【探索18-1】浴火而生的家園:張中白教授談太陽系的前世今生

圖片來源:維基百科

■悠遠縹緲的浩瀚星河中,有否我們的定位?宇宙的生成,是否也不知所起?

講師|中央大學太空及遙測研究中心教授兼主任 張中白
彙整撰文|沈君宜

●餘溫中見真章:大霹靂理論

對宇宙的好奇,古有屈原<天問>,今有大大小小的科學理論。「大霹靂理論」已廣為世人所知---- 在約莫一百五十億年前,宇宙由一個溫度極高、密度極大的奇異點爆炸後,向外擴張而成。聽起來是如此不可思議;但事實上,大霹靂是科學界十分肯定的理論了。

夜空總是萬千星子灑落在黑色布幕之上,然這個我們習以為常的情景卻頗有不尋常之處。何以白日的天空是一片碧藍,到了晚上卻黑漆漆一片?即便太陽已下山,星月的光芒也該當點亮夜空才是。我們可以把偌大的宇宙想像成有許多房間,星星是房裡的燈泡。若宇宙是無限的,房間便有無限多。即便房裡的燈光微弱,仍然是有「光」的,我們可以看到密密麻麻的星光;但若是僅有限的房間內有燈泡,勢必有一部分房間,遠遠看來是「黑」的。

由此說明宇宙中的星辰數目有限,似乎十分合理;卻從而構成了一個不易解決的「奧伯斯弔詭 (Olber's Paradox)」。星星之所以能在位置上維持穩定,應是星體間相互的萬有引力牽制;若星體有限,勢必有些星星未有更外圍的星體吸引,會因重力塌陷被拉向內。是什麼力量維持它們不向內聚集?「大霹靂以後向外膨脹中的宇宙」便是一解。

科學自是不會空有推論,哈伯望遠鏡提供了證據此說法的證據。已知恆星隨其所含元素不同,光譜中會有不同的「暗線」。哈伯望遠鏡觀測遠近的星光光譜時,發現遠處的光譜暗線會落在頻率比較低的位置,是為一都卜勒效應下的紅移。由此發現,較近的星星退行速度較慢,較遠者反之,為正比關係。退行速度與距離分析後,發現所有星星都在150億年前向外移動,可推測這便是宇宙之初了。

大爆炸時極高的溫度,經過150億年的降溫,已剩下背景輻射的 2.76K。這麼低的溫度乍看不足為奇,卻曾是貝爾實驗室通訊專家量測電磁波訊號時,十分惹人嫌的背景雜訊!

●餘暉中煉仙丹:元素的生成

解決了宇宙的誕生與擴張問題,但大霹靂充其量只是炸開了數不清的原子及其內核子,仍難以解釋現今世上的種種元素與星系組成。大霹靂之初,中子數遠多於質子數,經常甫一形成質量數較大的元素,就因不穩定而衰變成較小的元素了(註一)。大霹靂的產物氫,在中子槍的襲擊下,產生質量數2、3的同位素氘與氚,以及質量數4的氦。再往上呢?自然界中沒有質量數為5的同重素,大霹靂製造的元素也就到此為止了。

改變原子核的組成需要極高的溫度,連大霹靂都未能完成生產諸多元素之任務,僅完成了氫(20%)與氦(80%)。究竟真正的「宇宙煉丹爐」在哪裡?

暗夜中抬頭所見的滿天星斗,便是這些煉丹爐;更精確說,更重的元素來自於恆星。宇宙中遊走的雲氣產生坍縮時,減少的位能轉換成夠大的熱能,核聚變從而產生。核反應中,總體質量減少,依據 E = mc²,轉換成能量。這些能量推動著恆星的膨脹,抵禦著重力的坍縮,維持恆星的體積,並一路燃燒出更重的元素。

恆星坍縮與核聚變持續進行,就能夠無止盡的產生更重的新元素嗎?觀察地球上的元素,會發現以鐵的含量居首。無獨有偶,宇宙中元素從較多的氫氦,其含量隨著原子續增加而遞減,到了「鐵」卻形成另一高峰。事實上,核聚變進行到鐵後,若欲產生新的元素,總質量必須上升才可行,自然就此打住,而恆星則走向驚天動地的爆炸。大霹靂之初的眾多中子,原本已經轉換成質子被封存在元素中,這一爆炸又再度釋放至太空中。重出江湖的中子槍繼續掃射,比鐵還重的元素於焉誕生。當然在此過程中,也會有不穩定元素生成,而後再經Beta衰變回到穩定。

古代被視為異象的蟹狀星雲,其實僅是人類目睹了這些過程;恆星的爆炸亦非少見。而恆星的溫度確實夠高,足以讓此理論成真。電腦模擬爆炸時產生的元素,與實際偵測吸收暗線的證據兩相對照,也支持恆星是宇宙煉丹爐的說法。進一步來說,太陽光的吸收暗線,與模擬結果亦吻合。而地球與其餘的行星,也是由這些核反應的餘燼所組成的。

然而,相較於宇宙形成與元素生成的理論的備受肯定,太陽系的生成就眾說紛紜、莫衷一是了。其中一種說法認為,「太陽風」將元素依據輕重吹到不同的距離,從而在較近之處形成類地行星,較遠處形成類木行星。可惜的是,此一說與角動量守恆原理相互牴觸,至今未解。

