尋找其他的世界

陳文屏 (中央大學天文所及物理系)

本文原載於靜宜大學通識教育中心「新聞深度分析簡訊」

第55期,1998年9月4日

引言

我們孤獨嗎?除了地球以外,還有別的地方有生命嗎?宇宙當中,只有我們在問這些問題嗎?

這些是人類自古以來的疑惑,而在企圖回答這些問題的時候,我們也一步步地更加瞭解自己,以及我們這個文明在宇宙中的地位:什麼叫做別的地方?那些地方遵循和地球一般的生活法則嗎?什麼叫做生命?我們是怎麼來的?在宇宙別的地方,也會出現類似的生命嗎?而如果有,我們要如何在浩瀚無邊的星河裡,找到他們呢?這些長久以來僅屬於宗教與哲學範疇的問題,如今我們已經能夠用科學的方法,試圖加以探討。

目前天文學家對太陽系的起源,認為像太陽一般的恆星是從一團雲氣裡形成的,雲氣由於自己的萬有引力而收縮,溫度升高而在中央形成恆星,這些恆星靠著核子反應產生能量,而能夠自行發光。行星則是恆星形成過程中的副產品,是圍繞在恆星周圍的小天體,有的是氣體做的,有的是石頭或冰塊做的。換句話說,地球、火星,以及土星、木星、彗星等等天體,都是和太陽一樣,從同一團雲氣當中,大約在同一時期產生的。這也表示,我們行星系統的存在並不是個偶發事件;應該有很多恆星周圍都有行星才對。

在太陽旁邊的一塊石頭行星上,孕育了我們這種生命,這顆行星(地球)繞著太陽運行,從形成到演化都取用這顆恆星(太陽)的能量,距離不能太近、也不能太遠,而必須保持適當的距離,否則行星上的溫度不是太熱,就是太冷。天上的恆星有的發光能力很強,有的只有微弱的光芒。天文學家對恆星的研究,知道發光能力比太陽強很多的恆星,它們的壽命短,在千萬年間便耗盡所有能源,然後以劇烈爆炸的方式結束一生。另一方面,對於發光能力比太陽弱很多的恆星,雖然它們的壽命很長,但是它們周圍保持適當溫度的距離範圍非常小,因此不容易出現適合生命發展的行星。

天文學家相信,只有類似太陽的恆星周圍才有機會出現像地球上的這種生命,這種恆星的壽命大約是百億年。在地球上的眾多生命,直接或間接都仰賴太陽的能源以生生不息。由於能夠使用恆星的能源(例如植物的光合作用),使得生命的演化得以恆星的生命尺度進行,也才有機會發展出智慧文明。

雖然過去幾十年的天文學研究,以及太空船探測任務,至今仍然沒有在太陽系其他的行星上面,找到生命。但有越來越多的證據,讓科學家相信浩瀚星河中,有非常多的恆星其周圍可能存在適合生命發展的環境。

由於行星本身不會發光,因此要在別的恆星周圍發現行星極為困難,過去幾年,由於觀測設備與技術的突飛猛進,天文學家已經在別的恆星周圍找到行星。雖然到目前為止還沒有發現生命的跡象 ── 我們仍然是唯一已知的生命 ── 但是可以預見我們會發現越來越多這些天外的世界。或許有一天我們會找到極為高等的外星人,或許會在太空的另外一個角落發現非常原始的微生物,也或許我們到頭來還是找不到其他的生命。不管尋找的結果如何,在過程中我們益發瞭解自己的源頭,也更加體會到自己在宇宙社會中所扮演的角色。

外星生命的家──太陽系以外的行星

宇宙的空間非常廣闊,時間也是源遠流長,以致於我們往往覺得任何事情似乎都有可能發生。自有文明以來人類就思索自己來自何處,以及是否另外有世界存在的問題,而這些長久以來僅屬於宗教與哲學範疇的問題,如今我們已經逐漸能夠用科學的方法,試圖加以探討。

為了估計外星生命存在的可能性,我們不妨以目前已知的地球生命為範本來推敲答案。當然,我們目前只知道一種生命,至於生命可能存在的其他形式,我們只能基於現有的知識,做主觀的猜測。我們這種生命的起源與發展所在的環境,是一顆大小適中的行星(地球),繞行一顆溫度適中、穩定輸出能量的恆星(太陽)。這顆恆星已經存在了幾十億年,讓生命有足夠的時間形成,並且演化成越發複雜的形式,而終於產生了智慧文明。在這裡智慧文明的定義是會思考外星生命的問題,試圖找出答案,並且具備與其他外星文明聯絡的能力。

