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尋找外星人的銀河帝國

火星軍情局
・2015/06/25 ・2183字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

倚天屠龍記裡的乾坤大挪移有分好幾層,層數越高就越厲害,在江湖上大家也會更敬畏三分。

其實外星人也有分等級,倒不是說外星人到阿里山隨意大小便就是低級,而是級數越高科技就越厲害,打從心底讓人肅然起敬。

最常用的「外星文明分級制」是1964年蘇聯科學家卡爾達肖夫(Nikolai Kardashev)所設定的「卡爾達肖夫指數」(Kardashev Scale)。這個分級法利用宇宙中最重要的資源:能源的生產力作為指標。能源和科技實力息息相關,掌握能源越多等級就越高。

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還在等外星人送電波訊號到地球嗎?外星人未必會想給地球人打電話嗎。現在最熱門的是探測外星文明的科技特徵(Technosignature),凡走過的必留下痕跡,越高度的文明留下的痕跡越深。(圖片來源:The Allen Telescope Array, SETI)

卡爾達肖夫分級法這樣的:

第一型(K1):一個科技文明能夠利用整個行星的能源。比如說:當地球文明不斷發展,石化燃料不夠用,核能被抗議不能用,最後不得不充分利用地球表面、甚至在環繞地球的太空軌道上面佈滿太陽能板,就是K1的文明。地球接收太陽光的功率大約是1016瓦,目前全人類產生的功率不到這個數字的2%,是K=0.73級的文明,低得有點丟臉。依照目前人類科技經濟的指數型爆炸增長,估計人類文明可能在三、四百年後達到K1。

第二級(K2):一個文明能夠駕馭整顆恆星散發出的能源,這樣的文明將擁有速度接近光速的星艦,可以探訪其他的星系。擷取恆星能源最直接的辦法就是建造「戴森球」(Dyson Sphere),由美國科學家弗里曼戴森提出,可以包圍恆星的巨大球形太陽能結構。我們的太陽的功率是4×1026瓦,估計人類得再花1400年才能生產這麼大的能量,進入K2。維持上千年的爆炸成長?噗哧,對不起我笑了。

以地球軌道為半徑的「戴森球」,把太陽包在裡面,吸收太陽光為能量,從戴森球外面看不到太陽光,卻可以看到戴森球散發出的紅外線。不要問戴森球怎麼建造的這種技術性問題,相信外星人有辦法就對了。即使外星文明不是用戴森球來吸取恆星能量,地球上看到的結果也差不多:可見光黯淡,但紅外線增加。(圖片來源:維基百科)

第三級(K3):能夠掌握整個銀河系裡每一顆星星的能源。我們所處的銀河系功率是1037瓦。這樣的文明的能力遠超人們的想像,或許可以在銀河系內建造完善的蟲洞公路網,星際旅行易如反掌。現在看來我們自己的銀河系內應該還沒有這個等級的文明,起碼太陽還沒有被戴森球包著。人類文明若能再持續發展2、3000年,也許可以到達這個水準。

第四級(K4):能駕馭整個宇宙的能源,這快要變成神了吧?接下來的K5、K6級太科幻,就不說了。

藍色的點是近四百年來美國地區生產的能量,基本的趨勢是這條紅線:每一百年放大十倍。(圖片來源:Do the Math, UCSD)
如果人類文明的經濟及科技保持過去數百年的成長趨勢,地球將在約三百年後成為K1文明,1400年後成為K2文明,2500年後成為K3文明。當然這是非常、非常樂觀的估計,外插法不應該這麼用。(圖片來源:Do the Math, UCSD)

這樣看起來建立一個笑傲銀河系的文明要花很多時間、好像遙不可及,但其實沒有這麼難,幾千年對宇宙來說轉眼即逝。這麼想吧:如果六千五萬年前那一顆小行星沒有撞地球,搞不好恐龍就能進化成有智慧的「恐龍人」,甚至有充分的時間在銀河系建立K3文明,今天的整個銀河系是恐龍帝國的範圍!

我們的宇宙估計有一千億個銀河系,每一個銀河系又有一千億顆恆星,他們裡面只要有一個有智慧的外星人種,宇宙裡就該充滿K3文明。算一算…可能性太大了,應該舉頭一望,就可以找到這樣的銀河系!

