卡西尼號:在土星環看見宇宙

To boldly go where no man has gone before. – Star Trek

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卡西尼號穿越土星與土星環之間時拍攝的土星表面大氣情況,可見一巨型風暴。Image courtesy of NASA.

地球時間2017年4月26號,環繞土星運行的卡西尼太空深測器,勇敢到達前人未境之地,穿越了土星與土星環之間。

這次俯衝,展開了卡西尼號最後任務的序幕。接下來幾個月,卡西尼號每6日都會俯衝土星與土星環之間一次。2017年9月15號,卡西尼號就會直接衝進土星大氣層,完成長達20年的任務。卡西尼號將會沿途收集土星數據,即時傳送回地球,直至土星大氣將卡西尼號壓碎一刻。

1997年10月15號升空的卡西尼號曾兩度探訪金星,借助金星重力使出天體力學絕技「重力助推」,金星重力就好像彈弓把卡西尼號彈射飛向外太陽系。然後它又掠過月球和地球、小行星2685以及木星,然後於2004年7月1號進入環繞土星軌道。

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卡西尼號拍攝的土星環。Image courtesy of NASA.

卡西尼號並非隻身探險,它身上帶著另一個探測器惠更斯號。2004年12月25號,惠更斯號與卡西尼號分離,並於2005年1月14號成功降落土衛六泰坦。惠更斯號把泰坦上拍攝的影像和所有科學數據傳送上卡西尼號,然後由卡西尼號傳回地球。這是史上首次降落於外太陽系天體的任務。

公元1655年,荷蘭天文學家克里斯蒂安・惠更斯(Christiaan Huygens, 1629-1695)提出,伽利略在1610年觀察到的土星「耳朵」其實是個環。惠更斯使用自製的折射望遠鏡發現了泰坦,繼伽利略發現木星衛星後首次觀察到其他行星的衛星。

1671年,法國天文學家喬凡尼・卡西尼(Giovanni Domenico Cassini, 1625-1712)發現了土衛三、土衛四、土衛五和土衛八。卡西尼也發現了土星環的一條主要縫隙,現在我們稱之為卡西尼環縫。因為卡西尼和惠更斯對土星的觀察和研究貢獻,他們成為了土星天文研究的代名詞。

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卡西尼號拍攝的土星全貌照片「The Day The Earth Smiled」。右下角的一點,就是地球。那天,卡西尼號拍下了地球的微笑。Image courtesy of NASA.

過去20年,卡西尼號收集了非常豐富的科學數據,使愚蠢的人類眼界大開。透過卡西尼號的眼睛,我們發現了土星7個新的衛星,更親眼目睹一個新衛星正在土星環之中形成;我們看見了泰坦上的液態烷河流;我們看見了30年一次的土星巨型風暴「大白班」狂暴地釋放輻射;我們看見土星極地的六邊型旋渦;我們發現土衛二南極地底可能有液態水海洋存在。還有更多、更多。

人類從12億公里外看見了地球,看見了我們自己。看見了人類在廣闊宇宙裡如何渺小、探索宇宙的夢想又如何偉大。

謝謝大家/那麼守時/來到這兒
我在土星的演唱會/現在開始
只要讓我在/土星環的基地
看你/看你/看到你
——《土星環》

謝謝您們,卡西尼號、惠更斯號,再見了。

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卡西尼號最後任務的軌道。Image courtesy of NASA.

延伸閱讀:

NASA卡西尼號最後任務網頁

封面圖片:卡西尼號拍攝的土星 (NASA)

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從外星生命淺談天文

講到行星科學、生命演化的時候,常會聽到這一句話:「地球是生命的搖籃。」很多年來,天文學家都努力尋找類似地球的行星,希望找到外星生命的證據。

我們可以用什麼方法找尋外星生命呢?

Pioneer10-plaque_tilt最直接的方法,當然是飛過去看看吧。人類的人造衛星已經探訪過包括冥王星在內的所有太陽系裡的行星了,其中旅行者一號和二號更在飛出太陽系的旅程中。不過,就算是不需帶備供人類使用的維持生命的物資和裝置,這些無人探測器也得花上好幾年的時間才能飛越太陽系的行星軌道,更不用說去探訪外太陽系的行星了。

在這些探索當中,最為人熟悉的應該是火星無人探索車好奇號吧。好奇號上配備了多個科學儀器,用以探測火星的土壤裡有沒有生命。而最簡單的方法,就是看看泥土之中有沒有某些由生命製造出來的有機化合物。不過至今結果都是:還未發現火星上有生命存在。

不過,有些科學家覺得,我們可能一直問錯問題。為什麼呢?首先,為什麼我們認為生命必然會製造出好奇號的儀器找尋的那幾種化合物?當然,這是經過科學家嚴謹考慮過的,因為好奇號能夠帶上火星的儀器有限,不可能把所有可能的化合物都一一尋找。而且,人類的數據當中,只有一個星球上的生命形態可以作為參考:地球。所以,好奇號的結果,其實並非「火星沒有生命存在」,而是「火星沒有會產生某幾種類化合物的生命存在」。

