行星寶寶的超音波照片–以無線電波透視孕育行星的環境
103/04/18
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賴詩萍｜
清華大學天文研究所教授
從去（2013）年的下半年開始，科研學者和天文愛好者就充滿期待，希望「艾桑」（ISON）彗星能夠照耀天際，成為一顆「世紀大彗星」！甚至有人將這顆彗星改名「愛上」，希望經由這顆彗星的近距離造訪，帶動大家愛上觀星、愛上天文。但是「艾桑」彗星的近日點是如此不知死活地近，僅僅距離太陽表面110萬公里（太陽直徑不過140萬公里），也就是幾乎貼著太陽的鼻尖擦過，在太陽絲毫不具同情心的強大光熱燻灼下，高速繞經太陽的「艾桑」彗星瞬間灰飛湮滅、化為宇宙中一抹輕塵！反而成為了天文同好口中的「哀傷」彗星。
當然，彗星的故事尚未結束，就在此刻，十年前由歐洲發射的「羅賽塔」號太空船，已經追上CG彗星，即將在往後幾個月進入繞行彗星的公轉軌道，而於今年11月間放出登陸小艇，降落在彗星表面。這是除了好萊塢電影之外，人類有史以來第一次將人造物體放上彗星表面！眼見「世界末日」電影中的情節逐步成真，想來今年下半年天文熱潮又將再一次席捲大眾。
南極的宇宙觀測方興未艾，智利高原上的電波陣列也已經投入運作，在這些觀測利器不斷出鞘的迅速發展下，天文新知快速累積，也促使我們再一次以「天文」為主軸，規劃這一系列的演講：「宇宙大探索—從光明到黑暗！」，從光明的內容：「行星」、「彗星」、「恆星」、「星系」，到現今最熱門的宇宙「黑暗面」，包含「暗物質」和「暗能量」，以及高能微中子，發展出八個方向的演講：從行星寶寶和認識太陽系的小天體開始，到彗星探索，再到恆星黑洞、星系形成和活躍星系核、宇宙微中子、暗物質，直到暗能量和宇宙的本來面貌，希望能由近到遠，讓我們重新認識這些宇宙天體的起源、本質，和未來，更希望能藉由年輕一代優秀臺灣天文學的演講，讓大家瞭解臺灣在國際天文研究上所扮演的角色！
春季系列的首場演講由國立清華大學大學物理系賴詩萍教授擔綱，主題是「行星寶寶的超音波照片—以無線電波透視孕育行星的環境」。圍繞在「原始恆星」周圍的「原始行星盤」是行星形成的場所，然而「原始行星盤」在何時形成以及如何形成，仍然是一個懸而未決的謎。我們最近使用了智利高原上全世界最大的次毫米波陣列ALMA 望遠鏡，發現了迄今為止最年輕的「原始行星盤」，而且它的年齡比大多數的理論預測還年輕！在這場演講中，賴教授將會介紹恆星與行星形成的理論和目前最新的觀測結果，同時說明智利高原上的ALMA 陣列將會帶給這類研究何種革命性的影響！
四月11日晚間，在台大應力所的演講廰中，開始了2014年的春季「展望」系列，如預料之中的，天文太空宇宙的主題永遠會吸引滿場的聽眾！當晚由清華大學的賴詩萍教授擔綱，以「行星寶寶的超音波照片」為題，帶領我們進入這一場從「光明」走向「黑暗」的星際之旅！今年春季的演講系列如同往年，也是8場，從4月11日開始，中間5月9日和5月16日暫停，到6月13日結束。
演講開始，賴老師講起她是怎麼一路走來，進入了電波天文觀測領域的。她說年輕時曾在圓山天文臺觀測哈雷彗星、也參加過清華大學的天文社，和中央大學的地科營；特別有趣的，是她曾經參加過中央大學天文所在大雪山鞍馬山莊舉辦的天文營。當時學生分組，和她同組的包括王祥宇副所長（就是中研院天文所的副所長，也是本週五演講的講座！），和郭兆林博士（就是上個月的國際重大新聞：在南極偵測到宇宙暴漲所留下重力波印痕的團隊主角之一！），而當時大雪山天文營的主辦人，就是展望演講的主持人孫維新教授。有時想想，老師們辛苦一些，幫學生安排各式教育和體驗活動，在學生心中埋下了種子，不知何時這些種子就會發芽茁壯，對學生的生涯成就產生正面而長遠的影響！
賴老師在伊利諾大學香檳分校得到博士學位，博士後在加州理工學院和馬里蘭大學進行研究，隨後回到了清華大學。這一路參加了幾個重要的天文觀測計畫，才讓她今天能作出相當精采的科研成果來！賴老師以當紅議題為引子：「BICEP2得到宇宙暴漲及重力波的證據」，說明雖然浩瀚的宇宙是我們無法飛躍的空間，但是科學家可以用電腦後製的方式，以真實的數據，製作出穿越宇宙的影片！
