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走出迷霧—製作望遠鏡獲世界肯定

最初,人類的老祖先透過雙眼捕捉星空中的點點星辰,借用它們的光於黑夜裡指引方向。

逐漸地,17 世紀時人類學會製作光學望遠鏡,透過工具捕捉光,將天上的星體帶到我們的眼 前。只是我們很晚很晚才發現,宇宙中並不是所有物體都能透過光顯現;它們的光太微弱,

像是玩捉迷藏時那最會躲的小不點,需要一點方法來找出它們的蹤跡。

後來,天文學家才發現宇宙傳來的訊號,不單只是光線,還有其他波長的電磁波訊號。

在地球表面的我們,擁有大氣層的庇護,讓我們可以免於受到一些電磁波的侵害,如γ射線、

X 射線、紫外線等。但我們又可以接收到電磁波中的可見光波、部分的紅外線以及無線電波,

就像在一面牆中特別開了三扇窗口,讓這些波段的電磁波可以不被牆擋住,順利抵達地球表 面。

地球在大氣層的遮蔽下,阻擋了許多電磁波的訊息,但其中仍開了三個「大氣窗」,分別 讓可見光、部分遠紅外光和無線電波訊號穿透。(圖/公有領域)

20 世紀初,來自外太空的無線電波訊號成為了天文學家新的關注焦點之一,它能讓我們

「看見」更多以往不知道的宇宙。並不是所有天體都能發光,但是只要是溫度大於絕對零度

(相當於攝氏零下273.15 度)的物體都有熱輻射,而熱輻射會向外發出許多不同波長的電磁 波,透過電磁波訊號就可以多偵測到一些光學望遠鏡看不見的天體。這也使得接下來幾年,

陸續有許多無線電波望遠鏡誕生,高舉天線試圖接收更多來自宇宙的訊號。

除了這些敞開的大氣窗,卻還有許多電磁波波段因容易受到大氣層的干擾,要在地面上 接收這些訊號,或像是隔了層窗簾、或像中間橫擋著一扇緊閉的門,增加了幾分難度。其中

偵測條件卻格外嚴格。若只說接收毫米、次毫米波需要良好的天候、準確的天線和敏銳的接

1984 年美國史密松天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory,簡稱 SAO)提出了 一個新計畫,希望建造一個包含六個天線的次毫米波望遠鏡陣列(Submillimeter Array,簡稱 SMA)。整個計畫並沒有馬上執行,而是先在 1987 年建立了專門研究次毫米波接收器的實

列的建造,也曾在伊利諾大學成立毫米/次毫米波接收器實驗室,成功打造加州大學柏克萊 分校、伊利諾大學香檳分校和馬里蘭大學合作的BIMA 無線電波陣列。加上魯國鏞長期在電 波天文學領域經營的人脈,若能請魯國鏞來台灣協助建造SMA,對於台灣發展電波天文學肯 定是一大助益。

SMA 的六座天線陣列突破了單天線的限制,自然會是魯國鏞關注且非常希望參與的計 畫。而魯國鏞也確實因此而心動,但他選擇先觀望台灣是否能順利參與這個計畫,再做最後 決定。

台灣中研院天文所提出「再幫SMA 增加兩座天線」為合作條件,順利獲得史密松天文 台首肯。同時身為兩方成員的賀曾樸,略有些尷尬地說,自己早已在SMA 團隊中,讓台灣 加入SMA 計畫確實有些利益衝突,但他認為台灣能加入這個團隊對雙方的好處都很大。

對史密松天文台來說,SMA 是一個干涉陣列,陣列中的天線數越多就越有利。陣列在觀 測時,在意的不是一座天線本身,而是天線與另一座天線產生的干涉,當天線數越多,天線 與天線之間的配對數(基線數)跟著增加,更有助於觀測。以SMA 從 6 座天線增加到 8 座 為例,基線數也從15 對增加到 28 對,成像速度提高將近 90%。

而對台灣來說,一來這是全球第一座次毫米波陣列,就等於是直接躍進電波天文研究的 前沿;二來參與SMA 計畫也等於有史密松天文台的協助,不用自己從頭開始嘗試,減少了 一點困難度,也有一個學習和依靠的夥伴,何樂不為?

遠見、領導者與錢

不過,沒想到的是,台灣這邊的經費卻出了問題。1993 年 6 月,中研院天文所籌備處正 式成立,申請參與SMA 計畫建造兩座天線的 8000 萬元經費,也隨著中研院的預算送出審核,

結果竟是整筆預算遭到刪除,等同於不同意天文所參與這個計畫。

這件事讓天文所籌備處團隊焦慮不已,同樣的消息傳到了即將回台接任中研院院長的李 遠哲耳裡。

李遠哲與天文所籌備團隊的緣分,可說是從中研院評議會開始。1992 年 11 月 21 日評議

一職,由李遠哲擔任。自此之後李遠哲與天文所籌備團隊開始有了交集,李遠哲也成為天文

陳明堂在美國伊利諾大學攻讀物理學博士學位時,跟著指導教授所做的研究是低溫超流

波。然而波長越小、頻率越高,要製作能處理高頻訊號的電子設備相對困難,因此也成為SMA 研發中需要突破的技術門檻。為了使接收到的訊息可以處理,進入接收機系統的接收訊號,

