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15 巨行星及其衛星 (The Giant Planets and Their Satellites)
我們太陽系裡的4顆巨型行星 ── 木星、土星、天王星及海王星 ── 和我們熟悉的四個靠裡面的岩石質行星有很大的不同。巨型行星由於質量大，可以保有由氫氣及其他輕元素所構成的大氣，因此成份類似於原始的太陽星雲（整個太陽系是由其所製造出來的）。巨型行星中體積最大、同時也是離太陽距離最近的木星尤其如此，因此木星提供我們一個巨型的天然實驗室，讓我們檢視早期太陽系所發生的化學變化。泰坦衛星是土星最大的衛星，它的大氣裡正在進行的化學反應，和我們認為在生物出現之前的地球上面所發生的反應很相似。因此研究這一部分的太陽系似乎和我們的主題很吻合。
巨型行星因為質量大，得以維持光環、龐大的行星系統，以及圍繞在它們四周的強大磁場。如果我們能乘坐探測艇穿過這些巨大、如星球一般的行星大氣，而向中心駛去，我們將會發現這些行星沒有固體表面，而只有愈來愈濃密、滿是氫氣的大氣，繼續深入則進入液體，然後（可能）才會遇到固體物質。我們在此並沒有討論冥王星，因為它不是一顆巨型行星。冥王星是顆小型的冰體，大小是月球的3分之2，另外還有顆更小的衛星，叫凱倫 (Charon)，凱倫有個稀薄、包含了甲烷的大氣層以及表面上斑駁的灰暗物質。從幾個方面來看，冥王星很像海王星最大的衛星崔頓 (Triton)，因此在1989年「航海家2號」飛越崔頓所發現的一些現象，在冥王星上也大有可能存在。這兩個小型的冰體世界告訴我們有機化學在極不平常的情況下也可以發生，雖然在我們討論過星際物質（第4章）之後，這其實不太令人感到意外。
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<飛往太陽系外圍的太空船> (Spacecraft to the Outer Solar System)
在1970年代初期，美國送出先鋒10號和11號兩艘太空船，在多年的航程後，飛越木星以及（先鋒11號）在1971年9月飛越土星。這兩艘來自地球的機器使者仍繼續向外航行，直到完全脫離太陽系。這些太空船誠然是「先鋒」，提供了我們有關木星與土星的首批近距離觀測的資料，但是我們對外太陽系的暸解，大部分來自「航行家號」太空船為時12年的發現之旅（圖15.1及圖15.2）。兩艘航行家號分別在1977年的8月及9月發射，於1979年抵達木星。接觸的重頭戲包括在木星的一顆衛星上發現了活火山，也發現了行星周圍的光環，以及木星粉蠟般的彩色雲帶（彩圖15）所顯示的極多樣的氣象變化。這其中最有名的是「大
紅斑」(Great Red Spot)，從地面上就清楚可見，但是「航行家號」的影像揭露了更多其他小型的風暴系統，被大氣的氣流吹襲而繞著自己的中心旋轉(圖15.3)。
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圖15.1 由於每176年才有一次巨型行星的有利排列，1977年發射的航行家號太空船才得以從地球出發，在12年內航經木星、土星、天王星，及海王星。由於決定讓航行家1號飛近泰坦衛星，因此造成它離土星太遠而無法獲致足夠的「重力助推」，航行家1號也因此無法調整軌道飛往天王星與海王星。
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圖15.2 兩艘航行家號太空船分別像卡車一般大小，它們配置了許多儀器、電腦，以及核子發電機。用來與地球通訊的巨大碟型天線長約4公尺。
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在兩艘航行家號經過木星的兩年後，太空船到了土星附近（圖15.4）。航行家號遠離家鄉，在離太陽相當於地球到太陽10倍遠的地方，勘查了土星的衛星、土星的光環，以及土星本身。航行家1號近距離飛過泰坦衛星（泰坦擁有比地球還濃厚的大氣），所以無法拜訪其他行星，而像先鋒號太空船一樣，飛離太陽系。但航行家2號則因為能夠近距離經過土星，得以利用行星的重力將太空船推往天王星，而在1986年1月抵達天王星。結果發現這個遙遠的天體並無特色，但是它其中一顆叫做米蘭達 (Miranda) 的衛星雖然體積很小（半徑250公里），卻擁有壯觀的縱谷與其他特徵，顯示它有非常劇烈的歷史。
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圖15.3 木星的直徑是地球的11倍，大氣的條狀雲帶和行星旋轉的方向平行。大紅斑的大小有25,000公里，起碼已經存在了好幾個世紀（見彩圖15及圖15.8）。
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航行家2號於1989年8月經過海王星系統。海王星絕對比天王星上相，它擁有一個大型、灰暗的橢圓雲區，很像木星上的大紅斑（圖15.5）。海王星的情形和天王星一樣，我們在海王星上也發現大氣化學的證據；即使離太陽這麼遙遠，行星大氣中的甲烷仍被轉變成更複雜的分子，而形成吸收紫外光的煙霧。一顆不尋常的衛星再度吸引我們的注意：崔頓(Triton) 是顆比冥王星稍大的冰體，在它表面有垂直上噴的雲柱，上面則覆蓋了氮與甲烷。表面的溫度只有37K！
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圖15.4 這幅航行家2號的土星影像顯示土星的上層雲層要比木星來得均勻（見圖15.3）。
