2006 年 8 月期間,天文界發生一件大事,影響到之後從國小到大學所有的教科書,以及 所有人對於太陽系的敘述。
太陽系不再有九大行星,而是八大行星。
天文學家將最後外圍的冥王星,從九大行星中除名了。不是因為冥王星「做錯」了什麼,
而是天文學家在1990 年代發現,有許多與冥王星相似的天體,在海王星外形成一個環,圍繞 在太陽系外圍。冥王星只是這條古柏帶(Kuiper belt)中的冰凍天體,擁有與太陽系其他行星 不同的軌道,本身的直徑甚至比月球還要小。
天文學家發現這些現象之後,不免開始爭論:冥王星到底還能不能算是行星?星系中哪 些星體該定義為行星?既然不能一概將環繞太陽的所有天體都稱作行星,那麼只能重新定義 它,並將不適合再稱作行星的冥王星從九大行星中除名。冥王星成為古柏帶中的一顆「矮行 星」(Dwarf planet),簡單來說是大小介於行星和小行星之間,不是衛星的一種新天體。
冥王星除名
這一場冥王星除名風波,其實源自於以往天文學家根本不知道海王星外,竟有其它和冥 王星一樣的矮行星,以及更多、更小的小行星。中研院天文所正在進行一個研究計畫,就是 要捕捉這些一般望遠鏡根本看不到的天體。
中研院天文所副所長、計畫共同主持人王祥宇解釋道,人們之所以能看見那些本身不會 發光的天體,是由於它們反射恆星如太陽的光,然而海王星外天體已經離太陽非常遠了,接 收再反射到地球的光線已經相當薄弱。此外,有些海王星外天體比冥王星直徑小很多,有別 於冥王星直徑約1000 公里,這些小天體的直徑常常只有數公里或數千公尺。目前天文望遠鏡 的極限,約只能看到直徑20 公里的天體,也讓這些天體成為望遠鏡觀測下的漏網之「星」。
中研院天文所副所長、TAOS-2 計畫的共同主持人王祥宇,於 TAOS-2 其中一座望遠鏡建 築中測試儀器與設備狀態。(趙軒翎/攝影)
為了解決這個困境,天文學家想出了「掩星」這個方法。掩星的概念與「日蝕」類似,
當日蝕發生時,月球經過太陽和地球中間,太陽因為被月球短暫遮蔽導致亮度下降。而「掩 星」則是以遠方恆星為觀測對象,假設恆星本身亮度不變,當偵測到的亮度突然下降,就有 可能是一顆海王星外天體穿過恆星與地球之間。運用這個方式,天文學家可以去推算海王星 外天體的數量、大小,以及大小天體的比例。
2005 年第一代 TAOS 望遠鏡正式啟用,四座直徑 50 公分的自動望遠鏡在鹿林天文台上,
替天文學家追蹤遙遠星光的亮度變化。
不過,這個計畫最終受限於台灣觀測站的實際運作狀況,不得不在2012 年結束。「在鹿 林天文台的TAOS 望遠鏡,每年可以觀測的時間大概只有 400 個小時。」王祥宇解釋,因為 TAOS 掩星計畫觀測恆星短暫、微弱的亮度變化,因此對於觀測條件很要求,只要觀測的目 標有一點薄雲飄過,那個數據就沒辦法使用。
鹿林天文台的天候不佳只是其中一個原因,團隊在實際執行的過程,也發現TAOS 使用 的望遠鏡太小、成像品質不夠好。王祥宇說:「我不知道什麼時候會發生掩星現象,但只要 看到的星星越多、能觀測的時間越長,發現的機率就越高。」如果能找到天候條件更合適的 地點,建造下一代更大型的望遠鏡,TAOS 計畫就不算失敗。
第二代
TAOS 望遠鏡的新家團隊物色的新地點,遠在與台灣相隔一個太平洋的墨西哥下加利福尼亞州。
「有一群台灣天文學家要來墨西哥蓋望遠鏡,當時的所長問我願不願意加入,我毫不猶 豫就答應了。」墨西哥國立自治大學天文學家Mauricio Reyes Ruiz,回憶最初加入第二代 TAOS 計畫(TAOS-2)的過程。他笑說,沒想到在 2009 年末答應加入團隊後,自己不僅被賦予擔 任TAOS-2 計畫共同主持人的任務,後來還成為聖白多祿天文台台長。聖白多祿天文台就是 TAOS-2 望遠鏡的新家。
聖白多祿天文台位在墨西哥北部,鄰近美國加州邊界。從下加州的大城恩森那達市開車 沿著1 號公路向南行,車窗外的景觀從城市漸漸轉成大片的農地。接著轉入聖白多祿山的道 路後,偶爾能在山谷間看見聚落與農地,但更多的是一望無際的山景。從恩森那達市區開到 天文台,開車至少需要四個半小時。
沿著山路開車前往聖白多祿天文台,前半路看不到大樹,僅有低矮的植被。(趙軒翎/攝 影)
當漸漸接近聖白多祿天文台,四周反而開始出現綠色植被和大片的針葉林。主要是因為 山頂冬季會下雪,雪水的滋潤讓較大型的植物能夠存活。這時,也逐漸接近位於山頂的天文
遠方為聖白多祿天文台四座望遠鏡的建築,最左邊的為最初的2 公尺望遠鏡,而右邊三座 則為新增的TAOS-2 望遠鏡。(趙軒翎/攝影)
