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地球以外的家園–從電影〈星際效應〉說起
〈星際效應〉的開場劇情訴說著二氧化碳的排放再不控制,使全球暖化失控,極端氣候變成常態。現實上,雖然天文學致力於找到一些表面溫度可以讓液態水存在的超級地球,然而皆是「看的到,到不了」。我們不要等待奇蹟(或者蟲洞)來拯救正在墮入極端氣候危機深淵的地球。如果毫無行動,人類社會的永續發展可能就快到盡頭了。
 
 
〈星際效應〉傳達的訊息是 –不要等待奇蹟(或者蟲洞)來拯救正在墮入極端氣候危機深淵的地球。如果只有清談,毫無行動,人類社會的永續發展可能就快到盡頭了。
▲〈星際效應〉傳達的訊息是 –不要等待奇蹟(或者蟲洞)來拯救正在墮入極端氣候危機深淵的地球。如果只有清談,毫無行動,人類社會的永續發展可能就快到盡頭了。
 
星際效應的時代背景
 
在2014年11月上演的〈星際效應〉太空科幻影片,引起了各方的注意。這部片被譽為有若1968年的〈2001太空漫遊〉電影般的哄動,當時吸引了很多青年學子進入天文和太空探測的行列。因此世界各國的天文物理和太空研究組織,特別是美國NASA,都很期待這部有如超現實的科幻片也能夠帶來同樣的激盪。這部電影除了用很巧妙的技巧和手法表達了「黑洞」、「時空穿越」等深奧的理論外,也隱喻著很深的人文意涵和時代背景。

因為是好萊塢的產品,〈星際效應〉從頭到尾都散發著很濃郁的美國味道,就像是美國集體記憶的縮影。這部片開始述說著在不久的將來,由於氣候變遷加劇,全球都受到沙麈暴的威脅,農作物大幅枯毀,民不聊生,全世界都無法持續發展,人類再也活不了幾年了。

雖然歷史告訴我們,在1930年代美國中西部確曾發生過很可怕的沙麈暴,也差點引起全世界經濟大蕭條。然而,覆蓋全地球的沙麈暴有可能發生嗎?這當然需要氣象學家來說個明白。

其實觀諸地球以外的世界,例如火星,席捲整個星球的沙麈暴便經常發生,有如家常便飯。火星的大氣環境既寒冷又稀薄,而且地表大多是沙漠,因此容易產生沙塵暴。地球環境與它大不相同,產生全球沙麈暴的條件是否存在,可能是一個大問號。

惟根據美國的調查報告指出30年代沙麈暴的起因,大西洋和太平洋海水溫度的變化可能是影響降雨量和旱災區域的重要因子。如果二氧化碳的排放再不控制,使得全球暖化失控,極端氣候變成常態,全球性的沙麈暴就不是絕無可能,屆時地球便再也不適宜做為人類的家園了。因此如果不願坐困愁城,太空移民是唯一的選項,這就是〈星際效應〉的開場劇情。
 
 尋找適合移民的「超級地球」
 
自從瑞士日內瓦天文臺天文學家米歇爾.麥耶(Michel Mayor)和戴狄爾.魁若茲(Didier Queloz)在1995年用光譜儀發現了第一個太陽系以外的行星(系外行星)之後,至今已確定在銀河星系內有逾千個系外行星,其中有很大部分是由NASA的克普勒天文望遠鏡所發現。
 
克普勒太空望遠鏡找到的系外行星的一些例子,其中有質量和大小都比木星大的熱木星,也有和地球質量相似的超級地球。各示意圖上方標示的是天體名稱,下方則註明質量與地球質量(符號是RE)的比較。太陽系中的行星另以紅框標出。(圖片來源:http://kepler.nasa.gov/images/201205planet_size_comparison-full.jpg)
▲克普勒太空望遠鏡找到的系外行星的一些例子,其中有質量和大小都比木星大的熱木星,也有和地球質量相似的超級地球。各示意圖上方標示的是天體名稱,下方則註明質量與地球質量(符號是RE)的比較。太陽系中的行星另以紅框標出。(圖片來源:http://kepler.nasa.gov/images/201205planet_size_comparison-full.jpg)
外行星有些比木星質量大好幾倍,和母恆星的距離也非常接近,稱為「熱木星」,但也有些行星和地球質量相差不多,因此稱為「超級地球」。天文學家最感興趣的,是希望找到一些表面溫度可以讓液態水存在的超級地球,因為這是能否提供地球生命發展所需的重要指標。基於這個想法,用超大型30公尺級望遠鏡和新世代太空望遠鏡找尋與母恆星距離適中,而且表面有液態水的超級地球,便是未來10至20年間天文學研究的重點。

