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把望遠鏡搬到格陵蘭能看到什麼?觀測黑洞的瘋狂天文學家

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

  • 採訪編輯|歐柏昇 美術編輯|林洵安

為什麼建造格陵蘭望遠鏡

中研院天文及天文物理研究所主導的「格陵蘭望遠鏡」(GLT),在 2017 年底開光,並在 2018 年成功與夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、智利的阿塔卡瑪毫米波次毫米波陣列 (ALMA) 連線觀測。利用特長基線干涉技術,三組大型望遠鏡形成接近地球那麼大的大三角形,相當於一個超大望遠鏡,有望拍攝到人類史上第一張黑洞的照片。

在格陵蘭建造望遠鏡,除了靠天吃飯,也需要有經驗的天文工程團隊。 圖片來源|格陵蘭望遠鏡網站

天文學家的極地生活

在格陵蘭的生活是怎麼樣呢?格陵蘭望遠鏡計畫執行負責人、中研院研究員陳明堂說,冬天很麻煩,要穿厚重的衣服,一回到住處就不會想再出門了。格陵蘭的夏天是永晝、冬天是永夜,永夜的時候「會覺得怎麼睡都睡不飽」。

一般人想不到的是,格陵蘭的夏天有個很擾人的東西,那就是極地的大蚊子。穿著牛仔褲都會被蚊子叮咬,夏天工作必須戴網狀的帽子防蚊。使用臺灣帶去的電蚊拍,聞起來還會有 BBQ 的味道。

格陵蘭望遠鏡所在的圖勒空軍基地,設備還不錯,有福利社、餐廳、交誼中心、健身房。不過生活單調,每天閒暇就是與當地軍人、科學家串門子;因紐特人並不住在圖勒基地附近,平時不會遇見。

每年有三天的時間,圖勒基地會舉辦雪橇比賽,在結冰的海面上,比賽狗拉雪橇。這時因紐特人就會來到基地,順道帶一些土產來販賣。 資料來源|「穹頂天眼—從格陵蘭看黑洞」紀錄片

人類即將看見黑洞

「黑洞影像,我覺得遲早會被拍到,事件視界遲早會被證實。」陳明堂說,格陵蘭望遠鏡的主要觀測目標,是 M87 星系中央的超大質量黑洞。黑洞本身是「黑」的,事實上看不到,但是我們可以看到它的陰影。陰影的亮光,來自於黑洞周圍的吸積盤

  • 黑洞模擬影像:因為大黑洞在中間,光線會轉彎,造成左側比右側更亮。中間黑色部分是黑洞的「陰影」,就是天文學家試圖拍攝的影像。資料來源|Hotaka Shiokawa

從地球看過去,黑洞實在太小,解析度必須達到幾十個「微角秒」,所有光學望遠鏡都無法達到,只能仰賴特長基線干涉儀

以現在的技術而言,有機會看到的黑洞只有兩個:銀河系中央M87銀河系中央黑洞位在南方,而格陵蘭望遠鏡是在北方,觀測目標自然就是 M87 了。

陳明堂解釋,M87 黑洞與銀河系中央黑洞,特質其實不太一樣。銀河系中央黑洞離我們比較近,較容易看到,但是 M87 黑洞其實是銀河系黑洞的 1000 倍重。

左圖為電腦模擬 M87 黑洞陰影,右圖是次毫米波特長基線干涉儀在格陵蘭望遠鏡加入後,在較高頻段 (230GHz) 可望取得的 M87 黑洞陰影。影像解析度為 40 微角秒。
資料來源|中研院天文所 VLBI / GLT 團隊

為什麼科學家想看見黑洞?

