一個全新的太陽系–對行星與小型天體的觀察與認知
97/06/11
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葉永烜｜
中央大學天文研究所教授
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
美國伽利略號太空船 1989 年從地球出發，1995 年飛進木星軌道。木星雖是太陽系外行星（exoplanets）裡面距離地球最近的一個，但伽利略號太空船光是飛行就超過 6 年，由此可見太陽系的外行星離地球有多遠。
根據模型計算，不同外行星的內部構造都差不多，裡面有一個相當於 10 個到 15 個地球質量的核心，成分是水、冰及石頭。這些核心可能是小彗星在太陽系剛形成時，經由混合慢慢累積形成的，且其質量與體積和外行星差不多。
1995 年天文界首度證實，銀河裡有非常多的系外行星環繞其他恆星運行，現已發現 200 多個，這是相當重要的突破。有一個說法認為，類似天王星、海王星這類外行星循其軌道運行時，如果走到較靠近中間恆星的地方，受恆星輻射照射加熱的影響，表面氣體會因為溫度上升而散失。當表面溫度夠高時，冰會融化，表面變成海洋，最後變成與固體行星、氣態行星不同的第三類行星「水行星」。如果變成水行星，想必裡面的生物圈會很有趣，如果有高等生物在裡面形成，會是什麼樣子呢？
冥王星遭除名
太陽系除了太陽外，還包括繞行太陽的行星（planets）、小行星、彗星，以及繞行行星的衛星（moons）。從太陽開始依序往外排列的是水星、金星、地球、火星、小行星帶、木星、土星、天王星及海王星。其中水星、金星、地球及火星是固體行星，屬於內行星；木星、土星、天王星及海王星是氣態行星，屬於外行星。
地球到太陽的距離在天文學上稱為1個天文單位，簡稱 1 AU。在海王星軌道外，離太陽約 40 AU 到 60 AU 的區域，有很多由幾十到幾百公里大小不等的冰和石頭混合形成的小星體，稱為「古柏帶物體」，那裡是短周期彗星的來源。走到更外圍，大約 3 萬到 4 萬 AU 的區域是「彗星原鄉」，是長周期彗星的來源。由彗星的軌道分布可知，整個太陽系被圓形的彗星河圍繞，因此有另一個延伸揣測認為，或許每一顆系外恆星都有彗星河環繞。
在海王星軌道外的冥王星，是美國一位天文學家在 1930 年發現的，美國人很高興，把它當成第九顆行星。可是最近發現，在它的軌道範圍附近還有一些大小不一的小星體，若把它們全都當成行星，可能有數萬個或更多。這問題在 2006 年的國際天文學會中提出討論，該會為太陽系行星下了一個新定義：「必須是主宰該區域的軌道動力學的主要星體才能定義為太陽系裡的主要行星。」顯然冥王星不符合這個新定義，因此已從行星中除名，現在稱為矮行星。
由此還可推斷，2005 年發現的，比冥王星更遠、更大的第十顆「行星」，應該也無法得到認同，因為類似星體在更外圍地方可能還有十多個。雖然目前不了解這些星體是如何形成的，但在太陽系外圍發現越來越多小星體後，已經使得科學界對於太陽系的看法越來越不一樣。
到歐羅巴尋找生命跡象
對於衛星的認識，早期的人只知道月球是地球的衛星。1610年義大利人伽利略（Galileo Galilei）以自行研製的光學望遠鏡觀測，發現伊奧（Io，木衛一）、歐羅巴（Europa，木衛二）、甘尼米德（Ganymede，木衛三）、卡利斯多（Callisto，木衛四）等4顆繞著木星轉的星體，後來統稱為「伽利略衛星」。接著又發現所有外行星都有自己的衛星。1970 年後，人類開始發射太空船至外行星附近照相，並用不同儀器測量，使得近 30 多年來大家對於外行星衛星系的觀點又大幅改變。
