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突然畢業了,阿雷西博天文台將永久關閉QQ

科學大抖宅_96
・2020/11/24 ・4201字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

2020 年 11 月 19 日,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)宣布,史上最知名的望遠鏡之一——位於波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)即將永久關閉,震驚學界。

阿雷西博天文台乃隸屬於美國國家天文學和電離層中心(National Astronomy and Ionosphere Center, NAIC)的無線電望遠鏡,其最顯著的特徵包括直徑 305 公尺的球面反射器盤(spherical reflector dish),以及懸吊在盤面上方 137 公尺、重約 900 噸、由三座鋼筋混凝土高塔連結 18 條鋼纜所撐起的儀器平台。

俯瞰阿雷西博天文台。圖/Wikipedia

從 1963 年建成以來,阿雷西博天文台一直保持著世界最大單孔徑望遠鏡的紀錄,直到 2016 年為止。它是波多黎各主要的科學教育中心,也培育出許多天文學家和工程師,甚至出現在流行文化裡,如電影《接觸未來》(Contact)和 007 電影《黃金眼》(GoldenEye)。

007 電影《黃金眼》中出現阿雷西博天文台的片段

然而,就在 2020 年 8 月和 11 月,阿雷西博天文台的兩條鋼纜先後斷裂;考量到維修的困難與高風險,這座產出許多科學研究的標誌性天文望遠鏡,面臨被拆解的命運……在這感傷之際,讓我們一起追憶阿雷西博天文台的一生。

冷戰的雷達需求促成天文台誕生

1945 年,因應二戰後的局勢,美國成立了空軍劍橋研究實驗室(Air Force Cambridge Research Laboratories)[1]。在冷戰背景下,其於 1949 年發明了利用電話數據機傳輸數位資料的技術(即早期網際網路傳輸所使用的方式)。1951 年,空軍劍橋研究實驗室的工程師首度發表文章,討論利用球面接收器接收電磁訊號的可能性;同時,美國國防部也因為遠程雷達和通訊的需求,對建造世界最大的天線來研究電離層很有興趣——這促成 1959 年空軍劍橋研究實驗室和康乃爾大學(Cornell University)簽署了成立阿雷西博天文台的合約。

天文台位於波多黎各北海岸的自治市阿雷西博;其設計和建造,由時任康乃爾大學教授的戈登(William Edwin Gordon,1918 – 2010)負責籌劃,於 1963 年落成。

望遠鏡的反射器盤建基於天然形成的滲穴之中,1974 年升級後由 38778 片穿孔鋁板製成;從遠處不同方位過來的電磁波會被盤面反射,分別聚焦於不同位置,懸吊於上空的接收器便會依據觀察目標移動到適當的接收點。

從不同方位過來的電磁波(綠色和紅色平行線條)會被反射器盤反射並聚焦於不同焦點,所以可以藉由接收器的移動來接收天空中不同方向來源的電磁波。圖/Physics today, Volume 66, Issue 11

一如當初的計畫,阿雷西博天文台的主要功用在研究地球的電離層、接收來自遙遠宇宙的無線電波訊號,以及使用雷達技術探索太陽系土星軌道之內的天體。幾十年來,阿雷西博天文台經歷數次升級,一直是天文學和大氣科學的研究重鎮:它擁有世界最大的電磁波接收區(也就是反射器盤);當其他無線電望遠鏡花費數小時才能收集到足夠的電磁波訊號,阿雷西博天文台只需要幾分鐘。

發現脈衝雙星,間接證實重力波

阿雷西博天文台開始運作之後,做出的科學貢獻多不勝數。例如,1964 年天文學家彼騰吉爾(Gordon H. Pettengill, 1926 –)的團隊藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年,洛夫萊斯(Richard V.E. Lovelace)利用阿雷西博天文台,提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSR B0531+21,自轉週期 33 毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。

1974 年,赫爾斯(Russell Alan Hulse, 1950 –)和泰勒(Joseph Hooton Taylor Jr., 1941 –)發現第一對脈衝雙星(脈衝星和中子星)系統;之後,其被用來作為廣義相對論的高精度測試——這一項發現成為廣義相對論中,重力波存在的間接證據,也是他們獲得 1993 年諾貝爾物理學獎的重要原因。

