形成生命的所有條件：水、有機物和能量，都曾經存在於火星

文／馬克斯．尚恩，譯／藍仕豪

足夠裝下百萬顆地球：太陽

太陽是離我們最近的恆星，也是目前唯一近到可以觀察表面結構，而非小到只有一個針點大的恆星。基本上，太陽就是太陽系，因為太陽擁有太陽系內99.8％的質量，而且太陽大到足夠裝下百萬顆的地球。

自從地球在45億5,000萬年前誕生後，太陽所散發出的熱和光幾乎沒有變化。恆星和行星最大的不同點在於，恆星能夠自己產生光和熱能，至於在恆星塵埃盤上形成的行星，（大多數狀況下）只能反射恆星的光。

如同所有恆星，太陽也是一顆巨大的氣體球，藉由自身重力將氣體吸引住並且壓縮，直到變得非常炙熱。但是，這些氣體是什麼？或換個方式問：太陽的組成成分是什麼？

主要成分：不是鐵，而是氫和氦

英裔美籍天文學家塞西莉亞．佩恩（Cecilia Payne，1900～1979）的博士論文，是20世紀極為重要的天文學成就，卻鮮少人聽過她的名字。1920年，她率先發現太陽有98％的氫和氦，這兩種元素在地球上卻不常見。她的發現飽受爭議，是因為她在論文中寫道：「這兩種氣體的比例高到難以置信，幾乎不是真的。」

數年之後，當她的發現獲得更普遍支持時，功勞卻落到她的指導老師美國天文學家亨利．諾利斯．羅素（Henry Norris Russell，1877～1957）的手上。

在佩恩發表論文的時候，科學家普遍認為太陽是由鐵所組成，因此她的理論備受爭議。原先在19世紀時，德國科學家發現將元素加熱後，會放出特定顏色（或稱「波長」）的光。

也就是說，幾乎所有的元素，例如氧、氫、鈣，甚至是黃金都有獨特的顏色──「指紋」。因此藉由當時新興的光譜學，發現太陽所放出的譜線都強烈指向一種元素：鐵。

原子會吸收或放出光的原因，是來自電子在不同軌域上的轉換。佩恩提出理論的重要概念，是認為當元素在高熱的太陽中，會以極高的速度飛行，並產生劇烈的碰撞，因此大部分的原子會失去所有的電子。

但這個現象比較容易發生在擁有1顆或2顆電子的氫和氦，進而形成電子氣體（電漿狀態）；反觀擁有26顆電子的鐵，則是不容易失去所有的電子，因此太陽光譜並非取決於元素的組成，所以藉由當時最新的「量子力學」與統計力學，才能描述此現象。

太陽有多熱？最高溫達攝氏1,500萬度

太陽會熱的原因是來自本身大量的質量，如此而已！

所有的質量越往核心，就會越集中。如果你使用過腳踏車打氣筒，應該有發現壓縮的氣體會比較熱，太陽內部的高溫也是基於同樣的原因。所以當極大的質量擠壓在核心時，太陽內部最高溫可以達到攝氏1,500萬度，在如此高溫的環境下，所有的物質，無論是哪種原子，都會變成離子化的帶電氣體，或稱「電漿」。無論太陽由何種物質所組成差異都不大，關鍵在於當物質變成電漿態時，將呈現平均且單一的特性。

太陽擁有1,000兆兆噸的氫氣，但如果將1,000兆兆噸的微波爐，或是1,000兆兆噸的香蕉擺一起，最終也將得到一個像太陽一樣熱的物體。好啦，老實說，由微波爐或香蕉組成的物體不完全會像太陽！

雖然太陽中心溫度取決它的總質量，但決定太陽溫度特性第二重要的因素是組成的原子種類，因為自由電子會阻礙熱量的逸失，當一個原子有越多電子，例如鐵原子比氫原子重得多，重的原子將貯存更多的熱量。

探索火星，期待發現外星生命

NASA在2000年啟動火星探索計畫。主要的方式為利用地球和火星之間，每780天一次位於最有利的相對位置，逐一將太空船送往火星，而每次都會根據先前科學上的發現和技術來設計新的任務。（譯註：地球與火星的會合週期大約是2.13年［780天］，在這段期間的前後發射太空船，由於距離最近而可以節省燃料與航程，在航空太空術語中稱為「發射窗口」［Launch window］。）

1997年，NASA的火星拓荒者號（Mars Pathfinder）成功登陸火星，當中還搭載一輛僅重11.5公斤的旅居者號（Sojourner）探測車，這輛探測車在火星上運行95天並行駛超過100公尺。NASA從此公開宣布，接下來會將更大臺、更先進的探測車送往火星上更適合的地點。

2004年NASA的兩輛探測車分別降落在火星的兩側。精神號探測車降落在直徑166公里的古瑟夫隕石坑上，當它穿過布滿碎石的區域時，精神號在疑似熱泉的遺跡上，發現遠古時期熱液活動的證據，因此在40億年前的諾亞紀晚期，這個隕石坑可能曾經是一座湖泊。

另一輛探測車機會號則是很幸運的降落在一片外露的岩層旁，該岩層是由年復一年沉積到古老湖底的泥濘沉積物所形成的「沉積」岩，機會號也發現只能在水中形成的赤鐵礦。

精神號於2010年被困在沙丘上，而機會號則是繼續執行任務，直到2018年一次猛烈的沙塵暴，才使地球永遠失去與探測車的聯繫。這兩輛探測車在火星地表上取得的成功，遠遠超出所有科學家的預期，其中更讓我們了解，火星表面上曾經有水體存在數千萬年。

