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揭開土星系統奧秘

 

緣起

  卡西尼‧惠更斯號太空船探測土星系統 是歐美科學家的成就,探測的任務已過大半,而且它跟我們日常生活的經濟短時間之內又看不出會有何關聯,我們為何還要弄個展來介紹土星系統呢?首先我們該弄清楚,卡西尼‧惠更斯號太空船探測土星為什麼會在 21 世紀初就如此的 被歐美天文學家重視 ,而想去進行瞭解的原因!卡西尼‧惠更斯號太空船探測土星的科學發現,或許將改變了我們對於土星系統、甚至 太陽系的基本認識 ,也可能改變了我們對於地球本身的態度。土星系統內土星、 土星環 、 土星衛星群 彼此間的互動關係和呈現出來的現象,可堪稱是天文學家瞭解星體群運行的最佳範例。再加上土衛 6 泰坦獨特的大氣組成,與地球初期的大氣組成類似,它會不會孕育出了初期的生物型態?‧‧‧等等疑問已成為科學家急於想解開的謎團。

  因此,在現今具社會使命感的科學英雄典範難尋,世風普遍充斥各種虛擬實境的互動遊戲偏差,諸如藐視環境道德、踐踏專業操守、追逐短視功利、 扭曲判斷是非、不尊重專業知識、也不尊重個體生命之際,對人、對社會、對大自然都欠缺真誠的愛與關懷。在此之際,我們需要有值得推薦給所有觀眾, 尤其是給青少年朋友可以立志學習探究的方向。所以,我們需要這個展的理由之一,是「我們需要一個科學探究的偉大成就」來激發我們的自然科學發展與自我創新學習的努力目標方向。

  我們需要這個展的理由難道只是要將 土星系統奧秘 視為神明般的神秘與炫耀歐美的偉大科學成就而已嗎? 不,我們要正視近代人類在天文科學探索上的偉大創新性的科學成就,介紹給 來參觀的輕年學子們 。 卡西尼‧惠更斯號太空船探測土星系統 的成就,僅是近代人類在天文科學探索上的偉大之一。對於過去幾十年來科學探索 金星 、 火星 、 小行星體 等星體的登陸、 木星 系統的觀測,探索成就之多遠非筆墨所能描述。又如在 恆星系統 的誕生與演化、在 行星 的搜尋與生命(生物) 起源的探索、鄰近行星、小行星體、 彗星 等觀測成就,帶來了人類文明史上前所未有之震撼。新近庫柏帶小行星體的大量發現, 冥王星 改歸類於「 矮行星」,木星與土星衛星數量的大量發現,衛星與環的來源探究和觀測,也大大地改變了天文學家 對於行星的看法 。所以,我們需要這個展的理由之二,是要介紹這次近代天文探索的科技偉大成就和重大的科學貢獻,讓我們瞭解近代的天文科學重大轉折關鍵所在,來激發我們的自然科學發展與自我創新學習的努力目標方向。

  雖然自從 1540 年 哥白尼 發表「日心體系學說」後, 繞著恆星太陽公轉 的「行星」體一辭,才真正被人瞭解、並經常使用。但是,隨著繞行 太陽 天體的發現,使得 太陽系 行星個數也隨著不同年代、不同定義而演變。在 1781 年天王星的發現,1846 年海王星的發現,以及 1845-1851 年間海王星外所發現的大量星體而歸類重整出增列「小行星」一類。 1930 年冥王星的發現, 2003 年 厄裡斯 (Eris) 的發現,而大大地改變了天文學家 對於行星的看法 ,現今,將冥王星、穀神星(Ceres) 與厄裡斯已同列為「 矮行星」的成員,無疑問地開啟了新行星天文學的燦爛一頁。 所以,我們需要這個展的理由之三,是要介紹行星新定義,以及和行星盤面相類似的土星環與土星衛星群所構成的旋轉盤面,來激發我們的自然科學發展與自我創新學習的努力目標方向。

 

人與土星

在東方先民們的曆法中

  公元前四世紀的中國先民已測得土星28 年周天一次,一年走一宿,好像是鎮壓28宿一樣,所以把它叫做「鎮星」,又叫「填星」。《史記‧天官書》記載為了符合28宿一年填一宿,所以稱28 歲一周天。漢代《五星占》帛書記錄土星的會合周期為377日、恆星周期為30年。《漢書‧律曆志》記載土星晨始見間之日數約378日,其一周天約為29.5年。

  其實,現代已知土星公轉週期為約 10,760 個地球日(約 29.46 個地球年),而地球公轉週期為約 365.24 個地球日。因此,土星與地球會合週期約 378 地球日(因 1/365.24 - 1/10,760 ≒ 1/378.09),古測可謂準確。

 

