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天外──地球之外有生命嗎?

Gilver
・2015/08/12 ・4541字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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文/Gilver

俗諺說:「人外有人,天外有天」,那在天際之外的無邊宇宙,有沒有像地球人一樣的生命存在呢?

這或許是個全人類都好奇、也各有見解的問題。可惜的是到目前為止,科學家還沒找到外星文明存在的證據。然而,科學家們從不放棄,因為在廣袤宇宙中尋找外星生命的任務,如同從大海中舀起一杯水,即使水中沒有魚,也不代表整座大海了無生機。本次泛科講講 x 中研院天文所,特別請來兩位站在人類追尋外星生命最前沿的重量級科學家:吉兒‧塔特(Jill Tarter),前《尋找外星智慧計畫》(SETI)主任;以及威廉‧夏夫(William Schopf),第一位發掘前寒武紀化石的古生物學家,來跟我們談談他們畢生搜尋生命痕跡的故事。

威廉‧夏夫:想了解這個世界,你必須樣樣皆通

「目前地球上最古老的生物化石是澳洲的藍綠菌層疊石,它起源於35億年前。」這是威廉‧夏夫最為眾人所知的創舉。他走訪世界各地,是首位在澳洲、南非、俄國、印度、中國等地的疊層石找到前寒武紀微化石的學者,亦發表了很多地球上生命起源的文獻。他近期最重大的科學工作,就是在火星上面尋找生命的跡象。

夏夫的學術起點從美國俄亥俄州的歐柏林學院(Oberlin College)主修地質學開始,繼而轉向生物學發展,後來更跨越生物化學、有機地質學等多個領域,只因他對大自然感到好奇。「如果你想要了解這世界,你就不能只是個生物或物理學家,你得樣樣皆通。可是,大自然卻根本不在乎這些學門,它不會把自己分門別類!我要告訴在座的各位大學生,你越早了解到這件事情,成功就離你越近。」

在夏夫19歲、就讀大二那年,地質學課本寫著:地球上最早出現的生命證據是五億年前的節肢動物,而且百年來沒有科學家能突破這個紀錄。不過年輕的夏夫認為根據達爾文的說法,應該要有更早的化石存在—而那就是我所能做的事情!憑著少少幾篇論文,夏夫展開尋找更早生命形式的旅程。

「我有一個夢想,就是探索生命起源的時間。」夏夫像是馬丁路德‧金恩般,中氣十足地在講台上說道。

開拓新領域

夏夫的夢想之路開始突飛猛進。從大二開始,夏夫持續地苦心鑽研,後來陸續找到了十億、二十億年、三十一億年前的化石,然後就取得了博士學位!旋即他在加州大學洛杉磯分校(UCLA)教書,隔年又受邀加入「月球取樣初步分析小組」(Lunar sample preliminary examination team)的6人團隊,展開分析月球碎石的工作。有趣的是,夏夫當時在團隊裡只是個年輕的小夥子而已。

「我與這些長者合作、交流,此刻我感覺到我已達到我大學時為自己訂定的目標了。」

那接下來呢?夏夫的下一個目標,是研究這些遠古生命如何在時間長河中演化?「要研究這個問題,就必須要面對無數更多的戰局——因為大自然從不替自己分門別類呀!」

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從地球到火星

往後的日子裡,夏夫又獲頒多座學術獎項及巨額獎金,像是中了人生的樂透一樣。此時,夏夫下了一個決定:他將利用他的所知所學和經濟能力,開闢一個舉足輕重的研究領域。「我有一個夢想。我將開創一個跨國際、跨學科的領域,它將需要各式各樣的人才參與其中,像是一個爵士樂團一般。而那就是科學研究的模樣。」

在結合各方長才之下,夏夫率領的研究團隊為人類的世界觀帶來變革,將生命的起源再度往前推移,找到了35億年前的化石,超越了他自己當年的化石年代紀錄。「當你有了一個想法,就試著將它實現;你有夢想,你就能做到!」