到了2004年，歐洲太空總署（ESA）放置在軌道上繞行火星的探測器（譯註：火星特快車號［Mars Express］），找到火星黏土礦物的證據，而這些礦物只能在水中形成。2006年，NASA的火星偵察軌道衛星（Mars Reconnaissance Orbiter，簡稱MRO）找出火星上許多含有水的區域。從此NASA探索的目標變得簡單而明確：追尋火星上的水。

NASA的鳳凰號登陸器（Phoenix lander）在2007年降落在火星北極極冠附近時，發現了真正的水──雖然是冰凍的狀態。當時鳳凰號的鏟斗向下插入土壤挖掘後，獲得閃閃發亮的白色永凍土。

2012年，NASA的好奇號（Curiosity）探測車降落在直徑154公里的蓋爾隕石坑中，這裡曾經有一座古老的湖泊，而湖畔的坑壁曾經被一場巨大的洪水沖毀。

隕石坑的中央有一座高達5公里的土丘，稱為夏普山（Mount Sharp），它類似於月球隕石坑的中心山，都是在遭受劇烈撞擊中形成的地形。隨著每一次洪水氾濫，山體的斜坡就會留下一些新的物質，因而形成一層層的沉積物。夏普山就如同一本火星史，NASA的科學家在好奇號的幫助下，希望可以在此窺見火星的過去。

當重量約一公噸，大小如同一輛小型汽車的好奇號，穿越過隕石坑的底部，一路行駛到夏普山腳下時，發現關於一條河流、一個三角洲和許多湖泊沉積物的證據。

隨著好奇號逐步登上夏普山，更觀察到不同海拔高度的岩石都有各自的特徵，這些特徵記錄著氣候越來越乾燥的過程。大約在38億年前，硫酸鹽類的礦物逐漸取代泥岩，訴說著火星從溫暖潮濕的氣候，一步步轉變為嚴峻而乾燥的環境。

好奇號從一個暱稱「老酒鬼」（Old Soaker，譯註：soaker也有浸洗、滲水的雙關意思）的龜裂岩板所採集的岩芯中，發現當地反覆經歷洪水與乾旱，見證了一個垂死世界的最後喘息。

好奇號在2018年發現至關重要的有機物質，也就是生命賴以存在的碳基分子。如今我們已經明確知道形成生命的所有條件：水、有機物和來自火山活動的能量，都曾經存在於火星上。

但是最大的疑問依舊存在：古代火星表面的巨大水體，在數千萬年間是否都沒有變化？還是在流動轉移中，反覆出現又消失？也許後者更有可能，這是因為火星距離太陽，比地球更遠了50％，而且當時的太陽亮度也比今日低了30％。

當科學家在氣候模型中加入這些條件，希望得到火星能長期保有水的模擬結果，卻發現難以重現須存在的溫度和大氣壓力。此外還有更多問題：火星曾經有多少水？還有最重要的是：水去哪了？

2021年，NASA最先進的探測車毅力號（Perseverance）登陸火星，它是好奇號的改良版。儘管它配備與前輩相同的底盤，但是由於安裝新型車輪和不同的儀器套件，因此重量更重一些。

在同年4月19日，與毅力號同行的機智號（Ingenuity）無人直升機在火星稀薄的大氣中起飛，這架重量為1.8公斤的直升機在離地3公尺的高度滯空90秒，證明在火星上飛行的可行性。而這次成功在另一個行星世界進行的首次飛行，更真實重現了「萊特兄弟的時刻」。

毅力號的任務是探索直徑45公里的耶澤羅隕石坑，在此尋找生命存留過的生物印跡，因為這個隕石坑曾經是一座由河流沖積出三角洲，並為之充滿水的湖泊。這是自1976年維京號之後，首次將尋找火星生物列為目標的任務。

還有一件有趣的事情，科學家將一塊墜落到地球的火星隕石，安置在毅力號上送回了火星。科學家已經研究並了解這件1999年發現於阿曼的隕石樣本，因此它可以協助檢測探測車上的儀器，是否能夠正常分析火星上的岩石。

毅力號未來會採集大約30個火星岩石的樣本，並將不同的樣本管放置在一個罐子中。目前計畫在2020年代後期，由歐洲的火星探測車取回樣本，接著將裝有樣本的容器發射回太空並返回地球，如此一來就可以使用地球上更多更精良，卻無法帶到火星的儀器來分析火星岩石。

與此同時，火星探索有另一方面的重大進展，中國在首次抵達火星，就成為第一個同時成功放置火星軌道衛星和火星探測器的國家──天問一號攜帶的祝融號探測車於2021年5月15日登陸火星表面，將使用透地雷達來搜尋含水層，此外也會執行其他火星探測任務。

尋找火星生命已經刻不容緩。目前有許多傳言，認為人類將在2030年代登陸火星，這種狀況一旦成真，火星將無法避免地球微生物的汙染，屆時人類對於火星是否擁有自己獨特生物的疑問，將永遠找不到答案，這將會是科學上的一場悲劇。

本文摘自《把太陽系帶到你眼前》，原篇名為〈地球所處的內太陽系〉，立即前往試讀►►►