超過 6 年才飛到木星軌道的伽利略號太空船，以 2 年時間繞著木星轉，目的是觀測木星的內部構造、大氣層和它的衛星。一個主要發現是：木星的衛星伊奧，其表面的火山活動是全太陽系最活躍的，它很熱，表面有斑點，這些斑點應來自活火山的硫磺物質。活火山產生的大量二氧化硫不但布滿表面，還散播到整個木星系統。
有時候伊奧走進木星影子裡，太陽光照不到它，照理說太空船的望遠鏡也看不到它，可卻依然看到亮光。這是因為木星上稀薄的大氣層圍著火山口，當火山口噴出的氣體碰撞木星大氣層的高能帶電粒子時，帶電粒子受到激發而射出光子，因此有亮光。
歐羅巴是木星的第二顆衛星，表面光滑，當太空船靠近時可以看到許多條紋。經過移動比對後推測，可能它的表面像地球的南北極一樣，曾經有不少冰山在海水上漂浮，因此推測表層的冰塊下應有一大片地下海洋。這個「歐羅巴底下可能有地下海」的揣測，令行星科學家相當興奮，他們透過重力和磁場測量後認為，在木星的多個衛星的冰層下極可能有融化的水，而其下面應該是密度較高的地心。可是這些冰層究竟多厚呢？可能幾公里、幾十公里，也可能幾百公里，沒人知道，使得在歐羅巴尋找生命的研究相當困難。
到泰坦尋找生命起源
美國與歐洲合作的「卡西尼－惠更斯」（Cassini-Huygens）太空船在 1997 年發射升空，2004 年 6 月進入土星軌道，成為繞著土星走的人造衛星，計畫以4年時間觀測土星的不同衛星。同年 12 月，由這艘太空船載運、歐洲太空局擁有的「惠更斯泰坦大氣探測船」登陸「泰坦」（Titan，土衛六）。由於這艘大氣探測船上載運了多種科學儀器，因此能在泰坦大氣層降落過程中得到大量資料，藉以增進對泰坦大氣層的了解，這是卡西尼計畫的最重要目標。
大氣層由氮氣形成的泰坦是土星的最大衛星。由於在生命未出現以前，地球大氣層也是以氮氣為主，因此要了解地球生命的起源，泰坦相當於一個自然博物館，可以告訴我們地球在生命尚未出現前的情況。科學界對泰坦格外感興趣的原因是，除了氮氣外，那裡還有一點甲烷，而甲烷加氮經化學作用會產生大質量有機分子，這些分子很可能就是產生生命之前所需要的。這是探測船為何登陸泰坦的原因。
當年在籌備「卡西尼－惠更斯」計畫時，科學界的想法是：泰坦大氣層歷經幾十億年受太陽光照射而起化學作用，遺留下來的大分子會像下雨一樣沉下去，可能在表面累積一、二公里厚。若以泰坦表面的壓力和溫度推測，累積在表面的物質很可能不是固態而是液態。因此在發射卡西尼太空船時，甚至在到達泰坦時，一個主流的揣測是：泰坦表面很可能是汪洋一片。但經實際觀測後得知，絕大部分的泰坦表面是由冰塊組成的冰冷世界，溫度約 90K（攝氏零下 183 度）。
泰坦大氣層接受光合作用後，裡面的甲烷經化學作用所形成的複雜分子是氣膠。氣膠會反射太陽光、吸收太陽光，使得整個泰坦大氣層非常不透明，因此只能用雷達照射才能得到地面構造的影像。一個令人振奮的消息是，卡西尼太空船的雷達儀器在 2006 年 7 月觀測泰坦北極時，發現有大小湖泊散布其間，小的寬約 0.6 英里，較大的寬約 20 英里。人類終於發現在宇宙穹蒼中的其他地方也有湖澤的存在。
卡西尼計畫的明日之星
當初設計卡西尼計畫時，泰坦是主要的目的地，沒想到一顆不太起眼的土星衛星「恩希拉德斯」（Enceladus，土衛二），反而成為卡西尼計畫的明日之星。恩希拉德斯的直徑約 500 公里，表面有些地方看起來很老，也有很多像彈坑的地方，可能是太陽系形成時遺留下來的；而有些表面非常平滑，表示那些地方仍很年輕。由於整個表面的反射非常亮，很可能表面是由冰組成的。
卡西尼太空船在 2005 年 7 月飛過恩希拉德斯時距離其表面僅 100 多公里，用紅外線觀測溫度分布時發現一個奇怪現象：最高溫度不在赤道，而在南極。更有趣的是：其表面有非常細的表形條紋，條紋旁有噴流，噴流裡面除了水氣，更有大小約1微米的冰塊。這使得恩希拉德斯像個大彗星一樣，從地裡不斷地跑出氣體與塵埃。