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在經過崔頓之後，航行家2號繼續向太陽系之外駛去。但這並未結束我們對外行星的探測。在1989年10月發射的「伽利略號」 (Galileo) 太空船預計在1995年12月抵達木星，在途中則將拜訪金星及一顆小行星（圖15.6及圖11.9）。伽利略號包括了一具軌道船，以研究這顆最大行星的磁氣圈、眾衛星、光環，以及大氣；另外還包括一具探測器，將降入大氣層，測量組成、壓力、溫度，以及偵測閃電放電的現象。探測器的任務歷時不到1小時，但軌道船則將循著一系列的軌道花兩年的時間繞行木星。
一項類似的任務，稱為「卡西尼─惠更斯」(Cassini-Huygens)已經獲得歐洲及美國的太空總署通過，將在1990年代末期發射前往土星。同樣也有軌道船及探測器，但是這次任務的探測器將被送入土星最大的衛星，泰坦衛星的大氣層裡。目前的行程預定在2004前抵達，接著展開為期4年的時間來研究衛星及磁氣圈。為了暸解為什麼會有這麼頻繁的任務，讓我們檢視一下我們到目前為止從這些奇妙、遙遠的天體學到了些什麼。
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圖15.5 航行家2號也同樣在海王星發現鮮明的雲層系統，正如木星一般，但是沒有木星
那種粉蠟般的色調。
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<巨型行星的組成> (The Composition of the Giant Planets)
我們可以由一個簡單的電腦實驗開始：試想有一團和太陽及其他恆星相同的化學混合物，我們讓這些元素，以所有可能的方式彼此結合形成分子。假如設定適當的壓力與溫度，我們便能模擬當巨型行星在原本製造太陽系的塵氣中形成的時候，其大氣裡的狀況。這個實驗所預測的主要化合物和木星及其近鄰的大氣組成相吻合，其中包含了甲烷、阿摩尼亞、水蒸氣，以及到處充斥的氫氣。（氦氣含量也很多，而氖的含量則與阿摩尼亞約略相等，但是因為氦與氖不參與化學反應，因此在我們這裡的討論不需要太注意它們。）
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圖15.6 由於伽利略號太空船沒有配備像航行家號系列太空船那般有威力的發射載具，伽利略號太空船被迫採用一條複雜的航線，迂迴前往木星。但是在輾轉的路程中，因為它將與金星及葛司帕拉（譯注：951號小行星；見圖11.9）相遇，而會有額外的科學收穫。
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現在把這些氣體和內行星的後生大氣相比較。所有原先的氫氣與氦氣早都已經從這些小天體逃逸，所以剩下的是二氧化碳，而不是甲烷（除非有生命存在），是氮分子而不是阿摩尼亞。由於水仍緩慢而持續地被太陽的紫外線分解，因此氫氣仍不斷逃逸。正如我們已經談過的，除非有生命，否則沒有機會從此再度創造出豐富的氫成份。木星、土星、天王星以及海王星顯然擁有原始的大氣，這些大氣由太陽系的原始物質所製成，而從45億年前製造出來後就一直保留至今。
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實際上，這些巨型行星的大氣必定混合了從太陽星雲裡取得的氣體，以及構成行星核心的冰凍微行星所保有的氣體。隨著太陽星雲裡冰體的聚集，這些核心不斷長大，直到大到可以自周圍的太陽星雲吸引住一團氣體包層。在它們長大的同時，也由冰體內封鎖住或冰凍住的氣體製造出自己的大氣。此種方法無法封鎖住氫、氦，以及氖，但是一氧化碳、氮、甲烷與阿摩尼亞則可以。從周圍的太陽星雲吸住氫之後，來自冰凍核心的原始一氧化碳及氮氣便被轉化成甲烷及阿摩尼亞。於是，相較於完全由太陽成分所構成的大氣而言，現在大氣裡的甲烷及阿摩尼亞含量會比較高。這個情況在天王星及海王星尤其明顯，因為它們大氣比較稀薄，所以由核心所產生的氣體的比例就比木星及土星高得多。
許多科學家認為這個含氫豐富的環境就代表了原始地球的狀況。但是我們要強調，拿木星與地球相比較，必須注意這兩顆行星幾項重要的差異。首先，木星的質量是地球的318倍。龐大的質量讓氫氣不致逃逸，這表示木星總有很大量的氫原子，可以和其他元素或分子結合。地球則不同，地球的氫氣損失相當快，不管是其形成時期的原始的氫（如果還有剩的話），或是分解分子所產生的氫。這些損失事實上造就了更適合複雜的生物化學發展的環境。其次，木星沒有固體表面，因此沒有像地球一樣具有如潮汐塘 (tidal pool) 或是過度池 (transient pond) 這樣的小型環境圈，在這些環境裡大氣化學反應的產物得以聚集，同時發生進一步的反應。木星也無法提供土壤表面以催化化學反應，而地球上的黏土礦則明顯地扮演了這樣的角色。
木星和地球之間除了這些主要的差異以外，對於生命起源的另外一個重要的問題，來自於木星大氣裡垂直的對流作用（圖15.7）。這個對流作用造成較低溫的上層大氣與低層大氣的循環，而低層大氣的溫度維持在700C以上，足以破壞複雜的分子。這些循環所花的時間可能不到一年，所以在高層大氣所形成的任何大型分子，在這段時間內便會在相對高溫之下被碰撞而分解。大氣層的中間區域可能情況比較好。科學家估計在溫度約為27C，而壓力只是地球表面幾倍的某個高度區間，水蒸氣可以凝結而形成雲層。但是這個區域內的氣體會不停地流動，一直在上層與下層之間循環，因此在這個高度的水蒸氣會持續地凝結與蒸發。在大氣層更高之處，阿摩尼亞及阿摩尼亞與硫的化合物取代了水蒸氣的角色，而形成我們從地球上看到的雲層。在有液態小水珠雲層的地方，由於垂直對流導致電荷分離，便容易發生閃電。而航行家號太空船的確在1979年於木星雲層中偵測到閃電放電的現象。