在西方星占學上

  天文學(Astronomy)一辭源於Astrology,由此我們可從西方星占學來窺探西方文明史上對於土星的認知。

  美索不達米亞神話中,土星(Ninurta)和他的兄弟火星(Nergal)都是戰神。土星也被描述成太陽(Helius)的飾物。

  希臘神話中的農神  在羅馬/希臘神話中,泰坦(Titan)神族裡的農神(Saturn)/(Cronus)篡其父天神(Uranus)/(Heaven)而統治宇宙,後被其子宙斯(Jupiter)/(Zeus)取而代之。

  太陽神Aten的石版刻  公元前3千年的埃及古天文中,表徵著太陽神(Aten 或Horus,希臘神話中的Apollo)不同時間的分身,在日出、日正、日落時分別叫作「日出神Khephri」、「日至神Ra」、「日落神Atum」。土星代表的就是日出神。

 

星占學上的土星

  五行相生、相剋示意圖表土星是肉眼能見得著行動最緩慢的行星。中國古代以金、木、水、火、土五行星運行為基礎,論述萬物相生、相剋的《五行說》,將土星(鎮星)視為鎮邪、驅魔的象徵。

  在中古的歐洲,因為視覺上土星的昏暗不清、運行緩慢等特徵,將土星表徵成孤獨、憂鬱、冷漠、遲緩、呆滯、膚淺等負面的意涵,而擬人化為老人。所以出生時是屬土星者,他們的職業適合從事於農耕、建築、採礦等和土地有關的工作。

  另外土星也表徵成才華出眾、理智、有引響力的,所以出生時是屬土星者,他們的職業適合於商人、律師、醫師、科學家、閣員、管理者等須多動腦的行業。

  公星占學裡也將出生時太陽所在的星座,和個人的健康與命運牽聯在一起。屬土星者(相關的星座為寶瓶座和摩羯座),即使看手相也對照著行星的運行,窺視出他們的健康狀況和命運。

 

行星和衛星是怎麼來的?

  從行星公轉的方向所具有的高度一致性,以及類地行星、類木行星與冰冷小行星等行星體組成類型特徵來探究它們的來源,不得不讓天文物理學家們猜測:行星絕大多數可能是在造星過程中,隨同太陽由一大團星際雲氣的旋轉、凝聚、扁平化等演化而來。

  由衛星繞著行星公轉盤面與方向順行與逆行之分,再加上同一顆行星的眾多衛星裡,它們組成的大程度的差異性等特徵來探究它們的來源,不得不讓天文物理學家們猜測:衛星群中雖有伴隨該顆行星一起演化誕生者,但是有些可能是從遊蕩路過的小星體被擄獲者。

 

行星新解

  第26屆國際天文聯合會(International Astronomical Union,IAU)會員大會於2006 年8月 24日議決:太陽系的行星只有8個,冥王星另外歸類為「矮行星」!到底太陽系成員(衛星不計入)究竟是如何分類和定義?

行星(Planets)的新定義:

  1、環繞太陽運行的天體。

  2、質量必須大得使其自身的重力足以使球體維持近乎圓球形的外型。

  3、清除了軌道鄰近區域中的物質。

矮行星(Dwarf planets)的定義:

  1、環繞太陽運行的天體。

  2、質量必須大得使其自身的重力足以使球體維持近乎圓球形的外型。

  3、未能清除軌道鄰近區域中的物質。

  4、不是行星的衛星,或是其他非恆星的天體。

太陽系小星體(Small Solar System Bodies):

  所有行星和矮行星以外,環繞太陽運行的天體(衛星除外),全部歸類於此類。換言之,這一類包含了絕大部分的小行星(Asteroids)、海王星外天體(Trans-Neptunian Objects, TNO)、彗星(Comets)和其他小天體等。

 

行星公轉盤面與行星環

  太陽系裡的各個行星是如何繞行太陽公轉呢? 我們由觀察發現了以下的行星公轉特徵:

  八大行星、小行星帶和庫柏帶軌道大致在一平面上,太陽旋轉赤道面接近此一平面。這個以太陽為中心的行星公轉軌道面,我們稱它為「黃道面」。各個行星的公轉軌道面和黃道面間的夾角都很小。

  1、行星公轉軌道近似一個以太陽為中心的圓,滿足著「刻卜勒的行星第一運動定律」:行星運行軌道是橢圓的,太陽在它的一個焦點上。

  2、所有行星公轉和太陽自旋都是沿著相同的方向 (右手指向:右拇指北指、其餘四指所旋轉的方向)。這似乎述說著各個行星的來源和太陽的形成是分不開的緊密關係。

  3、多數行星公轉軌道間的距離遵守波德定律 (Bode's law):以 4、4+3、4+6、4+12、4+48、4+96 等關係數列來表示太陽系裡眾行星繞行太陽公轉的軌道。

  4、所有行星公轉速度和與太陽距離間的關係,滿足著「刻卜勒的行星第二運動定律」:在等時間內,行星和太陽的聯線所掃過的面積相等。

  5、所有行星公轉週期和與太陽距離間的關係,滿足著「刻卜勒的行星第三運動定律」:行星軌道半徑的三次方與其公轉週期的平方之比值是固定的。

  類木行星赤道面的延伸,都存在著數層分別由塵埃、大小不等的冰塊與碎石等飄流物體所組成的一個盤面,在陽光反射下更顯得壯觀,這就是所謂的「行星環」。在行星環所在的盤面附近,也都有眾多的衛星存在著。它們共同地繞著該行星以不同的速度運行。

