至太空。這張「航海家金唱片」（Voyager Golden Record）預計 4 萬年後才會到達距離太陽系 1.7 光年的地方。

雖說上述訊息目前為止都尚未得到回覆，當然，就宇宙尺度而言恐怕要等到數萬年後才會有所答覆。不過，值得一提的是，近年來天文學家透過克卜勒望遠鏡觀測到 KIC 8462852（又稱 Tabby 星、博雅吉安星）的光度有異常變化。

關於這個變化，有人認為可能是新形成的恆星塵埃造成的，但是科學家在觀測後尚未發現相關跡象；有人認為是星體碰撞下的殘骸導致的，然而克卜勒望遠鏡觀測到此情況的機會亦非常低；也有人認為是彗星群受到重力影響而朝往該恆星方向運動，不過這說法無法解釋為何光度會顯著下降。

這光度異常不規律的起伏至今仍是謎團，而所有證據彷彿指向了另一個極端的可能性——人工巨型結構（即「戴森球」）。假設該恆星系統有高等文明存在，便得以透過「戴森雲」這類結構控制恆星能量。乍聽之下似乎無比驚人，然而，目前唯有這個說法可以合理解釋光度的異常變化，因此，科學家並不否定 KIC 8462852 存在先進外星文明。

作者註：目前 KIC 8462852 的光度變化，科學界基本上已經排除戴森球的可能性

我們期待這些有關外星智慧的謎團能夠解開，也期許人類文明能在短時間內擺脫戰亂、資源枯竭等危機，從而在本世紀末順利躍升成為第 I 型文明。最後，讓我們引用 1977 年收錄在航海家金唱片中、吉米・卡特前總統的一段語錄作為總結：

「這個禮物來自於有點遙遠的世界，夾帶著屬於我們的聲音、我們的科學、我們的圖像、我們的音樂、我們的思想、以及我們的感觸。我們嘗試永存現有的時光，好讓來日得以共生於你們所處的時光中。我們期望有朝一日，能夠共同解決彼此所面臨的難題，並且聯合組成一個星系文明。這張唱片象徵著我們的希望、我們的決心、以及我們的善意——在這浩瀚且壯麗的宇宙中。」

• 加來道雄，《穿梭超時空》，台北：商周出版，2013
• 加來道雄，《平行宇宙》，台北：商周出版，2015
• 卡爾．薩根，《宇宙・宇宙》，台北：遠流出版事業股份有限公司，2010
• 史蒂芬．霍金，《胡桃裡的宇宙》，台北：大塊文化，2001

編按：本文摘自《關於夜空的 362 個問題》，蒐集了英國最長壽科普節目《仰望星空》的觀眾提問。所有你對太空宇宙會有的疑問，都將在本書中為你解答。本節討論的是「呼叫所有生命形式……」。

我們把訊號從地球送出去已經超過五十年了，在接收端的那一頭如果有其他文明，會不會偵測到這些訊號呢？

我們的無線電訊號洩漏到太空中已經大約六十年了，最早傳出去的無線電波已經前進了六十光年。不過，隨著訊號愈來愈遠，它們也會愈來愈分散，更加難偵測。大部分的訊號也受限在很窄的無線電波頻率範圍內，所以它們會和大部分的自然天文訊號有所區別。

當我們尋找外星文明的訊號時，目標是找到與我們相似類型的傳輸，因為那就是我們發射出去的東西，可是誰說外星文明和我們使用的技術是相同的呢？也許他們會用 X 光通訊，而且一直都在發射 X 光束到太空中。如果他們和我們的想法一樣，可能也一直在尋找從其他行星放射出的 X 光，而我們根本沒有大量放射出這種東西。

在地球無線電訊號發射的範圍內，有沒有任何星系裡出現「適居帶」裡存在行星的跡象呢？

我們假設地球已經散發出六十年的無線電波了，這當中有奇怪的、特意發出的訊號，也有來自地面的電視與收音機傳輸時無意間「洩漏」出去的訊號。最早的無線電波以光速前進，所以已經達到了六十光年之外，我們知道在這個範圍內有大約一百顆行星。其中大部分都是氣態巨行星，而且和它們的母星公轉距離都非常接近，不過還是有幾顆距離母星比較遙遠。

「適居帶」一般的定義是在恆星周邊，液態水能夠存在的區域。相對於比較大、比較亮的恆星，比較小、比較黯淡的恆星的適居帶會比較接近母星。

而液態水是否存在，則要靠行星的大氣層決定，一般來說有大氣層會稍微增加行星表面的溫度。

值得一提的一個星系是巨蟹座 55，這裡有五個行星是我們知道的。這顆恆星本身比太陽略小，以名義上適居帶會比較靠近恆星一點。在這五個已知的行星當中，有三個的公轉位置比較接近恆星，第四個比較遠一點。從適居帶的角度來看是很可惜的，因為其中一顆比較靠內的行星稱為「超級地球」，只比地球的質量大八倍多，直徑大約是兩倍。

