好山好水好宇宙,臺灣展望宇宙之眼: 鹿林天文臺——《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》

  • 文/國立中央大學天文研究所教授 陳文屏、國立中央大學鹿林天文臺臺長 林宏欽、國立中央大學天文研究所技士 張光祥

鹿林天文臺位於臺灣南投縣與嘉義縣交界之鹿林前山,緊鄰玉山國家公園,是臺灣最重要的光學天文基地,兼具研究與教育功能。

俯瞰鹿林天文臺的全貌(Credits:國立中央大學天文研究所)圖/三民提供

為什麼選在高山上建立鹿林天文臺?

鹿林天文臺的基本檔案

  • 地理位置:東經 120°52′25″,北緯 23°28′07″
  • 海拔:2,862 公尺
  • 夜天光背景1:每平方角秒的視星等為 21.28 星等
  • 大氣寧靜度2:星點平均視角為 1.39 角秒
  • 年平均觀測時間:1,450 小時(約 180 個夜晚,以每晚 8 小時計)

此地受冬季東北季風、夏季西南氣流和颱風的影響較小;受惠於國家公園的優越環境,加上位處高山,空氣汙染和塵埃少,大氣透明度高,光害也較小;由於海拔高、大氣稀薄,所以消光較小,大氣寧靜度較好,秋冬兩季尤其適合觀測。

鹿林天文臺的開發緣起於 1990 年,由當時任職於中央大學天文所的蔡文祥教授與張光祥先生,考量臺灣各地的晴天率、海拔、後勤支援等因素,並歷經 3 年的大氣寧靜度、氣候、夜天光背景等條件調查後才選定臺址。

天文臺所使用的電力由臺電提供,玉山國家公園和中華電信的基地臺則分別提供用水和網路通訊服務。此外,天文臺內也設有自動氣象站、全天域相機以及雲量監測儀等儀器設備,可作為觀測參考。

鹿林天文臺有哪些設備?

基地內設置了數座小型可見光望遠鏡。除了有:

  • 鹿林一米望遠鏡(Lulin One­meter Telescope,簡稱LOT)
  • 中美掩星計畫(Taiwanese­American Occultation Survey,簡稱 TAOS)的 4 座 0.5 米自動望遠鏡
  • 0.4 米超輕型望遠鏡(Super Light Telescope,簡稱 SLT40)
  • 鹿林廣角望遠鏡(Lulin Wide­field Telescope,簡稱 LWT)

進行天文觀測外,另有成功大學的紅色精靈3地面觀測與極低頻無線電波偵測系統(ELF)、中央大學的氣暉全天相機、土石流偵測預警系統,以及環保署的鹿林山大氣背景測站(LABS)等設備,記錄大氣、環境、太空、地震等觀測數據,為我國珍貴的高山科學基地。

鹿林天文臺配置的小型可見光望遠鏡(依口徑大小排列)
望遠鏡 口徑 種類 焦比4 運作期間
LOT 100 cm 卡塞格林 (Cassegrain) 反射式望遠鏡 F/8 2003-
SLT76 76 cm 里奇—克萊琴 (Ritchey­Chrétien) 反射式望遠鏡 F/9 2000-2002
TAOS 50 cm×4 反射式望遠鏡 F/2 2005-2016
SLT40 40 cm 里奇—克萊琴反射式望遠鏡 F/8.4 2006-
LWT 40 cm 反射式望遠鏡 F/3.8 2018-
L35 35 cm 施密特—卡塞格林 (Schmidt­Cassegrain) F/8.25 2012-2017
LELIS 10 cm×3 攝影鏡頭 F/1.8 2002-2008

鹿林一米望遠鏡(LOT):

鹿林天文臺最大的望遠鏡—LOT,同時也是目前臺灣口徑最大的通用型光學望遠鏡。

LOT 具備良好的光學成像品質、指向和追蹤精度,並配備高靈敏儀器,包括專業天文相機,以取得天體影像,並測量在不同可見光波段的亮度。另外也配置低色散光譜儀及偏振儀等,藉以取得天體光譜或偏振訊息。

鹿林天文臺的一米望遠鏡(Credits:國立中央大學天文研究所)圖/三民提供

LOT 由德國 APM 公司製作,屬於卡塞格林反射式望遠鏡,由於採用鏡後端對焦座,因此卡焦儀器限重 50 公斤。LOT 觀測目標包括太陽系天體、銀河系中的恆星、變星、星團及鄰近星系等,除了提供中央大學師生研究與教學之用,也開放國內、外學者申請使用。

某些宇宙現象有時效性,例如星球爆發、掩星等,隨著地球自轉,只有面對該天體的觀測者才能夠看到。由於臺灣位處西太平洋,向東 6 個時區內缺乏其他天文臺,因此對於會隨時間變化,需連續監測的天象,或是國際間需要位在不同經度的天文臺(或太空望遠鏡)針對特定天體聯合觀測時,鹿林天文臺便扮演著舉足輕重的角色。

多年來,鹿林天文臺的望遠鏡積極參與此類計畫,例如:全球望遠鏡聯合觀測(Whole Earth Telescope,簡稱 WET)聯合不同時區的望遠鏡,接力監測恆星的亮度變化,以星震5手段探討恆星內部結構;全球蝎虎 BL 類星體聯合觀測(Whole Earth Blazar Telescope,簡稱 WEBT)監測活躍星系核,藉此研究黑洞與噴流的性質;年輕系外行星掩星觀測計畫(Young Exoplanet Transit Initiative,簡稱 YETI)則監測星團成員、搜尋系外行星造成的凌星事件等,均與國際天文臺建立良好合作模式,並取得優良成果。

