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驚異奇航—星塵號

科學月刊_96
・2011/11/18 ・6469字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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星塵號於1999 年發射升空,飛越彗星,並獲得其塵埃樣本,完成人類史上首次收集彗星物質的任務。

文 / 劉名章、沈君山

圖一:星塵號發射時的景象。

西元2006 年1 月15 號洛杉磯時間凌晨兩點鐘,一道人造火球劃過了天際,直抵猶他州沙漠。這時,噴射推進實驗室(Jet Propulsion Lab)和NASA 詹森太空中心(Johnson Space Center)的人員無不歡天喜地,因為他們知道,星塵號回來了!這次返航的成功,給太陽系天文學家與宇宙化學家帶來無比的喜悅。這是人類史上第四次如此靠近彗星本體的任務( 前三次分別是Giotto , Deep Space , Deep Impact),同時這是第一次航程最遠的標本收集任務,也是首次利用世上最輕的固體「氣凝膠」(Aerogel)將彗星塵成功帶回地球供實驗室分析的任務。

太陽系的形成一直以來都是天文學家欲解的謎題。不管是透過望遠鏡觀測其他恆星形成區域,透過動力學模型來模擬太陽系與行星的形成,或是透過隕石的研究,最終的目的就是想要了解太陽系的起源。此處將由隕石的研究切入,然後再導引至我們今天的主題:「星塵」(Stardust)。

先從「老於太陽系顆粒」的研究談起

什麼是presolar grains(老於太陽系顆粒)?顧名思義,字首「pre」代表在某個時間或階段之前,「solar」則是「太陽的」,grain(顆粒)大家都知道,合起來說,就是太陽之前的粒子,翻成白話講則是「老於太陽系的顆粒」。怎麼知道這些顆粒老於太陽系呢?這些顆粒又有什麼重要的地方?其實它們本身就是別的星星(會發光的恆星)所產生的塵埃!

星星在演化的過程中,會透過恆星風或是爆炸的方式將本身物質釋放到星際空間,這些高熱的物質一開始以氣體的形式存在,冷卻之後就會凝結出直徑大約只有數微米或更小的小顆粒;當這些顆粒不小心跑進了正在形成的太陽系,有些被早期太陽系的高溫作用給毀了,有些則運氣很好的躲掉了這些高溫事件而被小行星保存了下來。某天小行星的碎片掉到地上變成隕石,被科學家拿到實驗室用各種物理化學的方法將這些小顆粒分離出來,以便進行各種分析。

圖二:星塵收集器安抵地球時的狀況,星塵號本身則繼續航 向無盡的宇宙。

這些顆粒是星星所產生的,因此這些顆粒中的每個原子都是從母星球「繼承」下來的。透過這些塵埃,科學家們便可以容易地在實驗室內了解星球內部的元素演化過程。您可能會很好奇,這些顆粒那麼小,要怎麼知道他們到底是太陽系或是外星的產物?這時候就是同位素分析派上用場的時候了。太陽系物體內的同位素成分一般來說算是相當的平均的。也就是說,若我們量測地球上的碳同位素比值(12C ∕13C),所得到的結果一定會很接近太陽系的平均值89 ,最多大概也只會有千分之幾的差距;但老於太陽系顆粒的碳同位素比值卻與太陽系的平均值89 有極大的差距,因此認定這些顆粒未曾參與太陽系形成之初的混合作用。

這些老於太陽系的顆粒裡面的原子,是由別的星球本身元素形成的產物,所以會和太陽系內的平均同位素比值相差甚大,以碳同位素為例,目前已發現的碳化矽(SiC)和石墨顆粒中,其碳同位素比值的分布可以從3 到10 萬!這些實驗室所產生的數值,配合上天文觀測與理論計算,提供了天文學家一個相當好的管道去了解遙遠星球內部的化學演化。