首先,在太陽系的各個天體中,除了地球以外,還有沒有其他地方有生命存在呢?科學家除了利用地面上以及太空中的望遠鏡,觀察其他的行星以及它們的衛星以外,還利用太空船前往探訪。尤其針對環境與地球類似的天體,例如火星或是外行星的一些衛星(像是土星的泰坦衛星),尋找與生命有關的環境(像是存有有機化合物或液態水),更是探索的重點。在本文中我們不談這些研究的成果,而把距離放遠一點,探討除了繞行太陽的各個行星以外,其他地方還有沒有行星呢?夜空之下點點繁星,其中有哪些星,它們的周圍有行星呢?這些行星當中,有沒有適合生命發展的環境呢?在這當中有哪些實際上產生了生命,而又有多少演化出高等文明,也正像我們一樣在思考這個問題呢?

地球是目前發現唯一有生命的天體。

下面我們先談行星是怎麼來的。我們會發現,其實非常多的恆星周圍應該都有行星存在,但是要偵測到這些行星卻極其困難。我們將介紹科學家如何克服這些困難,而在最近取得了輝煌的成果。

半雲半塵之間──恆星的起源

恆星與恆星之間的廣大空間裡,其實並不是完全真空的,而存在了各式各樣的氣體與灰塵,這些物質會因為本身的萬有引力,而有向內收縮的趨勢。隨著雲氣收縮,一旦溫度上升,壓力也跟著上升,因為壓力是一種向外膨脹的趨勢,因此能夠抵銷向內的萬有引力,如果向內與向外的力量平衡,雲氣就不再繼續收縮。但是要是這團雲氣包含的物質夠多,也就是萬有引力夠大,或者是雲氣的旁邊發生了星球爆炸等現象,雲氣就會受到擾動而開始快速塌縮,如此塌縮的雲氣就是恆星和行星的起源。

太陽系就是這樣形成的。在塌縮的雲氣裡,物質不斷掉往中心,因此中心的密度會越來越高,壓力及溫度也越來越大,當中心溫度高到(大約是一千萬度左右)足以產生核融合反應(主要是將氫氣融合成氦)時,便能放出能量來抵抗塌縮,一顆恆星於焉誕生!至於不在中心的雲氣,由於雲氣旋轉的關係,會在收縮的過程中形成扁平的結構,但是溫度不夠高到點燃核子反應,而只會將附近的塵埃顆粒吸附在一起,漸漸地形成一顆顆的行星,而在行星周圍則形成衛星。

一團旋轉的雲氣 (a) 因為自己的萬有引力而收縮 (b),中央形成恆星 (c),外部則收縮成扁平的盤狀結構 (d)。在盤狀雲氣中,小天體彼此凝合 (e),而形成行星 (f)。

因此,恆星和行星其實是同一個時期、由同一團雲氣所產生的。由於太陽只是銀河系中一顆普通的恆星,因此天文學家相信有很大部分的恆星,其周圍也都有行星繞行。直到不久以前,天文學家都還只能停留在「相信」的階段,我們所知道的行星系統仍然只限於太陽系這一個。這是因為要偵測到別的恆星周圍的行星非常的困難。

大海撈針、銀河撈星──尋找行星的困難

直接觀測到行星的最大困難在於行星本身不發光,同時行星跟恆星比起來實在太渺小了。舉太陽系為例,木星是太陽系中最大的行星,其體積超過地球的一千倍, 但是和太陽比起來,可就小巫見大巫了,因為太陽的體積又比木星大了將近一千倍。行星本身不發光,我們之所以看到它們是因為行星反射了太陽的光線。從地球上看,太陽的亮度約為木星的一百億(10,000,000,000)倍。這相當於一百萬個一萬瓦的強力探照燈與一個一瓦小燈泡的比例。

