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遠征地球最邊緣，探索宇宙最邊緣–在南極搜尋宇宙微中子

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陳丕燊｜臺灣大學物理學系暨天文物理研究所教授

今年是人類發現宇宙線一百週年。一個世紀以來，科學家進一步發現宇宙間充滿了各種基本粒子。經由這些研究，可以彌補傳統天文觀測的不足。其中的微中子因為作用力最微弱，所以它可以穿越整個宇宙而通行無阻。如果能打造微中子望遠鏡，就可以看到宇宙的最邊緣，也就是宇宙的最早期歷史。南極洲因為有地球上最大、最純淨的冰層，成了捕捉宇宙微中子最理想的埸域。「天壇陣列」（ARA）微中子天文台就是這樣一個嘗試，而臺灣在這個國際合作計劃中扮演了催生及關鍵性角色。建成後，天壇陣列將在南極極頂涵蓋100平方公里，成為世界最大的微中子望遠鏡。這是中華民國100年來首次在南極大陸從事任何科研計劃，深具歷史意義。在這個講座裡，我們除了介紹觀測宇宙微中子的科學意義，還將與大家分享去年年底遠征南極極頂的影片及極地生活點滴。

春季系列的第一場（4月27日）演講，是由國立台灣大學天文物理研究所陳丕燊教授擔綱，主題是「遠征地球最邊緣，探索宇宙最邊緣－在南極搜尋宇宙微中子」，內容非常精彩！讓今年的春季系列有了一個好的開始。

陳教授用了相當時間，深入淺出地說明微中子的偵測，以及這種微小粒子為何能成為觀察研究宇宙最初年代的唯一工具。我們看宇宙中各式各樣的粒子，會發現帶電的粒子受電磁場影響，行進路徑會偏折，自由中子則在 15 分鐘內，就會衰變成質子，只有微中子幾乎不和任何物質作用，從製造產生就保持原來路徑，若能偵測，就可以知道最源頭產生這個微中子的真實情景，是最能保持原樣的信息傳遞者！但話說回來，微中子作用力最微弱，幾乎不和其他物質產生反應，這是好處也是壞處，因為這意味著它們很難被偵測到！經由微中子的觀測研究，剛好可以彌補傳統天文觀測的不足。

陳教授和他的國際合作研究團隊，打造了「微中子望遠鏡」，希望可以看到宇宙最邊緣，以瞭解宇宙最早期的歷史。他們的儀器用氣球帶到高空之中，隨著南極上空的環狀氣流繞行南極飛行，希望能偵測到高能微中子射入南極冰層那一剎那所釋放出來的輻射！這種輻射很特殊，是當一個高速粒子射入一種介質中，在剛進入的那一剎那，速度超越了這個介質中的光速，就會產生這種輻射，稱作「契忍可夫輻射」。偵測到這種輻射，就可以反推原來粒子的性質。南極大陸因為有著地球上最大且最純淨的冰層，成為捕捉宇宙微中子最理想的埸域。陳教授的團隊所正在建立的「天壇陣列」，就是微中子天文台的一個新穎嘗試！臺灣在這個國際合作計劃中扮演了催生及關鍵性角色。未來「天壇陣列」將在南極極頂涵蓋100平方公里，成為世界最大的微中子望遠鏡！這是建國百年來我國的科學家首次在南極陸地上進行的科研計劃，深具歷史意義！

但是前往南極真的可以稱得上是間關萬里，長途跋涉，因為要先到香港轉機，飛到紐西蘭北島，換飛機飛到南島，進了美軍基地，半夜被叫起床，在南半球的夏天穿上所有重裝備，登上軍用大型運輸機，再飛七八個小時才到南極麥克摩多港，雖然是夏天，但降落時溫度已經是零下一、二十度了！

因為去年是建國百年，同時也是挪威人愛蒙森抵達南極點的一百週年，所以陳教授計畫帶一面國旗去，插在南極，也算慶祝建國百年。但是行程匆匆，忘了帶上國旗，還好南極基地有一間疏散壓力的美術工作坊，陳教授在那裡找到了大片白布和紅色顏料，自己作了一面國旗！兩面的青天白日中心各寫上「100」字樣，以慶祝兩個「一百」，聽了蠻令人感動的！

其實不只微中子研究，一般天文地面觀測者也在打南極的主意，像是中國大陸國家天文台就在冰穹Ａ（Dome A）開始設立的天文觀測設備，原因很簡單：南極有六個月黑夜，可以連續觀測很長時間；更重要的，南極海拔三千公尺的冰原頂端，空氣稀薄的程度卻和其他地方四千公尺是一樣的，這是因為地球自轉，將大氣層拉成了一個橢球，赤道的大氣層比較厚實，而兩極的大氣層較為稀薄，大氣越稀薄觀測的條件越好。

陳教授的科學遠征名實相符，到了地球最邊緣（雖然他指出地球是一個圓球，並無邊緣），去研究宇宙的最邊緣（雖然他又指出，宇宙也是無邊的，的確，我們常常講宇宙是一個「有限而無邊」的環境），相信這場演講，不單是在微中子天文學上讓大家有了一個基本的認識，知道南極是一處研究微中子的最佳環境，也讓大家看到了科學家為了追求新知，上窮碧落下黃泉的探險精神！

微中子(18) 望遠鏡(18)

遠征地球最邊緣，探索宇宙最邊緣–在南極搜尋宇宙微中子

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