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探天的奇幻冒險─談研究宇宙天體的科技創意
觀察天空多麼順理成章。當耀眼的陽光與雲彩褪去,明暗交錯的光點自古引發了多少好奇:它們怎麼動呢?也有生老病死?會影響我們,或我們影響它們?
 
 
拜現代天文學的進步,這些居然都有初步答案了,但是怎麼知道的呢?科學知識與儀器技術如雙足交替,文明加速快跑,這過程當中工程創新是亮麗研究成果背後的功臣。天文觀測的要求「更暗、更小、更遠、更快」聽起來像是奧運口號,要如何在望遠鏡、偵測器、計算機、分析技術、遮罩設計、克服大氣擾動等各方面落實?又怎樣看得更清楚,更有效率,甚至不僅止於電磁波而利用多元訊息來瞭解天體呢?讓我們一起認識並欣賞挑戰極限問題的力與美。
 
講演綱要(撰文|孫維新)
 

12月21日晚間的第六場秋季展望演講,由國立中央大學天文研究所陳文屏講座教授擔綱,陳教授以「探天的奇幻冒險-談研究宇宙天體的科技創意」為題,笑談如何窮盡宇宙奧妙之基礎。不只說明天文研究的根本原理,還化身天文嚮導,走向世界,撥動求知慾,驅使好奇心,帶著大家遍訪難以到達的天文臺址,解說不可思議的天文設施,讓我們開啟另一種「天眼」,瞭解「天問」背後的科學實踐。當中的探索與驚喜,彷彿發現觀測史上的新大陸!

 

在講座開頭,陳教授分別就物理、化學、生物、歷史、地理探求的領域做闡述,這些學問籠統的被分為文科和理科。可是當對象是宇宙和天體,包含天文環境的生物、宇宙地理與歷史,反而將這些都稱為是天文學的一部分。陳教授指出自己常常對學生如此介紹天文學:問天大的問題!身為一個科學家,陳教授認為自己窮其一生問問題、找答案,科學家與狂想者不同,需要自己去證明自己是對的。從陳教授身上,我們可以感受到他身為一位資深的天文學家,投入自己喜歡的工作所散發出的無比熱誠。

 

陳教授簡易介紹過太陽系的戶口名簿後,單刀直入地提出一個問題:這一切是如何被知道的?並隨即展示了第一個人造衛星:史普尼克1號。它是第一顆進入行星軌道的人造衛星,從軌道圖上我們可以一窺太陽系的運行。無數顆恆星即構成星系,在陳教授展示的哈伯望遠鏡所拍的深空攝影中,我們可以看到無數個亮點。他說裡頭每一個亮點都是一個星系,但我們並沒有去到那麼遙遠的地方,我們究竟要如何得知它的成份、質量,或溫度?

 

宇宙是如此龐大,遙遠天體的光芒,會因距離的差異產生不同的亮度。而其傳送到地球的時間可能是數百千萬光年不等,卻同時映入望遠鏡中,這是多麼地不可思議!陳教授說,目前可藉由哈伯望遠鏡看到最遠、最早的宇宙,但我們仍未觸及宇宙的邊界。他也總結現在的所知:太陽與地球於約50億年前從一團星際雲氣中誕生,而太陽尚可存活50億到70億年,太陽系的八顆行星中只有地球有生命,銀河系當中有超過千億顆恆星,宇宙創生於137億年前,當中有千億個星系…然而以上這些到底是如何得知的?其他地方有沒有生命?有沒有另外一個宇宙?這些都是今天要追尋的問題。

 

在快速地講述完「預告片」後,陳教授進入這次講座的重點:天文學家不斷進步的「手段」及「利器」。天文學研究宇宙天體的本質,包含其生老病死的過程,誠如前面所說,大多數天體都過於遙遠,我們只能以遙測方式偵測天體發出(各種波段)的電磁波、重力波,或是所發出的物質(宇宙射線、微中子)。陳教授說,天文研究要用高科技(望遠鏡、偵測器)收集這些訊息,再用電腦及數學方法分析訊號,並以物理、化學知識解讀天體性質,包含亮度和振幅(如何隨位置、波長改變)、溫度和成分(如何隨時間改變)。

 

在觀測技術上,我們希望可以看得更暗、更遠、更清楚,因此我們的儀器需要更好的靈敏度和解析度。講過電磁波的背景知識後,陳教授緊接著講精彩的望遠鏡發展。望遠鏡利用折射、反射,表現主要的兩大功能:集光與成像。日常生活中,我們用來賞鳥的雙筒望遠鏡也是望遠鏡的一種,但天文望遠鏡則需要抵銷地球本身的自轉,才能達到追蹤的功能。而其中「口徑」是衡量天文望遠鏡性能的重要指標,它的大小直接決定瞭望遠鏡的聚光本領。

 

天文望遠鏡的鏡面如何製作?首先需要溶解玻璃,盡可能用很慢的速度來加溫,以避免泡泡冒出,然後旋轉平面轉出拋物面的樣子,直到冷卻後,再去打磨成完美的拋物面(為了集光),最後鍍一層東西於表面使之能夠反光。現今的望遠鏡研發重點之一,就是要「大」!天體發出的輻射向四面八方傳播,分布在球面上,隨時間/距離而擴展,接收到的強度與距離平方成反比,影響著望遠鏡集光能力(正比於集光面積或口徑平方)。而望遠鏡口徑越大,角度分辨能力越強,可看到越清楚的細節。天文學家還有另一項幫助觀測的儀器,那就是「日冕儀」,功能在於把鄰近太亮的天體擋住,觀察旁邊的暗天體。

 

陳教授也賣力的講解各國的大望遠鏡,包含Subaru望遠鏡、Very large telescope(VLT)、巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)、歐洲超大望遠鏡(E-ELT)等,講述含觀測原理和儀器尺寸等。陳教授用短暫的分享時間暢談世界上已經建成和正在興建的前瞻天文計畫,讓在座的民眾聽來十分過癮。講座進入尾聲之際,他還補充了形似雪茄狀、移動軌跡怪異,起初被誤會為彗星的星體 "Omuamua"!他笑說在台語裡就是「黑麻麻」,它真的就是個不發光的物體。

 

Omuamua,在夏威夷語的意思是「從遙遠的過去所派來的信使」,因為是已知的第一顆經過太陽系的星際天體,因此臺灣譯作「斥侯星」。斥侯星的軌道實在是太過怪異,是一條開放性的雙曲線,在通過太陽系之後即遠去再也不回來。這個不知名的天體,或說是「某種東西」,有人甚至猜測是外星人的太空船!陳教授語帶玄機,半開玩笑說,也許就如福爾摩斯的名言:當你排除所有不可能之後,剩下的就是答案。

 

在陳教授精彩的演講中,我們可以瞭解天文科學知識進展,與儀器技術的發展高度相關,亮麗研究成果背後,工程創新真的功不可沒。我們衷心期待,未來的科技發展能讓科學家們探索更暗、更遠的地帶,科學家不僅止於電磁波,而利用多元訊息來瞭解天體,進而看得更為清楚,更為有效!當天晚上,大家都被陳教授唱作俱佳的講演展現,以及吐露出的科學家真性情,還有莫忘初衷、樂於探究星空這樣的精神而感動,全場皆聚精會神,聽得津津有味,期待下一次再次和陳教授相遇在展望演講之中!

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