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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

 
 
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!

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