太空的故事

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台北市立南湖高中 地球科學教師 吳昌任
台北市立中崙高中 地球科學教師 林詩怡
國立自然科學博物館館長 孫維新
親職專欄作作家 陳安儀
泛科學總編輯 鄭國威

「手繪斷面圖加入了『人』這項元素，把太空探測從生硬的儀器拉回到人類永續的完整面貌，是一本有溫度的天文入門書。」
──台北市立南湖高中地球科學教師 吳昌任、台北市立中崙高中地球科學教師 林詩怡

太陽系之外……更遙遠的地方
1977年9月5日，在美國佛羅里達州卡納維爾角的空軍基地，這裡有一座航太複合發射臺。對大夥來說，這只是一個平凡的星期一上班日。在過去二十多年當中，這裡已經發射過上百枚的火箭，因此，即將在這天中午發射一枚泰坦IIIE 型火箭，也只是一件稀鬆平常的任務。
這枚火箭並未乘載人類或是動物，只搭載了一艘重量722公斤、尺寸相當於一架平臺鋼琴的無人太空探測船。船上配備有相機和探測儀器、一些電子與電腦設備（以現代標準來看相當陽春）、三個小型核能電池與無線電通訊系統。用做無線電傳輸的碟形天線直徑3.7公尺，被收摺起來、架在準備發射的火箭上，看起來就像一把巨型雨傘。整個任務只有一項不尋常之處：探測船的外側有一個鋁製箱子，裡面放了一張鍍金的唱片，上頭記錄了多種聲音和數百幀經過編碼的影像，封面還寫著看似怪異的符號。
一艘帶著唱片的火箭，暗示著這不是一次尋常的任務。事實上，這是一場史無前例的偉大旅程。在太空航行三十五年，航海家一號依舊正常運作，並持續傳送訊息回地球。它已經通過一個無形的邊界─太陽風層頂①，進入星際空間，遠離我們熟知的太陽系行星。它在這段時間內航行了180億公里，是地球到太陽距離的一百二十倍②，早已超越人類的想像。
航海家一號的成功超乎所有人的期待。它最初的任務是去探訪太陽系中繞行軌道較遠、充滿謎團的巨大行星。在1960年代時，科學家計算出在接下來的十幾年內，木星、土星、天王星和海王星所在的幾何位置會形成一個特殊的路徑，讓太空船可以利用行星的運動和重力來加速，即所謂的「重力助推」（gravitational assist），也稱為「彈弓效應」。
這是個難得的機會，因為下次再出現這樣的路徑得等到一百七十五年後，於是美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration， 簡稱NASA）提出了多項發射探測船的計畫。礙於經費過於昂貴，起初美國政府只能允許發射一艘探測船，但在太空總署努力遊說下，最後終於增為兩艘，分別執行不同的任務。航海家一號的航行路線較為筆直，只會造訪木星和土星③。它的雙胞胎──航海家二號──則會繼續拜訪天王星和海王星。
奇妙的是，1977年8月20日，早在航海家一號發射前幾週，航海家二號就已經離開地球；但是到了年底，航海家一號與地球之間的距離反而超越了航海家二號。航海家一號藉由較短而且更快的路徑，在離開地球十五個月後抵達觀測木星的位置，並於1979年3月滑入距離木星表面270,000 公里的軌道，近距離觀測這顆在太陽系中最大的行星。然後，航海家一號繼續航向太空深處，於1980年11月接近土星與其眾多衛星，同時將拍攝到的影像及各種數據傳回地球。造訪了木星與土星之後，航海家一號的行星觀測任務算是圓滿達成；但它的旅程還沒有結束。如今它的使命，是持續不斷地為人類捎來太陽系外圍的資訊，直到電力耗盡、儀器無法運作為止。
在航海家一號造訪土星的九個月後，航海家二號也經過這顆行星，並繼續往更遙遠的天王星與海王星前進。離開土星後，航海家二號花了四年半的時間抵達天王星，之後又經過三年半才抵達海王星。這兩艘探測船雖然飛往宇宙不同的方向，卻同樣賣力地在各自的旅程上繼續前進。