已經有越來越多人估計,外星生命的形態很有可能與我們地球上熟悉的形態非常不同。當然,其實我們對地球上的生命形態也不是很熟悉的:平均每天都有新品種被發現,其中大部分都是一些我們會稱之為「奇形怪狀」的深海生物。

就算是地球上的生命形式,牠們所使用的生存方法也可以非常不同、非常極端。例如人類,我們吸取氧氣,吃富含營養的食物,透過呼吸作用把食物中的能量抽取出來,以糖的形式儲存在身體之中。而我們熟悉的植物其實已經是使用非常不同的形式來提取能量:它們能夠以光合作用,直接把陽光從光能變成化學能,吸取二氧化碳來把養份變成澱粉 (讀 DSE 生物學的同學,以上的東西你應該要比我更清楚!)。而另外一些更極端的微生物,連海底火山口的高溫也能抵抗,牠們能以火山口的高熱作為能源。

地球上的生命形式雖然非常豐富、千奇百怪、應有盡有,但地球上所有生命都是用同一種方法繁殖:遺傳因子 DNA。至現時,從未發現一種生物的細胞內沒有 DNA。所以,你也可以說,地球上的生命形式其實也很單調。可是,人類連自己的行星上的生命都並不是那樣熟悉,我們對外星生命的推測也應該不會準確到哪裡去吧。

不過事實上又是不是這樣呢?

這樣就要靠另一個尋外星生命的方法,就是用強大的天文望遠鏡去找尋其他環繞太陽系的行星。我們稱這些行星為外太陽系行星。

首先你會問:「如何看得到外太陽系行星?」問得好,其實以現時的科技,我們是直接「看」不到這些行星的。最接近我們的太陽系的一個恆星系統 (即另一個太陽系) 叫做半人馬座 α,距離地球大約 4.2 光年。

光年是距離的單位,意思是光在 1 年內能夠到達的距離。光在 1 秒鐘內已經可以環繞地球跑 7 個半圈 (大約 30 萬公里)、1 秒鐘可以從地球到達月球、大陽光在 8 分鐘內可以到達地球 (所以我們看見的太陽其實是 8 分鐘前的太陽!)、在 4 小時內到達海王星的軌道 (所以如果你坐太空船飛出去,與地球上的人通訊時的延誤會越來越大,這可不是因為 lag 機,而是因為通訊電波也只能以光速傳播)。

hubble_in_orbit1光已經這樣快了,可仍然要跑 4.2 年才能到達最接近的另一個太陽系!事實上,半人馬座 α 並非只有一顆星,而是三顆!只是因為 4.2 光年的距離太遠,看上來三顆星就重疊在一起,要用高倍率的天文望遠鏡才能夠把它們分辨開來。可想而知,要看恆星已經這樣難了,何況不會發光的行星?而且,天文學家仍然未能夠「看」到恆星,用現時最強的哈勃太空望遠鏡看半人馬座 α,也只能看到三個光點,不能夠像看我們的太陽一樣,看到一個球體。

所以我們其實是「看」不到這些外太陽系行星的。天文學家其實是利用幾種不同的方法,間接的「看」這些行星。簡單來說,可以想像:為什麼看不到這些行星?當然是因為它們的恆星太光了,而行星只能靠反射恆星的光作為光源,所以被其恆星的光芒淹蓋。所以首先我們會看恆星來推斷有沒有行星系統存在。比起恆星,行星的質量雖小,但它們的引力也會對恆星造成一些非常細微的影響。天文學家如果看到恆星軌道有週期性的擾動,就知道一定是有一些「看不見」的行星在附近了。所以至少可以得知該行星的公轉週期之類的資訊。

然後,就是如果好運,行星公轉的軌道平面剛好在與地球的視線上,那麼當行星繞到恆星前面時,一部分的光就會被行星遮住了。所以除了公轉週期,天文學家也可以計算出該行星的大小和質量等資訊。

除此以外,試想像:如果該行星有大氣層,當行星剛好繞到恆星前面,行星的邊緣剛剛接觸恆星的邊緣時,恆星的光就會穿過行星的大氣層才飛到地球。當光線穿過大氣層時,就會與大氣層裡的份子互動,會被散射、吸收等等。與未有穿過大氣層的光比較,就可以知道大氣層的化學成份及其比例了!原理就是中學化學學到的光譜學,天文學家從這些光的光譜中的發射線和吸收線辨認出各式各樣的化學份子。

天文學家對外星生命的遺傳因子、提取能量的方法等等,老老實實,都只能「靠估」。不過,當我們知道一個星球的參數,例如大小、質量、化學成份 (好運才有……)、公轉週期等等,其實已經可以作出很多合理的推測了。

根據開普勒行星運動定律,知道行星公轉週期加上恆星的質量 (可以由其他方法計算出來,我會在以後其他文章中講解) 就等於知道行星的軌道資訊比如半徑和離心率等。如果你給天文學家這些數據,還是可以對該行星會否有生命、生命生存的形式之類,有個大概的合理推測。

