分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

遠的要命的遙遠星系,能揭開宇宙演化的奧秘?天文學家王為豪專訪

為什麼要研究「遙遠星系」?

天文學家在黑夜裡觀測,搶在天未明之前,透過望遠鏡取得他們所需的資料。中研院天文所王為豪副研究員,利用遠紅外光及次毫米波觀測遙遠星系,揭開宇宙演化的奧妙。而美麗的天文影像,能夠傳達給大家許多科學的想法。

中研院天文及天文物理研究所王為豪副研究員,利用遠紅外光與次毫米波,揭開遙遠星系的奧秘。圖/張語辰

在山頂上度過黑夜,和越來越少有的觀測生活

海拔 3000 公尺的中繼站,那邊有給天文學家吃飯、晚上睡覺休息的地方。喔,不是晚上,是白天睡覺休息,因為晚上要觀測。

王為豪娓娓道來,他們去夏威夷觀測,要先飛到檀香山,再飛到大島。天文台都在大島上,海拔 4200 公尺的毛納基(Mauna Kea)山頂。為了安全,必須先在海拔 3000 公尺的中繼站停留一天。隔天下午四點吃晚餐,五點就跟天文台的工作人員,開車上山頂觀測,直到隔天早上六、七點天亮,再開車下來吃早餐。

夏威夷毛納基山頂上的次毫米波陣列 (SMA) ,是中研院天文所參與的重要計畫。圖/王為豪

不同波長的觀測,作息其實不太一樣,這是因為不同波長的「天亮」時間不同。可見光的天空之所以會亮,是因為大氣散射陽光;近紅外光的天空之所以會亮,是因為高層大氣的原子被陽光激發而放出輻射。因此,近紅外光可以多觀測半個小時。至於次毫米波的天空,並不受太陽影響,但還是會避免在白天觀測,避免望遠鏡的元件受熱變形。話鋒一轉,王為豪說,「這是老人觀測了啦!」

現在天文學家做觀測,很少實際飛到某個地方觀測,大部分都是遠距進行,直接在山下的辦公室裡控制山上的望遠鏡,甚至在台灣就能控制夏威夷的望遠鏡。

現在只剩下少數天文台,會要求申請到觀測時間的天文學家到現場。主要的原因,並不是需要你去做觀測,而是因為山頂的環境非常危險,所以天文台都有個規定──任何時刻,天文台裡面至少要有兩個人。但是天文台經費可能有限,只能安排一位觀測員,於是天文學家就需要有人上山。

那些「陪觀測員」的時間,天文學家都在做什麼呢?王為豪說,可以在觀測員旁邊不斷問問題,學著操作。而他現在去天文台,通常就是做自己的事情,看卡通、拍照。在山上若做研究也不容易,因為氧氣含量太低,「就算我真的要想辦法寫論文,下山一看,可能會覺得:這是什麼東西啊!」

另一種情況,是天文台剛蓋好的時候,人們對於它的脾氣不熟悉,常有突發狀況,因而要求天文學家來到現場。例如日本的昴星團(Subaru)望遠鏡,當年剛蓋好的時候,所有人都要親自飛到山頂觀測,但是現在不需要了。

現在大多數望遠鏡,都是由遠距操控,或者是另外一種模式──根本不用去控制望遠鏡,只要在所謂的「腳本(script)」上寫你要做什麼,把它寄給天文台,天文台就會在合適的時間幫你執行,再把資料寄給你。例如現在最好的次毫米波望遠鏡「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)」就是如此,人們不必到智利觀測。

中研院參與建造:世界最強大的電波望遠鏡

位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (ALMA) ,於 2013 年正式啟用,中研院參與其建造及營運。其靈敏度比前一代的 SMA 高出幾個數量級。圖/王為豪

談到 ALMA ,王為豪說,比起前一代的「次毫米波陣列(SMA)」, ALMA 的靈敏度高出好幾個數量級。之所以有這麼大的差異,主要是因為望遠鏡大了很多,再來是來自接收機的技術進步。