那從這些老於太陽系的顆粒中,我們除了可以回推這些顆粒的來源外,還可學到什麼呢?大家都知道,宇宙中的各種元素是由星星透過核融合或是爆炸所產生的。雖然從1957 年的第一篇元素形成論文開始,至今已有數不盡的理論模型問世,百家爭鳴,好不熱鬧。但是這麼多工作累積起來,可能也無法完全描述與理解大自然的神秘,更無法去驗證模型的真確性。這些小顆粒適時的在這一塊缺口中補上一角,讓科學家們可以在實驗室中,以較天文觀測精密的測量方式,提供遙遠恆星內部元素形成的資料。除此之外,這些小顆粒還可以提供科學家們古老銀河系化學演化、銀河系的年齡、星球周邊塵埃盤的形成和最早期的太陽系天文物理環境的資訊。在此限於主題與篇幅便不多談。

回到太陽系起源的研究

在太陽系中,有八大行星和一堆小型天體;前四顆類地行星,每一個都已經受過或長或短的分異過程與地質作用,現今之結構與組成已經和形成之初大異其趣。對於要了解太陽系的起源,幫助不太大。後四顆類木行星,雖然一般相信它們形成的時間極早,但由於絕大部份是氫氣,氦氣及一些氣體分子所組成,標本收集有相當程度的困難,多以太空船探測任務為主,不僅耗時且所費不貲;再加上這些氣體星球不能完全反應太陽系最初期成份,所以我們需要固體。

加州大學洛杉磯分校的麥克基甘教授(Kevin McKeegan)說的好:固體會記錄而氣體不會。因此現今普遍的宇宙化學研究,多是利用隕石中的同位素與礦物組成,試著了解太陽系形成時,周遭的天文物理環境與太陽星雲的化學組成。只是隕石大多來自於小行星,而小行星本體也或多或少受到了一些後期的變質作用,如撞擊,水與熱作用等等。造成一些最原始的同位素訊號或礦物受到了不同程度的改變。也因此,即使是所謂最原始的隕石,在某種程度上仍然不夠原始,這由隕石中稀有氣體相對於太陽的豐度較低的例子可以為證。

腦筋動到彗星上

圖三:星塵號所拍攝到的威德二號彗星影像。

既然隕石沒有辦法完完全全的反應太陽星雲最原始的化學成份,那我們還有什麼方法可以試著了解這個問題呢?科學家腦筋於是動到彗星身上。

天文學家普遍認為彗星也是太陽系最初期的產物,很可能跟隕石一樣記錄了太陽系最初的成份;更重要的,彗星被保存在極冷的地方,從彗星離子尾光譜中的分析得知,其相當程度的保留了有機物與揮發物質,所以我們多半相信,彗星所留下來的訊號應該會比隕石更完整,更接近真實。同時彗星內部更有可能保存大量的老於太陽系的顆粒。也因為如此,星塵號任務在90 年代中期,由華盛頓大學天文系布朗李教授(Donald Brownlee)主導之下,開始了整體的計畫與進展。在1999 年的2 月發射升空, 2004 年1 月穿過了「威德二號」彗星(Wild-2)的尾巴收集塵埃,並在2006年的1月返回地球表面,完成了這一段旅程。

或許有人會問,我們了解彗星有什麼好處?除了剛剛上面講的,試著去追溯太陽系最原始的成份,了解太陽系的起源,及尋找老於太陽系的顆粒之外,還有那些問題是可以藉由彗星塵提供一些線索的: 一、行星際空間顆粒(Interplanetary Dust Particles)與彗星塵的關係?二、地球上的水是彗星帶來的嗎?三、生命的起源與彗星的關係?

選定目標

各位也可能會覺得好奇,彗星一大把在天上,為什麼星塵號不去別的彗星而要去威德二號呢?其實很簡單,有三個主要原因:天時,地利與人和。天時與地利指的是,這顆彗星會在適當的時間出現在適當的地點,讓科學家們可以較容易的設計收集塵埃時的太空船路徑與速度。為什麼這很重要?各位可以想像,若在和太空船遭遇時的相對速度太大,塵埃就會直接穿過收集器而帶不回地球了。因此,星塵號幾乎是追著彗星的尾巴,從後面以每秒六公里的速度,將塵埃「抓進」氣凝膠當中。