除了航海家一號、二號，還有1970 年代初期發射的先鋒十號、十一號，與2006 年發射的新視野號，它們都正在離開太陽系的路上，但無法確認何時會真正離開太陽系。這是因為我們還不知道太陽系的實際範圍。換個角度來說，天文學對於太陽系的邊界有許多定義，其中一項是「太陽風層頂」，然而太陽重力的影響範圍卻遠遠超出這個邊界。天文學家深信在更遙遠的地方，有一個稱為「歐特雲」（Öpik–Oort cloud）的區域，在那裡面可能有數十億個小型天體，其中有些直徑可達數十公里。這些小型天體和我們熟知的八大行星一樣，不斷地繞行太陽，只不過它們公轉的軌道遠大於地球。歐特雲的外圍邊界被認為是太陽系的另一個邊界，不過即使是時速60,000 公里的航海家一號，仍要航行三萬年才能抵達這個邊界，屆時這艘探測船早已因為電池耗盡而停擺。到了2025年以後，航海家一號的電力將不足以啟動它所搭載的任何一項儀器，但它仍會像現在一樣，孤獨地在我們的星系──銀河系中繼續航行④。
人類發明汽車不到一百年⑤，就打造出能夠飛離太陽系的探測船。不僅如此，科學家至今已成功讓探測車和登陸艇降落於其他的天體（目前有兩個行星、兩個自然衛星以及一個彗星）。人類更親自造訪月球，甚至踏上月球表面六次。毫無疑問，我們已經進入了名副其實的「太空時代」。
如今，我們已經知道在太陽系之外，還有一個無比遼闊的宇宙，而我們只是其中的一小部分。太陽是一顆正值中年的平凡恆星，和其他恆星相比甚至體積有點小。以太陽為中心的太陽系位在銀河系的一條旋臂上，而銀河系內有數兆個恆星；在銀河系之外還有數千億個星系。這些星系離我們太遙遠，以目前的望遠鏡技術無法看見究竟有多少個恆星。然而科學家找到了估算的方法，你應該可以想像，這個數字會有多龐大。根據最新的研究估計，已知宇宙中大約有300,000,000,000,000,000,000,000個⑥恆星！
現在科學家可以觀測到的宇宙距離是930億光年⑦，而宇宙的年齡大約有一百三十八億年，從它誕生至今仍在持續地膨脹、擴大⑧。宇宙還有許多謎團等待科學家去解開，包括一些最根本的問題，例如宇宙的主要組成成分是什麼？目前我們可以實際觀測到的是「物質」與「能量」，前者組成恆星與地球（以及人類），後者的主要形式為光或電波。但是這些只佔了整個宇宙的5%，其他的95% 呢？科學家稱之為「暗物質」及「暗能量」。然而時至今日，我們仍舊無法確定它們是什麼。
宇宙中有外星人存在嗎？這是另一個所有人類都好奇的問題，也是為何航海家一號要攜帶一張鍍金唱片的原因。這其實是一份給宇宙其他智慧生命的訊息，唱片封面的符號標示著太陽在銀河系的位置。在微乎其微的機會下，也許航海家一號真的遇見了宇宙中具有高等智慧的「外星人」，那麼他們將能夠聆聽唱片上的聲音，看到上頭收錄的影像，包括蟋蟀的叫聲，搖滾樂先驅查克．貝里的歌聲，還有泰姬瑪哈陵的照片，以及一張人類的全家福照⋯⋯透過這些訊息，他們將更了解地球上的人類以及歷史。
①太陽風層頂（Heliopause），或稱日球層頂，是太陽風和星際介質的壓力達到平衡的邊界。
②地球到太陽的距離為1天文單位，寫作AU（參見62頁）。2016年初，航海家一號距離太陽約134 AU，大約是200億公里，並持續以每年3.6 AU的距離遠離太陽系。
③科學家在航海家一號的觀測任務中加入了土衛六（又稱泰坦，Titan）這顆衛星，所以它必須選擇不同的航道，無法造訪天王星與海王星。
④航海家一號的航行速度並未超越銀河系重力的脫離速度（escape speed），所以它最終不會飛離銀河系。
⑤ 1885年，德國人發明汽油引擎三輪車。
⑥以科學記號來表示，可寫做3×1023。
⑦ 1光年是光在真空中前進1年的「距離」，約9.5兆公里。
⑧由於宇宙膨脹，我們現在觀測到的古老天體的距離，其實比膨脹前還要遠。而宇宙的確切大小目前尚無定論，甚至有可能無窮大。

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1977年9月5日，在美國佛羅里達州卡納維爾角的空軍基地，這裡有一座航太複合發射臺。對大夥來說，這只是一個平凡的星期一上班日。在過去二十多年當中，這裡已經發射過上百枚的火箭，因此，即將在這天中午發射一枚泰坦IIIE 型火箭，也只是一件稀鬆平常的任務。
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