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追星計畫–夏威夷夜空下的天文觀測

星星形成的過程究竟如何?宇宙的起源、演化、組成結構究竟如何?中研院天文所在夏威夷高山上架設大型望遠鏡追尋答案。
 
 
 
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。
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