晚上一個人在荒野,你會想要點火、拿手電筒去照,看有什麼東西。好奇和不安全感,有時候是一體兩面。

陳明堂說明,看星星固然浪漫,但是科學家更關心的是「地球和太陽系的關係」、「地球是怎麼來的」這些問題。求知的過程中,得到了答案,會讓人感到安心。好比說我們知道月球、火星不會突然爆炸,而令人安心。最終,是想了解人和自然界的關係。

「黑洞、外星人、人類起源跟未來,都是大科學。」陳明堂說,看見黑洞是驗證人類的理性推理。空間裡面為什麼可以出現一個大洞,是不是有異度空間,很難理解。知道黑洞存在,可證明我們用的方法是對的,可用同樣的理論探究其他事情。

人類要真正能利用黑洞,技術上還很遙遠。陳明堂表示,未來如果人類開始製造宇宙船艦,太陽能恐怕不夠,需要更巨大的能源,恐怕就要利用黑洞。黑洞是很有效率的發電機,假如有個小黑洞繞著地球走,只要丟一兩顆石頭進去,就可以產生大量的能源,不必再燒石油、用太陽能。

先不管這些科幻的想法是否能實現,一群勇於挑戰的天文學家,已經腳踏實地,踏入了酷寒的格陵蘭,建置望遠鏡探究神祕的黑洞。

把望遠鏡搬去格陵蘭?太瘋狂了!

故事要回到大約十年前(2009 年),美國國科會將不再使用的 ALMA 原型機釋出,公開徵求科學家的提案。中研院和哈佛合作「觀測黑洞」的提案獲得接受,順利取得了這台望遠鏡。

陳明堂說明,想要用望遠鏡看到黑洞,需要極佳的解析度,因此技術門檻很高。第一,必須要有將近地球那麼大的望遠鏡。第二,望遠鏡接收的頻率,必須是頻率很高的電波。而高頻率的毫米波次毫米波天文儀器,直到過去十幾年,技術才成熟。

問題來了,由於望遠鏡要接收的電波頻率很高,必須擺在非常乾燥的高山上。就像我們觀星要去合歡山、大雪山,因為山上大氣透明度比較好,才能看得到流星雨。

天文科學的設備,很講求大氣透明度。

新的望遠鏡地點,必須距離夏威夷和智利原有的兩組望遠鏡夠遠,且在乾燥的高山,又要考慮交通、基礎設施,於是地點的選擇相當困難。陳明堂說,他們曾經考慮過紐西蘭,但是紐西蘭沒有符合條件的高山;他們曾經考慮過阿拉斯加,然而阿拉斯加沒有可用的基礎設施。

終於,找到一個瘋狂的地點──格陵蘭。陳明堂說,他們原來根本不知道格陵蘭島上有什麼,同事去 Google 一查,才發現格陵蘭有個大氣觀測站,且是美國國家科學基金會在運作。他們試著向對方聯繫,結果順利談成合作。現在全球重要的毫米波次毫米波天文望遠鏡,地點分佈如下圖所示:

中研院已在夏威夷有 SMA 望遠鏡,又參與了智利 ALMA 望遠鏡的建造,掌握世界上很少數的次毫米波望遠鏡。在地球的另一角:格陵蘭,蓋一座新的望遠鏡,三台望遠鏡就形成一個大三角形,連線成將近地球那麼大的望遠鏡。如此一來,黑洞的觀測,中研院就站在全世界的主導地位。 資料來源|格陵蘭望遠鏡網站

陳明堂說,最初打算去格陵蘭,十個人有九個回應:「你們太瘋狂了!為什麼要花這種錢?又不會成功。」他說,「一開始,我們完全不知道格陵蘭長什麼樣子,不知道冷的時候是怎麼樣。一群在熱帶長大的人,到那麼寒冷的地方,衣服都不知道怎麼穿了。但是同樣的,之前 SMA 望遠鏡要搬去夏威夷的時候,我們也不知道那裡是什麼樣子。」

格陵蘭、夏威夷,這些位置給我們不安全感,但同時也有冒險患難的精神。

前進格陵蘭:拆解、修改、組裝

2011 年,格陵蘭望遠鏡的瘋狂計畫,終於展開了。研究團隊來到格陵蘭的峰頂站台基地 (Summit Camp),先擺放大氣透明度的測量儀器,驗證當地是很好的天文觀測地點。

