Category 太空天文

發現系外行星

浩瀚宇宙中，地球是唯一具有生命的星球嗎？光銀河系內就有一千億到四千億顆恆星，環繞它們的行星中，難道沒有其它生物、甚至不亞於人類的高度文明嗎？要尋找外星生命，得先找到環境條件適合生命發展的行星。 問題是，行星本身不會發光，即使反射來自恆星的光，若非距離地球過於遙遠而無法看見，就是被恆星本身的光芒遮蔽。我們要如何發現太陽系以外的行星？ 徑向速度法 長久以來，天文學家普遍相信我們不可能發現系外行星，不過1995年11月的《自然》期刊上，卻刊登了瑞士日內瓦大學的梅爾（Michel Mayor）與奎洛茲（Didier Queloz）的論文，宣稱他們在50光年外的「飛馬座51」恆星發現一顆行星，並指出其軌道半徑與質量。 他們是怎麼做到的？ 原來行星環繞恆星公轉時，兩者之間的重力作用會使恆星輕微擺動，恆星的徑向速度（接近或遠離地球的速度）也因而有所改變，以致光譜譜綫分別會有藍移和紅移效應，而且是週期性的變化。梅爾和奎洛茲便是藉此得知飛馬座51有顆行星，並推算出該行星的質量大小與軌道半徑，他們兩人也因此獲頒2019年的諾貝爾物理學獎。 不過這個方法無法讓我們對行星有更多瞭解，例如它是像地球這樣有岩石的類地行星嗎？是否有大氣層？大氣組成是什麼？溫度多高？這些都有助於尋找有生命可能的行星。 凌日法 1980年代，任職於NASA的博如基（William Borucki）提出尋找系外行星的另一種方法：凌日法。當系外行星橫過恆星朝著地球這一面時，會擋住一小部分恆星射向地球的光，根據觀測到的亮度減少程度，便能推算該行星的大小。再配合徑向速度法獲知的質量，便可算出其密度，知道它是哪一種行星。 此外，恆星的光穿過行星的大氣層時，大氣層中的元素會各自吸收特定頻率的光，使得觀測到的光譜出現不同暗線，便可以得知行星的大氣成分。 不過凌日法不一定都能用得上，行星軌道相對於地球的觀測角度必須在一定範圍內，才能觀測得到。1999年11月5日，天文學家用徑向速度法判定，飛馬座裡距地球約150光年的恆星HD 209458有一顆行星，質量為木星0.7倍（相當於地球的220倍），並預測這顆編號為HD 209458 b的行星即將橫過恆星與地球之間。 田納西州大學的天文學家亨利（Gregory Henry）得知後隨即進行觀測，果然在11月7日與14日都觀測到HD 209458的亮度下降1.7%，因而算出行星HD 209458 b的體積是木星的2.5倍，因此是個氣態巨行星（又稱類木行星），大氣成分含有氧和碳。 在此同時，哈佛大學的博士生夏博諾（David Charbonneau）也正在撰寫論文，準備發表他在九月就已用凌日法確認了HD 209458 b的一些性質。結果他們兩人的論文同時發表在下個月的天文期刊，這是人類首度掀開系外行星的神秘面紗，同時也為凌日法揭開了序幕。 從那時至今2024年10月為止，恰好滿25年，所發現的系外行星已有5,780顆，其中最近的是4.2光年外的比鄰星b，它所環繞的比鄰星也是離我們最近的恆星。有趣的是，比鄰星b是2016年才發現，但2006年就連載的科幻小說《三體》，已經設想和半人馬座α雙星組成三星系統的比鄰星，存在三體人所居住的行星。 2021年底發射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，主要用途之一就是研究系外行星的大氣層，藉此發現與地球相似的「超級地球」，因為這不但最可能有外星生命，也很可能適合人類居住，且讓我們拭目以待吧。 參考資料：