近年來,夏夫開始參與美國太空總署(NASA)的火星探測計畫,分析來自火星的樣本。它們每公克四千萬美金,幾乎是世界上最昂貴的石頭,但其中可能蘊藏著過去生命的證據。夏夫的團隊利用顯微科技,在不能摧毀這些珍貴石頭的前提下,從微觀尺度去分析它的組成,試圖尋找微生物存在的痕跡。

幸運科學家的啟示:懷抱夢想、保持好奇、互相幫助

千載難逢的機會必須碰上準備好的人,人的夢想才能實現。夏夫坦言他是個幸運的人,他的夢想需要人類科技的極限,而他有能力去追求它。這樣一位何等幸運的科學家,有三個重要的啟示要送給大家。

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「首先,你要有想法,要懷抱夢想。不要害怕去追隨你的夢想,那怕是要觸及星星。成功與否並不重要,去追尋、去發現,你將有你的貢獻,不踏出那一步,你哪兒都去不了。你要相信你辦得到,你將會享受其中的過程,那將使你喜愛你的生活。」

「第二件事情是,如果你想當個科學家,你要當個三年級學生 [註],那才會使你去問為什麼。沒有所謂的蠢問題,因為那代表著你好奇所見所聞、你想知道那裏存在著什麼。當你好奇,你才會真的學到些什麼,而不是像中學生的學習總是告訴你什麼會考。聆聽、學習,然後問問題。還有,不要相信任何人,沒有人永遠是對的!永遠要問自己,這個知識是怎麼被了解的?它真的是對的嗎?

「最後一個是,我有個非常幸運的人生,許多的因緣際會讓我今日能在世界各地探索化石的秘密。科學是無國界的,科學家的天命就是去描述、理解大自然是如何運作,文化、語言、信仰、種族、性別、國家、政治······都不足為談,我們都是生存於此、探究真實的智人,我們都相差不遠,且需要彼此扶持,在面對許多全球問題時,我們必須要以無國界的方式去思考,保持樂觀,未來才有曙光。」

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吉兒‧塔特:在宇宙之中,我們是否唯一而獨特?

吉兒‧塔特也是一名美籍的天文學家,她是「尋找外星智慧計畫」(Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)研究中心的前主任。SETI是一項國際性的科學計畫,目的是為了求證地球之外是否還有其他的智慧生命存在。SETI 的研究學者利用不同的方法找尋外星文明,最常用到的一項是利用巨型的望遠鏡陣列裝置,觀測是否有從其他星球傳來的人為無線電訊號。塔特於SETI的天文學研究經歷被改寫為小說《接觸未來》,並在1997年改編成同名電影。

塔特的專長領域為工程物理及天文學,參與多項搜尋外星文明的計畫,並在2012年退休,然後變成在世界各地巡迴的SETI啦啦隊,繼續向世界推廣、介紹SETI。

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如果我們不再特別,那我們的存在意義是什麼?

「我們在宇宙之間,是否是唯一而獨特的生命?隨著太空科技演進,我們終於看見地球在宇宙中的模樣。」隨著投影幕上的畫面切換,塔特引領我們往更遙遠的宇宙飛去、看見益發渺小的地球。「一顆黑暗之中的藍色行星,那就是我們的立足之地,你的所愛、所恨所在之地。」在更遠的光年之外,我們的銀河系甚至只是千億個以上星系之一,地球又僅是銀河系之中太陽行星系統的一芥小白點。

「難道在這麼大的宇宙之中,不會有其他生命存在嗎?」

人類引以為傲的觀測成就,卻只是 4% 的宇宙

資料顯示,宇宙的演化從138億年前開始,由一個高密度、高溫度的點持續膨脹,那時甚至還沒有「物質」。後來才有了原子、星星、行星、銀河系,有了我們今日我們身邊的一切。可是故事還未結束,直至今日,人類還在拼湊著時空的拼圖,試圖解答我們處在什麼時間、空間之中。