●餘燼中成山河:地球的誕生

至於人類賴以為生的地球,自然不乏詢問其貴庚者。聖經主張的四千年,在地質學發展後很快被推翻了。提出「現在是通往過去的一把鑰匙」的地質學之父赫登,便認為以當今地球眾生相的複雜程度,決不可能在短短千年的尺度下竣工。克耳文爵士藉由地球冷卻速度與現在溫度,推算出地球的誕生起碼有四千萬年。此一發表與演化學之父達爾文所推算的生物演化歷史大有牴觸;然礙於皇家科學院的權威,異議科學家們也不敢大鳴大放。

「四千萬年」的說法獨霸多年,直到岩石定年法的應用,才終於翻案成功。放射性元素會由不穩定的母元素衰變為穩定的子元素時,同時放出射線,此衰變過程需要「時間」。分析石頭中母元素與子元素的比例,便可得知其年歲。科學家興匆匆的找了塊石頭試試,赫然發現它已存在了五億年之久!隨手一試竟打破了克耳文爵士的推測,想必地球的年紀不容小覷了。

然而,使用地球本身的岩石會產生一個問題,亦即原生石頭經由火山運動的不斷輪迴更新。科學家的腦筋動到了「被封存的時間」隕石之上---- 它們來自小行星帶,未能躋身行星之列,其中體積大者可行熔融作用,小者則不再變化。他們發現所找到的隕石中,最老的都指向一個相似的數字---- 45.6億年。

隕石的貢獻尚不止於此,其成分也有助我們對地球成分的了解。好比在生日會上猜測禮物盒裡的內容物,我們通常會看看盒子的體積、惦惦重量,輕而大的可能是布娃娃,重而小的可能是鐵製品例如無敵鐵金剛。隕石就猶如娃娃或金剛的碎片,讓我們以部分猜測整體。

事實上,只有特定類型的隕石可以代表太陽系元素的概況。一般而言,混合成分的石頭被加熱後會分層,輕的物質在外層、重的在核心;其中的石質球粒隕石,加熱的溫度不足,物質仍是混合狀態,較能代表原始物質組成。更進一步而言,石質中的「碳質球粒隕石」,最高溫度不超過攝氏400度,揮發性成分的保留亦十分完整,有助猜測地球的組成。再搭配由衛星、行星公轉週期所計算出的地球比重(註二),猜測便更為精準。由此,地球為核心的地核與外部的地函組成的理論,算是確立了。

那供生物居住的「地殼」或「岩石圈」呢?簡單來說,冷卻凝固的外層物質會初步形成板塊。炙熱的地函依然洶湧著,帶動表層板塊的張裂或聚合。由裂隙中生成新的板塊,另一端則隱沒舊的板塊,地表的體積大致維持一致。海洋地殼係依照鮑林提出之冷卻過程的「岩漿分異作用」形成---- 較小半徑的元素(如金屬元素)冷卻過程中容易與他人結合,大半徑元素結晶時卻需要更複雜的作用,因而留在岩漿中較久;後者因而被稱為「親岩漿元素」,直到接近地表才結晶,形成海洋地殼。

大陸地殼就更玄妙了。在板塊隱沒端實際上暗潮洶湧---- 一部分地表的冷物質快速隱沒,至幾百公里處時碰到溫度高的地函,簡直油炸冰塊一樣乾柴烈火,發生了爆炸而噴上地表,形成大陸底殼。在形成後,他們因材料輕,即使將來板塊碰撞時,也會被「刮」起至地表,而不隱沒。至於大陸地殼從何時開始累積呢?以標準大半徑元素「鉀」的含量看來,大陸地殼鉀含量是海洋地殼的十倍,表示隱沒了十份的海洋地殼,方才形成一份大陸地殼;以厚度與地表面積算來,兩者體積大約是3:1 (大陸地殼:海洋地殼)。綜合看來,地球已隱沒了三十份海洋地殼。以速率來說,平均1.5億年可以隱沒一份海洋地殼,表示此一過程由45億年前便已悄然開始!(註三)

以人類之有限,欲探究億年來的太陽系歷史,自是挑戰性十足。其中仍多有未解之謎,比如與地函成分類似的月球,是否是由地球經過驚人而暴力的過程「分家」的呢?太陽系家族中的成員各懷祕密,一而再地考驗著人類的腦力與好奇心。

 

註一:我們先檢視現今所存在的一百多種元素,他們穩定與否的關鍵在於原子核中的質子與中子比例。原子序較小的元素中,兩者的比值約為1:1;隨著原子序上升,帶正電的質子數目變多,便需要更多的中子來維持穩定,質子與中子的比值趨近1:1.5。由於這個穩定原子核的作用,亦有「中子膠」的說法。質子數相同的原子稱為「同位素」,中子數相同稱「同中素」,質量數(中子數加質子數)相同者,則稱作「同重素」。

註二:地球的比重可以由衛星繞行星、行星繞恆星的週期長度推測之。

註三:並沒有所謂「海板塊」或「陸板塊」,綜觀地球上各大板塊,大部份都是海洋地殼上綴有大陸地殼,僅太平洋板塊與菲律賓海板塊是沒有大陸地殼的。

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本文整理自:106/10/21由張中白老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「太陽系的前世今生」演講內容。

 

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