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天文是有故事的物理

文 / 李彥甫    
2002-02-01
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天文是有故事的物理
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天文學是最古老的科學,甚至物理學早期也是從天文學演變而來;許多人都喜歡仰頭觀星,卻不見得知道台灣也有不錯的天文研究。在台灣,天文學等於是「最新」的科學。

最近,台灣的天文學發展有了一些突破,值得介紹與留意。

中央研究院天文所與美國史密松天文物理台(SAO)在1月上旬共同宣布,雙方合作的全世界唯一「次毫米波陣列(SMA)望遠鏡」試行運轉後,已蒐集到火星表面、星雲初生等首批天文資料。

宇宙的無窮與生命的奧秘,一直是人類急欲一探究竟的知識寶庫,夜闌人靜的星空下,伽利略早在三百多年前首先使用光學望遠鏡「觀看」宇宙,至今哈伯望遠鏡仍在太空中繼續充當人們觀看宇宙的另一隻眼。

台灣加入「次毫米波」研究

但光學望遠鏡的能力有一定的瓶頸,為了探知更多的宇宙奧秘,電波天文學在五十年前興起,如今正好是黃金時期。當大氣層及電離層分別把波長較短及較長的電磁波擋住,地面上只剩兩個透明的電磁波窗口,「光學窗口」得靠光學望遠鏡,「電波窗口」則得用電波望遠鏡,才能聆聽來自浩瀚星空最深邃的訊息。

在各種波段中,波長較長的「厘米波」及「毫米波」,目前技術都很成熟,而台灣加入的次毫米波波段,屬於尚未被天文學者徹底探索的領域,將是本世紀初天文物理學的前沿,有人更形容其為「天文學的最後邊疆」,很有潛力完成重大天文發現的下一個「黃金十年」。

中研院院長李遠哲於1996年與美國哈佛大學所屬的史密松天文物理台簽訂「次毫米波陣列」的合作協議,將在夏威夷毛納基峰上興建八座六米電波天文望遠鏡,完整的陣列最大直徑五百公尺,台灣負責製造其中兩座。

毛納基峰(當地話為大山之意)峰頂原為火山口,氣候乾燥且氣流穩定,是北半球最重要的天文觀測聖地,在台灣加入之前,科學保護區裡已有七國十三座望遠鏡從事先進的天文研究,包括美、日、英、德、法、加、荷蘭等。

「次毫米波陣列」將帶領天文研究進入全新的領域,短期內都不會出現其他可以競爭的設備。「次毫米波陣列」完工後解析度可媲美著名的哈伯太空望遠鏡,「角解析度」及「速度解析度」都是目前最好的電波望遠鏡十倍以上。

所謂望遠鏡「陣列」,是由許多小型望遠鏡以適當的間距排列形成,可以同時聯合觀測一個天體,解析度相當於一座超大型望遠鏡,而且小型望遠鏡可逐年增加,不必一次支付大筆經費,隨著小型望遠鏡數目愈多,威力將會倍增。

透過國際合作,我國負責興建兩座望遠鏡,效果比自己興建強上數倍;對於史密松天文中心而言,只要協助轉移技術與訓練,就可以在不增加太多成本的情形下,把效益提高至159%。這就是天文計畫採取國際合作的好處,也是台灣未來要努力的方向。

上游科學結合下游產業

另一方面,建造次毫米天文望遠鏡,需要超導體、精密機械等技術發展的配合,這兩座國人自製的天文望遠鏡除了有中研院、台大、清大、中山科學研究院的參與,值得一提的是,天線的支撐管架由國內一家製造腳踏車的民間公司開發,採用碳纖維材質,可以使天線在不同天候、溫度與負重下,仍維持主鏡的拋物面角度而不變形,包括美國史密松天文台負責製造的其他六座天線,後來也都採用這家公司的產品,也使此計畫有了上游科學與下游產業結合的典範。

除了電波天文學,台灣的光學望遠鏡也有一些進展。

大陸天文學者劉彩品曾提議在玉山興建大口徑望遠鏡的東亞天文台,去年11月在台灣舉行的第五屆東亞天文會議,也曾倡議發展共用大型望遠鏡。

大型望遠鏡的計畫短期雖然很難實現,但中央大學天文研究所經過多年研究與努力,並通過國家公園的嚴格規定考驗,已在玉山國家公園內、玉山西方的鹿林前山(海拔兩千八百六十二公尺)建立一座天文台,預計今年內控制中心可以完工啟用,其中納入一部超輕型(Super-Light Telescope)七十六公分望遠鏡,這是國內目前最大的光學望遠鏡(不過在定義上,仍是一米以下的小望遠鏡)。

鹿林前山的基地未來更可以進一步開發成為可以讓全國合用的天文研究設施,包括「中美彗星掩星計畫」的三部五十公分望遠鏡都已經進駐,下一步,這裡或許可以出現一部兩米光學望遠鏡。

「中美彗星掩星計畫」為中央大學與中研院自1997年底開始,與美國勞倫斯國家實驗室合作,計畫在台灣中部高山上設置三座小型機械人自動光學望遠鏡,直接觀測太陽系中外部的古柏帶彗星分布,簡單地說,就是觀測「彗星新故鄉」。由於總經費只有100萬美元,《自然》雜誌曾稱此計畫為「規模小、但深具雄心」的國際合作計畫。

另外,包括清大教授周定一在內的日震觀測網等等,台灣的天文研究正在快步起飛中,雖然規模仍比不上先進國家,但在某些領域也有不錯的發展。此時,或許有人還要問,為何要花錢研究不是地球上的東西呢?

天文學關心宇宙的形成和演變、新恆星的成長、生命的存在等,也就是說,它正在尋找我們的起源,人住在地球上不能只看地球,對宇宙應該有些基本瞭解。

天文學看起來很抽象,其實與生活密切相關。以「哈伯望遠鏡」為例,為了組成望遠鏡而發展的技術,像是光學、紅外線、天線通訊等高科技,最後都影響到人類生活。

更重要的,天文與物理一樣有質量或磁場研究,但多了探索歷史,瞭解我們的過去是什麼,是「有故事的物理」,容易感到有趣易懂,一張天文成果圖片比其他領域還容易吸引大家的眼光,推廣天文可以吸引年輕人進入科學領域。(本文作者為資深科學記者)(專欄言論不代表本刊立場)

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