 

旋轉盤面上的行星與衛星

  在黃道面公轉的行星和在行星盤面附近公轉的衛星,它們間有何異同之處呢?首先,在共同點有:

    1、它們都繞著一個大質量為中心公轉,行星繞行太陽、衛星繞著行星。

    2、所有行星與衛星的公轉速度和繞行的中心距離間的關係,都滿足著「刻卜勒的行星第二運動定律」。

    3、所有行星和衛星的公轉週期和繞行的中心距離間的關係,都滿足著「刻卜勒的行星第三運動定律」。

  行星和和衛星的運行不同處有:

    1、多數行星公轉軌道間的距離遵守波德定律,然衛星並未有此關係式。

    2、行星公轉方向和太陽自轉方向相同;而衛星則須由它的來源判斷它繞行的盤面與方向,衛星公轉方向與行星自轉方向一致者稱之為「順行」、反之稱之為「逆行」。

    3、行星有著個自的自轉方向,但衛星卻多僅以相同的面朝向運行中心點上的行星,仿如月球以同一面繞行地球的景觀。

 

土星在哪?

  土星是太陽系由內往外數算的第6顆行星,其體積幾乎與木星相當。類木行星中有明顯環的就是土星

  土星有著平坦光環是其最著名的特色,可能是所有行星中最易辨認的,光環是由許多塵埃、大小不等的冰塊與碎石等飄流物體所組成。土星主要由氫所組成,密度輕 (比水還小)。

 

你對土星認識多少?

*土星的基本資料詳列如下:

  土星年(土星繞太陽公轉一周的時間)約 10,760 個地球日 (約 29.46 個地球年)。

  土星日(土星自轉一圈的時間)約 10 小時 14 分(赤道附近)、約 10 小時 40 分(深層內部和高緯度大氣)。

  土星繞行太陽公轉的軌道面與黃道面夾角約 2.48446 度。

  土星公轉平均速率每秒 9.64 公里。

  土星赤道面與公轉軌道面夾角約 26.73 度。

  土星與太陽平均距離約 14 億 2672 萬公里(9.537 AU;與太陽的距離介於 9.005 AU 至 10.07 AU 間)。

  土星質量約 5.69 × 1026 公斤(95.147 M⊕;平均密度 0.69 公克 / 立方公分)。

  土星赤道直徑約 120,660 公里(9.42 D⊕)。

  土星大氣雲上端溫度約 -180°C。

  土星大氣雲上端重力約 11.37 公尺 / 秒平方(1.16 G)。

  土星的逃逸速率約 35.6 公里 / 秒(3.2 V⊕)。

  土星的衛星個數:2006 年10月已知 56 個,其中已命名者有 35 個。

  土星與地球會合週期:約 378 地球日(因 1/365.24 - 1/10,760 ≒ 1/378)

 

曆法中的土星週期

  土星繞太陽公轉一周的時間約 10,760 個地球日(約 29.46 個地球年),而土星與地球會合週期約 378.1 地球日(因 1/365.24 - 1/10,760 ≒ 1/378.1)。使得兩次土星與地球會合期間,仿如土星又順著 28 宿前進了一宿,所以在中國古曆法中給予土星有「鎮星」或「填星」之稱。若再加上先民們早已測得知地球與五行星裡的水星、金星、火星、木星合週期約 115.9、584.0、779.9、398.9 地球日,於是中國歷代都將五行星的運行推算列為曆法中的主要工作。

 

天文鐘上的土星

  1450在17世紀的歐洲,時鐘發明後也將五行星穩定周期性的規律運行特徵,列為時間規律的重要推算標準,也就是將五行星周期性的運行位置展現在鐘錶上,稱為「天文鐘」。

  天文鐘的時間表示方式,雖讓大眾重視到時間與星辰運行的規律性,但也同時助長了星占的時尚。

 

你對土星認識多少?

  類木行星面貌,它們因為體積都很龐大(土星半徑約地球的9.42 倍)、但是自轉週期卻都很短(土星自轉一圈時間僅約 10 小時多,約地球的0.5 倍);也就是,它們的自轉速度都很快,這就造成了星球表面有著高速隨著星球旋轉的強風,而呈現出東西向的明顯條紋。尤其是在較低的緯度 (可以南北緯 30 度為準) ,在近赤道地區的條紋和色澤更是明顯,又因為星球高速的旋轉,使得星球表面在位於不同緯度的氣體不易互相流動,所以終年看見的是東西向狂風所形的條紋景觀,和類似於龍捲風 (tornados) 的明顯斑塊。

 