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圖15.7 垂直對流的氣流把木星大氣中比較溫暖區域的物質向上運送，而形成明亮的雲層。
當氣流下降，我們在大氣中會看到低層、比較灰暗的雲層。
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有關木星高層大氣中複雜分子迅速被破壞的情形，大紅斑（圖15.8及彩圖15）倒是提供了可能的例外。這個巨大的木星表面特徵是個氣旋 ── 相當於地球上的颶風 ── 它或許能夠將大小適中的顆粒長時間地懸浮。果真如此，分子便能免於低層大氣熱能的破壞。這樣的長時間、高海拔的懸浮作用，進一步會導致不同於行星其他部份所發生的光化學反應。似乎必須要有這樣的不同，才能解釋大紅斑不尋常的偏紅色澤，但是真正的原因至今仍不清楚。在濃密而紊亂的大氣裡，發現一個與眾不同、而且已經存在了長達數百年之久的特徵，毋寧是很另人意外的，但是光是大紅斑的大小 ── 它的表面積大於我們整顆行星的面積！ ── 必定也是部分的原因。有關大紅斑裡的化學作用，一定會是非常值得進行的研究。
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圖15.8 航行家1號在1979年3月所拍攝的木星的大紅斑。照片中可辨認出的最小細節約50km 大小。
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如果我們跟著想像的探測器下降，進入木星愈來愈濃厚的大氣層，我們會發現雖然我們很快就看不到太陽，溫度卻逐漸升高。造成這個現象的原因很令人意外：這原因並不是明顯的溫室效應，而是木星本身的熱源，這個熱源使得木星每秒產生的能量超過行星接收來自太陽的能量。這些熱是行星形成時所遺留下來的。在木星逐漸長大的核心的重力場中(見第??頁)，氫氣與氦氣的位能在氣體收縮而聚積成為行星時，轉化成運動能。因此所引發的分子快速運動產生了熱輻射，直到現在仍然從木星內部發射出來。在我們的太陽形成時，更大規模將位能轉變成熱能的過程，使得我們恆星內部熱到足以點燃核融合反應。但是木星的質量只有太陽的千分之一，內部未曾熱到足以成為一顆恆星。類似的熱源在土星及海王星也存在，但是天王星所輻射出的能量並沒有比接收自太陽的能量還要多。
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<巨型行星上的化學作用> (Chemistry on the Giant Planets)
雖然木星與地球之間有極大的差異，在思考生命是如何開始的這個問題時，我們依然對太陽系中這個巨大的天體感到興趣。木星提供了機會讓我們研究太陽系在45億年前剛形成時的類似狀態。這個機會有如遇到一批原始人類，而他們的語言正在啟蒙。什麼樣的聲音代表什麼樣的物體呢？如何做這些決定呢？像時間、空間，以及愛這種觀念是如何、又是在何時表達出來的呢？如果我們能在不被發現的情況下觀察，我們預期能藉由觀看這些原始人類的實驗而學到我們自己的歷史。與此相同的，我們希望藉由研究木星，以及其他太陽系外圍天體的化學反應，以探討原始太陽星雲中種種可能在生命出現之前所發生的化學反應。
因為我們看到相關的效應，所以我們知道這幾顆最大的行星正在進行這些反應。首先，天文學家發現，木星大氣裡除了我們已經列出的氣體外，還有一些微量的物質，這些是我們的電腦模型所沒有預期到的，如一氧化碳（carbon monoxide, CO）、氰化氫（hydrogen cyanide, HCN）、乙炔（acetylene, C2H2）、以及乙烷（ethane, C2H6）。除非大氣中的成分能彼此作用，不斷製造這些氣體，否則這些氣體無法持續存在於木星的高層大氣中，因為它們會迅速
與氫作用而形成甲烷（CH4）。太陽的紫外光子提供了木星高層大氣中，從CH4 轉變成 C2H2與 C2H6所需的能量；而在我們看不到的雲層深處（溫度達1200K），則由木星內部的熱能提供從CH4及H 2O形成CO的能量。我們也找到必須從深層帶上來的微量磷化氫 (phosphine; PH3)、三氯化砷 (arsine; AsH3)、鍺烷 (germane; GeH4 )，另外一定還有一些帶氫的化合物。前面討論的這些化合物恰巧都具有強烈的吸收譜線，這些譜線與甲烷或阿摩尼亞的譜線並沒有重疊，同時皆位於光譜中我們可以「看得到的」深入大氣的區域，因此有利於偵測這些氣體。一些C2H2及HCN可能是在中層大氣裡由閃電放電產生的（圖15.9）。這些不同的過程會不會也正在產生其他更複雜的分子呢？
第二個顯示化學反應正在進行的證據也是肯定的：當陽光被冰凍的水或阿摩尼亞反射時，我們預計會看到白色或偏灰的顏色，但是木星的雲層卻不只有這些顏色，而是有各種精細階層的色彩，包括大紅斑像鮭魚般的橙紅色（再次參見彩圖15）。是哪些成分製造出這些色彩的呢？它們是如何形成的呢？這些化學反應是否就是發生在原始地球上，生物即將出現之前的反應呢？
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圖 15.9 木星大氣中的氣體被來自太陽的帶電粒子撞擊，同時也受到閃電放電的影響。此外，來自行星內部的熱能與太陽的紫外輻射，能夠促使產生各種分子的化學反應一再發生。