聖白多祿天文台是墨西哥國立天文台,最早於1878 年建於墨西哥市,後因都市建設、汙 染影響觀測,幾經搬遷最終在60 年代末、70 年代初才在聖白多祿山上找到新家。天文台陸 續蓋了三台光學望遠鏡,口徑分別為0.84、1.52 和 2.12 公尺。其中最大的 2 公尺望遠鏡在 1979 年落成後,就再也沒有新的天文建設。
聖白多祿天文台於35 年前,就已建造 2 公尺望遠鏡,目前仍在執行觀測任務。(趙軒翎
/攝影)
而台灣團隊打破了這一成不變的僵局。
王祥宇說,聖白多祿天文台統計有高於70%的夜晚能作天文觀測,良好的氣候條件讓它 成為第二代望遠鏡的建設基地。相較於一年只有400 小時能觀測的鹿林山,聖白多祿天文台 無疑是更好的選擇。
TAOS-2 計畫需要建設三座 1.3 公尺的望遠鏡,即使並非大型望遠鏡,卻也讓聖白多祿天 文台面臨很大的挑戰。「對聖白多祿天文台而言,我們得重新學一遍,怎麼蓋望遠鏡。」Reyes 說明,到TAOS-2 動土之前,聖白多祿天文台已經有 35 年沒有新望遠鏡的架設,該怎麼做都 得靠團隊去嘗試和摸索。
對原是專注在理論天文學研究的Reyes 而言,這個挑戰十分艱鉅。「TAOS-2 計畫不僅僅 讓我跨足觀測研究和天文儀器建造這兩個領域,更多的是許多與天文無關,甚至與科學無關 的事。」Reyes 說。這些關卡包括取得當地政府的興建許可、公文合約的簽訂、工程建設的 討論與監督,以及人事管理等艱鉅任務,Reyes 通通都得一一面對與克服。
要將團隊TAOS-2 的構想轉化成工程師、廠商可以實際執行和建造的設計圖,兩方就得 經過多次的討論。天文學家在設定觀測目標之前,大多有些相關的理論基礎去支持這個觀測,
因此在設計望遠鏡前,會先由天文學家依據他的科學目的提出需求。這些需求並不是每一個 都能達成,工程團隊這時就需要統合電子、衛星、軟體等專業工程人員,一一去評估這些科 學上的需求,是否有技術能實現,Reyes 的角色就是在兩方之間協調。身為天文學家的他,
必須了解天文團隊的需求,確實的傳達給工程團隊;而當工程團隊提出哪些需求因為技術問 題沒有辦法達成時,他也得與天文學家們討論,在觀測上該怎麼因應。
聖白多祿天文台台長Mauricio Reyes,即為 TAOS-2 墨西哥方的計畫主持人,除了 TAOS-2 計畫外,也積極與各國洽談國際合作,為天文台帶來更多新的望遠鏡。(趙軒翎/攝影)
而TAOS-2 計畫也為聖白多祿天文台開啟了一個新的時代,山上不只增加了 TAOS-2 的 三座1.3 公尺望遠鏡,持續有工程和正在籌備的建設計畫加入。在 TAOS-2 旁建設的 SAINT-EX 是與瑞士、英國合作的計畫,此外還有與美國合作的DDOTI、與法國合作的 COLIBRI、墨西 哥自己的COATLI 計畫等,都正在處於現在進行式。目前已有 10 個國家參與在天文台的建 設計畫當中,預計幾年內山上望遠鏡的總數就會增加到12 個。
「SAINT-EX 就是耳聞 TAOS-2 的成功經驗,而被吸引而來。」Reyes 說,先天的優良觀 測條件,再加上TAOS-2 的加持,讓聖白多祿天文台成為新望遠鏡架設的熱門地點。
「我們就像是青春期的少年,突然之間長大了許多。」Reyes 說,不過透過 TAOS-2 累積 的經驗,讓他們更有信心面對未來的大型天文國際合作。
研究與天氣搏鬥
聖白多祿天文台是個適合天文觀測的地方,卻不是個容易建設望遠鏡的位置。從11 月中 開始聖白多祿山頂的氣溫已經非常低,即將迎接寒冷的冬天,也開始不利於水泥工程。而這 樣的低溫天氣,會一直持續到五月中。然而緊接而來的夏日,卻很容易在午後下一陣雨,雖 然不會影響到夜間的觀測,卻會大大影響到日間施工作業。
Reyes 說,TAOS-2 工程進度只要延遲一點,就有可能碰上不適合建設的氣候,整體的工 程狀況就延遲得更嚴重。所以,雖然TAOS-2 在 2013 年破土,2014 年才真正動工,而三座 建築物、望遠鏡主體完工已是2017 年 10 月。
望遠鏡趕工的最後四個月,聖白多祿天文台多了一個身影,他是中研院天文所TAOS-2 的計畫主持人Matthew Lehner。高大又有著明顯白人臉孔的他,在清一色墨西哥人中顯得突 出,卻又能隨時融入當地的科學家、工程師。在最後關鍵的建設期間來與當地團隊一起工作,
解決望遠鏡與其他軟體、硬體間的各種狀況。
TAOS-2 計畫主持人 Matthew Lehner 坐在 TAOS-2 望遠鏡前。(趙軒翎/攝影)
9 月初,Lehner 短暫離開天文台,回美國的家休息了幾天,再次準備回到天文台工作。
當時海面上有個熱帶氣旋,他並沒有特別在意,但在上山五天後,這個熱帶氣旋增強為颶風,
當時海面上有個熱帶氣旋,他並沒有特別在意,但在上山五天後,這個熱帶氣旋增強為颶風,