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小耳朵聽宇宙
子曰:「視其所以,觀其所由,察其所安。人焉叟哉?」今日用望遠鏡觀星體,用小耳朵聽宇宙,希望能更進一步了解宇宙。
 
 
 
和宇宙文明接觸

1997 年華納公司推出一部科幻電影〈接觸未來〉,它改編自美國著名天文學家薩根的同名科幻小說,是一部從人文角度探討外星人存在的科幻電影。
 
電影海報中的男女主角一立一坐,背後豎立了一排碟型天線,女主角脖子上掛著耳機。在許多劇照中,女主角伊莉•埃蘿薇總是拿著耳機專注聆聽來自外太空的訊息。伊莉是一名女天文學家,影片故事從她小時候開始敘述。經由父親的帶領,伊莉進入火腿族的世界,藉由無線電波的傳送,嘗試和其他地區的人溝通聯繫。鏡頭一轉,伊莉已經成為女天文學家,而且還是一位專門搜尋外星人的女電波天文學家。除了「搜尋外星人」的研究課題與一般天文學家不同外,她還習慣於用耳機收聽來自宇宙的電波訊號。

人類耳朵能夠接收的音頻大約在 20 赫(Hz)到 20 千赫(kHz)之間(1 秒鐘振動 1 次是 1 赫)。聲音是由空氣振動所造成的疏密波產生,由於空氣分子的來回振動,分子在空間形成疏密變化,空氣分子來回振動的方向和聲音傳播的方向一致,是一種縱波。

電波屬於電磁波,人類的耳朵沒辦法直接聽電磁波,電磁波是電磁場在空間中來回振動的橫波,和聲波完全不同。我們收聽廣播節目,是藉由收音機把電波訊號轉成聲音,透過喇叭播放出來。〈接觸未來〉劇中的女主角是把來自外太空的電波訊號轉成聲音,收聽的音頻仍在 20 Hz 到 20 kHz之間。

用電波望遠鏡看宇宙

用電波看(聽)宇宙是一件很酷的事。電波不同於可見光,它們是波長很長的電磁波。雖然可見光也是電磁波,但波長大約在 380 奈米到 750 奈米之間(1 奈米是 10–9 公尺,大約是原子大小的 10 倍),依照波長的長短排列,顏色依序是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫,紅光的波長最長,紫光最短。相較於可見光,電波的波長從數公尺以上開始,到公分級的微波,再延伸到公分以下的毫米波及次毫米波,波長短於微米(1 微米是 10–6 公尺)便進入紅外光的範圍,光靠肉眼是無法看到電波的。

利用電波望遠鏡看宇宙,是一件相當困難的工作,原因在於電波望遠鏡的角解析度不足。望遠鏡的角解析度是由兩個因素所決定,一個是接收的電磁波的波長,波長越長,角解析度越差;另一個是望遠鏡的口徑,口徑越大,角解析度越好。對望遠鏡來說,大便是美,世界級可見光望遠鏡的口徑已達 10 公尺,光是反射鏡面就差不多有一間教室的大小。

但 10 公尺口徑的電波望遠鏡很難滿足天文學家的需求。以一般家庭用微波爐的微波為例,它的頻率是 2.54 GHz(1 GHz 等於 10 億赫),波長大約 12 公分。12 公分波長的微波比 550 奈米的黃光長了約 22 萬倍,也就是說在相同的解析能力下,電波望遠鏡的口徑必須是可見光望遠鏡的 22 萬倍。
 
位在美國西維吉尼亞州的綠堤電波望遠鏡(圖片來源:NRAO/AUI/NSF)
▲位在美國西維吉尼亞州的綠堤電波望遠鏡(圖片來源:NRAO/AUI/NSF)
 
為了得到足夠的解析度,電波望遠鏡都建得很大,美國國家電波天文台所建造的綠堤電波望遠鏡的口徑達 100 公尺。在南美洲波多黎各阿雷西波天文台的電波望遠鏡,口徑更高達 305 公尺,整個天線建在山裡。中國天文界也打算在貴州喀斯特窪坑建造 500 公尺口徑的電波望遠鏡。限於工程技術,單一天線的電波望遠鏡口徑幾乎無法再增加,為了增加解析度和靈敏度,採取干涉技術的電波望遠鏡陣列成了現今主流的電波觀測儀器。
 