那人和又是什麼呢?大家都知道,當彗星跑進內太陽系受到太陽加熱後,揮發物質就會因為高溫而逸失;經過多次循環後(>1000 次),彗星最後就不再會有彗尾了。像哈雷彗星,它從第一次被發現到1986年,總共已經進來大約一百次。它的原始成份已受了相當大的改變而不再「新鮮」了。所以,它已無法還原太陽系最原始的成份。而威德二號彗星,在1974 年之前都是屬於木星族彗星(Jovian comet ,指近日點在木星軌道附近),之後受木星重力擾動而改變了它的軌道,近日點內移到火星附近;至今進入內太陽系約五次。也因此這顆彗星從沒有真正的過度靠近太陽而被大量的揮發,其化學組成仍是相對的原始。這對於我們所期待的研究,真是再理想也不過的目標。

圖四:星塵號接近彗星收集微塵時的景象模擬。

如何收集—氣凝膠的妙用

圖五:切開收集到星塵的氣凝膠,保留紅蘿蔔形狀的破壞軌 道、以便容易取出微塵。

雖然星塵號追在威德二號彗星的尾巴後面,藉此減緩相互之間的相對速度,但星塵號仍承受著將近6倍步槍子彈速度微粒的衝擊。如果採用強硬手段直接將微塵擋住,那麼微塵將因高速的動能轉化為熱而將自身蒸發掉,致使該顆粒改變了外形及化學成份。此時氣凝膠的妙用就出現了。

氣凝膠是一種以矽為主的固體,結構像海綿一樣具有微米等級的多孔性,其中99.8 %的體積是空的。因此它的密度比玻璃輕1000 倍,同時還具有極低的導熱性及強度頗高的支撐性。當微粒撞上氣凝膠時,借著連續性的撞擊破壞氣凝膠,因而製造出比自身長度長200倍的一條類似紅蘿蔔形狀的破壞軌道。因此熱能被分散在此破壞軌道中,達到減速微粒且不破壞其外形及化學成份的目的。此破壞軌道還有項好處,它明確的指示出微塵停下的位置。否則要在直徑約50 公分大小的收集器內尋找微米大小的顆粒還真是一件困難的工作。

氣凝膠被安置在網球拍形狀的收集器上,因為具有雙面收集微塵的能力,科學家除了利用正面收集彗星微塵外,更利用星塵號在飛行旅途中以反面收集行星際空間的顆粒。由於顆粒都被埋在氣凝膠內,如何分辨何者為彗星微塵,何者為行星際空間的顆粒?解決的方法乃利用破壞軌道行成紅蘿蔔形狀的路徑,因為具有方向性所以可以輕易分辨出來。

跌破專家眼鏡的大發現

就在星塵號安然回到地球的兩天後,收集標本的大鐵罐在詹森太空中心的無塵室被打開,開始作最初期的狀況確認。加州大學洛杉磯分校的麥克基甘教授在現場時的轉述,他說:「這是非常完美的成功!有些彗星塵劃過的軌跡可以用肉眼清楚看到,並且收集到的東西似乎比大家原先預想的要來的多且大。當然,這只是非常非常初步的肉眼確認,我們真正會發現什麼,仍要等待初步檢驗團隊(Preliminary Examination Team,PET)的結果。PET至少需要半年的時間才能完成初步的彗星礦物學分析、氧氮同位素分析、化學組成分析,及紅外光譜學的分析等等。然後我們才能初步的知道這些標本所帶來的資訊」。

首先是礦物學方面。最重要的發現之一為星塵號所收集到的微塵中居然出現高溫環境下形成的礦物(形成溫度約凱氏溫度1300~1400度上下),比如說橄欖石、隕氮鈦石(osbornite; TiN)、輝石與我們在隕石的鈣鋁包裹體(Ca-Al-rich Inclusions)中找到的高溫礦物一樣。這些東西,讓研究太陽系化學的科學家們著實嚇了一大跳。彗星不是在40 天文單位(AU)之外形成的天體嗎?在這麼冷的環境中,應該多以揮發性物質或是低溫物質為主,為什麼會有在高溫下才能形成的礦物存在?小行星和彗星,一個大約在3AU,另一個在40AU以外,為什麼某些彗星塵的礦物組成跟隕石中的鈣鋁包裹體類似?若在這麼大的空間範圍內,找到組成相似的高溫礦物,這似乎代表的是,在太陽系早期必須要有大尺度輻射狀輸送物質的能力(radial transport),其轉移範圍從內太陽系到小行星帶,甚至到外太陽系,才有可能辦到。那這個大尺度輻射狀輸送物質的能力的物理背景是什麼?為什麼可以把小顆粒從內太陽系高溫處搬到3AU 甚至更遠的40AU 以外?