土星的衛星

土星的衛星一

  最接近土星的 Pan (土衛 18)、Atlas (土衛 15)、Prometheus (土衛 16)、 Pandora (土衛 17) 這一組衛星,有「牧羊者衛星 (shepherd moons)」之稱,因為它們使眾多環繞土星的粒子形成明確地區別開的環。

土星的衛星二

  Tethys (土衛 3) 是1684 年 Giovanni Cassini 發現的冰冷星體,它表面溫度約為絕對溫度 86 度。它的密度為 1.21 克/立方公分,顯示 Tethys 的組成絕大部份可能是冰水。

  B. Smith 於 1980 年利用地面望遠鏡發現的 Telesto (土衛 13) 和 Calypso (土衛 14),可以說是 Tethys 的特洛伊 (Trojans) 衛星,因為它們的軌道與 Tethys 相同,但它們都是位在 Tethys 前後,且以土星為圓心、與 Tethys 成 60 度夾角的位置上。

土星的衛星三

  Hyperion (土衛 7) 是土星小衛星之一,它痘凹麻花般的外表呈不規則的外觀, 它可能是曾被碰撞後彈出的小衛星。它彷如受到土星重力的束縛而在其公轉軌道上失控滾翻著,呈現不穩定的公轉週期。它表面上有個寬約 120 公里、深約 10 公里的大坑洞。

  Tethys (土衛 3) 是1684 年 Giovanni Cassini 發現的冰冷星體,它表面溫度約為絕對溫度 86 度。它的密度為 1.21 克/立方公分,顯示 Tethys 的組成絕大部份可能是冰水。

  兩面不同呈像的 Iapetus (土衛 8) 是顆古怪的土星衛星,它朝向土星的那面暗如瀝青柏油、而亮的那面又彷如白雪、亮面的反照率約是暗面的 4 至 5 倍。 1671 年 Giovanni Cassini 首先發現 Iapetus 的亮面,直到 1981 年 8 月 22 日航海家 2 號太空船路經土星時才仔細觀察到它的暗面。

  Phoebe (土衛 9) 是土星衛星中最引起好奇感興趣的衛之一,距離土星的距離是它鄰近衛星 Iapetus (土衛 8) 的 4 倍,它們的公轉軌道並不是在土星的赤道面上,而呈 30 度的夾角,且與土星自轉方向相反,也就是「逆行 (retrograde)」。 它略呈球形的直經約為220 公里、是月球的 1/15 ,每 9 個小時它自轉一次, 到繞土星一圈約需 18 個月。再加上 Phoebe 異於其他土星衛星的低反照率,所以科學家猜測它是被土星補抓來的昏暗衛星體。

 

衛星的來源推測

伴隨著行星誕生環繞在行星旋轉盤面的細小物質凝結形成

  伴隨著行星從一團星際雲氣經過凝聚、旋轉、扁平化的行星形成過程,而在距離該行星不同的特殊距離處,這些散怖的細小物質,因著彼此間的重力逐漸凝結呈塊、進而形成繞著行星規律運行的衛星。

大撞擊釀成的產物

  在一次外來星體巨大地撞擊下,造成了爆裂的碎塊噴向外太空,在行星的重力吸引下形成環繞著行星的細小物質盤面(行星環)。這些散怖於行星四周盤面上的細小物質,因著彼此間的重力而逐漸凝結呈塊,撞擊的數百年後甚至可能形成繞著行星規律運行的穩定星體,這就是衛星。

捕捉到從旁路過的小星體

  當彗星等小行星體,在繞行太陽的過程中路經大行星的附近,受到大行星強大的重力吸引而無法逃脫,成為大行星捕捉到的衛星體。

 

土星衛星的組成

  從行星衛星、小行星體的外觀來探究其組成:因為和行星衛星、小行星體比起來,無論是俱有堅硬地殼裸露的類地行星,或是外觀僅見到高速流動氣體而看不到有堅硬地殼的類木行星都遠比行星衛星、小行星體大很多。因此,類地行星和類木行星所具有呈現「圓球狀」的星體型狀基本要求,對於行星衛星與小行星體而言,根本很難達到,它們的外觀頂多彷如個大石塊而已,面貌可說是千變萬化。其他的大行星所擁有的體積大小、質量大小、溫度、表面重力、磁場、星球內部的組成和大氣的成分等更是難以比擬。目前已知土星衛星中除土衛六泰坦擁有濃密的大氣層,以及土衛九(Phoebe) 和 土衛八(Iapetus)等少數衛星裸露出含碳質的表面外,觀察到的大多是冰天雪地的外觀。

 

土星衛星的運行

  土星系統擁有龐大的衛星群,或許和它能擁有巨大的行星環有著相同的原因。土星除了僅有的一顆伽利略級的大衛星泰坦(土衛六)外,在較靠近土星處有四顆1/10 月球質量以上的中級衛星、數十顆小衛星與土星環面組成了一個扎實穩定的系統。那這些土星衛星到底是怎麼運行的呢?其特徵如下:

    *有幾組由2顆或更多顆衛星組成的衛星群,它們會同步地共用幾乎相同繞行土星的公轉軌道,它們或許是同一來源。

    *所有土星的衛星的公轉都遵守著刻卜勒的行星第二與第三運動定律。

    *土星的衛星公轉方向須由它的來源判斷它繞行的盤面與方向,衛星公轉方向與行星自轉方向一致者稱之為「順行」、反之稱之為「逆行」。

    *所有土星的衛星幾乎僅以相同的面朝向運行中心點上的土星,仿如月球以同一面繞行地球的景觀。

    *土星的衛星公轉運行的方式和軌道,也和土星環的形狀與分怖有著緊密的關聯。

    *軌道相鄰的驕小衛星常有互換軌道的情況發生。

 

土星衛星的睦鄰面面觀

  擁有龐大的衛星群、數千條環縫構成的土星環和外觀瞬息變換的土星,編織出謎樣的土星系統。這當中數十顆衛星在它所在的環縫、與其他衛星和環縫,甚至與土星間呈現出何種共存的神秘關係現象呢?我們依據已觀測的現象來揭開其神秘面紗。

*衛星導引鄰近的行星環的塵埃微粒運行,彷如牧羊犬作為。

  因著衛星的重力作用會減低內側微粒的速度使得微粒往內靠;反之,增快外側微粒的速度使得微粒往外軌道移。

*在環中開出一條自己繞土星公轉的通道環縫、且清理環縫裡的細小塵埃微粒。

  行星環中若有了衛星的存在,因著衛星的重力作用會吸附凝聚附近的塵埃微粒,以及衛星導引鄰近的行星環的塵埃微粒運行作用,結果是在環中開出一條自己繞土星公轉的通道環縫、且會持續地清理環縫裡的細小塵埃微粒。

*窄化相鄰兩衛星間的土星環縫。

  兩衛星間的土星環縫裡的塵埃微粒,會被內側的衛星加速、增加它們的離心力而略遠離;反之,會被外側的衛星減速、降低它們的離心力而略向內靠近,因此使得相鄰兩衛星間的土星環縫會被窄化。

*生成螺旋狀的「密度波(Density Waves)」。

  行星環的塵埃微粒群和鄰近的衛星在周期性的重力交互作用下,會產生螺旋狀的密度波。

*衛星是鄰近行星環皺褶與波的肇事者。

  有「引導衛星或牧者衛星 (Shepherd Moons)」之稱的土衛16(Prometheus,圖上較近土星者)和土衛17(Pandora,位於圖上右下角)造成了鄰近的 F 環掀起皺褶的波紋現象(卡西尼號太空船近距離拍攝)。

 

土星衛星系統

  探究彷如小型太陽系行星系統的土星衛星系統,其系統裡快速的各種變化中,可以讓我們深刻瞭解太陽系的可能來源、演化和預兆未來的可能發展情景。

    *由衛星與土星環的互動過程中,似乎模擬著行星與周遭星體的互動。

    *由衛星分組繞行土星公轉的情景,正是特洛伊小星伴隨類木行星繞行太陽的寫照。

    *最近大量地發現離土星稍遠的衛星,可比擬近來對於庫柏帶附近小行星體的發現。

 

土星環

  *這是從地球上可以見到的土星環一個周期的變化。

  

  *土星環和地球的大小比較。

  

  *土星主要衛星和土星環結構之基本資料。

  土星主要衛星和土星環結構之基本資料

 

行星環的來源推測

  伴隨著行星誕生環繞在行星旋轉盤面的細小物質

    伴隨著行星從一團星際雲氣經過凝聚、旋轉、扁平化的行星形成過程,而在距離該行星較遠處,雖然它們都未被行星吸進去,但仍受到行星強大的重力影響無法逃脫而持續地繞行該行星,成為行星系統的一部分。

  潮汐力撕裂疏鬆星體釀成的產物

    環繞在行星體四周的星體,在它面對該行星處所受到行星的重力會比背對該行星處所受到的重力來得大,這就會使得這個星體造成變形,彷如潮汐的起落,我們稱這種重力的位差為「潮汐力」。

    若環繞在行星體四周的星體內部過於疏鬆而無法抵擋潮汐力的拉扯,則會使得該星體結構全面的瓦解,而爆裂成無數細小的物質,繼續環繞著行星呈圓環盤面,這就是行星環。

 

泰坦的大氣組成

  以氮(N2)、氬(Ar)和甲烷(CH4)為主的泰坦大氣組成,絕然不同於太陽系裡的太陽、以及其他行星或衛星的大氣組成。泰坦濃密的大氣形成了 1.5巴的大氣壓,也使得泰坦呈現出有趣的變換面貌。

*泰坦和類地行星表面大氣主要成分:(表內[ ]數字表示百分比)

*太陽和類木行星表面大氣主要成分:

*薄霧籠罩下的泰坦大氣景觀:

 