1990年,波蘭天文學家沃爾茲森(Aleksander Wolszczan, 1946–)從阿雷西博天文台發現了脈衝星PSR B1257+12,並於兩年後,發現有兩個行星(之後又找到第三個)繞行PSR B1257+12,這也是人類史上第一次發現太陽系外的行星。

除此之外,阿雷西博天文台也能拿來研究天體的地貌:1989 年 8 月,趁著小行星 4769 Castalia 經過,離地球的最近距離僅 4,029,840 公里(約地球到月球距離的 11 倍),科學家利用天文台雷達描繪出小行星 4769 Castalia 的 3D 樣貌;至今,阿雷西博天文台已經研究過數百個近地小行星(near-Earth asteroids, NEAs),除了可以分析它們撞擊地球的可能性,也能幫助我們理解太陽系的起源和演化。1994 年,阿雷西博天文台則被用來研究水星南北極隕石坑內可能存在的冰層。

阿雷西博天文台亦針對星系進行無線電波頻率的大範圍掃描,並於 2008 年發現星系阿普 220(Arp 220)中存在有機化合物分子。另外,在大氣物理學領域,它增進了我們對高層大氣,特別是電離層的認知與理解。

向宇宙發送訊息,等待外星文明回應

阿雷西博天文台的 305 公尺孔徑紀錄,雖然在 2016 年被中國的五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST, 簡稱天眼)超越,但阿雷西博天文台的地位卻無法被取代——其中一個很大的原因是,天眼只有接收訊號的功能,沒有發射訊號的設計;而阿雷西博天文台不僅可以接收,也能發射訊號(所以具有雷達的功能)。

最有名的例子,是 1974 年,天文學家德雷克(Frank Drake, 1930–)和其他研究者——包括天文學家兼科普作家薩根(Carl Sagan, 1934 – 1996),設計了知名的阿雷西博訊息(Arecibo Message),內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。

反過來說,阿雷西博天文台接收到的無線電波,也能拿來分析是否包含外星智慧文明發出的電磁訊號。於是,在早期美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的搜尋地外智慧計畫、或者民間著名的 SETI@home 計畫[2],分析所用的數據,部分便來自阿雷西博天文台。

阿雷西博訊息。顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。圖/Wikipedia

結構不穩,無可奈何的退役決定

儘管功績卓著,且有著不可替代性,阿雷西博天文台仍然面臨拆除的命運。雖然有在定期維護,但經費的短缺加上歲月的流逝和地震、颶風的侵襲,都增加了望遠鏡結構的不確定性。

首先是 2020 年 8 月 10 日,一根連結到儀器平台、安裝於 90 年代的輔助鋼纜從托座鬆開,破壞了反射器盤面邊緣的鋁板;工程師在檢查損壞狀況時,發現儀器平台的 12 根主要支撐鋼纜中,有一根鋼纜的組成鋼線存在少許損壞,但評估後認為對安全性不造成影響。怎知到了 11 月 7 日,該主要支撐鋼纜從中間斷裂,在靠近反射器盤面中心的區域撕開了大裂口——既然原本認為安全的鋼纜斷了,剩下的鋼纜是否真的安全無虞?又能支撐多久?沒有人知道。

現在,任何時刻都可能有更多鋼纜斷裂或鬆脫,一旦最壞的狀況發生,整個儀器平台將掉落到望遠鏡盤面上,或者損害附近的建物;甚至,任何想要穩定或測試鋼纜的努力都可能加速剩下鋼纜的損壞。為此,美國國家科學基金會正在研擬計畫,在可控的狀況下拆除儀器平台——這是個艱難的決定,但一切以安全為優先。

事實上,出於經濟考量,美國國家科學基金會前些年都在為阿雷西博天文台的經費苦惱:在 2017 年,美國國家科學基金會和國家航空暨太空總署一年分別提供高達 800 萬和 360 萬美元的營運費用,所費不貲;到了 2018 年,才由中佛羅里達大學(University of Central Florida, UCF)承擔阿雷西博天文台的營運,並補足美國國家科學基金會逐年縮減的天文台經費。沒想到人算不如天算,阿雷西博天文台被迫永久關閉,這無疑是科學界的一大損失。

