九大行星與航行者的孤獨旅程

(來源 維基百科)

「假使所有的星辰消失或死亡,我當學著注視空蕩蕩的天幕,感受它們全然漆黑的莊嚴肅穆。」……The More Loving One   奧登(W.H.Auden)

探索外太空可從認識地球周圍的鄰居開始,也就是先認識太陽系中的星球。而一般來說我們巳有的知識是太陽系有太陽與九大行星及月球,見圖1。注意!下圖的星球相對大小不正確,僅供認識外觀。

圖1:太陽與九大行星及月球的圖像

【太陽系】

太陽與九大行星及月球的資料

 

星球

半徑

(公里)

體積是地球的幾倍

引力是地球的幾倍

離太陽距離(軌道半徑)
(單位:AU)

0

太陽

Sun

696000

1304000

28.01

-

1

水星

Mercury

2440

0.056

0.38

0.3871

2

金星

Venus

6052

0.857

0.91

0.7233

3

地球

Earth

6378

1

1

1

地球

衛星

月球

Moon

1737

0.020

0.1654(約1/6)

-

4

火星

Mars

3397

0.151

0.38

1.5237

5

木星

Jupiter

71492

1321

2.48

5.2026

6

土星

Saturn

60268

755

0.94

9.5549

7

天王星

Uranus

25559

63

0.89

19.2184

8

海王星

Neptune

24764

58

1.11

30.1104

9

冥王星

Pluto

1187

0.0059

0.063

39.54

註:AU是一天文距離單位,定義為地球到太陽的距離,149,597,871公里為1AU。

接著來觀察太陽系各星球的位置關係,但因是三度空間並且距離相差很大,所以必須拆開成幾張圖來逐次說明,見圖2到圖4,再請大家自行在腦中想像,不然圖案畫起來會如圖4一般的不清楚。

圖2的星球是正確的大小比例,但不是正確的距離比例。距離關係可參考圖3,但軌道並不在同一個平面。各行星軌道都有傾角,可參考圖4。

有著圖2到圖4的概念,就能清楚明暸太陽系各星球的位置關係,不要將太陽系各星球的位置關係想像成棒棒糖般的同心圓,及每一層軌道彼此間的距離相同,這是不正確的,也就是早期哥白尼想像日心論的同心圓樣子,見圖5。

圖2:太陽系的行星與矮行星的大小關係

圖3:太陽系中各行星的距離

圖4:太陽系中各行星的軌道,傾角示意圖

圖5:哥白尼日心說的天體運行論

當有了九大行星的基本資料後,一定會想到底是如何獲得影像及數據呢?影像是依靠無人太空船(航行者:Voyager)去拍攝,數據則是利用數學計算。事實上在太陽系中,牛頓的三大運動定律可以正確計算出全部的內容,在太空中, 依賴數學的描述是必要的,如果沒有數學,一丁點的誤差都會讓太空船消失。也正因為如此部份科學家才會深信不疑地認為世界是由數學規律所構成的。而在太空中不像在大氣層中有太多的干擾因素,使計算產生誤差使其與數學模型不合,換句話說在太空中太空人唯一的依靠就是數學及數學推導出的物理。

【航行者1號】

航行者1號(Voyager 1,見圖6)是美國太空總署NASA研製的一艘無人太空船(太陽系太空探測器)。1977年9月5日發射,到2017年仍然正常運作。它是有史以來距離地球最遠的人造飛行器,也是第一個離開太陽系的人造飛行器。它已經在太空運行了40年,並仍在運作中。

圖6

航行者1號太空船的主要任務是探測及拍照木星(1979)、土星(1980)、天王星及海王星,見圖7。2017年6月30日,航行者1號正處於離太陽207.791億公里(138.9AU),進入了日鞘,即介乎太陽系與星際物質之間的終端震波區域。2017年9月,它距離太陽約為207.941億公里(139AU),進入太陽系最外層邊界(太陽影響範圍與星際介質之間),見圖8。當「航行者1號」離開太陽系,就會進入比太陽圈中更寒冷黑暗的星際空間。

 

圖7

圖8

太陽圈的意思是太陽系被一個類似球體的物質包覆,外層有一個隔膜以阻擋星際物質的衝擊,見圖9。太陽圈也可認知是太陽系內部意思,也被部份人認知為太空,而太陽圈外可認知為星際空間,也被部份人認知為外太空。當然也有人將太空及外太空及星際三者都認為是同樣的意義,見圖10。