一組美國賓州州立大學的科學家也這麼琢磨:如果一個銀河系中恆星的能量都被取走了,它發出的光線應該與正常銀河系有顯著的差異!根據熱力學,任何的機器都會讓亂度增加,將剩下的熱量變成紅外線散發出去,高等的外星文明應該也會遵守這個定律吧。他們利用NASA的紅外線太空望遠鏡(WISE,Wide-field Infrared Survey Explorer)觀察離地球最近的一億個銀河系,再挑選其中十萬個資料比較清晰的,看看裡面有沒有紅外線成份特別高的銀河系。

他們的結論是:這些銀河系裡面看不出什麼特別,沒有K3文明的跡象。不過外星人的粉絲們還不用放棄希望,這十萬個銀河系裡面有50個有較高的紅外線比例,雖然應是自然現象,但是仍值得更深入觀察。此外這也可能代表外星人厲害到了能突破熱力學第二定律,完全吸收恆星能量,沒有廢熱,把整個銀河系黑掉了,地球人無法觀察(這違反熱力學第二定律——代表他們可以做出永動機!還要能源嗎?)。還有,天外有天,WISE太空望遠鏡只能看到宇宙中的千分之一的銀河系,誰知道外面的世界如何?

但是更簡單的解釋是:卡爾達肖夫第三型的文明是鳳毛麟角。外星人可能存在,但是要發展到K3太難了,智慧文明要不是停滯不前,就是發展到K3前就消失了。難道這就是宇宙裡每一個文明的宿命嗎?是不是「人」性總是導致毀滅,論是地球人或是外星人?尋找外星人的意義不僅是滿足人們的好奇心,更是探索自己文明的出路。也許地球人在看到別人的例子之後,能夠避免前車之鑒,甚至脫穎而出變成一個K3文明,也許…

參考資料:

 

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火星軍情局
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地球軌道上最大的衛星——國際太空站

臺北天文館_96
・2022/01/24 ・4522字 ・閱讀時間約 9 分鐘
  • 文/徐麗婷|政大應用物理所兼任助理教授

國際太空站(International Space Station,ISS)是地球軌道上最大的衛星,也是太空中最大的人造物體,其大小約有一個足球場這麼大,有時候我們從地表用肉眼就可以看到它快速地在夜空中劃過。國際太空站在距離地球表面 400 公里高的低地球軌道上運行,並且以每秒約 7.7 公里的速度繞行地球。以這個速度繞地球一圈只需要 93 分鐘,所以太空站每天會繞行地球 15.5 圈(這也表示太空站上的太空人每天可以看 15 次以上的日出與日落)。

圖 1. 由奮進號太空梭(Endeavour)於 2010 年執行任務時所拍攝的國際太空站。圖片來源/NASA

冷戰時代的太空競賽

設置國際太空站的目的,主要是作為太空實驗室、天文臺,以及為未來可能的月球和火星登陸計劃提供運輸、維護和中繼站的服務。在 2010 年美國國家太空政策中,國際太空站更被賦予了為商業、外交和教育服務的額外目的。

然而,最初設立太空站的想法,其實是源自於冷戰時期美國與蘇聯的太空競賽。蘇聯在 1980 年代已經率先發射了模組化的太空站到地球軌道上,而美國政府擔憂蘇聯擁有比美國更強大的核武攻擊力量,因此在 1984 年提出了「戰略防禦計畫」,又稱為「星戰計畫」(Strategic Defense Initiative, 或稱 Star Wars Program),其目標是要建造太空中的反彈道飛彈系統,以阻止敵方的洲際飛彈和太空飛行器。美國太空總署提出的自由號太空站(Space Station Freedom)計劃就是這個「星戰計畫」的一部分,雷根總統更在 1984 年宣示將在 10 年內完成太空站的建設。

但是由於太空站預算龐大、加上 1986 年挑戰者號太空梭的爆炸意外,太空站計劃不斷地被延宕。一直到 1991 年蘇聯解體後,冷戰正式結束,美國和蘇聯的太空競賽也失去了意義。冷戰結束後,美國總統柯林頓於 1993 年宣布結束自由號太空站的計劃。同年,在美國副總統高爾的推動下,美國太空總署開始與俄羅斯聯邦太空總署協商合作建立太空站的構想,這也促成了兩國初步的太空合作計畫:「太空梭–和平號計劃」。

國際太空站的前身:太空梭–和平號計劃(1993–1998)

國際太空站的成立主要分為二個階段:第一階段是從 1993 到 1998 年,由美國太空總署(NASA)和俄羅斯聯邦太空總署(Roskosmos)所合作的「太空梭–和平號計劃」(ShuttleS–Mir Program),而這個計劃也可以說是國際太空站的前身(見圖 2)。