泰坦的運行面面觀

  土星的這顆最大衛星 ── 泰坦,是如何地自轉、如何地繞行著土星公轉呢?從它的公轉周期為 15.94542068 個地球日,而它的自轉周期也是15.94542068 個地球日看來,這表示著什麼令人迷惑的原理?我們不仿從地球的衛星 ── 月球開始瞭解起,你是不是覺得除了月相變化外,看到的月面總是相同的一面。沒錯,自從有史記載以來,先民們所能見到的月面,就是你我看到的這一月面。再查看月球的公轉和自轉周期都是一個恆星月(27.321661 個地球日)。換言之,土星的衛星泰坦也是以同一面朝向著土星,形成這個現象的原因應該是相同的由潮汐力所造成。

圖片說明:

  地球上呈現潮汐的原因,是地球表面距離月球有遠近不同之差異,而形成「重力的位差」(簡稱潮汐力)。月球對於地球的潮汐力使得地球自轉會慢下來,我們經常需「閏秒」來校準時間。而地球對於月球的潮汐力使得月球自轉慢下來,最後只好以相同的面一直面向地球。

 

泰坦在土星系統中的角色

  泰坦是太陽系裡僅次於木衛 3甘尼米德的第2大衛星,它也是土星最大的衛星。而土星是太陽系裡僅次於木星的第2大行星。到底泰坦在土星系統中的角色有何特殊呢? 就大小而言,木星系統有 4 顆被稱之為「伽利略衛星」的巨大型衛星:依奧、歐羅巴、甘尼米德、卡利斯多,但沒有 0.1 個月球直徑以上的中型衛星,環也並不明顯。然而,土星系統僅有泰坦這顆巨大型衛星,卻擁有6顆中型衛星,以及有著濃密明顯的環面。換言之,木星系統所有衛星與環的質量,絕大多數集中於 4 顆伽利略衛星。泰坦佔了土星系統所有衛星與環質量的95%。

 

卡西尼 ─ 惠更斯號太空船任務

  卡西尼 ─ 惠更斯 (Cassini-Huygens) 太空船於 1997 年 10 月 5 日升空,目的地為距離地球 1 億 5 千萬公里遠的土星系統,為期長達 7 年的探測土星任務。2004 年 7 月 1 日終於順利成功地抵達了土星系統。接下來卡西尼 (Cassini) 太空船的工作任務除了將以 4 年的時間環繞土星 74 圈外,2004 年聖誕節將惠更斯 (Huygens) 號登陸艇釋出,讓惠更斯號於2005 年初登陸泰坦 (Titan)。卡西尼太空船將會繞行泰坦 44 圈,且每天花 9 小時向 80 光分外的地球傳回影像和觀測數據。卡西尼 ─ 惠更斯號太空船對於多瞭解泰坦的探測任務有以下重點:

    1、確定泰坦及大氣的生成與演化。

    2、確定泰坦大氣的組成元素。

    3、觀察與尋找複雜的化學分子,研究大氣化學能源。

    4、量測泰坦全球溫度分布和風,研究雲的物理環境,四季對於泰坦大氣層的影響。

    5、確定泰坦地表的組成與現況。

    6、研究泰坦上層大氣的離子和土星磁層的關係。

    7、確定泰坦地表的狀態,與 1994 年哈柏太空望遠鏡的影像比對。

*卡西尼 ─ 惠更斯號太空船的裝備功能

卡西尼 ─ 惠更斯號太空船的裝備功能

地球外生命起源的蒐尋史

  早期科學家將能找尋到有機物,視同就是找到生物跡象的神聖。然而在化學家的眼中,僅視有機物為一些含碳、氫的化合物。直到 1960 年代,天文化學家從來自外太空的隕石中,發現有機物的存在,而讓人懷疑外太空是否有生物的存在 ?

  到了 1970 年代,因為天文望遠鏡的改進和觀測上的許多重大天文現象的發現,使得天文化學家發覺到暗星雲中充斥著氨 (NH 3 )、一氧化碳 (CO)、CS、CH-、OH- 等有機化合物。換言之,宇宙間有機物的存在是和造星運動一樣的普遍,太空中處處應該都有有機物的存在。但這些有機物難道和生物的起源沒有任何一點關係嗎?

  1980 年代,天文化學家、天文生物學家們,期盼能從周期性造訪的哈雷彗星尾巴中找尋些有機物和生命的諸絲馬跡關連性,他們從哈雷彗星尾巴的氣體中分析出氨基酸、HC2n+1N 等有機體。(如附圖一)這不禁讓人想到,彗星會不會是在行星演化的早期就不斷地帶來生物的起源所需的素材。之後,研究人員分析發現從生成有 46 億年之久而 1969 年落到澳大利亞的Murchison 隕石、和約同樣是在 46 億年前生成而於1864 年墜在法國的Orgueil 隕石中找到有機組成,(如附圖二)這些從早期來到地球、相信至今仍未被汙染的隕石中擷取獲得的有機物,包涵著早期生物所需的所有核酸,不但種類繁多且是早期地球大氣無法找著的。它們含有組成我們基因所須需要的氨基化物、和其他生物所必須的重要化合成份,如酮、羰基 (- COOH) 酸、氨基化物和奎寧等維持生命生化反應中不可或缺的多樣性有機物。

