天壇陣列國際共同發言人陳丕燊專訪
天壇陣列國際共同發言人陳丕燊專訪文 / 李鍾旻（《科學月刊》編輯）
2011年，距人類首度征服南極極頂屆滿一百周年，對全世界而言意義非凡，而台灣的科研團隊也在此時登上南極大陸。這是台灣學者首度遠征南極，不僅意味國內科學水平受到國際所肯定，更象徵台灣天文研究邁向了新的里程碑。
台大物理系暨天文物理所講座教授陳丕燊（ㄕㄣ-）與他的研究團隊，於去年年底立足世界上最南端的冰原，在攝氏零下40 多度的嚴苛環境進行實驗。此行的任務，是為參與國際團隊安裝微中子天文台「天壇陣列」（Askaryan Radio Array, ARA）的第一座無線電天線探測站。建造中的ARA 將由37 座天線探測站所組成，面積涵蓋100 平方公里，深埋於海拔3000 公尺高的南極冰原中。這些探測站將用於偵測穿透南極冰層內的高能宇宙微中子，藉此探索無垠宇宙的邊際。
天壇陣列的緣起
談到此行由來，陳丕燊表示，自己曾於2006 年在史丹佛大學主導一項捕捉宇宙微中子的計畫，研發一座「南極脈衝瞬態陣列」（Antarctic Impulsive Transient Antenna, ANITA）探測器。目的為將之搭載於美國航太總署的氣球，從南極冰層表面偵測微中子所產生之訊號。台灣大學的團隊，亦在陳丕燊的帶領下參與。然而因ANITA 探測器在操作上有較多雜訊干擾，以及電力的限制，因此若能將探測儀器建構於冰的表層之下則更為理想。
2007 年返國服務後，陳丕燊奉獻自身所學，在他領銜下於2009 年與國際上有共同理想的專家學者共同發表了一份白皮書，促成了ARA計畫。ARA團隊在美國方面由美國國家科學基金會審核，台灣團隊則有賴國科會卓越領航計畫資助，全權負責天線研發。台灣於2011 年通過計畫，並成為國際合作的推手。陳丕燊即親赴南極參與實驗，安置首座測試性天線站，並擔任ARA 國際共同發言人之重任。ARA的37座天線探測站，台灣團隊將負責提供10 座，並預計在2012 年冬天正式進行安裝。
然而進行這樣的研究，究竟所為何事？陳丕燊解釋，微中子是一種質量極輕、不帶電荷的基本粒子。由於作用力非常微弱，在宇宙中不受阻擋，也不易偏折。因此若能測得宇宙中任一個角落的微中子，便能藉此推估該未知地點的資訊；假使能捕捉到來自宇宙邊緣的微中子，便有機會追溯到宇宙的起源。ARA 計畫的目的，便是期望透過這項研究，幫助人類去了解宇宙的起源，進一步解答未知的事物。而除了為增進人類對宇宙的認知，在南極冰原觀測到的微中子，亦能提供高能粒子物理方面的重要資訊。
探尋微中子，前進南極
接著，陳丕燊分享了前往南極的經歷。由於地理位置以及天候等因素，往極頂的路途，須從距離南極大陸最近的紐西蘭南島，搭乘軍用飛機前往。研究人員先在紐西蘭搭乘美軍C-17 運輸機，飛行6~7 個小時後，才能到達位於南極邊緣的麥克默多站（McMurdo Station），然而此時並未到達終點。至隔夜，須再轉乘另一架軍機，乘坐約3~4個小時，方抵達目的地研究站——位於南極極頂的阿蒙森– 史考特南極站（Amundsen-Scott South Pole Station）。
為避免突發狀況，乘坐軍機途中需事先穿好厚重的防寒裝備。抵達研究站後，陳丕燊便在當地環境下工作，於極頂停留了約兩個星期的時間。如此一連串的交通行程，從台北離開時算起，至最終到達研究站，共歷經了5 天之久。而回程時則約花費3 天的時間回到台北（因去程時需依規定在紐西蘭多停留兩日）。