再來是同位素分析方面。PET 的同位素小組,分析了彗星塵中,氫、碳、氮與氧同位素的組成。這些分析,試圖回答下面的幾個問題。第一,彗星是不是主要由老於太陽系的物質組成的?第二,彗星中有多少真正的「星塵」(真正從演化後期的恆星中所形成的)?第三,彗星微塵中的同位素組成,和隕石、行星際空間微粒的關係又是什麼?第四,早期太陽系中的混合作用究竟到什麼程度?

首先是氫同位素方面,被分析的彗星微塵中,基本上沒有太令人印象深刻的成份,其D/H(氘∕氫比值) 落在已知的行星際微塵的D/H 範圍內,類似彗星水分子中的同位素成份,但低於彗星中氰化氫(HCN)的同位素值,更遠較最極端的行星際空間顆粒的比值低上許多。當然, D/H 很容易受到各種不同因素的影響,尤其是這些灰塵是透過撞擊而被氣凝膠抓住,在這個過程中,D/H極有可能產生變化。所以,這些量測到的D/H 可能無法反應威德二號彗星的水分子的同位素成份。

再來是碳與氮同位素,這兩種同位素的量測,主要是要來找尋老於太陽系的顆粒(presolar grains)。這些顆粒,由於是在星球中凝結下來,所以基本上它們保存了原先星球中,元素形成的特徵。而這些特徵和太陽系的平均值相差甚大。以碳同位素來說,太陽系物質的12C ∕ 13C 平均比值是約89 ,若今天發現了一顆微粒,它的12C ∕ 13C 比值約是52 ,那我們可以很篤定的說,這顆微粒絕非在太陽系內形成的顆粒,而是一顆從某個AGB 星球或是紅巨星來的小塵埃!氮同位素也是同樣的道理,只是平均太陽系的比值大約是300上下。所以,若我們發現一顆灰塵,其14N∕13N的比值離300有極大的差距,那我們也可以很肯定,這顆顆粒一定不是太陽系內產生的。

知道了這個前提,我們再回到星塵號的標本上。分析的結果也是讓大家驚訝莫名,PET階段分析氣凝膠中的微塵,居然沒有一顆是老於太陽系的顆粒!幸好,在收集器上的用鋁箔紙包裹住的部份中,在某個撞擊坑洞旁邊找到了一顆老於太陽系的顆粒,可惜的是,這顆小傢伙已被分析光光了,屍骨無存。從這個初步分析,顯示在彗星中(至少是威德二號這顆) 似乎沒有太多老於太陽系的顆粒。但這只是第一步。後續尚有許多標本等待研究,或許會有更多驚奇也說不定。

此外PET 團隊還有一項重大的發現,他們在氣凝膠及支撐框住氣凝膠的鋁芯中發現了氨基乙酸。一開始研究團隊無法排除此氨基乙酸可能來自地球上的污染的想法。此時同位素的功用又出現了,經過進一步的研究他們發現該氨基乙酸的碳具有較多的13C,也就是說其12C∕13C的比值比89 小很多,因此証實此氨基乙酸非太陽系內部的產物。由於筆者對生命科學的涉略不多,因此借用下面兩位專家的發言,來為這項大發現做註腳。

美國航太總署(NASA)的艾西拉博士(Jamie Elsila)說︰「氨基乙酸是具有生命的有機體製造蛋白質的物質之一,同時這是第一次在彗星上找到氨基酸」;「我們的發現支持生命的成份在太空間形成,並借由隕石和彗星的衝擊而傳播到地球的理論」。同時NASA 的主任皮契爾博士(Carl Pilcher)說︰「氨基乙酸在彗星的發現支持了組成生命的基本架構在太空中是隨處可見的想法,並且強化了在宇宙中生命的存在也許是共通的而不是罕見的論述」。

