【探索18-7】乒乒乓乓的宇宙──談天體撞擊的危機

圖片來源:pixabay.com

講師|中央大學天文研究所所長 陳文屏
彙整撰文|謝季恆

以地球末日為主題拍攝的災難電影在近幾年越來越常見,其中不乏叫好叫座的名片,如1998年的《世界末日》、2004年的《明天過後》以及2009年的《2012》。這些以地球毀滅為故事背景的電影往往容易喚起觀眾的共鳴和大範圍的討論及關心,關於地球毀滅的原因,以大尺寸天體撞擊為創作題材的更是不在少數。

過去,歷史上曾發生數次大規模的生物滅絕事件,最近的一次發生在約莫六千五百萬年前的白堊紀末期,科學家有足夠的證據相信那時的滅絕事件源自於一次天體的撞擊。當年的撞擊抹去了恐龍統治地表的足跡,那麼下一次呢?事件的主角會是人類這個種族嗎?

●「浩瀚」的宇宙

在針對這個問題做出有效的回答之前,我們必須先了解我們日常所謂的宇宙「浩瀚」到底有多「浩瀚」?如果我們將現在身處的地球比喻為靜置在桌上的一粒鹽,那麼夜晚抬頭可見的月亮就會是位於一指外的胡椒粒,而東升西落、賜予我們光和熱的太陽則是一顆躺在距離鹽粒四公尺處的牛番茄(約網球大小)。換個比較精確的說法,我們知道光是世界上速度最快的東西,在真空中一秒約可行走三十萬公里,也就是在這短短一秒的時間內,光可以從台灣頭跑到台灣尾來回至少三百八十趟,這樣的距離相當於地球和月球之間。以光這麼快的速度移動,從地球到太陽約需花五百秒,到距離太陽最近的一顆恆星,也就是夜空中第三亮的半人馬座α星中的比鄰星則需要花上四點三年左右。如果要抵達銀河系的邊界則需要五到十萬年,這樣的時間足夠人類的先祖演化成現代人的樣貌。由以上可知宇宙間的尺度動輒需要以光行走一年的距離(光年)計算,宇宙確實是浩瀚無比。

然而,要知道兩個物體容不容易相撞,光是知道兩物體間的距離是不夠的,我們還必須知道距離和物體本身大小之間的關係。舉例來說,有兩顆一樣大的網球,一顆從台灣的首都出發,另一顆則在菲律賓的首都馬尼拉,即使知道它們彼此之間的相對位置,要讓這兩顆網球在空中相遇也是非常不容易的事,而這,正是恆星與恆星之間的關係。但是如果考慮的是星系和星系之間呢?由於星系的體積相當龐大,兩個星系間的距離大約像是相距只有四公尺的兩個人,要讓他們相撞,相對容易許多。因此在宇宙中,星系和星系之間相撞是習以為常的事,反倒是恆星和恆星之間的碰撞較為罕見。

●宇宙中的槍林彈雨

那麼,既然星系和星系間這麼容易相撞,太空中想必充滿這樣的例子吧!代號NGC 4038和NGC 4039正是一個著名的例子。這兩個星系是天文學家已知距離最近的兩個星系,從數億年前開始,兩個星系就已糾纏不清,激烈的碰撞撕扯出大量的雲氣,從地球上看過去就像是兩根長長的昆蟲觸角,因此它們又被稱作「觸角星系」。另一個有趣的例子則是「車輪星系」(ESO 350-40),外觀就像是一個被輪圈包圍,之間有輪輻相連的腳踏車輪。這樣奇特的形狀來源自於數百萬年前的一次星系碰撞,一個大星系被另一個小星系「射穿」,引力擠壓攪動了雲氣像漣漪般擴散,形成了如今的構造。當兩個星系相撞,因為恆星間距離遠,除了少數被拋射出去的個例外,多數相安無事,影響較劇烈的多半是星際間塵埃形成的雲氣,如同一把拋入水中的細沙般,容易隨著水流載浮載沉。