圖 2. 1995 年,俄羅斯「和平號」太空站(Mir)和美國的太空梭「亞特蘭提斯號」(Atlantis)對接。圖片來源/wiki

其中俄羅斯在 1986 年升空開始興建的和平號太空站(space station Mir),是世界上第一個模組化的太空站,也是第一個讓人類可以長期居住的太空研究中心。在這個「太空梭–和平號計劃」其間,NASA 一共執行了 11 次太空梭任務,並且派了 7 名美國太空人長駐在和平號上(累計將近 1000 天)向俄羅斯太空人學習長時間的太空生活經驗、操作太空站、太空漫步訓練、和進行各種科學實驗。其目的就是為了建造之後的國際太空站而作準備。

2001 年,因為和平號太空站的設備老化且缺乏維修經費,俄羅斯聯邦太空總署決定將其墜毀於地球大氣層,而其碎片則是掉入南太平洋海域中,結束它長達 15 年的太空服役生涯。

國際太空站(1998–現在)

國際太空站目前由五個太空機構聯合運作,包括美國太空總署(NASA)、俄羅斯聯邦太空總署(Roscosmos)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)、加拿大太空總署(CSA)和歐洲太空總署(ESA)。最初在命名國際太空站時是提議稱之為「阿爾法太空站」,但是俄羅斯方面並不贊成「阿爾法」(Alpha,α 是希臘字母表裡的第一個字母)這個名字,因為「阿爾法」有表示「第一個」的意涵。事實上俄羅斯的和平號才是第一個模組化的太空站,所以他們認為國際太空站的名字應該稱作「貝塔」(Beta,β 是希臘字母表裡的第二個字母)會更合適。在各國商談之後才決定直接定名為「國際太空站」(International Space Station)。

1998 年 11 月,國際太空站的第一個模組:俄羅斯的曙光號功能貨艙(Zarya)發射升空;同年 12 月,美國的團結號節點艙(Unity)發射進入軌道並與曙光號連接;2000 年 7 月,俄羅斯的星辰號服務艙(Zvezda)升空與太空站連接。星辰號服務艙主要是提供太空人的生命維持系統,包括太空人睡眠的區域、健身器材、飲用水裝置、廚房設備、廁所以及其他衛生設施。這些設備都是為了 2000 年 11 月首批登上國際太空站的太空人做準備。(圖 3 的三張照片可以看到最初三個模組陸續建構太空站的演進。)

圖 3a. 1998 年從奮進號太空梭上拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya),這也是第一個升空的國際太空站組件。圖/Wikipedia
圖 3b.1998 年從奮進號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)和團結號節點艙(Unity)。 圖/NASA
圖 3c. 2000 年從亞特蘭提斯號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)、團結號節點艙(Unity)和星辰號服務艙(Zvezda)。圖/Wikipedia

國際太空站的架設工作一直持續到 2002 年。不幸的是,在 2003 年發生了哥倫比亞號太空梭(Columbia)的失事事件,NASA 停飛了所有的太空梭,國際太空站的建設也因此受到拖延。在太空梭停飛的兩年半裡,太空人的物資完全依賴俄羅斯聯盟號(Soyuz)太空船的輸送,一直到 2005 年 NASA 太空梭才再度重返太空。之後太空梭連續運送了大量的桁架與太陽能板到太空站上組裝(見圖 4)。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)於 2008 年也加入了建造國際太空站的行列,陸續在太空站增設了希望號實驗艙(Kibo);2012 年,美國太空探索科技公司(SpaceX)發射了第一艘商業用太空船飛龍號(Dragon spacecraft)。

圖 4. 2006 年,太空人正在安裝桁架,桁架是用來安置太陽能板和艙外機器的結構。圖/Wikipedia

國際合作太空站的組裝

目前國際太空站的空間大小約為 1,000 立方公尺,總質量約 41 萬公斤。整個站體長約 108 公尺,寬約 74 公尺(大概是一個足球場的大小)。要建造完整的太空站,需要 40 多次的太空飛行任務才能達到。到 2020 年為止,NASA 太空梭一共執行了 36 次任務來運送國際太空站的模組,另外負責運送模組的還包括俄羅斯的質子號(Proton)和聯盟號(Soyuz)運載火箭,以及美國太空探索科技公司的「獵鷹 9 號」(SpaceX Falcon–9)。太空站的模組主要是先在地面上建造完成,再運送到太空中組裝。

