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精準的太空干涉任務

91/09/16 瀏覽次數 3789
人類的內心深處常有一種渴望,嘗試追求各種極限:跳得更高、跑得更快、射得更準,不僅追求體能的極限,也在技術上精益求精,挑戰種種的不可能,《金氏世界紀錄》便反映了這種心理。天文觀測也在追求盡可能看到最黯淡的天體,盡可能觀察到天體的細節。目前美國加州理工學院噴射實驗室的研究群正在規劃一個深具野心的太空干涉任務(Space Interferometry Mission, SIM),嘗試將目前天文幾何測量的精確度提高數百倍以上。

天文幾何測量是一門測量天體位置的科學,分析天體位置隨時間的變化情形,可以獲得天體的距離、運動與其他重要的訊息,它是天文學中最古老的一支。早在西元兩千多年以前,古希臘人便測量地球的大小、月球的距離……等等。

望遠鏡發明以後,大大提高了天文觀測的精確度,到一九八○年代已經觀測到數千顆恆星的距離,數十萬顆恆星的自行,即恆星在天空中移動的程度。目前,則已經累積超過兩百萬顆恆星的自行,數萬顆恆星的距離資料。天文學家分析這些數據,推算太陽鄰近區域各恆星的運動與恆星的分布結構。

望遠鏡口徑越做越大,光學系統的品質也日趨精良,可以收集到更多的星光,讓黯淡的天體浮現。但是,由於星光在通過地球大氣的時候,被擾動不停的大氣扭曲,使得原本清晰的影像呈現一團模糊。將望遠鏡送入環繞地球的軌道,避免大氣的擾動,可以盡情發揮望遠鏡觀測天體細節的能力。因此,越來越多的望遠鏡與偵測儀器被送入環繞地球的軌道中。

天文幾何測量千年來的進展

在日常生活中,我們憑本能就能判斷周圍物體、人物的遠近,藉此與路人錯開、閃躲車輛、抓取東西……,好像憑本能一看就知道東西有多遠。但我們是如何判斷一個東西的距離呢?這可不容易回答。

人類可以判斷物體的遠近,是因為人有兩個眼睛。物體與兩隻眼睛連線的夾角稱為視差角或視角,當視角越大就表示物體越近。人腦能判斷的角度大約是一分左右(一度有六十分,一分有六十秒)。人類兩隻眼睛的瞳孔距離大約在十公分左右,所以人眼能判斷的距離大約是三百公尺,超過這個範圍便無法判斷了。例如,有兩個人分別站在五百公尺與六百公尺處,人眼並不能夠判斷哪個人遠、哪個人近。

當然有人天生兩眼分得比較開,那麼它的距離感就比較好。天文學家用同樣的道理去增加望遠鏡的解析度,望遠鏡好比眼睛,兩具望遠鏡相隔越遠,越能精準測量天體的位置。另外,還有一個增加天體距離精確度的方法,那就是增加角度測量的精確度。例如,人眼只能判斷一分的角度,如果能夠分辨一秒的角度,那麼就能判斷六十倍遠的距離。

英國第一位皇家天文學會會員佛萊明史帝(John Flamstead,1646-1719),是格林威治天文臺的建立者,也是第一任臺長。他使用格林威治天文臺的望遠鏡觀測了許多年,觀測結果匯集成一份星表,在一七二五年他死後第六年出版,包含了三千多顆恆星的天球座標,平均精確度約為十秒。

德國波昂天文臺也在臺長阿格藍德(Friedrich Wilhelm August Argelander,1799-1875)率領下,使用一具口徑約八公分的望遠鏡,普查觀測恆星的位置。從一八五二年到一八五九年進行了七年的觀測,共測得三十二萬四千顆恆星的位置,平均精確度約為一秒,這便是著名的《波昂星表》(Bonner Durc-hmusterung),在一八六二年出版。