最後是氧同位素。氧是類地行星中最豐富的元素。而每個類地行星(含小行星)的平均氧同位素值都有些微的差異,所以氧同位素基本上可拿來當作這些行星的指紋。但是若把規模放到只有幾個毫米大小,我們會發現,在隕石的鈣鋁包裹體中,不同礦物居然有著不同的異常豐度,彼此間的差異可達到5%!如果是老於太陽系的顆粒,氧同位素的差異甚至可以達到好幾個數量級。星塵號部分微塵在經過初步分析後,具有隕石鈣鋁包裹體類似的礦物組合,同時居然和鈣鋁包裹體有相同的氧同位素成份!這下子不只礦物組成相似,連氧同位素都完全一模一樣。這更加讓我們相信,彗星中的某些小微塵,是和隕石中的某些礦物顆粒是完全相同的。所以,這和前面所寫的相呼應,在太陽系早期勢必要有大尺度輻射狀輸送物質的能力,從內太陽系到小行星帶再到庫伯帶以外,這一連串的巧合才有可能發生。

這些發現,最感到振奮的應該是前清大校長徐暇生院士,中研院李太楓院士,及中研院副研究員尚賢博士。他們在1998 年提出的X-wind 模型,已預測彗星上的物質有可能在礦物相上與同位素比值上的特點與隕石中的部份物質相符。模型中這些高溫顆粒形成在吸積盤的端點,非常靠近原始太陽約0.05AU 距離的地方,後來太陽磁場與吸積盤面的交互作用,產生了兩極噴流和盤面上一股強力的「風」,將這些高溫礦物帶離到小行星帶甚至更遠的庫伯帶,再和其他物質堆積形成小行星或是彗星。

其實,以上所說,都只是星塵號相當初步的一個結果。還有很多尚未被探索的顆粒等待科學家們去了解,不管是礦物學,光譜學,同位素分析,還是其他各種各樣稀奇的方法。在可預期的將來,這些彗星塵仍會繼續送到世界各地的實驗室進行各項研究。在台灣,李太楓院士所領導的團隊,也正在為分析這些標本而磨刀霍霍。希望在不久的將來,台灣也能夠在這個前無古人的實驗室彗星塵分析競賽中打響知名度;也希望到時候我們將能夠回答上面所列出的數個問題,讓我們對太陽系起源有更深一層的了解。

劉名章:任職中研院天文及天文物理研究所

沈君山:任職中研院地球科學研究所

原刊載於《科學月刊》第四十二卷第十一期

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科學月刊_96
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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太陽系裡最大的峽谷、最高的火山,都在火星上!——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/23 ・769字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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布滿鐵鏽的紅色沙漠:火星

在地球上用望遠鏡觀察火星,火星上的地形很難看清楚,只能看到最明顯的三種顏色色塊:紅、黑和白色。

比起水星和金星,火星算是比較宜人的行星,人類已經發射許多太空船前往探索,未來甚至可能移民到火星上生活,火星很可能成為人類下一個家園。圖/麥浩斯出版

火星表面充滿紅色塵埃,這些紅色塵埃由氧化鐵組成,也就是鐵鏽,火星表面絕大部分被氧化鐵覆蓋,所以表面看起來是紅色。

火星表面還有黑色的玄武岩,這些黑色玄武岩不會一直在那裡,有時黑色玄武岩會被紅色塵土覆蓋,當紅色塵土被吹散,黑色玄武岩又裸露出來。火星在南北兩極有白色的極冠,極冠是由水冰和乾冰組成,南北兩極的極冠會隨著季節變換而改變大小。

在火星上,除了兩極的白色極冠,還可以看見一些由冰晶組成的藍白色水冰雲。

壯觀的峽谷和火山

雖然火星的直徑只有地球的一半,不過火星上的峽谷和火山卻非常壯觀。

水手峽谷(Valles Marineris)長度約四千公里,這相當於美國的寬度,最深可達 7 公里,是太陽系裡最大的峽谷之一。火星表面有一座太陽系裡最高的火山:奧林帕斯山(Olympus Mons),奧林帕斯山是座盾狀火山,如果從附近的平原算起,它的高度約 26 公里。

圖/麥浩斯出版

比起荒涼死寂的水星和高壓炙熱的金星,火星似乎有趣多了!