在無線電波裡面,高頻率的接收機特別難做,例如微波通訊是近二十年才發達的技術。次毫米波又比微波更高頻,近二、三十年才有較好的儀器。另一方面,次毫米波很容易被水分子吸收,而最近人們在智利找到了比夏威夷更乾燥的地點。這兩個因素使得 ALMA 可以接收到比較暗的訊號,也可提高觀測的解析力。

過去你要花一百個晚上才能完成的觀測,用 ALMA 不用一個晚上就能完成。所以我們辛辛苦苦用夏威夷的次毫米陣列做七、八年的研究, ALMA 只要一個禮拜就能從頭到尾幫你做完一次,這是過去完全不能想像的。

中研院參與了 SMA 和 ALMA 的建造和營運,並以此取得重要的科學成就。王為豪利用這兩台望遠鏡,研究「次毫米波星系」。

什麼是次毫米波星系呢?我們的銀河系,大部分的輻射來自可見光,因為銀河系最重要的組成份子是恆星,恆星放出來的輻射主要是可見光,就像我們的太陽一樣。不過,在一些遙遠的星系裡面,灰塵非常多。灰塵的大小約 0.1 微米到幾微米,善於吸收可見光和紫外光,再放出遠紅外光。

灰塵多的星系中,灰塵把恆星的光幾乎都吸收掉,使得絕大部分的輻射在遠紅外光,用可見光觀察反而覺得它不亮。這種星系,就稱為「亮紅外星系」。但宇宙膨脹導致波長增加(紅移),灰塵放出的遠紅外光會移到毫米或次毫米波,也就成為「次毫米波星系」了。也就是說,「亮紅外星系」與「次毫米波星系」是同一回事,指的都是這種灰塵很多的星系。

「亮紅外星系」描述的是星系的本質,說明它放出很多遠紅外光;「次毫米波星系」描述的是我們是在次毫米波觀測到它。

遙遠的「次毫米波星系」告訴我們什麼?

宇宙中這麼多星系為什麼會變成現在這個樣子?我們不能只研究它們現在的樣子,也要研究它們過去的樣子。

王為豪說,宇宙的年齡和星系的生命期,比星系中個別的物理過程還要長。研究星系現在的狀態,我們能夠回溯的時間很短,難以推知是什麼原因導致它現在長成這樣。打個比方,研究動物排出的大便,我們可以知道牠最近兩三天吃了什麼,但無法知道牠兩年前吃了什麼。那如何看到從前的星系?

「宇宙本身就是一個大的時光機」王為豪說,因為光傳遞需要時間。我們看很遠很遠的東西,表示看到的是宇宙很久以前的狀態。那就是我們為什麼要研究遙遠的星系。

宇宙早期的星系與現在的星系,成長模式非常不同。一開始宇宙中只有「氫」和「氦」,這些氣體聚集形成恆星、星系。從宇宙早期到現在,氣體的含量是越早期越高,現在則較少。因為星系形成需要氣體,所以宇宙早期星系成長比較快。

此外,最早期的宇宙沒有恆星、沒有星系,也沒有黑洞放出很強烈的輻射,所以那時候的氣體都是中性,也就是電子和質子在一起。等到有了恆星,有了大質量黑洞放出很強的紫外線,紫外線就會讓氫氣游離。被游離的氣體溫度很高,很難透過重力壓縮,也就很難形成新的恆星。以上因素彼此相互影響,導致早期宇宙的星系形成與成長模式,與現在相當不同。

由「哈伯深空」擷取的一小塊影像,包含了眾多的遙遠星系。有些遙遠星系會發出遠紅外光,也有些會發出 X 光、無線電波或紫外光。圖/哈伯太空望遠鏡

次毫米波星系出現在較早期的宇宙,主要原因就是早期宇宙的氣體比較多。氣體裡面的「氧」、「碳」、「矽」這些比較重的元素,會凝聚成灰塵。因此,早期宇宙容易出現灰塵多的星系。氣體以及它夾帶的灰塵,可能因為某些物理作用被壓縮,譬如說形成年輕的恆星,或者掉到星系的重力位能井中,使得它們分布範圍很小、密度很高,於是對星光的吸收能力就非常強。這時,就有辦法把星系裡絕大部分的星光吸收掉,並放出遠紅外光。