美國史密松天文物理中心在一九九六年出版《史密松星表》(Smithsonian Star Catalog),包含了二十六萬個恆星的位置、亮度與光譜類型。

隨後,許多天文學家與研究群都進行大量的天體位置測量,測量精確度也逐漸提高。進入二十世紀後,精確度已達到百分之一秒的程度。

進入太空時代後,許多望遠鏡被送入太空進行各種天文觀測。避免了地球的大氣擾動,觀測的品質與精確度都達到望遠鏡應有的程度,有關恆星位置與亮度的測量,當然也在太空天文計畫之中。

歐洲太空總署在一九八九年將依巴羅斯(Hipparcos)天文觀測衛星送入環繞地球的軌道中,是第一具在太空中專門探測天體位置、距離與亮度的人造衛星。到一九九三年三月任務結束時,共測量了一百萬多顆恆星的位置與亮度,彙編為《第谷星表》(Tycho Catalogue)。另外,極精密地測量了十一萬多顆恆星的距離與亮度,彙編為《依巴羅斯星表》。

干涉現象與天文干涉技術

光是很奇妙的,在現代物理學啟蒙以後,物理學家花了將近三百年才大致弄清楚光的種種性質,其中一種稱為「干涉」(interference)現象。顧名思義,干涉是一種干擾,但是光線與光線會彼此干擾嗎?

答案是:會!

光的干涉現象可以用水波來模擬。當水波在水面上移動時,可以看到波峰與波谷沿著前進方向漫開來,當兩道水波相遇時,彼此重疊,波峰與波峰疊在一起則更高;同樣的,波谷遇到波谷則更低;而波峰與波谷重疊時,彼此抵銷而為平坦區。整體來說,形成所謂的「干涉圖紋」。光的波長遠比水波短,因此一般會忽略光的干涉現象,但是只要你願意試試,也能夠容易地觀察到。例如,將五指併攏,手指間會有空隙,將空隙處湊在眼前看,很容易的便看見在空隙處有數條平行的暗線,這就是光的干涉條紋。如果背景是一片均勻的淺色牆壁,會更容易看見干涉條紋。

光學干涉技術原本是物理光學中一門重要的技術,最著名的是物理學家麥克爾遜(Albert Michelson,1852-1931)進行的可見光干涉實驗,精確地測量出光速的數值。光學干涉技術廣泛使用在許多方面,其中很重要的一項是用在極精密測量方面。例如,使用雷射干涉技術,測量精確度可以輕易達到萬分之一公分的程度。

將光學干涉用在天文觀測上,稱為天文干涉技術,基本原理是使用兩具或多具望遠鏡,像眼睛一樣「同時」觀測同一天體,把兩個影像重疊在一起,則兩個影像會彼此干涉而形成條紋。研究這些干涉條紋的形狀與特徵,便能反推而得到此一天體的精確位置。兩具望遠鏡相距越遠,便越能分辨天體的細節。

在光學干涉現象中,英國物理學家湯瑪斯.楊格(Thomas Young, 1773-1829)所進行的雙狹縫干涉,幾乎是高中學生都做過的實驗。在生活中也很容易重現,將一小片鋁箔,用小刀劃兩道細縫,兩條細縫間隔約為0.1公分,用一般演講用的雷射光筆透過雙狹縫投影到牆上,便能重現著名的「楊氏雙狹縫干涉」。

由於無線電的波長要比可見光長得多,而且電波可以用電線來傳遞,比較容易用電線將兩個電波望遠鏡所觀測到的訊號組合起來產生干涉圖紋。所以,電波天文學家在一九六○年代便已發展出成熟的電波干涉技術,用來觀測發出電波的天體,精確度比光學還好。經過將近二十年的發展,目前天文光學干涉技術已經成熟,也用在實際的觀測中,精確度可以達到萬分之一秒,是傳統光學技術的一百倍。