會與另一個本機訊號合併,進入混頻器,讓接收訊號的頻率降頻到微波的波段,訊號才比較 容易處理。而這個混頻器是由史密松天文台接收機實驗室所研發設計,再委託美國航太總署

(NASA)的噴射推進實驗室(Jet Propulsion Lab, JPL)製作,運用超導體–絕緣體–超導體的 結構(SIS junction),製作出雜訊小、品質好的混頻器。

中研院天文所加入SMA 計畫團隊後,做了一個大膽、有挑戰性的決定——自己製作 SIS

共同參加更大型的次毫米波陣列「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列」(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array,簡稱 ALMA)的建設工程。在 ALMA-Japan(後改為 ALMA-EA,

EA 為 East Asia 的簡寫)的團隊中,中研院天文所與日本團隊共同研發第十頻段(850 GHz)

的混頻元件。

與軍方合作

除了接收機由天文所負責開發外,天線外在的大型結構則交由中山科學院航空研究所主

製。中科院是軍方單位,主要以研發軍事儀器為主,要說服他們幫忙製作高規格、高精密度 AMiBA 宇宙背景輻射陣列、ALMA 阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列等,賀曾樸形容中科 院航空研究所自此成為他們的「王牌」,是天文所相當依賴的長期夥伴。

此外,使用的材質也不能太重,天線並不是固定不動,而是要隨著觀測目標而轉動,若 些碳纖維管直到現在仍堅強地支撐著SMA 的主反射鏡,成為「Made in Taiwan」在異地發光 發亮的例子。

運往夏威夷的毛納基山

2000 年 12 月第一座由中研院天文所完成的 SMA 天線,由基隆港出發準備運往夏威夷。

SMA 的目的地是夏威夷群島中最大的島嶼,被稱為夏威夷島或大島,土地面積約一萬平方公 里,將近台灣的三分之一。不過,大島上海拔高度達4200 公尺的毛納基山(Mauna Kea),

稱霸太平洋,是當地原住民心中的聖山,同時也是全球天文觀測重要的聖地。

山上看過去是一片光禿禿的寒漠,終年平均溫度在攝氏10 度以下,夜晚更是低於攝氏零 度,幾乎沒有任何植被。然而它的晴朗氣候條件、乾燥的環境,卻塑造了極佳的天文觀測條 件。對於忌諱觀測時水氣影響的遠紅外線、電波望遠鏡而言,無疑是絕佳的觀測點。1970 年,

夏威夷大學天文研究所在山頂建了第一座2.2 公尺望遠鏡後,山上的天文望遠鏡快速增加,

全球各地的天文學家都希望在這山上,搶到好的觀測位置,竊聽宇宙的秘密。

從台灣出發後一個禮拜,SMA 天線順利抵達大島的港口,卻卡在港口入不了關。

第一次運送這麼大型科學儀器出國的中研院天文所,完全沒想到會在遇到海關的時候,

面臨被美國政府視為商業行為要抽取進口稅的情況。明明是科學研究所要使用的儀器,也無 法在當地營利,當下卻怎麼解釋都無法讓SMA 天線入關。團隊心急如焚,好不容易前面攻 破了許多困難的關卡,在抵達目的地前,卻卡在港口的倉儲。

天線被卡在港口整整一個月,美國國務院商務部才正式核發科學儀器免稅的證明,讓團 隊能夠拿回儀器。只是,想離開港口也沒這麼簡單,這「寄放」在倉儲的一個月,還是得乖 乖繳租金。天文所多花了100 萬台幣,才把 SMA 天線送上毛納基山山頂。

隨後在2001 年台灣將第二座天線運到夏威夷,兩座天線在 2002 年完全組裝、測試完成。

賀曾樸說:「雖然台灣較晚開始,但我們趕上了史密松天文台的進度,準時將兩座天線送達,

這就是台灣的實力。」從1996 年中研院天文所與史密松天文台簽約,到 2003 年 11 月 22 日 八座天線到位並正式啟用,超過八年的努力讓台灣製作的兩座天線在毛納基山頂佔了一席之 地。

代表台灣與史米松天文台簽約的李遠哲,也在啟用典禮這天親自到夏威夷參加儀式,與

的一部分材料。

飄盪在風中的不只是中華民國國旗,而是團隊終於從無到有,一步一步走向世界舞台的 信念,雖然艱辛卻展現堅強。

夏威夷毛納基峰上的SMA 次毫米波陣列,八座天線全數到位。(圖/中研院天文所提供)

現在到夏威夷大島,最受遊客歡迎的行程之一,就是到毛納基山上的遊客中心觀星。無 論由大島東部的城市希洛(Hilo)或是西部的科納(Kona),想上毛納基山,大多人都選擇 開車沿著橫越島中央的東西向道路Saddle Road,再轉向北側開上毛納基山。遊客中心在接近 海拔2,800 公尺的山腰上,從各地而來的旅客車輛紛紛在中午過後抵達,停車場入口已可見 指揮交通的工作人員。

距離遊客中心不遠處,有一棟天文學家中心,提供給需要長時間在山頂工作的天文學家、

工程師與操作員申請床位住宿。進入一樓大廳後,映入眼簾的是插在二樓走廊扶手外一整排

工程師與操作員申請床位住宿。進入一樓大廳後,映入眼簾的是插在二樓走廊扶手外一整排