星空50講：帶你探索宇宙

引言／葉永烜（國立中央大學教授、國家講座、中央研究院院士）

蘇軾的〈念奴嬌．赤壁懷古〉中的「故國神遊，多情應笑我」，大概是有些天文學家心裡常有的感慨。因為所看到的星光大多數是百萬年或千萬年前傳出來的。如果它們的行星也有生物和文明，如今安在？它們的歷史定會如我們人類社會發展到一定程度便會遇到瓶頸，一是氣候變遷，二是熱核戰爭。如不能和平合作，定會灰飛煙滅。還是有足夠智慧，能夠同舟共濟，一齊渡過難關讓世界文明能夠永續發展？在2021年這個時間點，我們必定要認真思考這個問題。說不定地球人類前途的決定權便在於台灣，便在於你我。
也有人說只有外星人入侵，才能使一些國家需要合作才合作，共同對抗侵略。但在華裔美藉作家姜峯楠（Ted Chiang）寫的一本科幻小說（曾拍成電影《異星入境》）的故事，卻是說外星人到訪地球，目的是叫人類不要鬧了，要好好活下去，因為在幾千年後的將來，他們需要地球人幫忙才能夠度過一次生死存亡的危機。所以在這本書每一頁中默默無言的無數星光可能都是在提醒我們要做一個好榜樣！
如果外星人今日到來，大概會加一句：不要凡事為了對抗而對抗，因為有些事情不像上館子點菜，甜的辣的同時來。今天拳打腳踢，明天笑呵呵地又要團結合作對付全球暖化。這可是在異星世界也大概行不通的事！總得有點中庸之道才成。對不對？
世界最大的500公尺口徑無線電望遠鏡（FAST）放在貴州群山之中，FAST 的一個重要科學目標是尋找外星文明的無線電訊號。台達集團創辦人鄭崇華先生與夫人曾在2018年4月7日到訪參觀。我在看到鄭先生用23分鐘健步走完望遠鏡圓周時，不禁想到姜峯楠的故事中異星人的文字是圓形的，而且首尾不分。意思是一個事情的結局往往是會影響它的起頭。所以如果鄭先生能夠號召世界級企業家到這裡集會（和競步），靜想我們在宇宙中是如何孤獨，但又和所有文明分享彼此的星光；也思考人類社會如何能用中庸之道度過重重難關而永續發展。所謂「但願人長久，千里共嬋娟」。這會是多好的一件事？在今時今日，大概只有在台灣的我們能夠使它發生。

序／鄭崇華（台達集團創辦人）

我是個業餘的天文迷，如果人生可以重來，也許我會改讀天文。
因為年輕時的經歷，天文對我來說，不只是知識的探索，也是種精神上的寄託。在我還很小的時候，因為兩岸的戰亂，13歲就隻身來到台灣，每次放長假或過節日，同學們都回家跟親友團聚，學校宿舍只剩我一個人，我常坐在台中一中的操場上，看著天空發呆，思念著海峽另一頭的家人。
那時候，夜晚沒有光害，抬頭一望盡是滿天星斗，而且幾乎每晚都能看見流星，我總是好奇地想：宇宙有多大？星空存在多久了？看著看著，就對這門學問著迷不已。
多年前，我有幸認識國立中央大學天文所的多位專家跟知名教授，像是葉永烜院士、陳文屏所長等人，不但從他們身上獲得許多天文知識，也跟著天文所師生一起爬上海拔2,862公尺的玉山鹿林天文台，用當時台灣最大的一米口徑望遠鏡，觀賞壯闊的宇宙和浩瀚群星。
2006年4月，鹿林天文台發現了一顆小行星168126，還用我的名字命名，實在讓我愧不敢當。所以2009年適逢「全球天文年」（International Year of Astronomy 2009），我便以個人名義捐贈兩米望遠鏡給中央大學，希望以後有更多年輕學子體會到我當年的感動，一起加入探索宇宙的行列。
為協助天文研究風氣，2012年開始，我跟中央大學合作設立「台達電子年輕天文學者講座」，專門頒發給在天文領域有重大研究成果的年輕學者。截至2019年，已經選出12名來自歐、美、亞各洲的優秀學者。除了頒獎，我們也透過這個機制禮聘得獎者來台，舉行公開演講和訪問行程，推動台灣的天文教育和國際交流。
也因為這個獎，讓我有機會認識許多優秀學者，得知更多天文研究的最新動態。我非常喜歡出席每半年一次的台達電子年輕天文學者講座，在裡面接觸到宇宙大霹靂、黑洞、重力波、超新星等新議題，每次都覺得收穫良多，也邀請台達員工一起來吸收新知，鼓勵大家培養工作以外的知識。
其實，除了我個人的愛好，天文研究對人類發展十分重要，許多重大的科技創新跟人生哲理，都是從這個領域開展出來。更重要的是，跟宇宙存在的時間相比，人類文明只是短之又短的一瞬間，在無垠的星空之下，我們真的要學會謙卑。希望透過這本書，讓讀者更認識這個地球和宇宙，也希望更多人一起來追求環境和人類的永續發展。