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這些問題都還沒有答案，目前有兩派學說試圖解釋木星的顏色。有一派相信所有這些木星的色彩都來自大氣中的無機化合物，各種黃、褐色可能是低層雲層中閃電所產生的硫化物。大紅斑的紅色可能是磷化氫氣體（PH3，我們知道木星目前擁有此氣體）的反應產物。另外一派有關色彩的解釋，來自針對木星大氣所進行的模擬實驗，其中具有木星色彩的化合物，可以是適量的甲烷與阿摩尼亞的混合物，受到了紫外輻射所形成的，也可以同樣是這些氣體，但接受了其他形式的能量，像是木星閃電的電流放電所形成的。這些實驗總是產生各種有機化合物，其中一些具有木星雲層的顏色。很有可能這兩派學說所主張的化學機制都發生在木星上，每種機制都產生一些我們看到的顏色。至於另外還產生了哪些化合物，我們目前只能憑猜測，但是目前可以預見的是，只要更仔細地探測這顆行星，一定會找到生物出現之前的初步化學過程。
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在這裡我們主要討論木星，這是因為木星是我們最了解的巨型行星，但是這些巨型行星彼此間是有差異的。土星雖然美麗，卻沒有像木星般的多彩雲層（見圖15.4），我們所看到的是一層濃厚的阿摩尼亞雲層，完全擋住了較低層、溫度較高的大氣層，事實上這些低層大氣倒可能具有像木星大氣一樣的特性。形成這些濃密雲層的是土星高層大氣的低溫（因為土星距離太陽比較遠，以及其重力場比較弱的緣故），使得雲層可以在比較大的高低範圍內形成。我們能見到的天王星及海王星的雲層，溫度都非常低，以致於我們甚至看不到可能冰凍在低層大氣的阿摩尼亞。我們看到的白色雲層可能是冰凍的甲烷。這兩顆行星的高層大氣都展現出吸收紫外線的稀薄狀物質（圖15.10），而海王星在主要的雲層之中，有個大型的暗色氣旋（圖15.5），它的組成仍未知。至於更深層的大氣，我們知道的更少，但是來自這些區域，在電波波段的熱輻射，顯示這些區域的溫度高於0C。天文學家利用地面上的電波望遠鏡於1991年在海王星的同溫層裡發現氰化氫 (HCN)。因此即使在此處都仍然有化學反應在進行，例如N2及CH4被分解，同時分子根以新的方式相結合。
<巨型行星上會有生命嗎？> (Could Life Exist on the Giant Planets?)
我們已經看到外行星提供了有趣的環境，讓我們研究生物出現前的化學反應。然而我們能否斷言生命本身不會存在於於這些巨大天體上呢？卡爾•薩根（Carl Sagan）及艾德溫•薩
爾彼得（Edwin Salpeter）這兩位康乃爾大學著名的天文學家說：「才不能呢！」薩根及薩爾彼得認為，由於我們並不清楚地球生命是如何啟始的，因此我們無法在木星這麼一顆和我們截然不同的行星上面，指認出生命出現的必要條件。一旦生命開始，活體生物本身可以調節並適應環境，因此在木星或土星上的活體生物，很有可能能夠克服之前敘述的一些對生命的障礙。巨型、具有氣囊的生物，可以利用溫暖的氫氣，在讀者看這一段文字時，正在木星的高層大氣裡漂浮或飛翔，而它們（說不定）是屬於木星生態食物鏈的一部份。木星是最可能有這種生物的地方，因為在四顆巨型行星中，木星是化學活動最活躍的一個，但要是純粹猜測的話，我們可以想像在任何一顆巨型行星的大氣裡，都可以有類似的漂浮生物。
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很不幸的，這個猜測並不能增加我們的知識。基於我們對地球生命的愈發了解，以及無法在火星上找到生命的事實，讓我們對於在任何天體上找到生命 ──尤其是針對只適應某個特殊環境的生命 ── 的可能性，採取稍微保守的態度。在詳細研究太陽系各顆行星後，目前我們找到生命的比例是1比3，依此紀錄，我們不該認為每顆行星上面（或裡面）都有生命。然而證諸我們對木星環境的無知，以及生命的多元性，我們也不該太快就排除木星上有生命等等這些吸引人的可能。
<光環及眾衛星> (Rings and Satellites)
既然是猜測，那就不要只侷限於行星本身。每顆巨型行星都有龐大的行星系統，從海王星的8顆衛星到土星的18顆（或甚至更多）。這些行星也都有光環系統：土星的光環用小型望遠鏡就能輕易地看到；天王星的光環則到1977年在某顆恆星的光被行星掩過後又再出現時，才被發現；天王星的光環比土星的還要暗得多，同時也和天王星本身一樣，有奇特的角度，也就是行星的自轉軸幾乎在軌道面上(圖15.10)。木星的光環在1979年為航行家號太空船所發現，和土星的光環相比，木星的光環比較不容易看到。海王星在1985年也加入這個家族，同樣是利用掩星的機會發現行星四周有光環存在。航行家號在1989年經過海王星時則清晰地看到這些光環。
每一個光環系統都離它們的行星很近，以致行星加諸於光環中兩個相鄰顆粒的萬有引力的差別，大於這兩個顆粒之間彼此的萬有引力。這個條件存在的邊界稱為「洛西極限」（Roche limit）﹐因發現這個情形的洛西（Edward Roche）而得名。因此構成光環的物質是那些無法聚集形成衛星的物質﹐這些物質離行星太近﹐以致行星拉扯的力量讓物質無法集結長大。我們今日所見組成光環的數以百萬計的小衛星 ── 都是些石頭與冰塊 ── 在行星及其衛星萬有引力的交互作用下，都維持穩定的軌道。這些石塊之所以沒有粉碎的原因，也正是人造
衛星得以在地球洛西極限之內運行無恙的原因：維繫矽化物或是冰體晶格（或是不鏽鋼）的電力﹐要比萬有引力拉扯的效應強得多。
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圖15.10 航行家2號所拍到的天王星影像並沒有揭露太多行星的特徵，只有在經過特殊的影樣處理後（右圖），才顯示出極區的煙霧。