現在阿雷西博天文台的反射器盤面破了一個大洞。圖/University of Central Florida/Arecibo Observatory

研究暫停,無可取代的電波望遠鏡

阿雷西博天文台自 1963 年啟用以來,對天文學、大氣科學和行星科學貢獻良多;它是第一個發現系外行星的望遠鏡,也是搜尋地外文明的重要工具。它在科學教育面向深受好評,每年有十萬人到阿雷西博天文台參觀,包括許多學生;那兒不僅有天文學、高層大氣物理學的展覽,還有可以俯瞰巨大反射器盤面的觀景平台。

儘管年紀大了,但阿雷西博天文台持續升級,原本也預定在接下來數年安裝新儀器,像是將大幅提高望遠鏡靈敏度、價值 580 萬美元的天線――這一切都成為泡影。阿雷西博天文台退休後,許多研究都必須暫停,只有部分計畫得以找到替代設施,或是能夠留在天文台原址繼續進行。往後,我們只能在記錄中,緬懷這座極具歷史意義的無線電望遠鏡,令人唏噓。

註解

[1] 空軍劍橋研究實驗室於 2011 年被整併,最終演化成現今美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)的一部份。空軍研究實驗室致力於領導航太作戰科技的發明、發展和整合,計畫空軍的科學、科技方案並執行,以及為美國空中、外太空和網際空間的部隊提供作戰能力。

[2] SETI@home,是一個通過網際網路利用個人電腦處理天文數據的分布式計算項目;其試圖通過分析無線電望遠鏡收集到的無線電信號,搜尋地外智慧生物存在的跡象。

參考資料

  1. Alexandra Witze, Legendary Arecibo telescope will close forever — scientists are reeling, Nature, Nov. 19 (2020).  
  2. Alexandra Witze, Arecibo telescope wins reprieve from US government, Nature, Nov. 16 (2017) 
  3. Daniel Clery, Famed Arecibo telescope, on the brink of collapse, will be dismantled, Science, Nov. 19 (2020).
  4. Daniel Clery, Adrian Cho, Iconic Arecibo radio telescope saved by university consortium, Science, Feb. 22 (2018).
  5. Daniel Altschuler, Chris Salter, The Arecibo Observatory: Fifty astronomical years, Physics Today 66, 11, 43 (2013).
  6. Paul H. Carr, Early history of Arecibo Observatory, Physics Today 67, 6, 11 (2014).
  7. Telescope Description about Arecibo Observatory
  8. Air Force Research Laboratory – Wikipedia
  9. Arecibo Observatory – Wikipedia
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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誰在海邊蓋天文台啊(惱)──世界第一座電波干涉儀
全國大學天文社聯盟
・2022/04/15 ・4114字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/玄冥
    曾經做過 Radio Astronomy,現在叛逃去 Structure Formation 了,但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨,澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待,將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前,他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向,但是今天不一樣,他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道,他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術(Radio Interferometry),用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術,如果說大家對電波干涉術不熟悉的話,那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新(圖一)。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術,拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡(EHT)」(圖二)。

圖一:事件視界望遠鏡拍攝之 M87 星系中心的超大質量黑洞。圖/EHT
圖二:事件視界望遠鏡。圖/NRAO

大家聽到「電波干涉儀」時,腦海中浮出的想像,可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上,電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的(圖三),以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術,再介紹兩者結合的原理,一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

圖三:在澳洲 Dover Heights 岸邊的電波干涉儀。圖/CSIRO

什麼是無線電波?

無線電波(Radio wave,簡稱電波)是一種電磁波,它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播,以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段,因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是,相對於可見光波,電波波長更長(約 1 mm 以上),較容易穿過障礙物,讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體(如原恆星)。然而,能穿透障礙物的代價是,在相同的望遠鏡口徑下,電波望遠鏡的「角解析度(Angular resolution)」比較低。

角解析度(或稱角分辨率)是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力,白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑,但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻,如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度,是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。圖/envato elements

光的干涉,相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中,我們將光源對準布幕,並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光,便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋,源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同,因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反,會造成相消干涉而形成暗紋;若抵達布幕時震動方向相同,則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些(見圖四、五)。從實驗設備的上方俯視,藍色的點代表光源,紅色的點則是紙板上的狹縫位置,圖片底端是布幕,白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現,當狹縫間距越遠,布幕上亮紋就越細緻,而從圖五則可以看見,當光源橫向移動時,布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出,越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感,電波作為一種波亦有相同的特性。

圖四(左)、圖五(右):雙狹縫干涉示意圖。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍?

