追星計畫–夏威夷夜空下的天文觀測
98/11/04
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陳明堂｜
成功大學太空天文與電漿科學所教授／中央研究院天文研究所研究員
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
每次遇有特別星象出現時，總會有許多業餘天文學家跑到大雪山、合歡山上看星星，因為只有在好的天文觀測地點才能看到好的影像。夏威夷大島上的兩座高山，毛納基峰（Mauna Kea）與毛納洛峰（Mauna Loa）是國際上頗負盛名的天文觀測地點，那裡的氣候穩定，空氣清新，一年中有 300 天以上是晴天，幾乎天天晚上都可以看星星與銀河，這是毛納基峰山上矗立很多大型望遠鏡的原因。智利安地斯山與南極是另外兩個具有類似特質的地點，但相較之下，夏威夷仍是比較平易近人的一個地點。
中央研究院天文所在夏威夷架設了兩組天文望遠鏡，一組是在毛納基峰上的「次毫米波陣列」（submillimeter array, SMA），一組是在毛納洛峰上的「宇宙微波背景輻射陣列」（array for microwave background anisotropy, AMiBA）。原本 AMiBA 望遠鏡也要放在毛納基峰，但因那裡的居民對於環境保護的態度強烈，為免申請作業曠日費時，最後選擇毛納洛峰。天文所的夏威夷總部設在 Hilo，那是一座不到 10 萬人的小城，工程師與學者們每天都要到不同的山頭上使用儀器。
觀測星星形成的過程
2003 年 11 月正式啟用的「次毫米波陣列」，由 8 座「次毫米波望遠鏡」組成，其中 6 座是由美國史密松物理天文中心建造，2 座是由中央研究院天文所建造。這是目前全世界第一，也是唯一在 200 ~ 900 GHz（Giga Hertz，10 億赫茲）的頻率裡面看星星的設備，觀測的是比毫米波波長更短一點的訊號，科學目標是想了解星星形成前的物理變化、動力變化、化學成分分布等。
星星在形成之前會先從分子雲的集中、旋轉，再往內重力崩塌後引發核融合而發亮。使用紅外線、光學望遠鏡能夠觀測到發亮、發光的星星，可是崩塌之前的分子雲不會發亮，光學望遠鏡觀測不到，因此無法研究星星形成的真正過程。然而分子雲有溫度，有溫度就代表有輻射，輻射溫度介於攝氏零下 260 度 ~ 0 度，並會發射微波、毫米波、次毫米波的訊號。若能製造一個有能力偵測這些訊號的望遠鏡，就可以研究分子雲，這是建造次毫米波望遠鏡的原因。
在這個計畫中，由我國負責興建的 2 座望遠鏡都在臺灣製造。其中的系統整合部分由中科院航空研究所的 IDF 團隊負責，主要結構體的製造由臺灣國際造船公司（前身是中國造船公司）負責，其他以複合材料製成的部分交給民間工業承做。第１台天文天線曾在臺中組裝，但因體積龐大無法裝運，所以又拆下來運到夏威夷港口，再拖到山上重新組裝。
這個計畫運作以後提供多方面的研究機會，使得每年約有四、五十篇論文在專業期刊上發表。而製造天文儀器的寶貴經驗，也使得往後從設計、採購材料到製造的整套工程，都有能力自己做。舉例來說，後來進行的「宇宙微波背景輻射陣列計畫」，就曾參考 SAM 計畫中的許多經驗。
探討宇宙起源
架設在毛納洛峰上的「宇宙微波背景輻射陣列」，是中央研究院天文所與臺灣大學物理系、電機系的合作成果。第１期完成的 7 座天線在 2006 年 10 月正式啟用。這是以「宇宙微波背景輻射」為光源的「毫米波干涉儀實驗」，與現有的「電波干涉望遠鏡實驗」不同，目的是探討宇宙的起源、宇宙在不同演化期的狀態、宇宙初期和早期的組成構造等，研究對象是宇宙中最大的結構—星系團。
宇宙剛開始膨脹的時候沒有光，是黑暗時期，後來慢慢形成第1顆星星，爾後形成星系、星系團。一個星系約有 10 億顆星星，100 ~ 1,000 個星系聚集在一起形成星系團，星系團的範圍約有1千萬光年，是宇宙中最大的結構，大到它的重力會影響光。若想了解宇宙裡的質量分布，就要研究星系團，但是光學上看不到較早形成或比較遠的星系團，因此要看X射線。
星系中有許多游離物質，在星系團的範圍裡，游離物質會受重力加速影響。一旦游離物質加速到其分子游離化時會產生Ｘ射線，就表示星系團裡面有非常高溫且會偵測Ｘ射線的電子雲。這是研究Ｘ射線可以研究星系團的概念。
「宇宙微波背景輻射陣列」就是觀測宇宙背景在某一個細微角度的溫度資料，同時利用 SZ（Sunnyaev Zeldovich）效應觀測宇宙背景輻射中的星系團與星系團分布。當宇宙背景微波通過星系團時，因為受到星系團裡面熱電子的影響而造成溫度訊號的改變，所以要透過「宇宙微波背景輻射陣列」做微波偵測，如果偵測到溫度訊號，就能偵測到星系團。比較偵測到的星系團資料與Ｘ射線資料，就是研究星系團的一個很好方法。
SZ 效應是 1960 年代末期 Sunnyaev 與 Zeldovich 提出的理論，主要是指宇宙微波光子通過星系團的高溫電子時，會因為平均溫度升高而偏離原本的分布曲線。星系團的局部溫度越高，造成的 SZ 效應越強，偏離程度越大。
自己做天文研究
上述兩組望遠鏡運作以後，使得我國的天文觀測研究在國際上占有一席之地，也建立起國人自己做天文研究的能力與信心。目前中央研究院天文所正在參與另一個幾乎全世界都參加，而且規模更大的毫米及次毫米陣列計畫（atacama large millimeter/submillimeter array, ALMA)，總經費約 12 億美元。這個計畫要在智利的阿塔卡馬建造 60 ~ 80 座天線，預計 2012 年完工。天文所除了出錢參與外，另外負責整合計畫裡面的天線接收機。
本文取材自國科會「2007 秋李展望系列演講第７場」中央研究院天文研究所陳明堂博士的演講內容。
