2014年11月17日 星期一

ALMA





I'll tell you one thing about the universe, though. The universe is a pretty big place. It's bigger than anything anyone has ever dreamed of before. So if it's just us... seems like an awful waste of space. Right?
這是電影Contact(接觸未來)中,飾演一名天文學家的女主角Judy Forster(茱蒂佛斯特),站在陣列式無線電天文望遠鏡下,與一群小朋友的對話。
的確,在如此浩瀚宇宙中,如果只有地球上有生物存在,那確實是極度的浪費空間。





全世界最高的沙漠--智利的阿塔卡瑪沙漠高原(海拔5000公尺),豎立著這樣一個古樸的石碑,它標示著現今最尖端的天文科技。也是人類史上最大的地面天文望遠鏡。在跨國合作下、歷時近20年才打造完成的浩大ALMA計畫,期以幫助天文學家觀測宇宙最深遠處,100億年前宇宙恆星的誕生。






(ALMA - Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array
撰文:宇德西吉特‧巴塔查爾吉 Yudhijit Bhattacharjee

在一個5月早晨,兩輛小貨車穿過智利阿塔卡瑪沙漠中的寧靜小鎮聖佩德羅,順著一條泥土路開上山坡。當時是1994年,兩輛貨車上的五名男子肩負特殊任務:找到地球上最高、最乾燥、最平坦的地方。

過去一週半以來他們一直在阿塔卡瑪沙漠中探勘其他地點,其中一處位於阿根廷境內。此時他們正依照成員之一,智利天文學家艾爾南‧昆塔納從智利軍隊那兒取得的地圖,尋找登上查南托高原的路線;海拔5000公尺的這座高原,幾乎和聖母峰服務登山客的兩座基地營一樣高。

由於安地斯山脈形成屏障,阻擋了在東邊亞馬遜雨林上空聚集的雲層進入,而來自西邊太平洋的海風吹過寒冷的祕魯海流(原先稱為洪保德海流)上方後,帶來的水氣也很少,因此阿塔卡瑪沙漠是地球上最乾燥的地方之一,平均年雨量不到15毫米。這片沙漠地處偏遠,空氣稀薄乾燥不宜人居,卻是觀察夜空的理想地點,也已經吸引數個大型跨國天文望遠鏡計畫進駐。這些望遠鏡的目的大多是要觀察在可見光波長(光譜中人類肉眼可見的範圍)下能看到的宇宙片斷。昆塔納和他的同伴則是為了一種不一樣的天文望遠鏡尋找設置地點,這種望遠鏡可以看穿遮蔽星系、環繞在恆星周圍,並且遍布在廣闊星際空間裡的塵埃與氣體。設計與建造這部望遠鏡大約需要20年,並且將斥資超過10億美元。
不過,首先他們必須找到理想的地點。

宇宙中的星體根據它們的溫度高低,散發出的能量波長也各不相同。舉例來說,爆炸超新星的溫度極高;除了會發出亮度相當於數十億顆太陽的可見光外,也會釋出波長短、能量高的X光與伽馬射線,必須透過特殊的天文望遠鏡才能觀測到,例如美國航太總署在太空中的錢卓X射線觀測衛星。彗星與小行星則位於能譜中較冷的那一端,釋出的紅外線波長比人類肉眼及光學望遠鏡所能看到的還要長。

宇宙中許多區域的溫度比彗星與小行星更低。形成恆星的塵埃及氣體雲,溫度都只略高於絕對零度,也就是原子靜止不動時的溫度。行星也在類似的環境中誕生,由塵埃與氣體碎屑在繞行於新生恆星周圍的雲霧中凝聚而成。

1960年代,嘗試觀測這個「冷宇宙」的天文學家很快就了解到以陸基天線來偵測比紅外線波長更長的毫米波及次毫米波有多麼困難。他們面臨的第一個問題是如何解決大量的大氣干擾。可見光穿透地球大氣時不太會受到干擾,但毫米波與次毫米波則不同;它們會被水氣吸收和扭曲,而水氣散發的輻射波長落在能譜中與毫米波及次毫米波相同的波段,導致來自太空的電磁波中混入了地球的雜訊。毫米波與次毫米波所攜帶的能量也遠低於可見光,即使是收訊面積廣大的電波碟形天線也只能接收到微弱的訊號。

科學家想出的解決辦法是在一個空氣極乾燥的地點將數座天線排成陣列,把它們的訊號合併起來,讓這些天線成為一部天文望遠鏡。到了1980年代,已有數個小陣列分別在日本、法國,以及美國的夏威夷和加州運作。不久後,科技的進步讓研發一座比它們還要大得多的無線電陣列變得可行;這個巨大鏡頭的解析度會比先前高出許多,前提是必須先找到夠高、夠平坦的地方,讓天線的間距可以擴大到以公里計。而且如果那些碟形天線可以移動,它們的間距就能加以調整,藉此改變望遠鏡的敏銳度以顯示精確的細節。天線相隔距離遠,就能聚焦在小目標上,像是恆星周圍的塵埃盤。天線聚集在一起,就會產生鏡頭拉遠的效果,能夠用來產生星系等大型天體的影像。

為了替這樣一部望遠鏡尋找理想的設置地點,來自歐洲、日本及美國的研究團隊都來到阿塔卡瑪沙漠。

艾爾南‧昆塔納在1994年春天出發考察前,先花了好幾個星期仔細研究軍方提供的沙漠地圖,他猜想,阿塔卡瑪沙漠中只有聖佩德羅上方的高地才能滿足所有條件。但想抵達那裡並不容易。