圖9

圖10

科學家認為如果航行者1號離開太陽圈後仍能有效運作,將有機會首次取得星際物質的實際情況。在目前位置,太空船發出的訊號需要17個小時才能抵達地球。美國太空總署參與「航行者」計畫的計畫主持人科學家愛德華.史東 (Edward C.Stone)(圖11) 說:「人類向星際空間派出的首位使者已在太陽系邊緣,進入星際空間後需要再4萬年的時間才能抵達下一個行星系。」而「航行者1號」上的電池,科學家說科學儀器能繼續工作至2025年,而到2036年,連訊號傳輸的電力都將消耗殆盡。一旦這些電池耗盡,「航行者1號」將因為慣性作用繼續向前進,但不會向地球發回數據了。

圖11: 愛德華.史東與航行者模型(Stone with a Voyager model in 1992)

航行者與金唱片】

圖12:航行者上的金唱片(The Voyager Golden Record)

天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan )針對航行者的太空探險,編輯一張航行者唱片放在航行者太空船上,又稱金唱片(Golden record),見圖12。希望外星人能夠發現,並聯繫地球。金唱片內容包括55種人類語言錄製的問候語和各類音樂,主要是向「外星人」表達人類的問候。問候語為:「地球人向你們問好」。以及90分鐘的聲樂集錦,主要包括地球自然界的各種聲音以及27首世界名曲。還有許多的數學內容,放了著名的畢氏定理、圓周率、尤拉數,並再用二進位來表示(因為可能外星人的不是十進位)。為什麼要放數學的內容進去金唱片?因為物理學家與天文學家認為邏輯與數學語言是宇宙共通的語言,其他的東西可能看不懂,但是數學與邏輯一定看得懂。

製作唱片的人也知道因為太空中的距離動輒以光年計算,所以真的有外星人的話,傳回地球的訊號也應該會是在十幾年甚至數百年後,故他們還因此有了等待外星人訊號的計畫-尋找外星文明的計畫SETI: Search for Extra-Terrestrial Intelligence),其組織就稱為SETI組織,年復一年的等待外星人訊號。

要注意的是,雖然是希望外星人發現航行者及其金唱片,但航行者並沒有發給外星人的訊號,因為沒有那麼多電力可以浪費,所以航行者及其金唱片被外星人發現的模式是瓶中信模式,而非大肆宣揚般的不斷發送訊號來讓外星人有興趣,換句話說不是水手求救模式。在此一定有人會認為大海要發現瓶中信都不容易了,更何況外太空要發現一台太空船,在此科學家的想法是如果無法發現代表他們的科技太差了,部分科學家認為最好是能有比地球高等的外星文明來與地球接觸。航行者與金唱片沒有足夠電力來發射訊號,但使用瓶中信概念讓外星人的確難以發現。所以SETI組織在地球有足夠的電力環境之下,一直從地球向外太空發送訊號,希望會被外星人發現。

【結論】

由此我們對於太陽系及無人太空船(Voyager 1)就有了更進一步的了解。同時有的人會思考為什麼科學家熱絡討論太空,而不討論海底、地底的內容?作者認為是因為地球有壓力、溫度、亂流等等因素,不管軟硬體都還在努力中(軟體指數學部份、硬體指工具部份),難以克服環境,所以對地球(海洋、地底、等等)的研究相對少。而太空相對於地球沒有這些問題,因為太空中不像是大氣層有太多干擾,太空是幾近真空的環境讓物理、數學能有效的完美應用,有著最好的驗證方程式的環境,所以科學家喜歡研究太空。不過太空仍然還是有難以克服的問題,像是太空旅行的問題,其問題可再分為冬眠技術、及要去哪裡有適合人類的星球等等。冬眠技術的問題難以克服是因為生命的問題比太空的問題還來的困難。而哪裡有適合人類的星球?目前NASA及SpaceX公司已經有火星移民的計畫,因為火星與地球接近、火星也有大氣層與水。同時有些國家認為也可以移民月球,而這將在另一篇討論。

航行者金唱片引發了SETI想跟外星人接觸,但當代天文物理學家史蒂芬.霍金(Stephen.Hawking)認為不要盲目接觸外星人,因為外星人可能會像哥倫布發現新大陸般,導致當地原住民得到疾病與迫害,而部分的人則是很樂觀的認為如果要來迫害地球應該早就過來侵略了。兩邊的言論都是有可能發生的情形,但作者認為還是由我們去發現外星球並統治對方比較好,期待外星人對我們友善,相當的不保險,把發球權控制在自己手上才是正確。