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我們對於有多少數量的物體繞行著外行星仍知道得不完整，就更別說這些物體的結構與組成了。木星及土星的衛星數目一定比我們目前所知道的多，因為在近年來的觀測中，有一、兩顆曾經被看到過，但後來卻又找不到了。天王星及海王星的情況可能也是一樣，當年航行家號經過的時候，在我們已知它們所擁有的衛星數目上，又添加了16顆。一個有意思的天體叫做開朗（Chiron），它的軌道幾乎在土星與天王星之間，於1977年被查爾斯•寇瓦﹙Charles Kowal﹚發現，而詹姆士•克里斯提﹙James Christy﹚則在1978年發現冥王星有一顆衛星凱倫 (Charon；冥王衛一)，它的軌道週期和行星的自轉週期相等。我們現在知道開朗擁有如髮般的一團塵埃與氣體物質，表示它是顆大型﹙100公里半徑﹚的彗星核。凱倫的成份一定和開朗相似﹙說不定冥王星也是﹚，但是它們都離太陽太遠，所以顯不出彗星的活動。
讓我們考慮一下我們確實知道的衛星。伽利略首先記錄木星家族的四顆最大的衛星，與伽利略同時期的瑪利歐斯﹙Simon Marius﹚以丘比特（譯注：古羅馬主神﹔木星名）的四位愛人命名，分別是埃歐（Io﹔木衛一）、歐羅巴(Europa﹔木衛二)、甘尼米德(Ganymede﹔木衛三)以及卡利斯多(Callisto﹔木衛四)。這四顆衛星都是有固體表面的大型天體（甘尼米德及卡利斯多與水星差不多大)﹐而且它們和太陽系的整體特性雷同，也就是最裡面的衛星（埃歐及歐羅巴）的密度與內行星相似，而甘尼米德及卡利斯多則有如外行星般具有低密度，（在這裡）表示冰體的含量豐富（表15.1）。
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在1979年航行家號太空船對這4個天體全都進行了詳細的探測(圖15.11)。探測的結果有很多令人驚奇的發現，包括卡利斯多上面沒有大的隕石坑、甘尼米德上有地殼板塊運動的證據、歐羅巴上交織的複雜線條，以及最特別的是在埃歐上的活火山(圖15.12及彩圖16與17)。卡利斯多及甘尼米德的密度，與一半是冰體、另一半是石頭（冰體包在石頭之外）的結構相吻合。歐羅巴上的線條看起來是冰塊表面的裂痕，在下面則可能有（也可能沒有！)一層液態水。這些液態水可能和埃歐上的火山有相同的來源，也就是衛星的內部。來自巨大木星的潮汐力會造成衛星內部釋出熱量，而埃歐由於最接近木星，再加上它與歐羅巴與甘尼米德產生軌道共振，這個潮汐力的效應最為顯著，使得埃歐的地殼可能只有幾十公里厚，包覆著熔融的內層。表面上的暗色斑紋一般認為是液態硫所形成的湖泊。埃歐軌道上圍繞了一圈硫､鈉及鉀的原子，這些原子來自被帶電粒子撞擊的表面﹐然後經由火山爆發而噴離衛星表面。
這些衛星都是很有意思的小世界，如果我們去木星一定會去參觀一番，但是我們必須承認在尋找生命及生命的前身方面，它們幫不了太多忙。埃歐儘管有火山活動，卻太小而沒有濃密的大氣，它一定已經失去了全部的水，而現在從它火山所冒出的唯一揮發性的物質是二氧化硫（彩圖16）。木星其他的衛星都比這四顆大的衛星要小得多，所以在尋找生命方面，沒能引起我們特別的興趣。
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表15.1：木星的四顆大型（「伽利略」）衛星
衛星 與木星的距離 直徑 平均密度 衛星軌道與木星軌道間的傾角
（公里） （公里） (gm/cm3)
埃歐
歐羅巴
甘尼米德
卡利斯多
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圖 15.11 木星的四顆伽利略衛星在1979年航行家號相機拍攝的影像裡，每一顆都展現了不同的風貌。埃歐（左上）顯示出火山活動所造成的斑駁表面；歐羅巴（右上）則極為平滑；甘尼米德（左下）稍微有點像我們自己的衛星，而卡利斯多（右下）則看起來有如破裂的玻璃。
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但是歐羅巴值得多看一眼（彩圖17）。如果它表面100公里厚的冰層真是一層包覆在幾十公里深的水之上的薄冰，我們便有一個可能與生物有關的環境了。有些科學家推測在我們海底一些熱硫磺噴泉附近的巨蛤、管蟲以及大量的微生物，可能在歐羅巴上也存在類似的東西。這樣類比推測的問題在於，只有細菌會厭氧，這些海中生物大多數都非得依賴溶解在水中的氧氣來進行新陳代謝。雖然如此，發現歐羅巴上的細菌也會是個令人興奮的發現，所以我們起碼應該決定在歐羅巴無奇的外表之下，是不是真的隱藏了海洋。而若是真有這個環境，而它又可能適合生物居住（即使只有細菌可以）的話，這將大大增加我們預期「生命最遠可以離中央恆星多遠」的範圍。
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圖 15.12 這張航行家1號所拍的照片顯示埃歐上有兩座活火山。圖中右下角恰在衛星的邊緣之外，可以看到二氧化硫的雲層從埃歐的地面升高達260公里。第二座火山可從行星明亮與黑暗交界的不規則連線看出，火山在那裡噴發出來的雲層反射了升起的陽光。因為木星會反射陽光，所以我們能夠隱約看到埃歐黑暗的一面，正如地球把陽光反射到新月的情形一樣（見圖20.5）。
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<泰坦 ── 土衛六> (Titan)
對尋找外星生命而言，在外太陽系的所有行星及衛星當中，最讓我們感到興趣的就是泰坦，也就是土星最大的衛星。和甘尼米德與卡利斯多一樣，這顆衛星的質量也比水星大。但是和繞行木星的那些大天體不同的是：泰坦有大氣。也正因為這個大氣的存在，再加上在其中發生的各式化學反應，使得這顆土星的衛星格外引人注意（彩圖18）。