推薦序／李太楓（中央研究院天文所特聘研究員退休、院士）

天文最難但也最有趣的部分是宇宙論，現代宇宙論由哈伯（Hubble）約100年前開啟。他使用位於美國南加州，由卡內基（Carnegie）建立，直徑達100英吋，當時為世界最大、品質最優的望遠鏡，來觀測宇宙。哈伯發現距離越遠的天體，離開我們的速度越快，顯示宇宙在膨脹之中，也就是說宇宙過去比現在密度來得高，以致於引發出「大霹靂」這類宇宙學模型。

最新的宇宙論認為宇宙由三種物質組成：（1）正常發光有重力的天體，一般觀測即可看到，這些質量占宇宙的5%；（2）黑暗物質，有重力但發光很少，質量占宇宙的15%，人類至今尚未了解其真相。它有可能是尚未在實驗室裡發現的基本粒子，也有可能是高密度、低光度的白矮星球物質；（3）黑暗能量，有重力，但是很奇特的負能量，與重力作用相反，占宇宙能量的80%。雖然這本身就是令人驚奇的發現，但是現代宇宙論的研究對象竟然是大量未知的負能量，以致於下一步研究方向並不明確。

重大的天文研究計畫因為儀器精密，所需經費龐大，往往透過國際合作來募集跨國資金及人才。由於公家機構預算與籌募時間等問題，重大計劃往往透過私人企業或機構募集種子基金，先進行可行性研究，之後再放大規模向國際籌款，以進行更大的計畫。例如現在正在進行中的世界最大、直徑18米的望遠鏡建造計畫，美國卡內基科學研究院（Carnegie Institute for Science）先帶頭捐款，並在短期間內建造完成六分之一計畫，成像良好，證明可行，因此已展開國際募款。

台達電創辦人鄭崇華先生如同美國的卡內基先生，熱心捐助中央大學許多天文活動，包括支持建造直徑2米的望遠鏡，期待未來可以使用此望遠鏡進行宇宙論的研究。由於宇宙的觀測研究所需要的入門門檻相對較高，希望其他企業或機構也共襄盛舉來捐款協助，增加更多天文所需研究人才及儀器設施，以深入探討解析宇宙之祕。