「我們為全人類和平而來」

格林威治時間1969年7月20日20時17分，阿波羅11號的登月小艇成功降落月球，完成史上前所未有的壯舉。不過比起這個歷史時刻，6個多小時後，阿姆斯壯於7月21日02時56分踏上月球表面，更讓大家印象深刻。尤其他當下說出的：「這是個人的一小步，卻是人類的一大步」更是傳頌至今。 （實際上他說的是：“That’s one small step for (a) man, one giant leap for mankind.”，漏說了”a man”的”a”。） 阿姆斯壯日後回憶說這句話是他在降落後自己想到的，像是下意識地或是在背景中就這麼冒出來。（” I thought about it after landing,……, just something that was kind of passing around subliminally or in the background.”） 嗯，通常所謂下意識或潛意識並不會無中生有。我個人猜測，這或許是登月小艇上的一片金屬牌匾埋下的種子。 如照片所示，登月小艇下降段的梯子上有塊約23公分長、19 公分高的不銹鋼牌子，上面雋刻了東、西兩半球的世界地圖，以及這幾句話： 「西元1969年7月，來自地球的人首次踏上月球。我們為全人類和平而來。」 “HERE MEN…

最先提出宇宙大爆炸的人

1927年10月，第五次索爾維會議（Solvay Conference）在比利時召開，當代的物理學及化學巨擘齊聚一堂，留下的團體照堪稱史上最多天才的合影。一位就在比利時魯汶天主教大學（Catholic University of Leuven）任教的神父勒梅特（Georges Lemaître），趁地利之便來到會議地點，鼓起勇氣走向愛因斯坦，攤出自己針對廣義相對論中的重力方程式所做的計算，而得出的解所代表的物理意義竟然違背大家的認知：宇宙並非穩定狀態，而是正在膨脹！ 愛因斯坦聽了之後，淡淡地告訴勒梅特：幾年前俄國物理學家弗里德曼（Alexander Friedmann）就曾寫信給他，也說空間曲率可能為負（代表宇宙向外擴張）。他當時就表示並不苟同，如今也是。愛因斯坦告訴勒梅特：「你的計算雖然正確，但你的物理學仍很拙劣。」 勒梅特雖是神父，在數學與天文學可是學有專精。勒梅特出生於130年前的今天（1894年7月17日），他青年時就立志當神職人員。他1920年在魯汶天主教大學取得數學博士學位，三年後成為神父；任職前，他先到劍橋大學跟隨愛丁頓（Arthur Eddington）研究天文學與最新的宇宙學理論。 愛丁頓是最早將愛因斯坦的廣義相對論論文翻譯成英文，向英語世界推介的人。也是他於1919年遠赴非洲觀測日食，才讓原本備受質疑的廣義相對論獲得證實，並被大家接受。他絕未想到勒梅特這個獻身神職的學生，不久後竟會顛覆愛因斯坦的想法。 勒梅特在劍橋大學做待了一年後，又到美國哈佛大學的天文台待了一年，1925年返回母校擔任兼職講師。他在1927年向愛因斯坦展示的發現，其實是他這年稍早就已發表的論文，只不過他是以法語發表在比利時的期刊，所以沒有受到注意。 1929年，美國天文學家哈伯發表論文，指出他對遙遠星系的觀測顯示：越遠的星系以越快的速度遠離地球，代表所有星系都在彼此遠離，也就意謂著宇宙正在膨脹。愛因斯坦不得不改變自己的看法，接受宇宙膨脹。愛丁頓也幫忙勒梅特將論文翻譯成英文出版，並在1931年發表評論，盛讚為解決宇宙學問題的「絕妙解決方案」。 勒梅特隨後受邀至英國科學協會（British Science Association）演講，他進一步主張宇宙是從一個「原始原子」擴張而成，也就是如今所稱「大爆炸」模型的濫觴。但這個激進的想法再次令愛因斯坦感到不悅，就連愛丁頓也難以接受。倒是教宗庇護十二世在1951年宣稱，大爆炸理論為天主教的創世說提供了科學上佐證。但勒梅特本人卻反對這種說法。他認為大爆炸本身是中性的，既不支持也未駁斥他的宗教信仰，不應將兩者連結在一起。 大爆炸理論之後經由加莫夫（George Gamow）等物理學家的努力益發成形，最後在1964年，貝爾實驗室的兩個工程師意外發現宇宙微波背景輻射後，終於獲得證實。隔年，勒梅特即因病過世，享年71歲。 勒梅特對宇宙學做出如此重要的貢獻，知名度卻一直遠遠不如其他科學家。包括早在哈伯提出「哈伯定律」（星系遠離地球的速度和相對於地球的距離成正比），以及代表宇宙膨脹速率的「哈伯常數」之前，勒梅特早就在1927年的論文中推導出此一關係式，卻未能獲得正名。即使國際天文學聯合會終於在2018年將哈伯定律更名為「哈伯-勒梅特定律」，至今一般人仍習慣用哈伯定律稱之。 其實科學史上有許多類似的例子，最早的發現者或發明者其實另有其人，無奈卻鮮為人知。不過勒梅特或許並不在意，因為他中年後即轉而研究純數學，追求更純粹、更形而上的真理。 參考資料：