自四個世紀前、望遠鏡發明以來,人類窮極一生並引以為傲的成就,竟也只有宇宙間4%的組成—物質,其他的都是至今仍無法觀測的暗物質、暗能量。

雖然地球上許多文明都各有一套故事解釋他們從何而生,但科學版本的故事卻未有定論,而且還隨著新資料、新觀測結果不斷的修正。我們試圖拼湊著全貌,卻沒有辦法知道所有的事情,這也是當科學家真的很有趣的原因,就像夏夫所說的一樣。(笑)

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星塵的產物

「這個宇宙還有很多未知在等著我們。此刻,我們注視著這張宇宙星塵的圖片的同時,我們正呼吸著百億年前飄散在星際的產物。從氫氣和氦氣,到現在成追本溯源的的我們,我們自星塵中誕生,而其他生命也是。

【Q&A節錄】

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P編:如果能重返19歲,您的夢想會是什麼?
夏夫:這個問題很有趣,因為我知道那不可能呀······(笑)我想現在的我,會考慮至少兩條路:一個是去取得醫學博士學位,研究人類大腦的運作機制,它不但有趣且重要,腦的發展也同樣是重要的演化事件。另一個我會慎重考慮的選擇是律師、法官。對我來說,他們擁有智慧、並將之奉獻給國家。

P編:「讓 SETI不斷搜尋來自地球外的訊息,同時也向外太空持續發射大量的訊息;我們應該要大聲一些,好讓外星生命聽得見。」您對這樣子的說法,有什麼觀點呢?
塔特:至少80年廣電技術發展以來,我們並不向外廣播地球的訊息。看看地球,當生命出現了,地表就被劇烈的影響了,大氣和海洋都改變了。當這些外星生命來訪時,必定帶來著高端科技,也可能比我們會控管他們行星的資源。倘若他們收到地球的訊息而來訪,他們將會對地球感到好奇······ 而且,屆時我們將會需要全球性的溝通規模,來表決要不要發射訊號。那麼誰能率先發言?又要說些什麼?我的意見是:以宇宙的尺度來看,地球非常年輕,科技才剛萌生幾百年。如此年輕的我們,該先做的是簡單的事—「聆聽」。聆聽你能從鄰居得到些什麼吧。當地球真的決定要傳送些什麼時,就請長時間持之以恆地發送吧。

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聽眾:你是如何找到層疊石的?
夏夫:根據當時全球地質鑑定地圖,尋找地質事件較少發生、且年代約位於三億多年間的地方,當時找到的地方是澳洲西北部、南非,及格陵蘭的少數地點。地質越古老的地方就越可能有古老化石,而澳洲西北部的層疊石是生化和微生物證據最多的地點。

聽眾:當我們真的找到外星生命的訊號,人類將會面臨什麼改變?
塔特:這很複雜。首先會有無數的新聞,大家都會很興奮,但也可能會面臨各種危機跟可能性。科學家還是會繼續去了解他們。而且在往後,找到外星生命的訊號很可能會改變人類對於自我定位的認知、衝擊我們的觀點,就像當初太陽中心說改變了地球中心說的歷程。我們將會需要一些時間,來接受我們只是眾多數目中的一個而已。另外,外星文明擁有的科技,很有可能會解決我們現在所不能解決的問題。
夏夫:我希望那將會讓地球上的人類變得更加親近彼此,更能理解我們只是這個行星上的一份子,在遠端還有另一個星球的生命。消弭歧見,還要擁有睿智。

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[註]三年級學生(third-grader):在美國,孩童通常會在小學三年級時開始接觸科學,包含基本的物理、化學和氣象概念。可參考維基條目 third grade。(2015/08/20 更正,原誤譯為第三名)

本次 PanSci TALK 活動與中央研究院天文與天文物理研究所合辦。

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Gilver
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畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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