為了增加解析度和靈敏度,電波望遠鏡陣列成了現今主流的電波觀測儀器。(圖片來源:NRAO/AUI)
▲為了增加解析度和靈敏度,電波望遠鏡陣列成了現今主流的電波觀測儀器。(圖片來源:NRAO/AUI)

自製的電波望遠鏡

接收來自宇宙的電波訊號,除了天文學家使用特製的電波望遠鏡外,利用市售電子產品,經過適當的組合改裝,一般人也可以擁有自製的電波望遠鏡。 由於商業性電子產品的普及,一般家庭的視聽娛樂,除了傳統無線的類比和數位電視台外,還可以收看有線電視的節目。甚至市場上出現了機上盒的產品,客戶可以透過高速的寬頻網路把節目傳到家中,並且能依照個人喜好選擇想要收看的節目。
 
一般接收衛星節目所需要的設備,主要包括衛星天線、集波器、衛星接收機和電視。
▲一般接收衛星節目所需要的設備,主要包括衛星天線、集波器、衛星接收機和電視。
 
在寬頻網路的選擇外,還可以透過衛星天線(俗稱小耳朵)收看衛星電視節目,又稱為 TVRO(TV receive only)。TVRO 所接收的衛星節目可能來自不同的國家,讓消費者有更多節目的選擇。小耳朵接收節目的方式比較不同,不像無線電視接收當地電視台的訊號,或從第四台的電纜、寬頻網路直接接收,小耳朵是接收運行在地球軌道中的衛星訊號。透過人造衛星的轉播,便可以接收其他國家的電視節目。

一般要接收衛星電視的節目,除了必備的電視機外,還要有衛星天線和接收機。衛星天線包括了碟型天線和集波器(或稱為放大降頻器),集波器放在天線的前方,藉由同軸電纜連接到後方的衛星接收機,再使接收機與電視機連結,便可以收看衛星電視的節目。

現今常見的衛星天線長得很像碟子,碟型天線的表面呈拋物面狀,能把落在拋物面上的電波聚焦到拋物面的焦點。市場上的碟型天線有正焦天線和偏焦天線兩種。正焦天線的焦點在鏡面的正前方,當遠方的電波打到反射鏡面時,會被聚焦到前方焦點位置的集波器上。偏焦天線則是利用正焦天線的部分反射面,通常所使用的反射面呈橢圓狀,並且焦點是偏在一側。偏焦天線的優點是,接收用的集波器不會擋在進入天線的電波路徑上,因此對訊號有較好的靈敏度,常用於 Ku 波段(12 GHz)訊號的接收。
 
用自製的電波望遠鏡觀測太陽的一維飄移掃描。
▲用自製的電波望遠鏡觀測太陽的一維飄移掃描。
 
正焦天線所聚焦的位置是在拋物反射面正前方的焦點上,可以直接把接收電波訊號的儀器放在焦點位置,也可以在焦點位置上放置次級反射面,就像可見光的凱賽格林望遠鏡,次級反射面反射的電波會被導入一排集波器。偏焦天線的焦點是在碟型天線的側邊,當電波訊號打在天線反射面上時,會以適當的角度反射聚焦到集波器,通常商用偏焦天線的角度約 20 度左右。 從商用衛星天線的長相,讓我們聯想到電波天文學家所用的望遠鏡,不論是正焦天線、凱賽格林式天線或偏焦天線,都可以用在世界一流的電波望遠鏡上。因此可以嘗試用衛星天線系統充當電波望遠鏡,做一些簡單的太陽或月亮的電波觀測,並藉由觀測的過程了解電波天文學家如何觀測來自外太空的電波。
 
當電波訊號打到天線的反射面時,會以適當的角度反射聚焦到集波器上。
▲當電波訊號打到天線的反射面時,會以適當的角度反射聚焦到集波器上。


動手做電波望遠鏡

在動手建造電波望遠鏡的過程中,可儘量使用已商品化的零件,主要的零件有碟型天線、集波器、尋星儀等。衛星電視所占用的頻道有 C 頻和 Ku 頻兩種,C 頻的頻率是 4 GHz,Ku 頻是 12 GHz。C 頻的波長比 Ku 頻長,需要選擇較大口徑的天線。常見天線的口徑有 45、60、80、120、150 和 180 公分,C 頻最好選擇 80 公分以上的天線。
 
集波器的種類很多,主要根據不同的偏振和本振頻率來區分。偏振分成水平偏振和垂直偏振兩種,衛星節目除了會放置在不同頻率的波段上,也會放置在不同的偏振上,因此為了收視衛星節目,需要選擇適當接收頻率的集波器。尋星儀的主要功用是找尋人造衛星的位置,當碟型天線鎖定特定的人造衛星時,尋星儀的儀表板會有較強的訊號輸出,便可以利用尋星儀讀出訊號的數值。

當收到電波訊號後,還要把訊號記錄下來。市售商業產品是把訊號傳給電視螢幕,我們則需要把訊號傳給電腦,因此得自行設計類比—數位轉換器,把尋星儀輸出的電壓轉成數位資料,然後傳輸給電腦並儲存資料,以利後續的資料分析。

這種自製的電波望遠鏡能輕易地接收太陽的電波訊號,因此可以把電波望遠鏡指向太陽運行的路徑上,隨著地球的自轉,讓太陽從望遠鏡的前方經過,並記錄電波訊號的變化。得到的圖可以清楚看到,電波訊號隨著太陽進入視野而逐漸增強,當太陽進入視野的中心時,訊號達到最高峰,之後隨著太陽離開視野而逐漸減弱。
 
利用自製電波望遠鏡,以Ku波段電波掃描得到的太陽二維影像。
▲利用自製電波望遠鏡,以Ku波段電波掃描得到的太陽二維影像。
這只是對太陽的一維方向進行測量,太陽在天球上是以二維的方式顯現,要得到太陽的二維電波影像,得一個像素一個像素地掃描太陽,最後透過假色處理得到太陽二維的電波影像。這個二維影像會非常粗糙,只是一張 9 × 14 像素的影像,這是因為受限於赤道儀設備,望遠鏡每次上下和左右所能移動的角度不同,大約只能移動 0.6 度左右。整張影像雖只有 10 × 10 度,不過還是可以約略看到太陽的外形。
 
用自製的電波望遠鏡觀測太陽
▲用自製的電波望遠鏡觀測太陽
 
臺北市建國中學和中研院天文所合作,曾舉辦「電波天文望遠鏡動手做」資優研習活動。限於人力與經費,只開放給臺北高中學生參與。在整個活動中,學生透過團隊的合作,各自組裝出 Ku 頻段的電波望遠鏡。學生先用電波望遠鏡測量生活周遭的電波訊號,例如日光燈及燈泡,之後又實際觀測太陽的電波輻射。
 
2008年在台北市建國中學舉辦研習營,在整個活動中,學生透過團隊的合作,各自組裝出Ku頻段的電波望遠鏡。
▲2008年在台北市建國中學舉辦研習營,在整個活動中,學生透過團隊的合作,各自組裝出Ku頻段的電波望遠鏡。
雖然受限於活動時間較短,以及儀器的解析度和靈敏度不足,但學生透過動手做的演練,了解到整個電波望遠鏡的基本觀測知識,這是一般課堂上學習不到的。未來如有機會,可以引進電波干涉的技術,以提升望遠鏡的解析能力。此外,透過網路自動控制望遠鏡也是有趣的課題。臺灣的電波天文研究已達世界水準,然而業餘的電波天文觀測還只是在起步的階段,希望藉由專業和業餘電波的共同研究,吸引更多有興趣的人參與,才能讓電波天文學在臺灣生根茁壯。
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