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視力冠群雄的超級望遠鏡-看「貓頭鷹」如何突破當前極限!

文 / 吳俊輝  台灣大學物理系暨天文物理所教授,劍橋大學宇宙學博士。

一六○九年伽利略首次將望遠鏡對向夜空,自此人類便脫離了單憑肉眼觀測宇宙的年代。四百多年來望遠鏡越做越大,最初時口徑不過數公分,如今發展到近十米。望遠鏡真的越大越好嗎?未來指日可待的最大望遠鏡又將是多大呢?花那麼多錢建造超級望遠鏡,對人類有何好處?

人類為什麼需要望遠鏡?

因為人的眼睛太小了!

要研究宇宙,我們必須要能補捉光,因為它是傳遞宇宙奧祕的信差。而望遠鏡越大,能補捉到的光訊號就會越多,影像也就越清楚,這就像是在大雨中收集雨水以進行大氣分析一般,越大的臉盆便能捧接到越多雨水,得到越多關於大氣的資訊。

人類的瞳孔在黑暗環境中自然放大時,直徑平均只有0.7公分左右,望遠鏡能補我們這方面的不足,將更多的光收集送進人類的小眼睛或相機中。

望遠鏡真的是越大越好?

是的!如上所述,望遠鏡越大就能收集到越多的光。一般而言望遠鏡的性能是以「集光力」和「解析度」做為指標。

集光力是指所收集到的光量是人眼的幾倍,例如口徑7公分的望遠鏡其集光面積便是人眼瞳孔的100倍,所以集光力就是100倍。解析度則是指看清影像細節的能力,就像是檢查視力時那個C形缺口大小相對於人眼的夾角,該角度越小則表示解析度越高,而人眼的解析度約為0.006度。

望遠鏡的鏡片越大,通常它的「集光力」和「解析度」都會提升。但鏡片無法再增大時(集光力也因此達到極限),還可用「干涉效應」的物理原理來繼續提高解析度,據此建造出的天文望遠鏡稱為「天文干涉儀」,俗稱「陣列望遠鏡」。

那「放大倍率」重不重要呢?它其實和望遠鏡的性能無關!

傻瓜相機的照片經數位放大後仍無法看清細節,這是因為看清細節的能力(解析度)是由鏡頭大小所決定,不是倍率。所以,以後見到別人的望遠鏡時可別問:「你的望遠鏡放大倍率是多少?」因為外行人才會這麼問!

 圖一:未來人類最大望遠鏡「貓頭鷹」(OWL),口徑高達百米,將使用樂高積木的概念建造。入夜後它的圓頂會沿滑軌側移開來,讓OWL在戶外運作。(圖片版權:ESO)

視力冠群雄的「貓頭鷹」

現在世上最大的可全動式光學望遠鏡,是夏威夷毛那基峰上的「凱克」(Keck)望遠鏡,口徑約十米。目前籌建中的下一代大型「光學」望遠鏡,口徑約在20至40米之間,包括GMT、TMT和ELT等。而「無線電波」望遠鏡通常會利用上述的干涉儀技術來建造,包括台灣亦有參與的ALMA,它是目前建造中、世界最大的天文觀測設施(參見本期P.52〈建造中的超級望遠鏡〉一文)。

而未來最大、目前仍在規劃階段的超級光學望遠鏡,則是OWL(OverWhelmingly Large),口徑將高達100米!對於大型望遠鏡的英文命名,科學家已用過VLT(「Very」 Large Telescope;甚大望遠鏡,口徑約16米)、ELT(「Extremely」 Large Telescope;極大望遠鏡,口徑約40米),在辭窮的情況下便用了overwhelmingly(壓倒性)這個字!它的英文縮寫OWL又意指「貓頭鷹」,恰恰暗喻著「奇佳的視力」!

用「樂高積木」建造最大望遠鏡?

歐洲南天天文台(ESO)之前已有VLT的成功經驗,目前也正在建造E-ELT、ALMA及APEX等,而「貓頭鷹」是他們的嘗新計畫。目前建造中或規劃中的大型光學望遠鏡,其光學結構都是採用九○年代初期發展出來的組合式Ritchey-Chrétien光學設計,該設計使用許多特製的、彼此相異的小鏡片以類似蜂窩狀的結構組合出大鏡片,凱克望遠鏡便是一例。但這類設計的缺點,是結構複雜、造價昂貴。因此貓頭鷹便首次突破性地採用「樂高積木」的概念(這稱呼是我自己取的),無論是光學主鏡或鏡身結構,都是先大量製作低成本、一模一樣的「積木」,再利用巧思組合成巨大的望遠鏡(如圖)。這是前所未有的概念和做法,將可讓人類的光學望遠鏡科技突破目前的40米極限。

花大錢造大望遠鏡,值得嗎?

這就是個大哉問了!天文研究的投資,除了反映出人類追根究柢的天性,長期而言對文明發展也具有重大影響——我們是無法立竿見影看見它們給生活帶來什麼便利,但試想:要是牛頓當年只將蘋果撿起吃掉,而不去追究落體的本質,那今日的文明將不知會倒退多少年呢!■

【本文選自《BBC知識國際中文版》No.14(2012年10月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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