至此得到一個結論：恩希拉德斯的表面下可能有融水。最合理的解釋是：因為有融水所以有高壓，高壓造成的噴流，甚至連旁邊冰的塵沙也一起帶出來。這就表示，距離表面不遠處，可能數十公尺下面便有融水。
過去的看法認為，歐羅巴的冰層底下有融水，因而幻想裡面可能有生物，可是冰層到底多厚很難查證。觀測恩希拉德斯以後，推測它的融水處可能只在表面下幾十公尺，於是情況變得不一樣，大家對它下面是否有生物的研究興趣相當高。不過仍有一些問題，因為它是土星的衛星，比木星更遠，大概再等 20 年才可能有飛船去那裡尋找生物。
沒有光合作用也能活
尋找外星生命是天文研究領域中相當熱門的活動，然而地球上許多與生命有關的知識，我們也是最近才知道的。譬如原本以為一切生物都靠光合作用取得養分，如果照不到陽光，生命就無法延續。但是海底下數公里的火山口，噴出來的水溫高達數百度，科學家已在火山口的地氣出口處發現有趣的生物圈。這些生物圈只在海底，地面上找不到，裡面的生物靠化學作用取得養分。
另在臺灣中部車籠埔地震斷層 2 公里下取出的樣本中，竟然也有微生物；有些地方鑽到 6 公里下面，仍然找得到微生物。更令人訝異的是，以平均 1 公斤石頭含若干重量的微生物計算，全地球地下 5 公里以內的微生物總重量，會比地表上所有生物的總重量還重。
把地底下的微生物探樣做 DNA 分析後發現：牠們在高溫中才能生存，放到低溫中會死亡。因而出現一個想法：或許這些地底下的微生物是地球生命出現的第一代生物。也就是說，地球剛形成時表面溫度很熱，只有這些微生物存活，待地面冷卻、海洋出現，溫度慢慢降低，牠們才退到地底下。
循著這說法科學家進一步聯想，有可能歐羅巴的地底下、海底下也發生類似事件。這些想法令地質生命科學家充滿興趣，而這也是當初美國一些太空科學家想到歐羅巴尋找生命的原因，他們想在冰層很多的地方鑽洞，然後放下潛水艇去尋找生命。可是這個昂貴計畫可能遇到阻礙，因為美國太空總署想把這筆經費挪到在火星上尋找生命和推動太空殖民的計畫！
火星生命應該在地底下
火星是從太陽開始往外算的第四顆行星。1996 年，美國太空總署科學家發現一塊火星隕石表面上有一些微細形狀，據他們推測，可能是火星微生物遺留下來的化石。過去幾年來，許多科學家都在爭論這個說法是否正確，姑且不論真相如何，眾多科學家、生物學家、大氣地質學家對火星發生興趣，就是這塊隕石引起的。
火星表面極端乾燥，常被大量的沙塵暴肆虐，沒有生命跡象，但是很多地方有大峽谷，似乎表示過去有一段時間曾被大量融水沖蝕過。目前觀測到的說法是：火星的大氣很少，壓力是地球的 1％，無法阻擋會破壞 DNA 的宇宙射線和紫外線，如果有生命存在，應該在地底下。此外，又觀測到火星大氣層的主要成分是二氧化碳，冬天時，北極區有由二氧化碳形成的許多大小冰帽，春天會消失，到了秋冬又再凝結。如果有融冰，可能藏在南北極地底。
綜合這些資訊，科學家推測出另一個想法：未來太空人在火星上建立基地後，必須維持生命，因此要找水，若要找水，必須走到極區附近鑽洞找水，這時可以附帶尋找隱藏在地表下的生命（微生物）。
天文生物學 未來無可限量
卡西尼太空船的種種發現，使得科學家相信到外星球尋找生命的起源與演化不再是幻想，同時更促成「天文生物學」（Astrobiology）的興起。
這是行星科學研究領域中一個新的重要學門，它結合了天文太空發展及生命科學的知識，除了探討地球外，還要探討別的星球是否也有生命發展的可能性。這個研究領域的未來發展無可限量，有興趣投入者，除了天文知識外，還需具備物理、化學、生物、地球科學等的基礎知識。