太空干涉任務

美國在一九九一年出版了一份由貝寇(John N. Bahcall,1934-)主筆的報告《十年探索》,提出將光學干涉技術運用在太空的構想,建議太空干涉任務應在一九九○年代的任務中占有優先的地位。

目前正在裝置及測試太空干涉任務所需的種種儀器,採用的波長為可見光與紅外線,預計在二○○九年升空,進行五年的觀測。「太空干涉任務」太空船升空後,將以每年移動一千五百萬公里的距離,持續五年半以後達到最遠可以接受通訊的距離:約九千五百萬公里。太空船的速度誤差不超過每秒兩公分,甚至更小,以確定測量的精確度。

由於太空干涉任務所測量的恆星位置與距離之精確度,比目前觀測技術高數百倍,因此可以測定整個銀河系內的恆星距離、太陽鄰近的類地行星……等。由於整個觀測視野很小,無法在五年任務中觀測大量的恆星。研究群挑選了一千至三千顆恆星作為觀測對象,其中有一百個天體是非常黯淡的,亮度為二十星等。

太空干涉任務的角度精確度可以達到十萬分之四秒,以這種精確度可以搜尋遠至五百光年之外的行星,也可以測量整個銀河系內任一天體的距離。請想一想,有一個恆星距離在十光年外,以一百二十公里的時速移動,太空干涉任務累積五年的觀測數據可以顯示這顆恆星的移動。如果恆星移動的時速為六百公里,相當於飛機的飛行速度,則其測量恆星移動距離的誤差才百分之二十。酷吧!

這……這太扯了吧?不過,這可是千真萬確的,只要太空干涉任務成真!

太空干涉任務衛星包含干涉系統與太空飛行系統兩部分。干涉系統是一組光學的麥克爾遜恆星干涉儀。太空飛行系統提供動力、高度控制、聯絡等功能,干涉系統則包含了光學、偵測器與電腦等。

太空干涉任務使用兩種儀器,一種稱為全球天文幾何測量儀,視野範圍為十五度,平均包含星數約有五千顆,所以有許多參考星可以作為依據。因此,單次測量的精確度為十萬分之一秒,累積五年數據可以達到百萬分之四秒。另一種儀器是窄視角天文幾何測量儀,視野只有零點三秒,精確度可達十萬分之一秒,曝光一小時可以觀測到二十星等的黯淡天體。

如果太空干涉任務能順利完成,將會改寫恆星形成、銀河結構與運動、星系距離……等數據與內涵。例如,因為太空干涉任務可以直接測量到數百顆造父變星的距離,因此可以將探測星系距離的精確度由現在的百分之十,推進到百分之一。對於宇宙大小與年齡將有更精準的推估。另外,太空干涉任務可以測得數萬光年以外恆星的自行,因此可以測量銀河盤面與銀暈中的恆星位置與速度,藉此可以精確推算銀河系的大小、物質分布、恆星運動與動力情形。綜合以上的結果,可以獲得銀河系暗物質的本質與銀河系的歷史訊息。再者,太空干涉任務可以觀測到五百光年以內,行星影響恆星運動所造成的擾動。對行星的數量、形成與演化方面的觀測數據與理論,將有長足的進展,更不用說對人類心理的衝擊。

美國國家航空暨太空總署除了將太空干涉任務委託噴射實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)發展外,另有洛克希德馬丁飛彈與太空(Lockheed Martin Missiles and Space)及TRW兩個共同合作公司,兩者都位於美國加州。

人心是很難滿足的,俗語說得好:「人心不足蛇吞象」。在過去十多年來,個人電腦的更新替換充分反映人心的這種趨向。但也正是由於這種不滿足的心性,才使得人追求更渴望的目標,朝向許多人認為不可能的方向鑽研,科技因此而進展。太空干涉任務挑戰目前科技的極限,這個夢想極可能在十年後實現。

有興趣的人不妨上「太空干涉任務」網址(http://sim.jpl.nasa.gov)參觀。
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