可惜巨蟹座 55e 這個行星距離母星的公轉距離只有兩百萬公里，公轉一圈不到十八小時，所以可能會被燒成煤炭渣。不過有一個比較大的行星公轉的位置，大約像金星和太陽之間的距離。它所繞行的恆星比較冷一點，就位在接近適居帶的地點，可是這顆行星是一個氣體巨行星，質量大約在海王星與土星之間。如果它有比較大的衛星，而且大氣層夠厚，那麼也許是個可以居住的地方。可惜我們還不能偵測到外太陽系行星的衛星是否存在，所以必須等待進一步的推測。

第二個很有意思的例子是繞著 HD 85512 恆星公轉的行星，距離我們大約三十五光年。這顆恆星比太陽略冷一些，不過這顆行星公轉的位置比較近，大約比水星繞著太陽公轉位置再近一些。這顆行星的質量比地球大幾倍，所以可能是岩石型的。行星表面的溫度會依照覆蓋其上的雲量而定，不過可以大約推測一下。利用一系列的假設，比方說這裡的大氣層和我們的大氣層，組成成分不會相去太遠等，我們可以計算出這裡的表面溫度，確實適合液態水存在。不過這些只是很概略的計算，要到我們真的能研究直接來自這顆行星大氣層的光，才能夠確定。

這個領域的研究進展快得驚人，所以很有可能等你讀到這裡的時候，我們已經在鄰近的恆星的適居帶裡發現了一顆像地球的行星。在二○一一年十月播出的《仰望夜空》裡，我們邀請任職於歐洲太空總署以及倫敦大學學院的泰提妮博士，猜猜看我們再過多久會發現這種行星，而她打賭在一年之內，人類就會發現一顆像地球的行星了！

針對「如果外星生物聯絡我們，我們應不應該回應？」這個問題，有沒有任何科學上的研究呢？

關於這個問題的討論，通常圍繞著「一開始到底為什麼要聯絡？」也許外星生物想要分享它們的知識，讓大家對宇宙的了解更為透徹，這樣的話，真誠與坦白的對話，是對於雙方都有益處的。但是也有可能外星種族是在尋找征服的目標，也許是為了開採地球的資源，或者只是要把人類打包到自己的午餐盒裡。如果是這樣的話，我們可能最好不要回應，不過等到我們了解這一點時，可能也太晚了。如果這種溝通看起來是特別針對地球的，那麼可能他們已經發現了我們的存在，也可能已經在路上了！

很多人都提出意見，認為我們不應該與外星人聯絡，因為他們可能是來毀滅我們的。可是也有人會認為，如果他們成功做到了星際間的通訊，並且來到這裡，那麼他們可能不僅僅是為了毀滅與戰爭而來。不過如果他們的科技都比我們先進呢？我們眼中的他們，可能就像牛羊眼中的我們，那麼他們會不會穿著人類的毛皮，用香草和香料搭配我們的肉食用呢？

如果我們真的接到來自其他地方的通訊，那麼比較立即需要克服的問題是：

誰要代表我們發言？我們會希望像許多的科幻電影那樣，讓美國來主導對話嗎？

在國際間已經有這樣的討論，比方說聯合國就討論過在這個情況下要怎麼做，包括該怎麼回應，以及我們該說什麼。這樣的決定有時候彷彿可以當作科幻的領域而一笑置之，不過如果來自外星生物的通訊真的來了，到那時候再來想可能就真的太晚了。在此同時，一般的共識傾向我們既然無法把自己的存在隱藏起來，那麼應該不要太大肆宣揚自己，等到我們已經決定好一旦收到回應時該怎麼做，再改變做法。

利用低頻電波陣列（LOFAR）進行「尋找外星智慧計畫」（SETI）是否合理與值得？

低頻電波陣列是建造在歐洲各地的一個巨大無線電波望遠鏡，當中有一個站就在漢普夏的奇爾波頓。不過這個陣列並不是由我們所熟悉的無線電波望遠鏡所組成的，而是一個由無線電天線組成的網絡。

它們的作用類似電視與收音機的天線，會同步收集來自廣大天空中的訊號。低頻電波陣列的強大之處在於可以同時集合來自大量天線的訊號，使天文學家能詳盡地觀測任何一個特定的位置。既然結合訊號是由電腦分析所進行，所以基本上低頻電波陣列是可以同時研究各個方向的訊號的。

感覺起來，這對於尋找外星智慧計畫是非常理想的工具，不過這個望遠鏡其實還要符合很多其他目的需求。當然囉，沒有什麼能阻止人們從低頻電波陣列中取得資料，並且加以過濾，找出人造的訊號。

——本文摘自《關於夜空的 362 個問題：從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕，了解天文學的入門書》，2019 年 4 月，貓頭鷹出版。