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衛星怎麼會有大氣呢？這只是質量與溫度的問題。物體的質量愈大，它的萬有引力就愈強，也因此需要更多的動能才能逃逸到太空。氣體動力學告訴我們，氣體分子的平均速率視分子的質量及周遭的溫度而定。因此一顆大質量的衛星處在低溫下，就會比一顆同樣質量，但比較接近中央恆星的衛星（因此溫度較高），有更好的機會保有大氣。這就能解釋為什麼泰坦（T=85K）有大氣，而水星 (T=540K) 則沒有。
這個推論尚不完備。我們能瞭解為何泰坦有大氣，而水星沒有，那麼質量與泰坦相當的甘尼米德與卡利斯多又怎麼說呢？這個問題的答案可能是這些衛星形成時，有不同的溫度。顯然木星附近的區域太過溫暖，以致在該處凝固的冰體無法保留大量像是氮、甲烷、阿摩尼亞等氣體。但是在土星周圍較冷的環境裡，構成泰坦的這些冰體則能夠保有這些製造大氣的成分。但是這些冰體又不致太冷使得這些化合物大多冰凍在泰坦的表面，像是發生在崔頓及冥王星的情形那般。
注意到任何行星或衛星想要保有較重的氣體 ── 像是甲烷（它的分子量為16，也就是每個甲烷分子的質量是氫原子的16倍）或是氬（原子量為40） ── 要比保住氫原子（原子量為2）或氦原子（原子量4）來的容易得多。我們在泰坦的大氣中所找到的也的確是質量較大的氣體。
而這真是個有意思的大氣啊！泰坦上的表面壓力是地球海平面大氣壓力的1.5倍。像我們的空氣一樣，泰坦的大氣多半是氮，但其他主要成分是甲烷，而不是氧氣及水蒸氣（也可能有高達百分之15的氬，但是目前的技術無法直接偵測到這種氣體）。泰坦的大氣和金星、地球，及火星的大氣一樣，都是次代大氣，也就是從構成衛星的固體物質所產生的。和內行星的情形一樣，氫氣不斷地從泰坦逃逸。由於泰坦表面的溫度低，因而在大氣中保住了甲烷，而不是二氧化碳。在85K的溫度下，水冰冷到幾乎沒有任何水分子有足夠的能量昇華，也就是無法脫離固態，而加入泰坦大氣與甲烷及氮氣為伍。一旦水蒸氣進入大氣，它也會被太陽紫外光子以及來自土星磁氣圈的電子（也造成我們在泰坦上看到的其他化學反應）而分解。因為水分冰鎖在衛星表面，因此沒有大量的氧氣以供甲烷轉換成二氧化碳，要是在在比較溫暖的內行星內，則一定會發生此種轉換。
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這樣的結果對我們是有利的，因為我們找到了一個如行星般大小的物體，有固體
的表面，體積夠小以致氫可以散逸到太空，但又夠冷以致氧氣不會改變原始的化學狀態。泰坦像是一具時光機，讓我們得以研究在太陽系裡一度很普遍的化學反
應，但是這些反應有時會不再進行而變成由氫主導（巨型行星），有時則則由氧主導（內行星）。
不出所料，我們在泰坦上發現豐富的各式有機分子，從簡單的來自甲烷的碳氫化
合物(C2H2、C2H6、C3H8等等)；以及由氮構成的化合物，像是HCN及C2H2;
甚至還有微量CO與CO2 (表15.2)。從充斥在泰坦上完全遮住表面的煙霧狀雲層
判斷，一定還有更複雜的成分。這些煙霧有部分是由我們剛提到的簡單化合物的
小液滴所構成，但一定也包含了乙炔、氰化氫以及其他尚未辨識出的高分子化合物。這些成分必定很像在實驗室中模擬泰坦大氣被宇宙射線，及來自土星磁氣圈的電子轟擊所合成的物質（圖15.13）。
煙霧層中的顆粒落到泰坦表面，所覆蓋住的深度可達好幾百公尺。乙炔是大氣
裡含量最豐富的碳氫化合物，在泰坦的溫度之下會以液態呈現。因此泰坦表面
可能會有乙炔所構成的湖泊，甚至汪洋，當中溶解了大量的煙霧顆粒及甲烷。
這些乙炔將是未來太空人在探險時隨地可得的豐富能源，但是真想要燃燒這些燃料的話，太空人必須先得找到氧氣！（圖15.14）
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表15.2 在泰坦大氣裡所指認出的微量氣體
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圖15.13 對於負責航行家號相機的科學家而言，泰坦很讓人失望，因為這顆大型衛星所展現的，只是充滿煙霧的大氣。這張照片所顯示的泰坦成新月形，而在新月外緣可以看到另外一個高層的煙霧層。
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我們可以想像在溶解於泰坦海洋中的各式成分裡，彼此之間一些更進一步、但是比較不容易發生的反應，於45億年中也發生了。因此送個探測器到這遙遠的世界去研究化學演化、去決定已經達到的複雜程度，以及它們是藉由什麼（可能）令人驚訝的方法來達到這個複雜的程度，是很誘人的。第一個嘗試就是前面提到的卡西尼─惠更斯任務。其中的惠更斯探測艇將被送入泰坦大氣，緩緩地降在表面，同時花3個小時測量大氣及表面的性質。而卡西尼軌道船則將以光譜研究泰坦，另外有個雷達可以穿透泰坦的煙霧而掃描繪出地形圖，尋找那些易燃的沼澤。那一定會是趟奇妙的旅程！
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圖15.14 未來登上泰坦的太空人可能有機會用船來勘查這顆衛星。在這裡燃料
很便宜，但是要取得氧氣就得花上一番工夫了。
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<埃耶佩特斯（土衛八）：人類的智力測驗？> (Iapetus: An Intelligence Test for
Earthlings?)