啟用至今,鹿林天文臺的望遠鏡共發現 15 顆超新星、800 餘顆小行星,以及一顆彗星。每年通常約有十幾個研究計畫利用 LOT 執行,使用 LOT 數據發表的研究論文已超過百篇。除了研究之外,LOT 也支援大學、高中及社教機構進行觀測教學實習,另有多座小型望遠鏡提供特定課題使用。

中美掩星計畫(TAOS):

TAOS 計畫原理示意圖。圖/嵌入自中央大學天文所 中美掩星計畫簡介

天文臺原來設有 4 座 TAOS 望遠鏡,由中央研究院天文所、中央大學天文所、美國哈佛史密松天文物理中心,以及韓國延世大學共同合作。每座望遠鏡的口徑 50 公分,具備 3 平方度6的超廣角視野,全年監測可能由柯伊伯帶天體造成的掩星事件,藉以估計分布在太陽系外圍的小型天體數量。

TAOS 計畫自 2005 年開始運行,累積 6 年的觀測結果一共收集超過 10 億筆恆星光度的測量數據,因為沒有偵測到任何掩星事件,提供了柯伊伯帶天體的數量上限。

第一代 TAOS 的設備已於 2016 年拆除、撤離,第二代的海王星外自動掩星普查計畫(Transneptunian Automated Occultation Survey,簡稱 TAOS­II)選在墨西哥的聖彼德羅瑪蒂爾天文臺(San Pedro Mártir Observatorio)落腳,一共有 3 座口徑 1.3 米的望遠鏡。

超輕型望遠鏡(SLT):

中央大學天文研究所於 1997 年獲得太空計畫室(現在的國家太空中心)補助,興建鹿林第一座天文臺 “SLT”。1999 年 SLT 完工後,內部安裝自行設計、製造的 76 公分超輕型望遠鏡(SLT76),並從 2000 年開始進行觀測,是鹿林天文臺初期最重要的觀測設備。

SLT76 於 2005 年換裝口徑 40 公分的超輕型望遠鏡(SLT40),並自 2006 年開始進行鹿林巡天計畫(Lulin Sky Survey,簡稱 LUSS),搜尋太陽系小天體。計畫進行 3 年期間共發現 800 多顆小行星,其中有 400 多顆已獲得永久編號,小行星發現數量排名世界第 47。

鹿林天文臺的 40 公分超輕型望遠鏡(Credits:國立中央大學天文研究所)圖/三民提供

目前鹿林天文臺發現的小行星已有 100 多顆得到永久命名,名稱涵蓋臺灣的代表性人物、團體、地理、山水及原住民族等。2007 年 LUSS 首度發現彗星(C/2007 N3)與近地小行星(2007 NL1),該彗星後來被命名為鹿林彗星(Comet Lulin)。LUSS 計畫結束後,自 2010 年起 SLT40 投入變星、彗星的長期監測工作。

除了硬體設備,還能善用地理優勢進行觀測

鹿林天文臺的主要策略是利用小型望遠鏡的機動性,以及臺灣本身的觀測條件優勢,與其他的天文臺合作、競爭。

臺灣的地理位置緯度較低,因此可以觀測範圍較大的南半球天空;而經度方面則可以跟國際間的其他天文臺互補。對於需要長期監測或瞬變的天文現象(如超新星及伽瑪射線爆等),鹿林天文臺參與跨國合作,在全球天文觀測網和太空與地面的聯合觀測中占據不可或缺的位置。

比如 2006 年中央大學天文所參加夏威夷大學主導的泛星計畫(Pan­STARRS),另外近年加入由加州理工學院主導的茲威基瞬變探測利器(Zwicky Transient Facility,簡稱 ZTF),並加入伊甸園觀測網(Exoearth Discovery and Exploration Network,簡稱 EDEN),以搜尋鄰近太陽之 M 型恆星周圍可能位於適居區內的系外行星等,都因為地理位置的優勢,能藉由鹿林天文臺的設備追蹤並確認新的科學發現。

在臺灣近百年的天文發展史上,鹿林天文臺締造了多項紀錄,包括首度發現小行星、首度發現超新星、首度發現彗星、首度發現近地小行星及首度進行小行星命名。天文臺的望遠鏡口徑雖然小,但做為天文教育與基本研究工具,多年來配合規劃的課題立基,亦取得良好的成果。

註解:

  1. 夜天光背景:夜空背景的亮度。星等數字越大,表示亮度愈低,意即光害愈小,能夠觀測愈暗的天體。
  2. 大氣寧靜度:大氣擾動對星光成像的影響程度。以星點的視角表示,視角愈小表示大氣寧靜度愈好,觀測到的星像愈清晰。
  3. 紅色精靈:積雨雲層上方發生的放電現象,由於主要發出紅光,而且發生的時間非常短暫不易捉摸,因此被稱為紅色精靈。
  4. 焦比:口徑與焦距的比值。
  5. 星震:利用亮度變化或光譜都卜勒效應研究天體的震動,藉此瞭解無法直接觀測的恆星內部結構,其原理類似利用地震波研究地球的內部結構。
  6. 平方度:一度乘以一度的天空範圍。例如滿月的張角約半度,3 平方度相當於 10 個滿月的天空面積。

——本文摘自泛科學 2019 年 12 月選書《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》,2019 年 11 月,三民出版


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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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