儘管身為首位登上南極的台灣學者，陳丕燊也表示，這一切並非個人的能力，而是由政府、私人捐贈及大學院校通力合作所促成。此行有賴台大「梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心」作為平台、行政院國家科學委員會的資助，以及國立台灣大學所提供的研究空間，這是台灣整體社會實力的展現。當然也由於國際上的共同努力，特別是美國方面的資助，才能達成此一理想。
▲降落南極的美國軍用C-17 運輸機。由於環境的限制，研究站中所需物資和人員往來，一般仰賴飛機運輸補給。
在地球的最南端生活
放眼望去，研究站方圓幾千公里幾乎沒有任何生物，這樣的場景也令陳丕燊留下深刻的印象。整座研究站，總計約有230位左右的人員在此生活，其中1/10 為科學家，其餘包括管理、清潔員、工程人員等，目的皆為支援科學研究。除了科學的目的，沒有別的企圖。
研究站內，一切資源皆仰賴外界輸入，因此任何活動須以儉約為首要原則，能源與物資的管制尤其嚴格。使用能源和水，每天均有報表管控，檢查有無超量使用資源。例如站內規定一週僅能洗二次澡，每次洗澡更不得超過二分鐘，以避免石油的過度消耗。為了不對南極當地造成汙染，資源回收也很徹底，站內所有廢棄物皆需回收。除了注重環保、重視能源效益，為了避免流行病發生，衛生條件也是一大要務，因此進入南極前的體檢也十分嚴格。
「由於在南極生活並沒有商業價值，因此當地網際網路的涵蓋也相當有限。」陳丕燊說明，在當地，每天只有當衛星經過地區上空的時段可使用網路對外連線。這樣的時段，每一天有兩次，然而可想而之，頻寬相當的窄，因此有流量的限制。雖然每天可上網的時段均會公布在站內，但是這樣的時段與作息時間並不同步。有時，網路開通時正好是睡眠時間。在這樣的情況下，為了使用網路，必須犧牲睡眠，以避免錯過每天僅有的通訊時段。話說回來，儘管站內依照紐西蘭時區，有正常的作息與睡眠與三餐時段，其實在當時，戶外為長達半年的白晝狀態。
陳丕燊平時研究工作相當忙碌，因此在出國期間，部份國內事務尚需仰賴網路來達成。不巧的是，這段時間也正逢學校推甄、申請海外研究所的密集時期，有幾位自己所指導的學生即將畢業，因此陳丕燊也一面做研究，一面藉著網路替學生寫推薦信，甚至在南極期間仍發表了兩篇論文，同時完成了許多任務。
在南極生活，非但極其孤寂，部份留守人員尚且需在站內渡過8~9 月終日黑暗的「永夜」期，不僅看不到太陽，也無法返家，僅有狹窄的生活範圍。因而，站內設有健身房、美術工作坊，以及溫室等環境，用作休閒用途。「到南極後，除了在溫室，一直到回到紐西蘭上空，才見到綠色。」陳丕燊憶及，溫室中栽種許多綠色植物；於極頂的環境下，維持溫室中的溼度與光源，是非常不容易的。
▲冰天雪地的南極。陳丕燊於南極從事研究時所攝，桿狀物為ARA 的風力發電設備。
為何選擇在南極從事研究？
那麼，為什麼尋找微中子，必須前往南極，而不考慮別處？這是因為，南極的極頂擁有數千萬年所累積的冰層，極為純淨，也因為冰層下極少雜訊。在這樣的環境裡，當宇宙微中子打到冰層中，會受到冰層裡的原子、分子所阻擋，並產生億萬正負電子對（electron-positron pair）的簇射（shower），以接近光速前進。由於正子的自由路徑較短，當簇射繼續在冰層中穿行時，會導致電子數量遠大於正子。於是這個帶電的簇射就會放出一種叫做「切侖可夫輻射」的脈衝效應。藉由觀測這些效應的無線電波頻段（因為無線電波可以傳得很遠），便能推測出微中子的特性，以此得知來自宇宙的訊息。
此外，幅員遼闊的冰原，能夠阻斷各種外來電波干擾，且因南極當地並無居民，故也無電信訊號干擾的問題。相對的，與南極相較，北極不但無陸地，當地浮冰亦具有漂移的缺點；再加上冰層零碎，輔助設施不易建構架設，因此北極並非恰當的選擇。