• 作者｜ Chris Shallue，Google人工智慧研究員 / Andrew Vanderburg，德州大學奧斯汀分校天文學家

幾千年來，人們仰望星星，記錄、觀察天文現象，並從中發現其運行模式。第一批天文學家所認定的天體是行星，由於行星在夜空中看似不規則的移動，因此也被希臘人稱之為「planētai」或「漫遊者 （wanderers）」。經過幾個世紀以來的研究，人們已經了解太陽系的運行模式，是地球和其他行星圍繞著太陽公轉，而太陽是一個恆星，就如同我們肉眼所看見會發光的星星一樣。

如今，在望遠鏡光學（telescope optics）、太空飛行、數位相機和電腦等技術的幫助下，我們得以將對宇宙的了解擴展到太陽系之外，偵測並探究其他恆星周圍的行星。這些圍繞在其他恆星周圍的行星也稱之為「系外行星（exoplanet）」，而研究系外行星能幫助我們更深入探索宇宙與人類的奧秘。太陽系之外的宇宙是什麼樣子呢？外太空還有像太陽系一樣的其他行星恆星嗎？

雖然技術的進步有助於我們探索宇宙，但尋找系外行星仍不容易。與火熱的恆星相比，系外行星是冷的、小的、沒有光亮的，這就像要從幾千英里的地方，看見探照燈旁邊飛來的螢火蟲一樣困難。

不過藉助機器學習（Machine Learning），我們在最近有了一些新的進展。

克卜勒任務與 Google AI 的相遇

天文學家搜尋系外行星的方式，其中一個是分析來自NASA 克卜勒任務（Kepler Mission）中的大量資料數據，並透過自動化軟體和手動方式來執行。克卜勒任務用了四年的時間觀察近20萬顆恆星，每30分鐘拍一次照片，並創造了近140億個資料點。這140億個資料點相當於大約2千兆個可能的行星軌道。這個龐大的資料量即使用最強大的電腦來分析也是非常耗時、費力的。為了讓這個分析的過程可以更有效率，我們導入機器學習來加速分析時程。

凌星法是指，當一顆運行中的行星擋住了恆星的光線時，恆星的亮度會減小。我們以此概念為基礎，將其特徵訊號用來辨識周圍運行的行星，並運用克卜勒天文望遠鏡，在四年之間觀察並分析了20萬顆恆星的亮度。

機器學習能夠訓練電腦認識運作模式，而這對於分析大量數據來說尤其有用。機器學習技術的重點在於讓電腦從範例中學習，而不是透過編寫特定的規則。

我是Google人工智慧團隊的機器學習研究員，對於宇宙的世界相當感興趣。因此，我善用「20%計畫」（在Google，你可以利用20%的時間來做你喜歡或感興趣的事情）來開始執行這個專案。我和德州大學奧斯汀分校的天文學家 Andrew 接洽，共同執行這個專案。我們將機器學習技術應用在宇宙探索，並教導機器學習系統如何識別遙遠恆星周圍的行星。

我們利用超過 15,000 個被標記的克卜勒訊號，創造一個 TensorFlow 模組來辨別行星與非行星。為此，這個模型必須能辨認出真正的行星所形成的圖像，與其他天體如 星斑（starspots）和雙星（binary stars）所形成的圖像。當我們讓 TensorFlow 模組辨識從未見過的訊號時，它能以96%的準確率辨認出哪些訊號是行星，哪些是非行星。因此，我們知道這個模組成功了！

克卜勒90i，發現！

有了可行的模組後，我們拍攝恆星，並利用這個模組在克卜勒數據中尋找新的行星。為了縮小搜尋範圍，我們研究了 670個已知可容納兩顆或更多的系外行星的恆星。在這樣的過程中，我們發現兩顆新行星：克卜勒80g 和克卜勒90i。其中值得注意的是，克卜勒90i 是第八個被發現圍繞著克卜勒90的行星，這使它成為除了太陽系之外，第一個已知的八大行星系統。

我們利用15,000個被標示的克卜勒訊號，來訓練機器學習模組去辨認行星訊號，並利用這個模組，從670顆恆星的數據中發現新的行星，且成功發現了兩個先前被忽略的行星。

另外也發現了一些有趣的事：這個行星比地球大了30%；擁有大約華氏800度的地表溫度，絕對不是你下一趟旅行的好選擇；它以14天的週期繞著恆星公轉，這代表你每兩個星期就會過一次生日喔。

克卜勒 90是太陽系以外第一個已知的八大行星系統。在這個星系中，行星運行的軌道更靠近恆星，而克卜勒90i每14天公轉一次。（請注意，行星的大小，以及行星與恆星的距離不在測量範圍內。）

當我們運用科技來嘗試了解宇宙時，會以為已經可以一窺一二，但其實不然。目前為止，我們只用TensorFlow 模組搜尋了20萬個恆星當中的670個，而克卜勒的數據中可能還有更多系外行星尚未被發現，未來機器學習的新思維和技術將能幫助人類進行宇宙探索，發現更多未知的領域！

• 本文原刊載於Google台灣部落格，原文為《用機器學習發現新行星》