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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披著喜劇外皮的警世寓言:《千萬別抬頭》背後的科學真相
PanSci_96
・2022/01/06 ・3626字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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2021 年底在 Netflix 上架的《千萬別抬頭》(Don’t Look Up)講的是一個彗星撞地球的故事,但這並不是一部普通的科幻災難片,而是帶有黑色幽默的諷刺電影,用來嘲諷拒絕科學、對科學冷漠的社會大眾。雖然製作團隊原先是想諷刺那些否認全球暖化的言論,但在 COVID-19 疫情肆虐的現在,恰巧也能影射抵制口罩和疫苗的行為、煽動對立的政治操作,以及人們對於社交媒體的過度依賴。即使整部電影看似穿插了不少笑點,仍能從中感受到一股壓抑和無力感。

《千萬別抬頭》還請來了星光熠熠的卡司陣容,包括李奧納多.狄卡皮歐、珍妮佛.勞倫斯、喬納.希爾和凱特.布蘭琪等多位奧斯卡得主。飾演美國總統的梅莉.史翠普更表示這是她拍過最重要的電影!

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《千萬別抬頭》的演員陣容十分豪華,主演群包括李奧納多.狄卡皮歐、珍妮佛.勞倫斯等人。圖/WIKIPEDIA

製作人亞當.麥凱(Adam McKay)希望這部電影能夠如實描繪科學事實以及科學家面臨的挑戰,於是,他邀請知名天文學家艾米.邁因策爾博士(Dr. Amy Mainzer)擔任電影的科學顧問。

邁因策爾博士現為亞利桑那大學月球與行星實驗室的教授、全球頂尖的小行星探測和行星防禦專家,以及 NASA NEOWISE(Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer)計畫的首席研究員,負責監督這項史上規模最大的小行星探測計畫。在 2020 年 3 月,計劃內的一名天文學家成功發現了一顆新的彗星,並且將它命名為 NEOWISE,就跟計畫名稱一樣。

Photo of Dr. Amy Mainzer
邁因策爾博士。 圖/NASA

科學家眼中的災難片

本片的科學顧問邁因策爾博士與北美天文學新聞網站《今日宇宙》(Universe Today)的編輯南西.阿特金森(Nancy Atkinson)聊了《千萬別抬頭》這部片,以及電影中的科學。

邁因策爾博士醉心於彗星和小行星的研究,所以她表示,自己非常喜歡隕石浩劫這類電影題材!非常開心能看到以彗星為主題的電影,也十分慶幸能夠成為災難電影的科學顧問。

雖然目前實際上沒有任何小行星或彗星運行在可能撞擊地球的軌道上,也沒有任何一顆即將撞上地球。但本片畢竟是科幻電影,需要設定一顆真的即將撞上地球的彗星,更像是「拋磚引玉」的功能。邁因策爾博士以「科學實在論」打造故事框架,希望觀眾重視科學家的警告,不再相信虛假的謠言。

而《千萬別抬頭》之所以涵蓋這麼多科學知識,是因為製作團隊對科學深感興趣,非常重視電影中的科學。因此電影畫面中,團隊設計的彗星既要符合電影的視覺需求,又要符合科學上真實彗星的樣貌。劇情不僅描述了發現彗星的過程,包括如何識別、確定彗星軌跡,還刻畫了科學家在探索未知事物時的反應。這不只描繪了科學家的形象,也告訴觀眾科學家是什麼樣的人,還有他們是如何傳播科學知識——有時很順利,但有時真的困難重重。

這部電影讓《今日宇宙》編輯印象最深刻的是,科學家試圖警告災難,卻沒有被當一回事。若是套用在氣候變遷和傳染病肆虐等全球議題上,這種冷漠的態度似乎有點太寫實了。

邁因策爾博士也認為,這齣電影想強調人們對於科學新聞的態度。就像《今日宇宙》編輯平時所從事的科普工作,將複雜的概念轉化為淺顯易懂的文字是很困難的,因為科學家慣用的詞語與日常生活中的用詞完全不同。

例如,「不確定性」(Uncertainty)代表測量結果是一個可能的數值範圍,而不是指我們不確定自己測量的是什麼。在不同的情境下,詞語意思也會不一樣,確實有可能造成溝通障礙——這只是其中一個例子而已。

對邁因策爾博士來說,這部電影講述的是科學家如何傳播知識,如何讓眾人瞭解這些知識,還有如何根據科學做出明智的決定。這樣的題材很有挑戰性,因為這是一部喜劇,希望觀眾可以在笑著看完的同時,能夠更加理解科學家們多麼努力想做到這些事,「可是也請容許我們偶爾做不到。」

陨石, 天空, 云, 火焰, 日落, 山, 人, 幻想, 数字艺术
《千萬別抬頭》希望透過反諷與幽默,能讓更多人抬起頭、睜開眼,開始關心環境議題。圖/Pixabay

幕後花絮:真正的 NEOWISE 計畫在做什麼?