附圖一說明:

  氨基化物 (Amides) 的模型結構圖,灰藍色的表示碳原子C、紅色的表示氧原子 O、深藍色的表示氮原子N、灰白色的表示氫原子H。氨基化物是從氨水 (Ammonia) 得出的有機組成。絕多數哺乳動物所產生的尿素就是一種氨基化物。

附圖二說明:

  上圖是 4.5 克的 Murchison 隕石樣本,左圖薄膜狀小囊胞是利用紫外光從 Murchison 隕石樣本上發現的有機殘留物發光現象。

從彗星蒐尋到有關生命的成分訊息

  美國哈佛史密松天文物理中心的一群天文學家,分析次毫米波段的觀測資料,針對百武彗星上所觀測到的氫和氘 (或稱為重氫) 比率加以計算,發現其比率﹝一萬比一點六﹞和地球上的比率﹝一萬比一點五﹞很接近,而比木星或土星等行星上的氫與氘比率﹝十萬比一點五﹞大上十倍。可見地球能有如此多的水份,和地球形成過程中,某一時期內有眾多彗星落到地球的說法是有依據的。1996 年 9 月 26 日,美國太空總署的「極地號(POLAR)」太空船傳回以紫外光所攝得的照片,照片清楚地顯示一顆仿如房子般大小的小彗星衝入地球大氣層時即裂開,約在地球表面上空 960 至 24,000 公里處化為水蒸氣雲。記載的影像資料顯示,經常會有許多如此的外太空物體進入大氣層,增加了地球的水源,並提供可能是地球生命基礎的有機化合物。1988 年提出「宇宙雨」理論的愛荷華大學物理學教授富蘭克表示,這種較為溫和而可能包含簡單有機化合物的「宇宙雨」,也可能滋潤了地球生命的發展。

  用化學方法來分析星際氣體及星際微塵的成份,也許可以發現生命誕生的秘密。所以瞭解彗星的成分,有助於推測地球早期生命的起源。(如附圖)由歐州天文台﹝ESO﹞與美國太空總署 (NASA) 針對彗星所含元素的分析,氨、烷類以及氫氧化物等有機物質所占的比率不小。這和地球數億年來生物的活動,有可能因早期彗星帶來的有機化合物,在地球初成時的太陽紫外光照射、火山爆發熱環境中自發性組合,生成包括醣類、酯類、核酸及安基酸等生命系統物質。但若能再從彗星的成份中發現這些有機體胚種,也許外來的有機體胚種所衍出日後地球上千萬種生命體形態的『生命起源胚種論』的說法可得到明證。

隕石中的有機成分

*隕石中發現了多糖體與醇類

  2001 年NASA地球化學家利用氣體色譜分析法和質譜儀,去分析從相信至今仍未被汙染的 Murchison 隕石(如圖一)內部擷取之原始樣本液,發現含有多糖體和類似芳香族的吡啶羰基酸兩種與生命有關的分子的存在。(如圖二)它們的濃度和分析出來的氨基酸濃度相當。研究人員也發現在多糖體中C13 / C12 、 氘/氫等分子同位素的比率,這些隕石中未被污染的分子同位素比率,顯示原始生物所需的多糖體與醇類,在星際間產生的機率遠比地球上形成的機會來得大。

*隕石中發現了C60等有機物質

  分析2000 年 1 月 18 日一顆彗星於哥倫比亞上空碎裂成 500 多塊而掉落入 Tagish 湖的隕石樣本。發現Tagish 湖隕石似乎保存著太陽系早期聚積和逐漸產生的有機物質,包括泡狀由 60 個碳原子組成的大碳分子(如圖三)以及包含惰性氣體氦和氬,其存在的比率在地球上的任何材質內是未曾見過,但是相對的比率值在星際氣體和塵埃雲中都可發現。也就是說,上述的複雜碳化合物的早期發展極可能是在太空中進行而不是在地球表面。而且發現Tagish 湖隕石和那些其他的隕石應該是在不同的星際環境中形成的,瞭解在太空不同的星際環境中形成這樣不同的化學性質是非常普遍的。

圖一:生成有 46 億年之久的Murchison 隕石。

圖二:在 Murchison 隕石上找到的有機成分。

圖三:60 個碳原子組成的大碳分子。

 

生成有機化合物的有趣實驗

*Miller-Urey 實驗

  在 1953 年,兩位芝加哥大學化學家史丹利密勒(Stanley Miller) 和 Harold Urey 推測原始地球生物的有機化學分子組成,可能是來自在閃電過程中的產物。 在 1950 年代,科學家們深信早期的地球大氣層是甲烷、氨、水和氫分子組成的多氫化合物但缺乏氧分子的情況。史丹利密勒裝設一個封閉的反應裝置模擬如此的原始大氣,以沸騰水擬早期的地球海洋,經以數日的電子閃電,結果液體呈暗褐色,分析發現僅呈大量的氨基酸湯水。但行星科學家開始質疑在早期地球時期,閃電現象並不很普遍。所以另一Miller-Urey 實驗靈巧地以紫外光照射替代閃電的過程,進一步的實驗條件得到了生物分子結構,如多糖體、核酸和 Porphyrins (血液中攜氧蛋白質血紅素的一種主要成份)。