●危機四伏的太陽系

這些星系間的相撞畢竟無論在時間上或距離上都距離我們過於遙遠,那麼太陽系中呢?也是這麼的乒乒乓乓嗎?回溯太陽系形成的歷史,太陽隨著一團旋轉愈來愈快、分子碰撞開始核融合,向外釋放熱能的雲氣誕生。其餘圍繞在其四周的物質也隨著太陽的引力開始旋轉,有些東西一路轉一路收集其他的物質,像滾雪球般越滾越大,形成今天繞日運行的行星。剩下的碎渣來不及成長,就成了小行星。我們所熟知的小行星帶就是這些天體在太陽系中的一個集散地,其中部分的碎渣在形成過程中被拋出圓盤,又機緣巧合的被太陽引力捉住,沿著狹長橢圓軌道又繞回來就成了彗星。事實上,早年的太陽系並不平靜,每一次的融合都代表著一次劇烈的碰撞,移動中的動能被轉換成熱能釋放。這些相撞事件使的地球的童年坎坷非常,「打罵」成長下的地球早年處於熔融狀態,在引力的塑形下形成今日的橢球狀。我們的鄰居月球缺乏地質活動和大氣,撞擊形成的坑坑疤疤被忠實的記錄下來,成了人們想像中奔月的嫦娥和玉兔。而我們平常看到的劃過天際的流星,其實正是撞擊事件的殘痕,撞向地球的小行星和大氣摩擦生熱發光,多數在抵達地表前就已經被燃燒殆盡,少數過大的小行星燃燒不完全墜落地面,成為我們所謂的隕石。1908年一枚隕石在抵達西伯利亞地表附近六到十公里處爆炸,產生的衝擊波令650公里內的玻璃碎裂、樹木輻射狀傾倒,連英國都能偵測到氣壓的變化,史稱「通古斯加事件」(Tunguska Event)。

1994年7月16日到22日間,一顆被木星引力捕獲的彗星太過靠近木星,遭撕裂成約莫20個碎片,殘骸陸續撞上木星,形成大大小小十數個疤痕,撞擊的力道甚至激起壯觀的蕈狀雲浪。這次的事件警醒了天文學家,萬一下次被撞上的不是木星,而是地球該怎麼辦?

●解厄之道何在

按照過往天體撞擊的週期推算,似乎已經逾期,然而確切的時間是什麼時候,沒有肯定的答案。可以肯定的是,如果一個天體確實撞上地球,那麼它的速度將至少是11km/s。為了監控這些漫遊太空的小天體,天文學家將軌道靠近地球或與地球軌道交錯的小天體列為近地天體(NEOs),提出數個方案來清點它們,並試圖將距離地球最近距離小於0.05個天文單位(地球和太陽之間的距離)且體積過大者列為潛在危險天體(PHOs)。台灣也有參與的「中美掩星計畫」(TAOS)就是其中之一,利用小天體經過遠方恆星時會遮蔽其光線配合巡天望遠鏡進行清點。可喜的是,結果顯示這些小天體似乎沒有預想中的那麼多。那麼要是真的有天體要與我們相撞呢?顯然如電影所演的那般,派遣敢死隊帶著核彈去炸毀威脅是不切實際的,姑且不論我們的科技是否足以鑿穿小行星,萬一像1994年的木星那般將它炸成多個碎片豈不是更糟!科學家提出其他比較可行的方法,像是用雷射脈衝或陽光聚焦融化它、重力牽引和計畫B612(取名自《小王子》)派遣一艘噴射火箭黏在威脅上,利用反作用力將其軌道推偏。關鍵是必須有足夠的預警時間,而依目前的能力我們必須等到威脅接近到太陽(地球)附近時才能發現它,屆時將只有六個月左右的應對時間。因應類似危機,「國際宇宙航行學會」組織相關專家、政治家、宗教家定期舉辦「行星防禦會議」(Planetary Defense Conference),2017年方落幕的已是第五次會議。6500萬年的恐龍僅能抬頭見橫空一抹光亮遂黯然從地球生命演化的舞台上退出,至少,當事件降臨,我們人類還能做些什麼,不至於像當年的恐龍一般,束手無策。

 

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本文整理自:106/12/16 由陳文屏老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「乒乒乓乓的宇宙──談天體撞擊的危機」演講內容。

 

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