第1章 現代宇宙的容貌

我們居住的宇宙究竟是個什麼樣的世界？首先就來看看宇宙的整體容貌吧！

1.3 宇宙膨脹

宇宙還有一個不能錯過的有趣特徵，那就是宇宙膨脹。20世紀初，天文學家艾德溫．哈伯（Edwin Hubble）發現，離我們愈遠的星系，遠離的速度愈快（Hubble 1929），這意味著宇宙正在不斷膨脹。還有一項驚人的發現，那就是宇宙大約在102億年的時候，膨脹速度從原本的減速變為加速〔圖1.8：Riess et al.(1998)；Perlmutter et al.(1999)〕。能夠驅趕宇宙加速膨脹的力量，則被稱為暗能量（Dark energy）。發現宇宙正在加速膨脹的索爾．波麥特（Saul Perlmutter）、布萊恩．施密特（Brian Schmidt）及亞當．里斯（Adam Riess）3位教授更於2011年獲頒諾貝爾物理學獎。

不僅如此，我們又能從「星系旋轉曲線」及星系團的高溫氣體分布，明確得知宇宙存在著相當多肉眼無法看見的質量，也就是所謂的「暗物質（Dark matter）」。根據最新觀測結果與理論分析，宇宙充斥著不知真面目為何的暗能量（68％）與暗物質（27％）。而我們所觀測到的世界，甚至不及整個宇宙的5％（http://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe）。掌握占了宇宙95％的暗能量及暗物質究竟為何，成了現代科學的重要課題，但關於這個部分就先留給其他書籍去發揮，本書將針對「我們的世界」，也就是約5％的元素世界來深入探討。

第2章 構成太陽系的天體1～太陽、行星、矮行星～

本章將針對太陽、行星、矮行星這些太陽系的主要成員作解說。

2.2 行星

2006年，國際天文學聯合會（International Astronomical Union；IAU）將行星定義為「圍繞太陽轉動」「質量夠大，大到可產生足夠的引力使其保持接近球體」「能夠清除軌道附近的天體」，因此目前的太陽系有8顆行星（過去分類在行星之列的冥王星自2006年起被降格為矮行星，參照2.3節）。

以前是根據行星的大小與位置分成類地行星與類木行星2大類，近期則傾向分成下面3類。

類地行星（岩石行星）：水星、金星、地球、火星

類木行星（氣態巨行星）：木星、土星

類海行星（冰質巨行星）：天王星、海王星

水星

距離太陽最近的水星只有地球1/3大，是太陽系中最小的行星，也因為這樣，水星沒有足夠的引力抓住大氣層。我們還在水星上觀測到微量的氫（H）、氦（He），以及鈉（Na）、鉀（Ka）與氧（O），目前推測氫和氦來自水星磁場捕捉到的太陽風粒子。至於鈉、鉀屬於高揮發性岩石成分，因此猜測是太陽輻射或微隕石撞擊後，導致水星表面岩石氣化所產生的成分。

因為水星沒有大氣層，少了大氣層的阻擋減速，隕石或流星體（meteoroid）會直接衝撞水星表面，使得水星到處都是撞擊坑。也因為水星沒有大氣循環降低有陽光和無陽光時的溫差，所以日夜溫差高達600度。這些特徵都和地球的衛星，也就是同樣沒有大氣層的月球非常相似。

2011年，NASA的信使號探測器（Messenger）首度飛進水星軌道，觀測到水星表面環境，也讓我們發現水星除了具備南極與北極帶有磁場的雙極磁場外，更存在著表面地形所形成的地殼磁場。正常來說，想要跟地球一樣本身具備磁場的話，行星內部必須存在溫差，讓物質能夠對流。但是像水星這樣的小行星內部其實已經冷到固化，照理說應該無法形成磁場。所以目前尚無法得知，為何水星本身會具備磁場。

日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency；JAXA）與歐洲太空總署（European Space Agency；ESA）合作的水星探測太空船「貝皮可倫坡號（BepiColombo）」預計在2018年秋天發射升空（註：已於2018年10月20日順利升空）。期待能從各個面向與角度，綜合觀測水星的磁層、表層及內部，找出水星磁層的特性與起源。

金星

金星是太陽系的第二顆行星，以距離太陽0.7天文單位繞行，屬類地行星。因為金星是在地球內側的內行星，所以從地球看向太陽時，金星一定會出現在太陽仰角或俯角45度範圍內，又有「日落時最亮的星星（宵之明星）」及「晨星」之稱（圖2.3）。