還有另一個有趣的現象:亮紅外星系、次毫米波星系中央的大質量黑洞,通常也比較活躍。一個星系的紅外線輻射變很強,通常是有很多氣體,有很多恆星形成。觀測結果告訴我們,這種星系裡的黑洞,經常也是快速成長的。王為豪說明,這兩件事情好像是連在一起的,但是現在還不清楚其中的因果關係。一般而言,星系越大,裡面的超大質量黑洞也越大,所以星系與星系中黑洞的形成,可能透過某個物理過程連在一起。

美麗的天文圖可以傳達科學的想法

問到為何投入天文研究,王為豪表示,從小就對天文有興趣,但不是早早立志踏入專業天文研究。高中參加了天文社,看了一些天文書籍,發覺能夠言之有物的書,裡面都是物理,於是決定大學讀物理。

不過,即使讀了物理系,他也沒有一定要念天文。到了大三,修了袁旂老師的天文物理導論,才開始了解天文與物理如何結合,於是決定念天文所碩士班試試看。碩班念完發現自己還是有興趣,就念天文所博士班試試看。一步一步試試看,才一直走下去。

就覺得試試看、做做看,做得不錯再走一步,是這樣子才最後一直走下去的。

王為豪不僅在專業天文有所成就,亦是業餘天文攝影的翹楚,讓人好奇兩者之間有何有趣的聯繫。王為豪表示,雖然同時身為業餘天文學家跟專業天文學家,但他把這兩塊切得很乾淨,很少有交集。而另一方面,王為豪總是樂意將攝影作品提供給天文所使用,作為教育用途。更有意思的是,他著作的天文攝影書籍很特別,「講攝影的書竟然沒放多少照片,裡面都是方程式。」背後的目的,其實是把科學的想法帶進攝影當中。

我是用這種方式在教育對天文有興趣的人。就算你是想拍漂亮的照片,你也可以用科學的方法來進行。

王為豪不但是專業天文學家,也是天文攝影的專家。圖為王為豪拍攝的獵戶座,為 18 幅馬賽克,總曝光時間 27 小時。圖/王為豪

王為豪說,雖然自己長年從事天文攝影,但十年前他其實不太鼓勵年輕人從事天文攝影,因為許多天文社團所做的只剩下攝影。不過,現在想法完全相反了,因為現在的天文攝影使用數位相機,這就與專業天文觀測用的 CCD 原理類似。數位相機照片的後製,與真正專業的科學觀測非常接近,所以不管是為了推銷某種科學的想法,或幫助想研究天文的學生接觸真正的天文觀測,攝影都是很好的媒介。

說到天文教育,王為豪說,他真正關注的是國民的科學素養,而不是天文。大家並沒有一定要懂天文,但是天文教育在台灣可以很有用。

增進科學素養有許多方法,但我們知道告訴學生「這個考試要考」並沒有用,必須要讓人打從心裡喜歡。王為豪認為,天文的好處,是它可以很吸引人,有漂亮的照片,可以說出很多故事。雖然現在大部分的人,在大部分的時間都看不到天上的星星,但是大多數人到了山上,如果天氣好,剛好沒有月亮,可以看到天上星星,十個裡面有九個都還是很開心──天文有這種魅力,在科學教育當中何必放棄它呢?

透過天文教育這個包裝得很漂亮的糖衣,真正我希望餵給別人的是科學的想法。當你開始問天上為什麼那麼多星星,或者當你開始問銀河為什麼有兩道中間是黑的,那中間黑的是怎麼一回事,科學已經在裡頭了。


延伸閱讀

採訪編輯|歐柏昇  美術編輯|張語辰

CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

「空虛寂寞覺得冷會傳染嗎?」「為什麼人看到可愛的東西就想捏?」「為什麼蚊子喜歡叮穿深色衣服的人?」

科學從不只是冷冰冰的文字,而是存在世界各個角落熱騰騰的知識!不論是天馬行空的想像或日常生活的疑問,都可能從科學的角度來解釋。

本月的泛科選書 《不腦殘科學2》是泛科學作者編輯團隊嘔心瀝血的超級鉅獻!不只能滿足大人與小孩的好奇心,更將拓展你的視野,帶領大家發現一個嶄新的世界!

泛科限時優惠79折(含運),現在就帶一本回家

關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook