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學著獨立 —自製 AMiBA 望遠鏡

兩個美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson),原 本在測試一台6 公尺口徑喇叭型天線,這架天線的特性非常靈敏。為了要確認天線的性能,

兩名工程師將天線對準天空,開始接收訊號。不過他們發現一個很奇怪的訊號,出現在波長 7.35 公分左右的區域,它不僅持續不斷,而且沒有每日或每季的變化,總是一直都在。

兩名工程師不放心地走出實驗室,看了一下天線上是否有類似鳥糞之類的髒東西,影響 天線接收,導致他們偵測到錯誤的訊號。可是不管怎麼排除各種可能問題,工程師還是找不 到訊號的來源。於是他們將這個現象,寫到論文中發表出去。

彭齊亞斯和威爾遜在寫這篇論文時,絕對想不到14 年後(1978 年),兩人會因此獲得 諾貝爾物理獎的榮譽。不過,這也歸功於在這篇論文發表的同一時期,美國普林斯頓大學團 隊證實,這個訊號為宇宙背景輻射,懸宕已久的理論終於獲得了實驗的驗證。

既然在1964 年就已經偵測到宇宙背景輻射,那麼在 30 多年後,台大與中研院合作的卓 越計畫,似乎沒有道理再蓋一個電波望遠鏡,來偵測宇宙背景輻射。然而當時不僅僅是台灣 預計要蓋,同時還有其他國家的研究團隊,想要加入這場戰局。

這是因為,天文學家希望偵測的,並不只是宇宙背景輻射;而是要利用宇宙背景輻射的 特性,了解宇宙中最大型的結構——範圍超過一千萬光年的星系團。星系團是由 100~1000 個星系組成的結構,一個星系就可能有10 億顆星星,這麼龐大的結構擁有的重力,會讓通過 的宇宙背景輻射平均溫度升高。AMiBA 就是希望能透過偵測宇宙背景輻射的溫度變化,來尋 找用光學望遠鏡找不到的星系團。

這座望遠鏡有六支腳

AMiBA 除了是宇宙背景輻射陣列的縮寫,取這樣一個名字,也有它的特殊意義。這個名 字是由中研院天文所第一任主任李太楓命名,AMiBA 的讀音「阿米巴」念起來類似可以根據 需求改變外型的變形蟲「阿米巴原蟲」(Amoeba)。李太楓會取這個名字,源自於 AMiBA 特殊的外型與結構。

不同於SMA 陣列由八座獨立的天線所組成的陣列,AMiBA 是在單一座望遠鏡上架設一

文所研究員陳明堂說,這樣的平台其實在機械、電機上早有許多的應用,但從未運用在這麼 大型的天文儀器上。這個設計最早是由團隊中一名美籍成員馬丁(Robert Martin)所提出,

有別於傳統望遠鏡透過經緯儀的兩個軸——垂直軸調控高度、水平軸調控方向——的方式來 操控望遠鏡,六軸平台能讓AMiBA 的轉動更自由,也能讓 AMiBA 達成追蹤特定觀測目標的 任務。

AMiBA 望遠鏡使用六腳平台來做為調整方向的機制,在天文望遠鏡上是個創舉,但團隊 也因此遇上許多困難。(攝影/趙軒翎)

然而,這樣的一個六軸平台卻也讓製作的團隊遇到了大麻煩。一般天文望遠鏡用的經緯 儀已行之有年,技術相當成熟,但是從來沒有人將六軸平台,應用在這麼大型的望遠鏡上。

製作與實際使用上面臨的問題,都是團隊在設計時始料未及的。

「我們後來才發現,這六支腳都太粗、太重了。」陳明堂說。AMiBA 六軸平台的每一支 螺桿的重量都超過兩公噸,六支螺桿加起來則超過十噸。這個六軸基座雖然很「穩重」,但 它所產生的力道,卻也不斷拉扯著上方的平台,使得平台有些不堪負荷而扭曲變形。陳明堂 補充,這樣的扭曲,只有幾個毫米大小的微小差異,肉眼其實看不出來;但對於需要精準觀 測的AMiBA 來說仍有影響,因此也限制了後來 AMiBA 運用在觀測上的使用範圍。

此外,要讓六軸平台依照天文學家需要的方式移動,必須藉由一組操控平台的程式來控 制。然而,要讓平台乖乖地照著程式安排,而且平穩地移動,挑戰的不僅是程式的設計,更 是牽動整個平台結構設計的每個細節。陳明堂苦笑地說,當時團隊花了好大的一番心血,才 穩定了整個控制的程序。

魯國鏞離開團隊

2002 年,AMiBA 計畫才進入第三年,此時團隊還在試圖建造一架構造較簡單,平台上 只有兩個天線的小型原型機,來測試AMiBA 的設計概念。就在這個時候,團隊收到一個突 如其來的消息——計畫主持人魯國鏞決定辭掉台灣的職位,前往美國接任國家電波天文台

(National Radio Astronomy Observatory,簡稱 NRAO)台長。

「他宣布得很突然,」闕志鴻說,印象中前一天他還在跟團隊討論,隔天就宣布自己要 離開,而且一週後就要走。

這個消息不管是對AMiBA 團隊或是中研院天文所來說,都是個煎熬。對天文所籌備團 隊主要成員李太楓來說,天文所將失去一名重要的領導人才。

徐遐生當時「身負重任」,要將魯國鏞要離開中研院的消息傳達給院長李遠哲。他回憶 李遠哲聽完第一個反應是:「我們要留他,我們一定要留他!」但徐遐生卻告訴李遠哲,美 國國家電波天文台選擇了魯國鏞「不一定是壞事」。面對一臉疑惑的李遠哲,徐遐生告訴他,

這是全世界最重要的電波天文學職位,他們來找中研院天文所的所長擔任,等於肯定天文所 過去幾年的努力。

「這是第一次華人得到這個職位!」李太楓說。

魯國鏞在電波天文學上的專業成就和人脈,是中研院天文所籌備團隊當時極力爭取他來 台的關鍵。而他自1997 年起,在中研院天文所籌備處擔任管理職的幾年中,天文所與美國史 密松天文台的次毫米波陣列(SMA)計畫一直順利進行,加上 AMiBA 計畫也有進展,顯現 了魯國鏞在管理上的能耐。這些也讓他成為美國國家天文台,極力爭取的第四任台長人選;

然而相對的,AMiBA 團隊卻失去能夠掌握所有環節的計畫主持人。

2002 年魯國鏞(左一)前往美國國家電波天文台就任台長前,與中研院天文所同仁聚餐。

(圖/中研院天文所提供)

闕志鴻印象最深刻的,是魯國鏞對AMiBA 計畫的投入。整個大計畫依照任務分成各種 不同的工作小組,身為計畫主持人的他總是認真地聽著每組的報告,仔細掌握各組進度、狀 況,並適時幫忙小組向外求援。闕志鴻提到,魯國鏞離開時本來有意結束這個計畫,他認為 缺少了解、確實督導計畫的領導角色,AMiBA 不可能成功。

團隊成員成競爭對手

AMiBA 的成功與否不僅僅是能夠建造完成,更是一個與世界頂尖團隊的時間競賽。

在台灣團隊建造AMiBA 時,也有其他科學目的、功能相似的望遠鏡,同時在籌備中。

例如美國芝加哥大學的SZA 陣列(Sunyaev-Zel'dovich Array)、英國劍橋大學馬拉德電波天 文台的AMI 陣列(Arcminute Microkelvin Imager)。每個團隊都在想盡辦法爭取時間,誰先 做出來、先發表成果,就像是在這領域插了一面旗,佔據重要的地位。

AMiBA 團隊也拚命想要搶先機,只是這中間有太多問題需要克服,導致團隊在 2004 年 卓越計畫第一期結束時,僅僅完成原型機,離原本預計的建造完成並開始測試,還有一大段 距離。

除了時程大大延誤之外,團隊成員在魯國鏞離開之後,又經歷了一波動盪。AMiBA 團隊 中的台大成員闕志鴻,於2005 年退出計畫。並且他向國科會申請到一筆經費,雖然金額只有 AMiBA 計畫的十分之一,他卻預計要在三年內完成一座功能與 AMiBA 相似的電波望遠鏡。

「我認為國科會是希望有個小團隊,能夠跟AMiBA 競爭。」闕志鴻認為國科會希望台 大這個小團隊能夠推動延遲許多的AMiBA,加速計畫完成。台大運用這筆經費籌建的台大微 波干涉陣列(NTU-Array),在 2006 年開始動工,並於 2008 年 5 月選擇月球作為觀測對象,

進行開光(first light)測試。同一年 10 月,AMiBA 也宣告建設完成。闕志鴻的團隊確實在 三年內,完成一架六個天線的微波陣列望遠鏡,可惜的是,這個計畫卻在短短兩年後宣告失 敗。

台大微波陣列與AMiBA 設置的地點,都選擇在美國夏威夷大島上,有別於 AMiBA 放置 在毛納羅亞山(Mauna Loa)山頭,海拔約 3400 公尺,台大微波陣列則是放置在一處海拔約 2000 公尺的私人土地上。「在夏威夷高於海拔 2000 公尺的山頭都是官方的,」闕志鴻無奈 地說,「跟官方申請就需要兩三年的時間,我們已經沒有時間了。」此外,在他們要向夏威 夷政府申請租借土地時,狀況已與AMiBA 租借時有所差異,當地民眾的環保意識強烈許多。

在阻力變大的情況下,台大團隊只能放棄山頭,將目標轉向山上天氣條件較好的私有土地。

他們最後找到一個牧場主人,租到一塊10 平方公尺的土地,作為台大微波陣列的架設地 點。租借時是初夏,當地天氣狀況都不錯;然而進入冬季後,天氣轉壞到幾乎沒有觀測的機 會。

對於電波望遠鏡來說最怕的就是遇到水氣,然而2000 公尺的山還不夠高,即使白天狀況 不錯,但一入夜雲層往下移,就將整個儀器壟罩在雲霧中。在這樣的條件下闕志鴻與團隊仍 不斷抓緊時間觀測,他回憶那時與學生們為了等待好的觀測時機,在攝氏4、5 度的天氣躲在 牧場的車庫中,一看到雲散了就趕緊打開望遠鏡的棚子開始觀測。只是,若不幸又有一片雲 飄過來,也只能急忙停止觀測,趕緊將棚子重新罩上。

台大微波干涉陣列(NTU-Array)在 2006 年啟用,不過因為裝設地點海拔高度不夠,時 常被雲霧圍繞無法觀測。(圖/闕志鴻提供)

這樣夾縫中求生存的觀測策略持續了一陣子,團隊也曾想過將望遠鏡移到其他觀測條件 較好的地區繼續使用,卻受限於其中一個零件無法搬遷。在電波望遠鏡接收訊號後,需要透

這樣夾縫中求生存的觀測策略持續了一陣子,團隊也曾想過將望遠鏡移到其他觀測條件 較好的地區繼續使用,卻受限於其中一個零件無法搬遷。在電波望遠鏡接收訊號後,需要透