由於天線須安裝在南極冰層中約200公尺處，因此須行「鑽井」的過程，這樣的重責大任，便仰賴專業的工人，於嚴寒的戶外施工完成。而為何需要鑽井至冰層中，而不將儀器單純的放置在冰上？這是因為表面的冰層，相對較疏鬆、不均勻，為避免訊號受折射的影響，需往下裝於較緊密、相對均勻的冰層。每一座天線探測站，須鑿五個孔洞，其中四個洞安置天線，另一個洞則作為校準用。儘管目前架設施工上相當困難，但一旦架設完成，日後便能以電腦操作，未必需要派駐人力在南極留守。
儘管陳丕燊此行的初衷純粹是科學上的目的，為進行實驗而前往當地，但也正好在當時碰上了人類踏上南極極頂1 0 0 週年，因而有機會參與挪威於當地舉辦的百年慶典，成為一段難得的經歷。
百年慶典，適逢建國百年
12 月14 日，陳丕燊受邀參加阿蒙森征服南極百年的紀念活動，挪威總理史托騰柏格（Jens Stoltenberg）在紀念儀式上，為阿蒙森冰雕揭幕，並在地面插上挪威國旗。象徵紀念人類征服南極百年的阿蒙森冰雕將會留在當地。恰巧，去年也是中華民國的建國一百年。為了紀念台灣人首度登上極頂，並慶賀建國百年，陳丕燊並於此行中，將中華民國國旗立於南極，與各國國旗共同飄揚。
這當中其實有一小段插曲，陳丕燊解釋，這件正反兩面的國旗，其實是他臨時花費10 個小時在南極所繪製。由於陳丕燊出國前太過忙祿，忘了帶上原先準備好的國旗。但也就那麼剛好，他發現研究站內的美術工作坊，內有各式繪畫材料，坊內並有一大型桌面空間足以用來繪製國旗。更驚訝的是，稍後又在坊內找到了一些大小合適的布料，原先曾苦惱若將衣物當作材料，則大小不足（面積無法與現場各國國旗相比）的問題，也因此迎刃而解。
因為陳丕燊在白天需專心進行計畫的實驗，因此他便利用晚上的時間，於美術工作坊內的桌面上親自製作手繪國旗。而因為唯有簽訂南極條約的國家，國旗才能長期立於此（因此當地只有十二國的國旗），因此在回國後，他也一併將國旗帶回台灣。這面曾在南極極頂飄揚的國旗，日後將由台大校史館收藏，成為台大校史的一部份。
由美國國家科學基金會所負責管理的阿蒙森–史考特南極站，每週日晚上慣例會有一場科學講座。研究站負責人非常重視陳丕燊的來訪，在他住在研究站的週日，特地安排了一場講座，請他介紹台灣在高能微中子方面的研究。當然陳丕燊也藉這個機會，將同樣於當年慶祝百年之喜的中華民國歷史介紹給來賓。
▲陳丕燊與自繪的中華民國國旗，於地理南極點留下合影。地理南極點係地球自轉的南軸心，即南緯90 度之點，位於阿蒙森–史考特南極站附近。
天壇陣列的未來遠景
目前，首座ARA天線探測站已於2012年初完工，並計劃在未來四年內，安裝全數37 座探測站，完成面積達100 平方公里範圍之無線電天線陣列，屆時將成為全世界最大的微中子天文台。
陳丕燊說明，當前技術上最困難的部份，即為鑽井的工程。在鑽井工程上，曾於2011 年冬天，遭遇一些瓶頸。雖然，天線的安置，僅需約200公尺深的孔洞，但在冰天雪地中，須使用蒸汽的方式發熱，其實施工並不容易。此為當下團隊所面臨的一大挑戰，尤其是面對下個冬天，尚須安裝新的天線探測站，因而，所屬國際團隊目前正緊鑼密鼓的改善當前鑽井工藝。而台灣所承諾的10 座天線探測站，也將會持續進行研發。
另一方面，在建設完成後，將會是另一個實際觀測的階段。未來在結束所有安裝步驟後，預計將持續對宇宙微中子進行5~10年的觀測，持續收集所需數據。而此項中華民國百年以來的首次南極科學研究，亦將會持續扎根。陳丕燊表示，假若未來幾年真能如願以償，藉由天壇陣列對宇宙的面貌有了重大發現，他期望這項工作能進一步由100平方公里擴展至1000 平方公里，持續進行下去，更大量的蒐集資訊。如此，包括宇宙是否有額外維度空間的問題，以及基本粒子在最高能前沿的資訊，也許終能獲得解答。這樣一來，不僅能帶來歷史性的貢獻，更能使人類對宇宙的全貌有更透徹的了解。
科學月刊 第四十三卷第五期