除了泰坦以外，土星至少還有其他17顆衛星，但是其中只有一顆引起我們注意，
就是埃耶佩特斯。這顆不尋常的衛星是太陽系中，唯一我們可能認真看待成外星人「標示牌」的天體 ── 也就是為了吸引我們的注意，而被高等文明改造過的天體，同時在我們能解讀出它的意義之前，使我們一刻也不得閒^1。那麼是改造了什麼呢？看一下圖15.15。埃耶佩特斯的亮度在它繞行軌道一圈當中改變了7 倍。換句話說，這顆衛星的一個半球要比另外一個半球看起來暗了7倍。事實上這個半球最暗的部分，要比明亮的那一邊整整暗了10倍（圖15.16）。任何其他天然衛星的亮度變化都和這個差遠了 ── 我們滿是瘡疤表面的月球沒有如此；擁有火山的埃歐沒有如此；具有氮氣與甲烷大氣的泰坦也沒有這樣的情形。對這樣亮度變化的一種解釋是，埃耶佩特斯明亮的那個半球有很多冰霜，而黑暗的那一面則因為與碎渣或是帶電粒子接觸，將冰霜侵蝕掉，因而暴露出暗黑的物質。另外一種可能，就是暗黑的物質可能是衛星在很久以前所拋出的碎屑。這兩種假說都可以解釋觀察到的亮度變化，但是我們不禁懷疑「標示牌」的說法是不是也值得察看一下呢？說不定前往埃耶佩特斯一遊將會驚然發現 …？猜測很好玩，但是找到答案才讓人心動，那艘將把探測器送入泰坦大氣中的太空船，在下個世紀也將就近探訪埃耶佩特斯時，屆時我們應該就能揭開這個謎團。
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腳注^1：亞瑟•克拉克 (Arthur C. Clarke) 的小說及劇本「2001：太空之旅」就用了這個概念。
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圖15.15 埃耶佩特斯是土星的第二大衛星，在繞行土星的一圈當中，看起來的亮度會有7倍的變化。
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<崔頓（海王衛一）：低溫化學> (Triton: Chemistry at Low Temperatures)
我們從地面的觀測知道海王星最大的衛星在表面上有甲烷及氮元素，但是沒有
人曉得在大氣裡以及在地面上這些物質的比例。在航行家2號於1989年8月抵達崔頓之前，我們甚至不知道它的大小，我們發現崔頓比我們原來預期的來得小、也來得亮些（圖15.17），同時發現它擁有充滿氮氣的大氣，表面壓力只有我們的百萬分之16，表面溫度也只有37K。因此，崔頓的特色就是它擁有太陽系中最寒冷的日照表面，因為即使是冥王星目前也明顯的比崔頓來得溫暖。雖然崔頓溫度低，但是表面偏粉紅的色彩、在上面出現的被風吹起的暗黑斑點、大氣中的煙霧，以及最特殊的就是活「噴泉」 ── 也就是從表面垂直射出高達8公里，然後被風吹成綿延達數百公里的柱狀物質 ── 在在都顯示崔頓異常的活躍。冥王星是不是也像這個樣子呢？因為冥王星的大小以及其在太陽系中的位置，我們或許可以這樣猜想，但是從航行家號太空船獲得的經驗，就是想要從某個天體的情形來推測另一個天體，必須極度小心。從地面上進行的觀測顯示冥王星的表面的確佈滿暗黑的物質，同時擁有稀薄、含有甲烷的大氣。
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圖 15.16 航行家1號攝得埃耶佩特斯的影像，顯示此衛星完全受日照的情形。
我們之所以看不到埃耶佩特斯的左面，是因為從這裡開始就是被暗黑物質覆蓋
的區域。
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圖 15.17 冰凍的氮元素覆蓋在海王星的衛星崔頓的表面，這是太陽系裡最
冷的日照表面。但是雖然表面壓力很低 ── 只有我們海平面大氣壓力的百萬分
之16── 從這裡所顯示的暗黑、成扇形排列的條紋，可以證明崔頓上面的風足以吹動衛星表面的物質。
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在星際物質裡，CO與N2分別是含碳量及含氮量最高的氣體，因此我們預期在
太陽星雲外部的這些氣體，會被封鎖在於低溫狀態下形成的冰體之中，所以應
該會在冰冷天體的大氣中存在。問題是遙測這些氣體非常困難，尤其是氮元素
完全沒有量子物理所允許的紅外吸收譜線。天文學家在1991年利用地面上的望遠鏡，找到崔頓上面有固態CO與CO2的證據。至於冥王星和崔頓有多相像？地面上的最佳觀測顯示，它們有一些顯著的差異。下個世紀預計有個前往冥王星的太空任務，最終將告訴我們這些微小的冰冷世界到底有多相像（或多不像）。
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<宇宙使者> (Cosmic Messengers)
航行家2號在飛越崔頓之後，繼續朝太陽系之外飛去。航行家號的兩艘太空
船都和先鋒10號與11號一樣，攜帶了有關製造這些太空船的生物的訊息。先
鋒號攜帶的是金屬薄片（見第??頁），航行家號則以可長時間播放的唱片取而代
之，這些唱片都鍍了一層金膜，以保護唱片不受星際塵埃顆粒的侵蝕（見第??