首先,就是行星是否位於所謂的「適居帶」。當然, 適居與否也只是人類以我們的主觀經驗去推斷,不過應該都是一個很合理的猜測:就是看看行星距離恆星是否剛剛好可以令水以液態存在。為什麼要液態水呢?水是一種頗為穩定的化學物質,它可以在生物體內擔當溶劑、潤滑、恆溫等等的作用。當然,就像前面提到,外星生命不一定使用液態水去做上述的功能 (而且也可能不需要這些功能),但以存在液態水的前提去尋找外星生命,能夠提供一定保證。所以,適居帶的大小和行星軌道就很重要了:離恆星太近,水就會蒸發掉;太遠,水就會結成冰。

其次,就是行星的軌道離心率。離心率越接近 0 (例如地球),其軌道就越接近正圓形 (正圓形是剛好等於 0)。圓形軌道有什麼好處?就是行星與恆星的距離穩定,一旦在適居帶內就不會離開,所以在一年內不會太熱也不會太冷。這樣對生命的持續演化很有幫助。試想像,如果一個行星在其公轉一週時,有時候與恆星距離很近、有時候則很遠 (即是高離心率),行星上的生命也會對如此極端的氣候感到無所適從吧。

然後,就是行星的大小與質量。行星太小,其重力就會很弱,無法留住厚實的大氣層。大氣層是非常重要的,因為不管外星生命需要大氣裡的什麼成份來生存也好,沒有大氣層就不能抵擋恆星風吹來的高速粒子和高能量幅射。地球擁有頗厚的大氣和磁場,幫助地上的生命阻擋了絕大部分這些危害生命的太陽風和宇宙射線,例如紫外線和帶電粒子等。要是沒有大氣層 (和其中非常重要的臭氧層) 和磁場照顧你們,地球上的生命,早完蛋了。

但是,太重的行星也不行。因為太重的行星,其核心就不會像地球的那麼活躍,所以磁場就會很弱;而且重力太強也會令大氣層變得太厚,陽光無法穿透,地上和海裡的生命就難以吸收能源。當然,牠們也可以從其他途徑取得能量,例如地熱。所以,科學家會推測,在這些大型行星上,如果有生命存在,很可能是在地底深處。

我們還有很多合理的想像空間。該行星如果太大,變成好像我們太陽系裡的木星、土星等的氣態行星,就可能沒有陸地,更不用說海洋了。不過,如果其表面重力、溫度等等條件適中的話,就有可能產生出微生物、甚至好像水母般的生命,牠們浮在半空之中,在其雲層之間尋找食物。有可能嗎?為何不可?也有可能由於行星比地球重,雖然有陸地,但其重力比地球強,所以上面的生命都比較笨重,因為需要較強的體質去支撐身體重量?當然,「笨重」都只是地球科學家的主觀感覺而已。

近年有研究指出,比地球大少許的行星,如果其環繞的恆星比我們的太陽暗一點點,可能更有利於生命的存續和演化。他們認為,一來這樣的恆星比我們的太陽壽命長很多 (是的,越輕越暗的恆星反而更長壽,這一點我會在以後的文章討論),生命就有更多時間慢慢演化。我們的太陽現在約 50 億歲了,天文學家計算它應該仍有足夠核燃料,繼續發光另一個 50 億年。而一顆比太陽輕少許的恆星,壽命更可達幾百億年之久!

二來,由於這樣的行星比地球大少許,其上面就可能不會像地球一樣,形成一個巨大的海洋。更可能的是,上面會是一整個大陸,在陸地上會有很多巨型的湖、河川、溪谷等等的地形。一些生物學家已經指出,這樣的地形更有利於生物多樣化。而生物多樣化的其中一個優點,就是很多生物之間互相依賴更多,食物鏈也就更穩定,較少機會出現像地球上的「一種生物滅絕引起的滅絕連鎖反應」。換句話說,即是該行星上的生物系統不會像地球的那麼脆弱。而種種這些優點,就更有利智慧生命的發展了。

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長久以來,很多人都希望找到外星生命。可能,我們在宇宙之中雖小如微塵,但我們的心靈卻嚮往無垠的宇宙,渴望找到其他文明,一起分擔我們的孤單。

說到這裡,天文學家其實早已計算過,在宇宙中有可能存在多少外星文明。這是一條非常簡單的公式,叫做德雷克公式 (Drake equation)。簡單地說,就是計算行星會發展出生命的機率、生命能夠順利演化的機率、能夠成功演化出智慧生命的機率等等,再把這些機率乘以宇宙之中的行星數量,就是智慧文明的數量了。當然,沒有人知道上述每一個數字的真正數值。不同的人,使用不同的方法去估計這些數字,代入公式後得出的數目都有所不同。但,就算你用非常非常保守的數字去計算,也不難得出「我們並不孤單」的結論。

上面的片段,是我非常尊敬的天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996),在他的電視紀錄片《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 之中,關於人類尋找外星生命的一段說話。內容理性、又不失感情,我很喜歡,所以與各位分享。

我還有非常多的天文學可以和讀者分享。下一次,我們就來嘗試看看,一顆恆星的一生究竟是如何演化、而太陽的演化又是如何影響著地球上的生命。

延伸閱讀:

科普:行星.生命.演化