現在想像一下,如果從鄰近恆星的位置,來看太陽與木星,會看到什麼情形?因為天體之間的距離很大,在天文裡我們常用光年作為距離的單位,一光年就是光線在太空裡行走一年的距離,差不多是十兆公里。離太陽最近的恆星,其距離也有四光年多,以時速一千公里的噴射機,要花五百萬年的時間才能飛越這樣的距離。比起來,木星與太陽的距離是地球與太陽距離的五倍,光線行走這樣的距離只需要四十分鐘的時間。因此如果把太陽與最近那顆恆星的距離比喻成一公里,那麼太陽與木星之間的張角便相當於一公分(手指頭的寬度)。換句話說,想要看到鄰近恆星周圍的行星,所面對的困難,有如在一公里外,清楚地分辨出百萬個一萬瓦的探照燈與一瓦小燈泡的差別,同時這兩盞光相距只有一公分!

凡走過的,必留下星跡──萬有引力的擾動

由於直接觀測實在太困難,天文學家便利用萬有引力擾動的方式來間接推測行星的存在。其中的原理,可以用下面這個例子來說明︰在雙人的花式溜冰中,常有互繞旋轉的動作,此時在他們溜過的冰上,會出現兩條交錯的弧線,就好像把兩枝原子筆綁起來,同時畫圓所產生的條紋。其中弧線彎曲的程度,和兩個人的體重有關係。

恆星和行星因為彼此萬有引力的影響而互繞旋轉。因為恆星與行星的質量相差極大,因此有如一位相撲選手和一位小朋友在表演花式溜冰。當它們互繞時,小朋友會繞著大圈運動,而相撲選手則只在原地作微小的游動(其實相撲選手也在繞圈,只不過圓圈小得多)。當我們觀測遙遠的恆星,如果這是一顆單獨的恆星,那麼它的運動軌跡會是一條直線。而如果這顆恆星是和另外一個天體互繞,那麼這顆恆星的軌跡就會「繞圓圈」。和它互繞的那個天體的質量越大,該恆星所繞的圓圈就越大。如果那個天體是顆行星,雖然我們無法直接看到這顆行星,卻可以藉由測量恆星運動受擾動的程度,來推測行星的存在。

過去數年當中,天文學家利用這種方法,在大約十顆恆星的周圍找到可能存有行星的證據。到目前為止所發現的太陽系之外的行星,都比地球大許多,而和木星差不多,這是因為以目前的儀器與技術,還無法偵測到大小如地球般的行星,對恆星運動所造成的擾動。值得一提的是,在偵測到擁有行星的恆星當中,距離我們最近的只有十五光年。也就是說,如果在當地已經演化出像我們這樣的文明,那麼他們就已經收聽到了我們從七十年以前開始向四面八方散播出去的無線電廣播了!(要是他們收到的是電視連續劇 ── 當然,是十五年前發射出去的 ── 說不定會無法判斷地球上住的到底算不算智慧文明,一笑。)

除了行星的萬有引力造成恆星運動的擾動以外,還有其它的方法可以偵測到行星,例如如果行星的軌道面恰好和我們視線的方向一致,那麼當行星運行到正好擋住恆星的那段時間(機會當然極小),恆星發光的表面被擋住了一部份,因此來自恆星的光就會變暗一些。但是這些都只是間接的證據,科學家總是希望「眼見為憑」,而這長久以來直接觀測行星的願望,終於在最近實現了。

它抓得住星──哈柏太空望遠鏡的影像

一群天文學家在一九九七年底利用放在太空裡的哈柏太空望遠鏡,第一次直接拍攝到了可能是行星的影像。這顆行星原來屬於一個雙星系統(也就是兩顆恆星互相繞著旋轉),位於天空一塊稱為「金牛座」的區域當中,距離我們約450光年。太陽的年齡已經有五十億年,而此雙星系統的年齡則大概只有30萬年,所以是一個極年輕的系統,也因此在周圍還殘留了一些製造恆星與行星後剩下的雲氣。

在雙星系統的周圍當然也可以形成行星,但是大家不妨想像一下,三個人一塊兒花式溜冰的情形。據估計這顆行星的質量大約是木星的2到3倍,這和恆星比起來小很多,因此在這種環境之下,這顆行星就被雙星系統拋了出來,距離恆星大約廿小時的光程。也由於與恆星有相當的距離,我們才能看得到這顆行星。