當太空從美蘇爭霸轉為群雄並起

今年的台北國際電腦展（COMPUTEX 2024）眾星雲集，NVIDIA、AMD、Intel、Qualcomm等世界級晶片廠商的執行長都親自來台，堪稱台灣近年來最受矚目的科技盛會，尤其黃仁勳更是颳起搖滾巨星般的旋風，每天佔據了媒體版面。其實就在這一週，太空探索也是熱鬧非凡，而且頗具意義，值得國人關注。 首先是中國繼2019年的嫦娥四號後，今年6月2日嫦娥六號再度登陸月球背面。嫦娥六號的著陸器完成土壤採樣後，於6月4日從月球表面起飛，兩天後成功與軌道器會合並轉移樣本。一旦順利返抵地球，將是人類首度取得來自月球背面的樣本，有助於了解月球的形成與演化。 接著是波音公司的星際航線太空船（Starliner）。2012年，波音和SpaceX同時贏得NASA的載人計畫，但SpaceX早在2020年就載送太空人往返國際太空站與地球，波音的Starliner卻因各種故障而不斷延誤。今年6月5日，Starliner終於成功發射升空，將兩名太空人送到國際太空站，讓NASA之後的計畫更無後顧之憂，也等於正式宣告商業太空飛行又多了一個玩家。 緊接著，SpaceX於6月6日進行星艦（Starship）的第四次飛行試驗。星艦是可重複使用的重型運載火箭，包含超級重型推進器與載人飛船兩部分；NASA預計用於重返月球的「阿緹米斯計畫」（Artemis program），馬斯克更寄望用它來進行火星移民計畫。 第四次飛行試驗中，推進器的33個發動機在升空時有一具故障；降落時需用到13個發動機，又有一具未能點火，但仍飛到預定高度並順利降落海面。而脫離推進器的飛船在重返大氣層時，雖然有些隔熱瓦脫落，前襟翼也因過熱而部分結構受損，但仍成功轉身，完整地濺落於海上，達成回收目標。這次試驗為人類再度登月以及星際飛行又邁出重要的一步。 兩天之後，維珍銀河（Virgin Galactic）在6月8日進行第七次的商業太空飛行，四名私人乘客搭乘維珍銀河兩位太空人所駕駛的團結號太空船（VSS Unity），抵達次軌道體驗失重狀態後平安返回。雖然這是團結號最後一次飛行，但維珍銀河將打造下一代太空船，不會在商業太空旅行中缺席。 **** 6/2到6/8這短短的一週內，來自不同機構的四艘太空船陸續完成具有相當意義的飛行任務，令人目不暇給之餘，似乎也極具代表性地象徵著：太空已從美蘇兩個強權爭霸，邁向群雄並起的時代（別忘了印度的「月船3號」(Chandrayaan-3) 也在去年7月成功登陸月球南極，而且只花了7,500萬美元）。 我不禁想起今年三月到佛羅里達參觀甘迺迪太空中心的遊客園區，看到「火箭花園」豎立著從1958年發射美國的第一顆衛星，一直到2000年發射火星探測車，等等功成身退的火箭。這固然是緬懷過去榮光的紀念，但從另個角度看，卻也是美蘇太空爭霸時代的悼念墓園。 （火箭花園中陳列的火箭如下： Juno I：1958年發射美國的第一顆衛星；Juno II：1959年發射美國第一個脫離地球軌道的探測器先鋒四號掠過月球；Delta：1960年將表層鍍鋁的巨型氣球送上一千公里處的地球軌道，完成首度的越洋電視轉播；Mercury-Redstone：1961年將美國第一位太空人薛帕德送上180公里高的次軌道；Mercury-Atlas：1962年將約翰·葛倫送上250公里的地球軌道，成為美國第一位在太空環繞地球的人；Atlas-Agena：1961年至1965年多次發射月球探測器遊騎兵號，拍攝月表照片為登月做準備；Gemini-Titan II：原本為洲際飛彈而設計，1965、66年發射雙子星號太空船，完成對接任務；Saturn 1B：在阿波羅計畫中一直用到1968年發射首度載人的阿波羅七號，1970年代又用於載送太空人到太空站；Delta II：1989年開始進行一百五十多次任務，包括發射GPS衛星，及2000年代發射火星探測車精神號與機會號。） 當然，更多國家與民間機構加入太空探索，絕對是件好事。事實上，除了這些檯面上的大咖，還有許多較小公司也競相投入低軌衛星這類較不需要龐大資源的太空產業。天下文化在今年二月出版，由《鋼鐵人馬斯克》作者范思（Ashlee Vance）所寫的《太空商業時代》便介紹了其中四家先驅，有興趣的讀者可以買來看看。 從這些已在太空產業取得相當進展的公司身上，或許可以省思在群雄並起的太空商業時代，我國應有怎樣的定位與策略。