「這趟路程走得既緩慢又痛苦,因為輪胎一直陷進沙子裡,」美國康乃爾大學的里卡多‧吉歐瓦內利回憶;與昆塔納同行的除了他之外,還有歐洲南天天文台(ESO)的安赫爾‧歐塔羅拉以及美國國家電波天文台(NARO)的保羅‧范登‧鮑特與羅伯特‧布朗。從聖佩德羅出發上山後,范登‧鮑特和歐塔羅拉的貨車在中途拋錨。其他人則成功抵達了哈馬隘口的頂部。

「天空很美,沒有比那更深的藍色了,」吉歐瓦內利說。其中一位天文學家帶了測量水氣的儀器。空氣中的水氣含量比這個團隊曾去過的任何地方都低。「所有人心裡都毫無疑問,理想的地點就在這附近,」吉歐瓦內利說。不久後,布朗在第二次考察時找到了確切地點,那是一片寬闊的高原,位於鄰近的查南托峰山腳下。

三個國際團隊很快就明白,只要聯合起來,他們便能共同打造出一座強大的陣列,效能將遠勝過任何一個團隊獨力建造的陣列。1999年,美國國家科學基金會與ESO簽署了合作協議,約定雙方各建造32座天線,每座天線的直徑為12公尺。日本也同意提供16座天線做為輔助陣列。

為時近20年的努力就此展開,要將世上最荒涼的地點之一改造成一座繁忙的現代化天文台。幾十年前智利軍隊為了嚇阻玻利維亞入侵北部而埋下的地雷,必須一一找到並移除。還需要與一家計畫在此鋪設輸油管的石油公司進行漫長的協商,說服他們改變輸油管路線。天線的原型機在美國新墨西哥州測試後重新設計。成本增加。爭端爆發又解決。NARO及ESO無法就天線設計達成共識,部分原因在於雙方都想要支持自己國內的製造商;最後他們為各自的天線選定了兩種設計和兩家供應商,並將雙方提供的天線數量減為各25座。還有一個問題在於聖佩德羅,這個小鎮只有兩條電話線和一座加油站。「我們只好在這個荒涼到不行的地方,在山腰上硬蓋出一座小城市,」參與計畫的北美科學家團隊領袖、來自NARO的艾爾‧伍頓說。

2007年4月,重量接近100公噸的第一座天線從美國運抵智利的安多法加斯塔港。在警方車隊的護送下,一輛卡車將巨大的碟形天線載運上山,途中偶爾遇到牧人趕著成群的駱馬穿越馬路,還得停下車來。

接下來的五年間,碟形天線接連送達。要讓這些天線共同以單一望遠鏡的方式運作,需要極為精準的設置。它們必須能按照指令一齊轉動,在接收到訊號後1.5秒內對準空中的同一個目標。為了統合這些天線的訊號,現場必須安裝一台巨大的超級電腦,這台電腦要能毫髮不差地調整訊號從天線經纜線傳送到運算中心的距離,同時還要考量到纜線因溫度變化而出現的熱脹冷縮現象。

某個晴朗的4月早晨,古老與現代在一覽無遺的高原上形成強烈對比。遼闊的褐色大地上,白色的碟形天線星羅棋布,在無際藍天的背景襯托下顯得渺小。走近一看,每一座直徑12公尺的天線都巍然聳立,天線碟的表面在陽光下閃閃發亮。天線是從基地營遠端搖控的,只要按一下按鈕,它們就會優雅地一致轉動,令人看不出它們其實有多重。兩輛分別暱稱為奧圖和羅爾的特製28輪運輸大卡車隨時待命,以因應需要將天線運送至高原上的新地點。

「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列」(ALMA)在2013年3月正式啟用前便已不負期待,開始提供資料。早在前一年,只有16座天線運轉的情況下,以美國加州理工學院的華昆‧維埃拉為首的研究人員就已經透過ALMA觀測26個具有恆星誕生爆炸現象的遙遠星系了。他們驚訝地發現,那些星系距離地球平均有117億光年之遠,表示宇宙誕生才20億年,那些星系中的恆星就已經開始生成。科學家先前認為如此激烈的恆星誕生現象開始發生的時間,比這還要晚了至少10億年。

從ALMA啟用至今,不斷有其他發現。2013年7月,天文學家指出這部望遠鏡的觀測結果有助於解開一個存在已久的謎團:為何宇宙中的大型星系如此稀少。ALMA所拍攝的鄰近星系玉夫座的高解析影像顯示,星系盤的中心有寒冷、濃密的氣體向外翻騰。天文學家推斷,那些氣體是被新生恆星產生的風吹出來,導致恆星的組成物質大量流失,可能會阻礙這個星系未來的成長。如果能證實其他星系也有同樣的現象,就能解開謎團。

一如預期,ALMA也在幫助研究人員了解行星的誕生過程。去年他們在報告中指出ALMA拍攝到一個塵埃盤繞著一顆年輕恆星運行的影像;這種塵埃盤就是孕育行星的場所。影像顯示塵埃盤內似乎有一個「集塵處」:在這個被遮蔽的區域,細小的塵埃顆粒能夠一顆顆彼此黏附,逐漸聚積到大得足以形成行星。這是人類史上第一次觀察到行星誕生過程的初始。


這些觀測結果還只是開始。等到所有天線在今年稍晚都開始運轉後,ALMA會帶來更清晰的星系與恆星系統影像。在這片不毛高原上,就在牧人曾露天而眠之地的不遠處,人類將大開眼界,看到前所未見的宇宙。



























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