01 神祕的夜空
望著夜空，暫時抽離了塵世喧囂，世界孤遠而靜謐。想像掛念的人或許也在遠方看著同樣星空，是否也思念我；另方面不解天地如何春去秋來，日夜輪替。
自古以來，人類對天上的日、月、星辰與地上萬物有何關連，感到好奇。當生活需要答案，命運卻無法預測，人們期待權威者，因此猜想神祕的天體主宰了人世因果。
如果沒有光害影響，夜空最讓人注意的多半是「銀河」，它呈帶狀橫跨天際，拉丁文稱為via lactea，直譯就是英文的 Milky Way，形容有如奶汁流灑天際。仔細觀看，銀河除了眾多明暗不一的星星，另外還有暗黑的區塊，現在知道太陽跟超過千億顆恆星構成「銀河系」，是個龐大的星球系統。宇宙中還有數不盡像這樣的「星系」。
銀河系形狀有如兩個菜盤對扣，中央突起，其餘呈現扁平狀。由於太陽就在扁平的「銀盤」當中，所以從地球看出去，我們看到的銀盤成帶狀分布，當中充滿恆星以及星際暗雲，尤其往銀河系中心的方向看去星星特別多。地球繞著太陽轉，自轉軸的南極保持偏向銀心，這使得南半球比較容易看到燦爛的銀河。
現在很多天文台進行遠距操控，甚至於全自動排程。但偶爾仍有機會前往世界各地觀測，我得以親臨現場感受龐大望遠鏡的低頻驅動，以及充斥音樂、電腦螢幕與零食的控制室，啊，還有還有，走出戶外仰望那壓得喘不過氣來的夜空，星星亮到好似可以如太陽般充電，而最療癒的莫過於銀河了。平常教書、研究，面對數據、論文、學生、同事，這時候緩緩吐氣，心中浮起：「啊，這就是為什麼了！」

09 太空採礦
地質成分並非均勻分布，形成了礦區。世界最深的礦坑深度不過四公里，多為金礦、鈾礦等，因為周圍壓縮的力量極大，再深就挖不下去了。煤礦甚至只有百公尺深，就已經很危險，迭有坍塌災害。一方面有些民生與工業用元素，尤其稀土，可能數十年內用罄，必須另尋來源；另方面也不能繼續讓自家地球千瘡百孔，於是腦筋動到了太空。
數字必須有單位，還有誤差，才有意義。另外數字有比較，才有意思。幾公里礦坑的概念，不妨跟地球直徑約1萬3000公里相比（好吧，赤道方向比兩極稍微長些），而地球最高峰8,848公尺，也就是不到9公里（好吧，這高度是從海平面算起，而夏威夷安放了多座大型天文台的Maunakea，中文稱為白山，從海床隆起算起超過10公里，但海拔只有4公里多一點）。世界最深的馬里亞納海溝在西太平洋，最深約11公里。換句話說，這些地表的高低（高山、深海、礦坑）根本凹凸不明顯，從太空看，地「球」還是曲線平滑。
地球形成之初，持續受大量小行星轟擊而處於熔融態，鐵、鎳等重元素沉入中央。地表的礦物，除了少數由地球內部冒出來，絕大多數來自過去幾十億年來小行星撞擊所帶來。小天體沒有經過分化，礦物含量豐富，因此規劃前往小行星或彗星開採似乎順理成章。畢竟人類歷史無論是駱駝商旅，或是船隊出航，早有向外開拓資源，只不過今日是用太空船。
太空飛行極具挑戰。厲害的100公尺短跑選手，時速差不多40公里（騎車這個速度就沒有很厲害），大隊接力偶爾也掉棒子。兩架飛機以各自數百公里的時速穩定飛行，維持比走路還慢的相對速率，可以完成空中加油。子彈速率差不多1秒鐘1公里。天體運動快得多：地球繞太陽1秒30公里，相當於時速10萬公里，因為太空沒有阻力，我們絲毫沒有感覺。小行星與彗星的速度依照軌道與位置而異，有可能動得更快。這幾年登陸小行星、彗星的任務，甚至取樣後又飛回地球，真是讓人嘆為觀止。圖示是名為Bennu的小行星，直徑490公尺，預期開鑿鐵礦，目前太空船正接近試圖取樣。
太空採礦的困難，主要在於經費昂貴，另外還有如何開挖，以及確定哪些小行星有哪些礦產。跟地球採礦不一樣的是，可以把不到1公里的「小」小行星抓來放入月球軌道，就近取材。與登陸月球或火星不同，這樣的太空探測有龐大商業利益。你問，怎麼糟蹋完了地球，又跑去染指其他天體，國際沒有規範嗎？誰說可以的？
我的回答是，人家已經在做了。我們可以討論後，決定不做，但不能不做也不討論。