NVIDIA下一代架構叫Rubin，她是誰？

NVIDIA今年才剛推出新的GPU架構Blackwell，沒想到黃仁勳在6月2日的演講中就預告了下一代GPU架構”Rubin”，屆時還會搭配新的CPU “Vera”。 NVIDIA自1998年開始就用科學家為自家產品命名，例如2022年便以「COBOL之母」Grace Hopper的名字與姓氏分別做為CPU與GPU架構的名稱，這次宣布的下一代產品也是如此，Rubin與Vera正是天文學家薇拉．魯賓的姓氏與名字。 求學 魯賓於1928年7月23日在費城出生，父母親都是來自東歐的移民，兩人在貝爾電話公司工作而認識相戀。魯賓10歲時，全家搬到華盛頓特區，就在這裡，她開始對天文學產生興趣；她日後回憶12歲時常常熬夜看著窗外的星空，彷彿生活中沒有比每晚看星星更有趣的事。在父親的協助下，她用紙板和透鏡做了個簡陋的望遠鏡，繪製星星的軌跡。對天體運動的著迷自此成為她一生探索宇宙奧秘的驅動力。 高中畢業時，老師特別叮囑魯賓說女生不適合科學工作，但她仍不顧勸誡，最後於1948年從凡薩女子學院（Vassar College）畢業時，是全校唯一主修天文學的畢業生。魯賓畢業後隨即結婚，夫婿是她大學時到海軍實驗室實習所認識的軍官，大她兩歲，兩人白頭偕老一輩子。 魯賓原本就不想當個家庭主婦，她向普林斯頓大學索取研究所簡章，無奈普林斯頓從不招收女研究生（這個慣例直到1961年才打破，天文所更是遲至1975年才有第一位女學生），魯賓等不到回音，想說既然先生在康乃爾大學攻讀化學博士，乾脆也跟著去康乃爾大學讀研究所，結果兩人有幸蒙費曼（Richard Feynman）與貝特（Hans Bethe）這兩位諾貝爾獎得主親炙。 全職媽媽 vs. 學術研究 魯賓的碩士論文研究的是包括銀河系在內的諸多星系，是否也是繞著某個中心點旋轉，就像太陽系的行星繞著太陽轉那樣。但當時普遍認為這在如此大的尺度下不會發生，魯賓的碩士論文因此接連被兩份期刊拒絕，從此再也沒有刊出，只在美國天文學會1950年的會議上做過口頭報告。 其實那次原本是她的指導教授要上台報告，畢竟魯賓即將臨盆，而且也不是天文學會的會員。但魯賓仍堅持親自發表，於是她產後三週就帶著嬰兒，與父母一起於風雪中驅車前往六百公里遠的會場。不過辛苦奔波並未因此獲得回報，全場聽眾唯有德裔美籍天文學家馬丁·史瓦西（Martin Schwarzschild，其父親是算出黑洞臨界半徑的卡爾·史瓦西）一人表達支持之意，但他也只能鼓勵她收集更多資料才能令人信服。二十多年後，天文學家才發現超星系平面，一如魯賓的預言。 碩士畢業後，魯賓在家當個全職媽媽，但她仍無法忘情於天文學。推著嬰兒車去公園時，她會帶著天文物理期刊去讀，有一天她意識到這樣下去會永遠錯失研究，當下決定繼續攻讀博士。 在丈夫的支持下，已懷了第二胎的她於1951年進入喬治城大學，這是他們所居住的華盛頓特區唯一有天文研究所的學校。不過教授得知她想研究的題目後，建議她找就在附近喬治·華盛頓大學任教的加莫夫（George Gamow，為宇宙大爆炸提供重要的理論基礎，並預測宇宙微波背景的存在）當指導教授。 1954年，魯賓完成博士論文，再次提出迥然不同的主張：星系並非一般所認為的隨機地均勻分布於宇宙中，而是成塊成塊的聚在一起。