金星的大小、質量、密度與地球極為相似，甚至可以說是地球的「雙胞胎」。不過，金星的表面環境非常嚴苛，和地球一點也不像。金星大氣層的主要成分是二氧化碳，並含有極少量的氮。大氣壓力非常高，地表可以達約90大氣壓力（相當於地球水深900m）。這也使得金星的溫室效應相當劇烈，表面溫度最高可達500℃。在金星雖然看不見像地球一樣活躍的火山活動及板塊結構，但因為目前並未找到5億年以前形成的撞擊坑，所以猜測金星在5億年前應該有經歷過橫掃星球表面的大規模火山活動〔Nimmo and McKenzie（1998）〕。2006年，ESA發射了快遞軌道衛星（Venus Express），掌握到金星在250萬年前也有過火山活動〔Smrekar et al.（2010）〕。目前更發現金星存在著815℃的熱泉〔Shalygin et al.（2015）〕。

金星最大的特徵，應該就是名為超慢速自轉（super-rotation）、秒速達100m的強風了吧，其速度比金星自轉60倍還要快，但目前尚無法得知為何金星大氣層的加速會比自轉速度快。

2016年4月，JAXA的探測衛星「破曉號」成功進入金星軌道，開始對金星展開正式觀測。「破曉號」備有5台可以偵測不同波長的攝像機，能精準觀測到不同的大氣波動。只要掌握金星大氣層的立體波動，應該就能解開超慢速自轉這類過去氣象學角度無法解釋的金星大氣現象機制。作者執筆本書的2017年10月更不斷發現各種與金星有關的新知，如：中下雲層存在赤道噴流、穩定的金星大氣層形狀就跟新月一樣〔Horinouchi et al.（2017）；Fukuhara et al.（2017）〕。

第1章 現代宇宙的容貌

我們居住的宇宙究竟是個什麼樣的世界？首先就來看看宇宙的整體容貌吧！

1.3 宇宙膨脹

宇宙還有一個不能錯過的有趣特徵，那就是宇宙膨脹。20世紀初，天文學家艾德溫．哈伯（Edwin Hubble）發現，離我們愈遠的星系，遠離的速度愈快（Hubble 1929），這意味著宇宙正在不斷膨脹。還有一項驚人的發現，那就是宇宙大約在102億年的時候，膨脹速度從原本的減速變為加速〔圖1.8：Riess et al.(1998)；Perlmutter et al.(1999)〕。能夠驅趕宇宙加速膨脹的力量，則被稱為暗能量（Dark energy）。發現宇宙正在加速膨脹的索爾...

我們從哪裡來？ Where Do We Come From?

我們是什麼？ What Are We?

我們要往哪裡去？ Where Are We Going?

這是法國畫家高更（Paul Gauguin）知名畫作的標題。無論從哲學、文學還是藝術角度，已經有非常多人思考過這個「問題」。各位心中是否也曾有過這樣的疑問？

以實驗、觀測、分析、理論的最新見解，針對這個「探討人類根源的疑問」，站在科學觀點思考的學問範疇，即是本書要介紹的宇宙地球科學。本書會先探討廣闊稀薄的宇宙中，「藍色地球」是否只是顆不足為奇的星球，接著聚焦宇宙物質演化的必然性及偶然性。若能理解時經138億年，物質演化躍動的本質為何，應該就能窺見地球的未來。

本書是筆者從公開演講、大學或碩士生課堂內容中，精選出有關宇宙地球科學的部分，並彙整成15個章節。這些內容不僅讓許多聽者享受到最先端研究的臨場感，裡頭更隨處可見刊載於Nature、Science等期刊尚未定論的最新見解。書末也列出了論文出處，歡迎有興趣深究的讀者自行運用。

接著，就讓我們一起尋找「我們從哪裡來？我們要往哪裡去？」的答案吧。

看著「隼鳥2號」（Hayabusa 2）探測器送回小行星「龍宮」（Ryugu）未曾曝光的影像而感到興奮不已。

我們從哪裡來？ Where Do We Come From?

我們是什麼？ What Are We?

我們要往哪裡去？ Where Are We Going?

這是法國畫家高更（Paul Gauguin）知名畫作的標題。無論從哲學、文學還是藝術角度，已經有非常多人思考過這個「問題」。各位心中是否也曾有過這樣的疑問？

以實驗、觀測、分析、理論的最新見解，針對這個「探討人類根源的疑問」，站在科學觀點思考的學問範疇，即是本書要介紹的宇宙地球科學。本書會先探討廣闊稀薄的宇宙中，「藍色地球」是否只是顆不足為奇的星球，接著聚焦宇宙物質演化的必然性及偶然性。若能理解時經138億年...