頁）。要是有一天某個其他文明發現了太空船，而領悟到這些唱片攜帶的不只是
聲音，同時還有像紀錄聲音訊號一樣的影像，它們就能聆聽來自地球的聲音，並
且觀看我們的行星以及行星上面的居住者的影像。
這兩張一模一樣的唱片，每一張都包含了一百幅地球上的情景，像是地形景觀、
人類的活動與發展、海洋、各式各樣的動植物，以及一些天體以利辨認。唱片上
的聲音則包羅萬象，包括各式民族音樂，還有以80種不同的語言打招呼，另外
還選了巴哈、貝多芬、史特汶斯基 (Stravinsky；譯注：生於俄國的作曲家)、以
及貝里 (Chuck Berry；譯注：美國音樂家及歌唱家) 的音樂作品。在先鋒號與航
行家號這些使者駛向太空之際，我們好像在重複古代文明的作法，亦即製造人為
的建物，以使身後仍保留我們文明進展的紀錄。雖然說這些東西被發現的機會實在微乎其微，我們依然把這些信差像瓶中信一般擲向太空的汪洋裡。我們是否期待在宇宙某個角落，我們的太空船會如瓶中信一樣在海灘被人尋獲、為人所拜讀
呢？若然，我們準備回信了嗎？
<結語>
四顆巨型行星（木星、土星、天王星、海王星）中，每顆行星的質量都遠大於地球，而地球是內行星當中最大的。水星、金星、地球，與火星主要由岩石組成；巨型行星則不同，多半是氫氣與氦氣組成的球體，在成分上要比內行星更類似恆星，也更類似宇宙的其他部分。
木星、土星以及海王星都把來自內部的熱能輻射出來。天王星沒有這樣的輻射，
但是它在其他方面和這些巨型行星的親戚都很相像。這些巨型行星之所以擁有滿是氫氣與氦氣的成份，是因為它們的核心在形成時成長地非常快，而得以抓住原始太陽星雲中這些輕的氣體。比較小的內行星就不同了，它們的後生大氣比較稀薄。巨型行星初始的大質量，加上它們距離太陽比較遠，是造成巨型行星和內行星在基本上有所不同的原因。
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木星是這些天體當中，質量最大、也是最近的一個，所以也得到最多的關注。木
星的大氣除了氫氣與氦氣以外，還有甲烷、阿摩尼亞，以及水蒸氣，這些都是我們預期太陽星雲裡的物體該有的成分。然而我們也找到處於不平衡狀態的微量氣
體，還有一些粉蠟色彩的雲層，這表示有更複雜的物質，透過紫外輻射、閃電放電，以及熱能等機制正在形成當中。這些化合物當中，有些類似在早期地球上所形成的化合物，有些則類似在生命起源之前，由彗星及隕石送到我們表面的化合物。最著名的彩色區域是「大紅斑」，它的化學成分仍未知。土星的低層大氣可能也有類似的現象，但是被濃厚的阿摩尼亞雲層所遮擋。天王星比土星還更平淡無奇，但是海王星卻又顯現出木星般的雲層特徵，不過沒有粉蠟的色調。
每顆巨型行星都有龐大的衛星系統：木星有16顆衛星，其中有3顆衛星的體積比我們的衛星還大；土星有18顆；天王星有15顆；海王星則只有8顆。這些衛星伴隨著行星同時形成，只有木星與土星外圍的小衛星是例外，這些可能是攫獲的小行星或彗星核。這些巨型行星的光環由一堆堆的迷你衛星，也就是在衛星軌道上數以百萬計的微小殘渣所構成。這些如石頭或鵝卵石般大小的碎渣是未能形成的衛星，因為它們離行星太近。
我們對土星最大的衛星泰坦尤其感興趣，因為泰坦有個濃厚的大氣層，在其中化
學反應不斷把簡單的分子轉變成複雜的產物。瀰漫整個泰坦大氣的煙霧讓我們無法一窺它的表面，在這個表面上可能有流動的碳氫化合物，以及乙烷構成的海洋。埃耶佩特斯是土星的另外一顆衛星，因為其中一個半球的亮度比另一個半球的亮度暗了7倍，而引起我們的好奇。這會是高等文明所留下的標記嗎？似乎不太可能。天王星、海王星以及冥王星告訴我們，即使離太陽這麼遠，宇宙中含量最豐富的氣體仍會發生化學反應，製造更複雜的產物。海王星的衛星崔頓儘管體積小、溫度低，然而它不僅有這些化學反應發生的證據，同時它的地表上也冒出了如噴泉般活躍的柱狀物。海王星的衛星崔頓與冥王星有很多相似之處，
表示它們可能都屬於冰凍微行星的家族。
攜帶了來自地球的訊息的四艘太空船，在完成了探訪外行星的任務後，目前正離
開太陽系。我們只能猜想是否有朝一日，某個高等文明將會遇見這些在深邃星際
空間盲目遊走的宇宙使者。
p 376
<問題>
1. 比較照射在地球上每平方公尺上的陽光，與在木星（距離太陽是地球距離太陽的5.2倍）上以及土星（距離是地球的9.5倍）上每平方公尺的陽光照射
量。
2. 以木星與土星接收到的微弱陽光而言，為何它們比我們預期的要來的溫暖？
3. 我們說巨型行星擁有的是原始大氣，而內行星有的則是後生（第二代）大氣，這是什麼意思呢？內行星的原始大氣到哪裡去了？
4. 對於試圖登陸木星的太空船而言，它會發生什麼事情呢？
5. 是什麼原因造成木星多彩的顏色？「大紅斑」是什麼東西呢？
6. 巨型行星上面會有生命嗎？這種生命最有可能出現的地方在哪裡呢？
7. 土星最大的衛星泰坦有何不尋常之處？藉由研究這個天體，我們希望從中學到什麼？
8. 某個智慧文明若是想要吸引其他智慧生物的注意，它們會在太陽系內留下怎
樣的標記呢？為何埃耶佩特斯可能是這樣的一個標記呢？
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<進階參考資料>
p 378
航行家號太空船上所鑲的鍍金唱片（下圖）裡，音樂的部分由巴哈的第二號Brendenburg 協奏曲（上圖）拉開序幕。航行家號在拜訪了外行星後，現在正離開太陽系。這些唱片被盒蓋保護住，盒蓋上則解釋如何放奏這些唱片。