在格陵蘭峰頂基地,觀測大氣透明度。資料來源|「穹頂天眼—從格陵蘭看黑洞」紀錄片

接著在 2012 年,中研院團隊來到新墨西哥州的小鎮。那裡是個印地安人居住的沙漠地區,擁有知名的甚大望遠鏡 (VLA),也就是電影《接觸未來》的場景。由於 ALMA 的原型機擺在那裡,中研院派一群人待了三個月,來拆卸原型機。人員每天從住處開車到天文台,單程就長達 70 公里。這是格陵蘭望遠鏡建造的第一步,就已拆得轟轟烈烈。

ALMA 原型機拆卸完成後,運送到維吉尼亞州的軍港。中研院的團隊在這裡待了半年,試組裝望遠鏡。因為格陵蘭的物資、人力都有很大的限制,甚至如果少了一顆特殊的螺絲,可能要等好幾個禮拜才能取得。於是,在零件運往格陵蘭之前,得在美國本土先試組裝大型物件,確定沒有差錯。

2016 年夏天,望遠鏡搭乘一年只開一次的船班,運送到了格陵蘭的圖勒空軍基地。來到格陵蘭冰天雪地的現場,發現不少未曾被注意過的問題。例如,一般望遠鏡放置的山上,不會常年結冰,望遠鏡天線即使部分結冰,仍然會融掉。

但是格陵蘭情況不同,望遠鏡只要結冰就很麻煩了,必須加裝除冰系統。

陳明堂解釋,除冰系統的原理,是不讓外來水分黏著到天線的碟面上。並不需要將碟面溫度維持在零度以上,只要讓它比周圍環境高一度左右,這樣水分就不會附著而結冰。

另外,原來的望遠鏡結構是開放式的,許多儀器放在室外。然而在格陵蘭,儀器不能隨意放在室外。研究團隊花了一些功夫,才找到合適的夥伴──包含中科院的航空研究所、中鋼,重新設計望遠鏡基座,改裝支撐架構,並增建兩個機房。

2017 年 7 月 24 日,格陵蘭望遠鏡組裝完成,研究與工程團隊合影。資料來源|格陵蘭望遠鏡網站

捕捉極地的天光

2017 年底,格陵蘭望遠鏡終於開光。 2018 年 1 月,格陵蘭望遠鏡參加了全世界的特長基線觀測預演。出乎眾人的意料,格陵蘭望遠鏡竟然與智利的 ALMA 連上線了!

一般望遠鏡組裝完成後,需要花費大量功夫調校,很難立刻成功觀測,更不用說是仰賴高技術的特長基線觀測。原先大家根本不相信,才剛組裝好的格陵蘭望遠鏡能夠立刻與 SMA、ALMA 連線,進行特長基線的觀測。接著,在 2018 年 4 月份,格陵蘭望遠鏡參加正式的觀測,取得數據,並且一步步調適各種參數。

陳明堂笑著說:「本來說我們 crazy 的人,現在都說我們好厲害!」攝影|張語辰

陳明堂解釋,特長基線的觀測是很複雜的過程。拿到資料以後,要先把所有台站的磁碟,送到相關處理器中心(具有專門用途的超級電腦),接著要做校正、成像。而後須確認影像是真是假,是否有鬼影子在裡面,才可能開始談科學。特別是要看黑洞陰影,這是前所未見的影像,大家會更加小心,反覆檢查哪邊可能出錯。

特長基線干涉陣列的工作流程。 資料來源|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J.Pinto & N.Lira. 圖說重製|林洵安

格陵蘭望遠鏡的下一步計畫,是將望遠鏡從圖勒搬到峰頂站台基地圖勒接近海平面,由於大氣透明度的限制,只能做某些頻段的觀測,無法達到很好的解析度。

雖然在圖勒應可看到黑洞陰影,但是如果要取得品質夠好的影像,仍需移到非常適合次毫米波段觀測的峰頂。不過,研究團隊尚在尋找經費、人力,希望最快能在 2021 年到達峰頂,讓臺灣登上觀測黑洞的更高位置。

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為把望遠鏡搬到格陵蘭?!觀測黑洞的瘋狂天文學家,泛科學為宣傳推廣執行單位


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關於作者

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
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