但縱使找到一些位在適居區內的超級地球,可能還是沒有辦法用望遠鏡直接確定大氣和地理環境是否容許人類存活。以太陽系為例,火星、地球和金星都位在適居區內,和太陽的距離也只相差一點點,環境的差異卻天差地別。如金星表面溫度高達攝氏四百多度,二氧化碳組成的大氣層內含有分量不少的硫酸。而火星的二氧化碳卻是稀薄得可憐,表面氣壓只有地球的0.6%,荒涼沙漠的南北極是由乾冰組成的極帽。

每當春季到臨時,火星的極帽快速蒸發,就引起漫天沙麈暴。事實上,因為其他行星的引力擾動,火星的自轉軸相對於黃道面的傾角約每隔十萬年便會周而復始地從十幾度增加到五十幾度,再回到十幾度。在這個過程中會造成極巨大的氣候變遷,有時還會有上萬年的冰河期,成為名符其實的冰行星,有時又會產生覆蓋整個火星的沙麈暴。
 
不同時間拍攝到的火星全貌。
▲不同時間拍攝到的火星全貌。
地球雖是得天獨厚,有著今日生物繁茂的榮景,惟若小行星和彗星在太陽系太初之時碰撞地球的次數較頻繁,地球表面的水分就會增加兩、三倍,而變成一個百分百的水行星,到處都是汪洋大海,完全沒有陸地,當然生物圈的發展歷程便會與今日大相逕庭了。
 
歐洲太空總署(ESA)羅賽塔太空船所攝彗星Churyumov-Gerasimenko的形狀。彗星成分富含水冰,可能是地球海洋的來源之一。(圖片來源:ESA/Rosetta/MPS)
▲歐洲太空總署(ESA)羅賽塔太空船所攝彗星Churyumov-Gerasimenko的形狀。彗星成分富含水冰,可能是地球海洋的來源之一。(圖片來源:ESA/Rosetta/MPS)
除了軌道位置會決定超級地球的大氣層和地理條件外,另一個關鍵因素是中心母恆星的演化過程。從數量以及恆星生命期的考慮,天文學家主要注意的是與太陽類似的G型恆星,或是質量更小的K型星與M型紅矮星。從天文觀測,我們知道這些低質量恆星在早期發展階段會有很強烈的磁場作用,不時產生猛烈的爆發,把高能帶電粒子和高速電漿注射到恆星周邊的環境中。

中央大學天文所的太陽系研究團隊的工作之一,便是利用克普勒太空望遠鏡的測量資料,針對比紀錄上最大的太陽閃耀能量還要大幾萬倍的恆星閃耀現象,進行詳細的統計分析,目的就在於了解這些恆星風暴會對系外行星的大氣層及氣候產生怎樣的長期影響。據研究,金星、地球和火星的原始大氣層曾因為受到太陽輻射和太陽風的影響,有很大幅度的質量流失和改變。因此早期的火星可能是四季如春,但因大氣層的流失而變成了今日的荒涼。

根據以上所述,要在眾多超級地球中找出可讓人類殖民的系外行星,實在是毫無把握,這就是為什麼在〈星際效應〉中會派出偵察部隊進行投石問路之舉。另一個實際的問題就是太空極其廣闊,即使離太陽最近的半人馬座毗鄰星都已達4.2光年之遙。在1977年發射的航行家一號太空船飛航了36年,才在2012年離開太陽圈的邊界進入恆星際空間,以它的速度約需要9,000年才能到達毗鄰星。

再一個問題是這顆星不一定有行星系統,更不一定有適宜人類居往的超級地球。假如天文學家終於找到一些可以殖民的系外行星,但都位於100光年之外,屆時縱使能以近光速飛航,最快也需要花兩百年以上的時間才能到達,真可說是「可望而不可及」啊。那這個長途星際旅行的問題要如何解決呢?
 