結果得到的反應和之前的碩士論文一樣，幾乎沒有人相信，直到十五年後學界才正視她的論點。 魯賓拿到博士學位後先到一所社區學院教了一年書，再回到母校喬治城大學，花了十年時間從副研究員一路升到副教授，這期間她還得花費時間和心力照料四個小孩。1965年，她加入華盛頓卡內基研究院（Carnegie Institution of Washington，現改名為「卡內基科學研究院」），在這裡結識了未來最重要的合作夥伴福特（Kent Ford）。 暗物質 福特專門致力於研發光譜儀與光電倍增管，並將它們與天文望遠鏡結合，可以更精確地觀測天體運動的都卜勒效應（光源遠離我們時，波長會拉長，因此光譜移向紅色端，稱為「紅移」；光源朝我們移動時，波長會變短，光譜則移向藍色端，稱為「藍移」。）。由於偏移幅度與光源相對於我們的速度成正比，福特所設計的光學儀器便可更精確地計算出光源的移動速度，這對一直以來研究天體運動的魯賓無疑是最佳幫手。 鑒於自己之前的論文違背主流觀點卻又缺乏有力證據，魯賓這次把目標瞄向離我們相對近又明顯的螺旋星系——仙女座星系，這裡面的恆星大致上都是繞著星系中心轉動，因此從地球看來，一側的恆星轉動方向朝向我們，另一側則是遠離我們。藉由觀測它們藍移或紅移的程度，便可計算不同區域之恆星的軌道速度。 由於螺旋星系的大部分質量集中於中心區域，在重力的作用下，越靠近中心的恆星，其軌道速度應該越快，越外圍的則越慢；太陽系的行星也是如此。然而魯賓和福特對仙女座星系進行觀測後，卻得到出乎意料之外的結果：外圍恆星的軌道速度竟然和中間區域的恆星一樣快！ 魯賓和福特先在1970年發表仙女座星系的觀測結果，接著再繼續觀測更多螺旋星系，結果發現都和仙女座星系一樣，從裡到外的恆星都有著差不多的軌道速度。這和物理理論完全違背，該怎麼解釋？ 魯賓想起瑞士天文學家茨維基（Fritz Zwicky）曾在1933年提出一個主張，他認為后髮座星系團的質量不足以維繫邊緣的星系如此高速的軌道速度，因此必定還有看不見的暗物質提供額外的引力，否則邊緣的星系早就四散了。但只有重力卻沒有其它作用力的暗物質實在太匪夷所思，茨維基的大膽假說一直未被認真看待。 如今魯賓和福特發現這麼多的星系中恆星的軌道速度都是均勻平坦的，除了星系中充斥暗物質再無其它更好的解釋，可說是第一個具有說服力的證據。他們兩人於1980年發表論文，指出暗物質確實存在，並且質量是一般物質的5到10倍（目前估計全宇宙有5%是一般物質，暗物質則占26.8%，另外還有68.2%是暗能量），自此，暗物質才獲得學界的正視。 1992年，魯賓又發現一個前所未見的天文奇景：NGC 4550星系中有部分恆星和星塵是順時針運行，其餘則是逆時針運行，打破同一星系中的恆星都是同一方向運行的傳統認知，而這也成為星系合併的第一個證據。 榮耀與肯定 雖然做出這麼多開創性的重大發現，魯賓卻始終未能獲得諾貝爾獎，讓許多人都大抱不平，而她於2016年過世後更是沒有機會了。不過她的成就有目共睹，因此還是獲得許多獎項與榮耀，包括： 1981年成為美國國家科學院院士（她是第二位入選的女性天文學家）； 1993年獲得美國國家科學獎章；…