下面列出一些規模較大的太空站模組:

  • 曙光號功能貨艙(Zarya,於 1998 年11 月升空)
  • 團結號節點艙(Unity,於 1998 年 12 月升空)
  • 星辰號服務艙(Zvezda,於 2000 年 7 月升空)
  • 命運號實驗艙(Destiny Laboratory Module,於 2001 年 2 月升空)
  • 協和號節點艙(Harmony,於 2007 年 10 月升空)
  • 哥倫布號實驗艙(Columbus orbital facility,於 2008 年 2 月升空)
  • 日本希望號實驗艙(Japanese Experiment Module,又稱 Kibo,於 2008~2009 年間分批發射升空)
  • 綜合桁架結構與太陽能板(於 2000~2009 年間分批發射升空)
  • 科學號實驗艙(Nauka,於 2021 年 7 月升空)

國際太空站在繞行地球的過程中,高度會逐漸下降。為了維持太空站的軌道高度,會以太空站的推進系統、或是以來訪的飛行載具引擎來提供推力,藉此推高太空站的軌道高度。太空站所在的低地球軌道上,同時也存在很多太空碎片。前面所提到的改變太空站軌道高度的方法,也可以應用在避開太空碎片撞擊的操作上(Debris Avoidance Manoeuver, DAM)。萬一太空站來不及執行 DAM 以躲避太空碎片,那麼所有的太空人將會集合到俄羅斯的聯盟號(Soyuz)太空船上,若太空站受到嚴重破壞時就可以緊急撤回地球。這樣的緊急疏散事件在 2009、2011、2012 和 2015 年都虛驚過一次,但只有進入聯盟號,沒有撤離。

圖 5. NASA 太空人 Nicholas Patrick 正在用太空漫步執行艙外任務,攝於 2010 年。圖片來源/wiki
國際太空站是怎麼運作的?影/YouTube

國際太空站上的實驗

由於國際太空站以高速繞著地球轉,太空站上的地心引力與離心力幾乎相互抵消。但是實際上,太空站上的重力環境其實並非是全然的「零重力空間」,而是還受到非常微小的重力影響,我們稱之為「微重力環境」(micro-g environment)。太空站設立的其中一個重要目的,就是做為在微重力環境下的實驗室,其研究領域包括天文生物學、天文學、氣象學、物理學、材料科學和太空天氣等。

在微重力的環境下研究植物生長、流體力學、材料合成、燃燒現象和結晶過程等,都有助於科學家更加了解在無重力下的各種物理現象。例如,圖 6 是非常著名的火焰實驗:在太空中燃燒的火焰會因為在微重力的環境下變成圓形的。另外一個重要的實驗,是研究長期在太空中生活對人體的影響,包括肌肉萎縮和骨質流失等問題。研究顯示長時間的太空旅行可能會造成太空人有重大骨折的風險,所以現在太空站上裝有為太空人設計的健身器材,讓太空人每天都能有固定的運動量,以防止肌肉萎縮及維持人體循環系統的健康運作。

圖 6. 左:在地表上的火焰形狀。右:在微重力環境下的火焰形狀。圖/Wikipedia

國際太空站的未來發展

在太空站上的各項實驗與儀器測試,對於 NASA 即將執行的重返月球計畫以及之後的火星登陸計畫尤其重要。除了累積在太空中操作與維修各種儀器的經驗之外,對於微重力、宇宙輻射和隔離對太空人身心健康的長期影響,也能研究出較可行的應對之道。

到 2010 年為止,國際太空站所花費的金額已經高達 1,500 億美金,遠遠超過了最初的預算。雖然很多人對國際太空站未來的持續運作抱持著反對的意見,但是基於考量到未來重返月球與登陸火星的計畫,2018 年美國國會還是通過相關法案,確定延長國際太空站的使用期限到 2030 年。

YouTube 相關影片:

NASA/JSC 專家 陳啟明談「國際太空站」:人類地球之外的家。影/YouTube
國際太空站的組裝過程 。影/YouTube
太空人的日常生活 。影/YouTube
國際太空站從太陽前方飛越而過 。影/YouTube

參考資料:

  1. International Space Station
  2. Shuttle–Mir program
  3. Assembly of the International Space Station
  4. Strategic Defense Initiative
  5. 福爾摩沙衛星二號 10 週年專題報導-4

 

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