我們從遙遠的宇宙深處逐步回歸，回到仍然非常大的銀河系，我們的銀河系直徑有10萬光年大小，包含將近四千億顆的恆星，其中許多恆星旁邊已經證實有行星存在。這是人類一直關心的課題：會不會有一顆「星星」旁邊的行星上也擁有生命？但是好萊塢電影卻給了錯誤的示範！茱蒂佛斯特在1997年的電影「接觸未來」中，頭上戴著耳機，專心聆聽來自宇宙深處的外星生命藉由無線電波波段傳遞的聲音訊息。這個畫面給賴老師帶來了不少困擾，當時她正就讀博士班，常要在學校負責運營的大型電波天線站值班，對來訪民眾說明設備的原理和運作方式，可是不少民眾一來就要求要戴上耳機，傾聽來自太空的聲音，這讓賴老師與同事們相當的困擾：「因為真的沒聲音啊！」
搜尋系外行星，需要許多人力和電腦時間，所以會有Citizen Science公民參與科學研究計畫的出現。賴老師鼓勵大家，共同來分析宇宙觀測的資料，解決研究人員在時間和人力上有限的問題。賴老師也鼓勵民眾上ZOONIVERSE以及PLANETHUNTER兩處網站，這些網站提供了許多恆星光度變化的曲線，有興趣的民眾可以協助判斷圖表資料，判斷是否有「行星掩星」的現象，這種結合趣味、公益，與科學的作法，可以讓科學研究的效率大幅提昇。
賴老師演講的主題，是想瞭解「孕育行星寶寶的環境」！賴老師說：「我很想知道這些行星是怎麼生出來的？」一開始一定從某個環境當中慢慢演化出來的。賴老師給我們看一幅本銀河系的圖像，「大部分人都會注重顏色鮮豔的地方。」可是行星不是從這些高溫地區生出來，事實上照片上面黑黑的黑暗星雲才是重點，也就是「分子雲」的所在處。賴老師拿「公車放黑煙」做比方，如果氣體密度較高，像是有星際灰塵的分子雲，就是生成恆星和行星的地方。
原始行星盤在何時生成的？又是如何生成的？我們用電波望遠鏡去觀察原始行星盤最早期的狀態，瞭解恆星與行星系統誕生的過程，從Class 0的重力塌縮開始，到Class I原恆星並有原始行星盤及噴流的階段，接著進入Class II，行星在原始行星盤中形成，最後進入Class III也就是我們目前太陽系的階段，恆星周遭呈現比較乾淨的狀況，不是原始行星盤物質密佈比較複雜的狀況。原始行星盤在Class I和Class II都看得到，但是到底Class 0有沒有？賴老師就想知道這個答案！
為了要能穿透黑雲，同時也能用極高解析度來觀察恆星及行星生成的環境，天文學家並不會把觀測波段侷限在「可見光」或「紅外線」，而佔據一般星系電磁光譜總能量40%的「微波」（毫米/次毫米波，也就是波長較短的無線電波），才是這個領域的重點。我們需要「電波望遠鏡」以及「陣列」，因為越大的電波望遠鏡，可以看到越暗的東西，觀察效果也越好。美國就做出100公尺 x 110公尺，贏得了世界之最，但這在技術上，也已經發展到了極限。要如何突破？科學家就想到「將很多的望遠鏡組合起來」，其中一個典型的例子，就是位在新墨西哥州的「極大天線陣列」（Very Large Array），共有27個直徑25公尺的天線，兩兩之間最長的基線可以達到36公里，讓我們得以獲得有極高解析度的影像。
在智利高原上剛落成不久的毫米／次毫米波陣列ALMA，是到現在為止國際最大的天文合作計畫，北美、美國、加拿大、歐洲、日本，都是參與國，臺灣非常幸運，抓住探索太空的機會，由中研院代表，2005年通過日本加入ALMA，2007年透過美國增加投資。在這場國際天文合作計畫的總資本中，台灣佔有3%的投資席位，透過此項計畫，也讓我們的國旗在當地飄揚！
這個由66個天線組成的陣列真的很壯觀，如果將這些電波望遠鏡鋪在南臺灣，就會蓋滿整個恆春半島！也就因為面積相當大，ALMA的解析度可以達到0.01個角秒，是哈柏伯望遠鏡的10倍。這個角度所代表的意義，相當於可以從高雄看到台北的一元硬幣，相當的驚人！
在ALMA第一次徵求計畫書時，收到了900多件，但只有100多件獲得觀測時間，台灣就佔有8件，比例相當的高，拿到的時間佔6%，比我們所花的費用3%還要多，可以說相當值得，也展現出台灣天文科研在國際上的高水準表現，8件中的1件，就是賴老師的計畫！也就是使用這種層級的大型望遠鏡，賴老師的團隊在Class 0的環境中竟然找到4個最年輕的原始行星盤！證明了行星的形成在極早期的時候就開始了。這是非常精彩的研究成果，也讓台灣第一次登上了ALMA網頁的頭版頭條，很高興看到我們台灣的女科學家在國際上作出一流成果來！