*Jason Dworkin 實驗

  在所有的環境裡,導致化學反應的進行必須的條件,是要有足夠能量的供應。在地面上實驗室裡,大多數的化學反應依賴於加熱;但在冰冷的太空中則紫外輻射提供著相同的效果,甚至更佳,因為紫外光本身就是高能量的輻射。美國太空總署太空化學家 Jason Dworkin成功地顯示出紫外光促成一系列化學反應驚人的產物。他們在約 15 0K (約為 – 431 0F 或是 – 257 0C ) 溫度下,混合了水、甲醇、氨和一氧化碳,經紫外光照射 2 天而造出了一堆相似於彗星中發現的星際冰。由此可見,恆星熱融合反應過程所輻射的紫外光,可能是冰冷的太空中有機化學反應的機制。Jason Dworkin 進一步地將這些有機黏糊狀殘留物溶於水中,發現有不尋常的滴狀形成,他仔細地分析這些小圓滴狀物分子組成,它們是一端呈水溶性、另一端為油性,仿如生物(除了病毒)的細胞薄膜之構成分子。本質上,NASA 的這組研究者顯示地球上生命的基本構成薄膜可能 來自於冰冷的星際化學反應。

 

行星系統裡可能的生命起源素材

*有機化合物素材來源機制

  生命起源的有機物素材,可能是伴隨著所在恆星的形成、和持續穩定的紫外光輻射,造就了充滿星際間的有機分子分布。太陽屬於二代的恆星,原本充斥我們周遭達以百計的各種元素,在紫外光照射下,可能化合出各種與生命有關聯的有機化合物。

*水在有機化學反應中的角色

  也許你早就認定了生命不可缺乏水,因為生命跡象的循環和養分化學作用的生成都離不開水的參與。是的,登路探測行星、衛星上有沒有生物的證據,也將尋找水當成一項重要的任務。但或許你還難以想像水 (H2 O) 在星際間各種有機化學反應中,所扮演觸媒和促進化學鏈結合的重要地位。(如附圖一、附圖二)其實,宇宙間有機物的存在是和造星運動一樣的普遍,太空中處處應該都有有機物的存在。星際間不同的環境將產生不同的有機化合物,這些化學反應的環境可能發生在巨大的星際塵埃雲氣中,也可能是在新恆星誕生的鄰近處發生。而藉著星際間遊走的彗星,將這些有機化合物帶到各個行星的附近,這些有機物也參與著各個行星的演化。彗星帶來了遠方不同的碳鏈狀有機物,當彗星接近到約土星與太陽的距離時,它狀麗的彗尾呈現,眾多的線性碳鏈狀有機物將廣佈近太陽的行星附近,增大了鏈結成環狀碳氫鏈狀有機物的多環芳香碳氫化合物。由此看來,在宇宙間與生命有關的有機物之複製現象也是和造星運動一樣的普遍,太空中處處應該都能找到氨基酸、多環芳香碳氫化合物等有機物複製的條件存在。

附圖一說明:

  兩個氨基酸結合而釋出水 (H2 O) 的示意過程圖示。

附圖二說明:

  圖示水在碳鏈分子中,扮演著觸媒和促進化學鏈結合的重要地位,憑藉著水分子的釋出和參與,建構出與生命相關的氨基酸鏈結過程。

 

 

  目前已知,泰坦的大氣層厚度(約600 公里)約為地球大氣層厚度(約60 公里)的 10 倍,泰坦大氣層的主要組成:82-99% 氮 (N2)、1-6% 甲烷 (CH4)、1-6% 氬 (Ar) 也略與地球大氣層的主要組成:78.32% 氮 (N2)、20.946% 氧 (O2)、1% 水 (H2O)、0.934% 氬 (Ar) 和0.035% 二氧化碳 (C O2) 有所不同。(如附圖一)因此,在太陽紫外光等電磁波輻射下,形成了不同的大氣層景觀。(如附圖二)

泰袒和地球的大氣層與地面液體成分比較

附圖一說明:

  泰袒和地球的大氣層與地面液體成分比較。

覆以彩色有機成分拱頂大氣的泰坦

附圖二說明:

  覆以彩色有機成分拱頂大氣的泰坦,上層(藍色)活潑的甲烷分子極易被陽光中的紫外光分解合成乙烷、乙炔等有機化合物。如此,很容易造成藍光和紫外光波段電磁波的散射。內層(橘黃色)的有機分子霧氣層,能讓 10% 的陽光抵達地面、且難以擋住地面向外的熱輻射。因此,泰坦大氣層不似地球有著越來越嚴重的溫室效應。

2019 / 10 / 18 更新

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