前言

第1章 現代宇宙的容貌
1.1 構成你我身體的元素
1.2 宇宙的階層構造
1.3 宇宙膨脹

第2章 構成太陽系的天體1～太陽、行星、矮行星～
2.1 太陽
2.2 行星
2.3 矮行星

第3章 構成太陽系的天體2～小行星、彗星、外圍天體～
3.1 小行星
3.2 彗星

第4章 構成太陽系的天體3～衛星與星環～
4.1 衛星與星環
4.2 火星的衛星群
4.3 木星的衛星群
4.4 土星的衛星群
4.5 衛星與星環的關係

第5章 行星比較～比較行星科學入門～
5.1 大小、質量、密度的比較
5.2 行星軌道半徑具備的經驗法則
5.3 公轉週期與軌道半徑的關係
5.4 平均氣溫與軌道半徑的關係
5.5 太陽系天體具備液體的條件
5.6 大氣層的比較

第6章 星體演化與輕元素的合成（比鐵輕）
6.1 星體誕生的條件
6.2 星際氣體收縮的空間尺度與時間尺度
6.3 星際氣體收縮伴隨的中心溫度上升
6.4 氫燃燒
6.5 質量與光度的關係以及星體壽命
6.6 從主序星到紅巨星
6.7 星體的盡頭與釋出質量

第7章 星體演化與重元素的合成（比鐵重）
7.1 顯示原子核質子數與中子數平衡狀態的核種圖
7.2 中子捕獲過程
7.3 形成中子慢捕獲過程（s過程）的環境
7.4 形成中子快捕獲過程（r過程）的環境
7.5 太陽系裡的s過程核種與r過程核種

第8章 銀河化學演化與太陽結構
8.1 雙星的演化與I型超新星爆發
8.2 銀河的化學演化
8.3 太陽系的化學結構
8.4 太陽是顆不足為奇的星體？
8.5 有著行星的太陽系是很不足為奇的星系？

第9章 太陽系的形成
9.1 從分子雲核到原太陽
9.2 原太陽系盤的形成與演化
9.3 類木／類海行星的成長與原生大氣
9.4 類地行星的成長與次生大氣
9.5 水的狀態與二氧化碳
9.6 行星遷徙的概念～大航向模型

第10章 地球外物質與年代分析
10.1 從外太空飛來的物質～隕石和宇宙塵～
10.2 隕石的種類
10.3 球粒隕石
10.4 各種無球粒隕石
10.5 隕石、岩石樣本的定年法原理
10.6 使用長壽核種的定年法原理
10.7 使用短命核種的定年法原理

第11章 從地球外物質探究太陽系的歷史～太陽系年代學入門～
11.1 太陽的組成與原始物質
11.2 源自太陽星雲的固化～氣相固相的平衡過程～
11.3 太陽系最古老凝結物CAI與球粒
11.4 隕石母天體的熱力變質與水化變質
11.5 微行星的內部溫度
11.6 部分矽酸鹽地函的熔融與玄武岩地殼
11.7 太陽系初期固態天體的演化
11.8 太陽系年代學中尚未釐清的議題

第12章 地球的歷史
12.1 冥古宙（46億年前～40億年前）
12.2 太古宙（40億年前～25億年前）
12.3 元古宙（25億年前～5.4億年前）
12.4 顯生宙（5.4億年前～現在）

第13章 月球的科學
13.1 月球與地球的獨特關係
13.2 月球的起源與演化
13.3 從月球解密太陽系歷史
13.4 月球與地球的共同演化～地球吹向月球的風～

第14章 太陽系外行星觀測
14.1 發現太陽系外行星
14.2 如何找到太陽系外行星
14.3 系外行星可見的特徵
14.4 行星形成論的普遍化
14.5 適居區

第15章 德瑞克方程式與地球的未來
15.1 德瑞克方程式
15.2 地球的未來

參考文獻
索引

前言

第1章 現代宇宙的容貌
1.1 構成你我身體的元素
1.2 宇宙的階層構造
1.3 宇宙膨脹

第2章 構成太陽系的天體1～太陽、行星、矮行星～
2.1 太陽
2.2 行星
2.3 矮行星

第3章 構成太陽系的天體2～小行星、彗星、外圍天體～
3.1 小行星
3.2 彗星

第4章 構成太陽系的天體3～衛星與星環～
4.1 衛星與星環
4.2 火星的衛星群
4.3 木星的衛星群
4.4 土星的衛星群
4.5 衛星與星環的關係

第5章 行星比較～比較行星科學入門～
5.1 大小、質量、密度的比較
5.2 行星軌道半徑具備的經驗法則
5.3 公轉週期與軌道半徑的關係...