「蟲洞理論」縮短到超級地球的旅程
 
〈星際效應〉提出一個解決之道便是利用蟲洞理論。這理論述說,我們所處的時空可以用蘋果的表面來表示,假設蘋果表面上有隻毛毛蟲要到蘋果的另一端,牠可以不用沿著表面繞行大半圈的路程,而可以直接鑽過蘋果中心,那就表示從一端的時空通向另一端的時空了,這個可穿越時空的蟲洞出入口便是黑洞。〈星際效應〉影片中用了很多特效來交代這件事,化繁為簡的本事可說是科普教材的經典。

事實上這個樂觀的故事有個伏筆,也就是就算蟲洞理論正確,而且太空人可以安然無恙地穿越蟲洞作星際旅行,可是合適的黑洞在哪裡?

銀河中心有個超大的黑洞,它的質量約為太陽的數百萬倍。從雙星系統的X射線觀察,也可找到不少質量是太陽數倍的恆星級黑洞。根據天文學家的估計,全銀河系大概有近億個恆星黑洞。如果真的需要鑽蟲洞,看來也只能找這些恆星質量黑洞。但問題是目前已知最近的恆星黑洞,離太陽也有1,600光年的距離,要花多少時間才能夠到達這時光旅行的第一站呢?

〈星際效應〉的處理方法是(很神奇地)在土星旁邊放一個黑洞做為入口。電影看到這裡,便會開始擔心這個從天而降的黑洞會不會使土星系統受到干擾呢?影片中看到的土星環仍是卡西尼計畫看到的那般模樣,美麗結構絲毫無損。若要減小重力的影響,就需要質量小如彗星的微黑洞!但根據「霍金輻射」理論,這些微黑洞可能因為量子力學效應產生的輻射效應使黑洞蒸發。因此這橋段有點不明不白,感覺好像美國諺語所謂的「A can of worms」 ─ 留下一大罐彎來曲去,收拾不了的蚯蚓一樣。

就算是能成功到達系外行星,也不是絕對安全妥當。太空人隊伍所到的兩個星球,一個是大浪滔天的水行星,另一個則是冰天雪地的冰行星。除了有點像畫家吳冠中所勾勒的地貌景象外,並無可取之處。但這樣的場景倒是蠻可信的,因為行星演化模型中便容許這種惡山惡水的系外行星存在。

遵循好萊塢的一貫手法,主角谷巴卻可以通過蟲洞去到環境比較良好的第三個超級地球,重頭再來,創立新天地。這是〈星際效應〉向美國精神的禮讚。回想美國立國之初,移民歷盡千辛萬苦開發了西部,憑著一棟小屋和一畝田,以自耕農場(homestead)方式創建大好家園。在土星的谷巴太空站裡面的農場博物館,便是要喚起這種勇往直前的集體記憶。
 
人類永續發展必須起而行
 
然而,並不是每一個人都這樣樂觀。哈佛大學教授內奧米.奧利斯克斯(Naomi Oreskes)和埃里克.康偉(Erik Conway)合著的新書《西方文明的崩潰》(The Collapse of Western Civilization)大膽預言,由於全球暖化,南極大陸冰層終於在2093年全盤分裂,引起極可怕的氣候變化和社會劇變,美國經濟受到致命打擊,世界秩序也重新洗牌。這兩位作者對氣候變遷這個議題素有研究,如不是有感而發,大概不會做出這樣的論調。

因此〈星際效應〉傳達的訊息是 –不要等待奇蹟(或者蟲洞)來拯救正在墮入極端氣候危機深淵的地球。如果只有清談,毫無行動,人類社會的永續發展可能就快到盡頭了。一位研究南極地質學的紐西蘭科學家曾說,未來一百年的氣候變化會非常巨大,特別是當南極洲上面的冰殼整個浮起時,會發生難以想像的災害。雖然紐西蘭目前像是人間天堂,但災難發生時,將無法獨善其身。因此,紐西蘭政府非常重視氣候變遷這個議題。

事實上,臺灣的未來處境可能與紐西蘭相差不遠。政府各部門應該考慮如何以因應氣候變遷做為施政大方向,利用自己的文化傳承和道德標準,引導社會的正面思想和行動,使得世界能夠永續發展。若能獲得充裕的時間,就可以不用像〈星際效應〉電影般「臨時抱佛腳」,也才有機會破解時間旅行之謎,找到十全十美的超級地球。


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