其實,現實中新發現的 NEOWISE 彗星就是電影裡那顆彗星的原型。那是一顆長週期彗星,以驚人的速度從遠方朝太陽系飛來。邁因策爾博士在 2020 年 3 月發現 NEOWISE,7 月時它就接近地球了,就真的像電影中的彗星一樣,我們來得及反應的時間非常短。 

好消息是,我們已經開始監視那些能釀成全球性災難的近地小行星。以超過 1 公里的近地小行星來說,科學家已經找到了其中 90%,而且沒有一個會對地球造成威脅。

但長週期彗星就是另一回事了。比起小行星,長週期彗星相當稀有,但這不代表它們不存在。雖然科學家持續監測,還是無法推估總數到底有多少。在邁因策爾博士看來,任何物體接近地球的機率都不是零,我們需要獲得更多知識,才能做好準備,方法就是不斷尋找彗星和小行星,並且全面性地監測、追蹤。

邁因策爾博士也花了很多時間和導演討論小行星監測系統。當科學家們發現未知的小行星或彗星時,會透過這個系統比對所有已知的星體,如果確定是未知星體,系統就會公開觀測資訊,讓其他天文學家看見。從科學家的角度來看,他們努力地傳播科學資訊,但問題在於每個人對於科學的接受程度不同,這樣的矛盾在劇情中也有不少著墨。

電影中的科學家發現彗星只是湊巧,他本身並不是研究彗星的專家,但製片團隊仍花了不少時間呈現他們識別彗星、確定軌道,以及將結果轉告其他科學家的過程。雖然這畢竟是電影,多少美化了實際情況,但還是希望能藉此讓觀眾看見科學論證的嚴謹之處。

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NEOWISE 彗星 或音譯尼歐懷茲彗星 ,又稱為 C/2020 F3,是一顆具有接近拋物線軌道的逆行長週期彗星。圖/WIKIPEDIA

科學講述事實,但藝術掌管對事實的感受

本片中有許多大咖演員,他們才華洋溢,而且都有自信能展現出科學家感性的一面。他們都熱衷科學、關心科學在日常生活中扮演的角色,也相信如果人們根據科學做決定,就能找到更好的問題解決方法。邁因策爾博士還花了很多時間陪演員練習台詞,因為劇本裡有很多艱澀的科學術語。這麼做還有另一個好處,就是當他們沒有在聽博士講話時,博士可以表達身為科學家的感受,供他們揣摩。

邁因策爾博士一直覺得科學和藝術之間的關係很有趣。科學告訴我們事情的本質,但藝術掌管我們對這些事情的感受。這部電影呈現出科學家和大眾對於科學的看法:科學家想改變社會,以做出基於科學的決定,但也必須設法讓大眾傾聽科學的聲音——這種矛盾和拉扯,就是這部電影的核心所在。

科學家有所隱瞞?他們更想說個沒完

那些拒絕科學的大眾普遍認為 NASA 或政府隱瞞了一些事情,可是所有科學家卻都說,如果他們發現太空有危險物體,絕對會爬上屋頂告訴全世界。

如果換成是邁因策爾博士,她也會這樣做!當科學家學到新的酷東西時,就像一班人去了一趟很棒的旅行,回家後,他可能會讓其他人感到厭煩,因為他不斷提起旅行中的所見所聞。大多數科學家不會停止談論自身所學,因為他們熱愛這些知識,也希望其他人知道這些酷東西,或許他們就會因此愛上科學!

邁因策爾博士希望觀眾看完這部電影後,能夠理解科學家也是人,而且和一般人沒什麼兩樣。「作為科學家,我們經常遇到溝通方面的挑戰,但我們正在努力,而且我們不會放棄!」

圖/twitter @dobrienloml
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