哈柏望遠鏡發現一對形成不久的雙星(圖中上方)拋射出一顆行星(下方偏左)。

能夠成功觀測到行星的關鍵,部份原因是因為從太空觀測,免於地球大氣晃動的干擾,因此可以得到清晰的影像,另一個原因則是在紅外線波段觀測。我們前面提到太陽與木星的亮度差別,是在可見光觀測的結果。要是在紅外線(波長比可見光長)觀測,因為木星溫度比太陽低,亮度的差別就會比較小。因此在紅外線觀測比較有利於偵測行星。

這個在金牛座發現的天體,到底是真正的行星,還是其他可能的天體,仍有待天文學家進一步確認。但是在偵測別的世界的能力方面,我們毫無疑問已經跨入了嶄新的紀元。

眾裡尋星千百度──尋找天外天、人外人

找到行星當然不意味找到生命。天文學家目前在星際雲氣以及隕石等天體當中,發現很多包括胺機酸在內的複雜分子,表示在與地球迥然不同的惡劣環境中,也有機會跨出生命形成的第一步,也就是從簡單的原子、分子,逐漸建構出複雜的(有機)分子,進而形成簡單的生物,而再演化成為複雜的生命體。科學上的證據顯示,在地球(與太陽一起)形成後不久,就已經出現了第一批生命,但是後來花了數十億年才進化到目前的文明階段。也就是說恆星必須要存活數十億年以上,才有可能在行星上發展出跟地球現在一樣的文明。(此處我們不談「創造論」與「演化論」的辯證。如果你相信創造論,造物者是否也以相同的方式造出別的世界呢?)如果在某些環境中,所有的反應都非常快速,以致生命乃至文明都得以在短時間內 ── 就說百萬年吧 ── 出現,而要是這些文明消失的速率和他們出現的速率一樣快,我們要如何知道這些文明存在呢?又如何和他們取得聯繫呢?

天文學家發現質量越大的恆星,中心溫度越高,核子反應速率越快,釋放能量的效率越高,亦即發光能力越強。但是這樣的恆星雖然擁有比較多的燃料(氫),卻因為消耗的速率非常快速,其存活的時間反而比質量小的恆星來得短。舉個例子來說,太陽可以緩緩的照耀共一百億年,而對於質量是太陽十倍的某顆恆星,它明亮的程度會超過太陽的一萬倍,但卻在數千萬年間就燃燒殆盡,最後爆炸身亡(真應驗了紅顏薄命的說法)。換句話說,即使在這顆大質量恆星的周圍形成了類似地球的行星,那麼早在最簡單的生物出現之前,行星就已經毀滅了。所以我們優先尋找的,是類似於太陽質量的恆星。

行星繞行恆星的距離,也對生命的發展有關鍵的影響。越靠近恆星的行星,溫度會越高,而越遠離恆星的行星,溫度就越低。適合生命發展的行星必須要有適中而穩定的溫度,這樣物質才能順利反應,生成複雜的分子,而又不被破壞掉,也才能有某種液體介質幫助加速化學反應、散播初期生命的種子,同時提供生物營養、排泄等功能。我們賴以生存的地球,平均溫度就介於水的沸點與冰點之間。在新發現的行星當中,有一些以狹長的橢圓軌道繞行恆星,如此一來,行星沒有穩定的溫度,對於生命形成與發展是非常不利的。

在以沙岡 (Carl Sagan) 的小說為藍本的電影「接觸未來」 (Contact) 裡,這句有名的台詞:「如果浩瀚的宇宙中只有我們,那豈不是太浪費空間了嗎?」,讓我們的好奇心(試圖尋找別的世界)與責任感(試圖維持地球的文明,這樣才能一直找下去,也讓別人找得到我們)越發深重。如果你相信有外星文明,你覺得我們應該等著他們來找我們,還是我們應該主動去找他們?而要是找到了呢?這倒不一定是面對面的接觸,我們也可以收看他們的電視節目嘛!另一方面,要是我們真的是唯一的文明 ── 或者是第一代的文明之一,而各文明之間還沒有機會彼此聯繫 ── 我們有心理準備,面對這著無邊際的孤獨感嗎?

本文部分架構及一些資料由中央大學天文所研究生徐毅宏提供。有關太陽系以外行星的研究,可以參考http://www.extrasolar.com/ 的網站,在美國加州舊金山州立大學物理系的網站 http://www.physics.sfsu.edu/ 則可以找到利用萬有引力擾動尋找行星的研究成果。