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機,通常會將電波接收器對準海平面,隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器(紅點)跟敵機(藍點)以及海面(黑色區域)的相對位置圖,此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器,其中較短的電波是從敵機直達接收器,而較長的則是經海面反射後抵達接收器,這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

圖六(左)、圖七(右):海岸干涉儀示意圖。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣,對波源的移動非常敏感(圖六),因此可以非常準確的判斷出敵機的位置;而如圖七所示,當電波接收器與海平面之間的高度差愈大,干涉條紋愈細緻,這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上,如果將電波接收器放在濱海的峭壁上,其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器,這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束,許多軍事科技被轉為民用或科研用途,電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說,電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時,因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候,往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度,人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關,卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現,天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈,其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊,這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧!

銀河系和太陽,是天空中兩個最亮的電波源,因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到,較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代,因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位,而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後,澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手,在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀,以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度,由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分(約 1/10 度),也得知這個天體的大小在八角分以下。

在美國新墨西哥州的無線電干涉儀:甚大天線陣Very Large Array。圖/Hajor, CC BY-SA 3.0

然而弔詭的是,如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體,這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體!更令人驚訝的是,該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星,於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A(4) 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空,陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下,天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系(5)(圖八、九)。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系,然而在電波望遠鏡下,時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出,噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道,噴流是在星系中心大質量黑洞進食(吸積)時所噴出的強烈電漿流,其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波,從而被電波干涉儀接收。

圖八:由甚大天線陣列(VLA)拍攝之天鵝座A電波星系的電波影像。圖/Mhardcastle, VLA data
圖九:由歐洲南方天文台拍攝之人馬座 A 電波星系,結合可見光與電波的影像。圖/ESO

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈,因此對星系演化有著至關重要的影響,今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷,如今的電波干涉儀,已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉,不再是依託於大海的孤立接收器;干涉儀技術的改良,立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往,而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往,人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往,因此當硝煙散去,人們便互相合作,將戰時的科技化作探索太空的利器,揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今,我們擁有更強大的科技,希望人們能夠繼承這份嚮往,一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

  1. 毀滅與新生:超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
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參考資料

  1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
  2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the SunNature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspotsProceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(4087), 312-313.
  5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

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宇宙中出現奇怪圓圈,這是一種全新發現的天體嗎?
陳子翔_96
・2021/01/04 ・2420字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系,EASY 天文地科團隊創辦者)

「WTF!這是什麼鬼?」大概就是不久前一群天文學家在電波觀測資料中發現下圖物體的反應。

編號ORC1的天體影像。圖/Bärbel Koribalski, based on ASKAP data, with the optical image from the Dark Energy Survey

圖片中央用藍綠色表示的圓形天體就是用電波望遠鏡拍攝的 ORC1,背景中的星系則是用可見光望遠鏡拍攝,並將影像疊合而成此圖。

天文學家表示,圖中可以觀察到 ORC1 中央有一個橘色的星系,但目前無法確認此星系與 ORC1 是實際上相關的天體,還是是兩個距離相差很遠的天體單純在視覺上疊在一起。

讓天文學家摸不著頭緒的怪東西

事情是這樣的,2019 年底,天文學家們在電波望遠鏡的觀測影像中,發現了一個神祕的環形物體,更有趣的是,經過仔細檢視比對與討論後,這群天文學家對於這個奇怪的物體究竟是什麼卻仍然摸不著頭緒,在困惑驚訝之餘就將它特別標示起來,還留下了「WTF」的註記。

不僅如此,經過檢視更多的觀測資料,他們還發現了好幾個類似的物體,代表這個身分不明的怪東西並不是絕無僅有的特殊案例!而天文學家也暫時將它們命名為「Odd Radio Circles」或縮寫成「ORCs」,也就是「奇怪電波圓圈」的意思。

找到未知神秘天體的興奮

想像一下,當一群天文學家,或是任何領域的科學家找到了某種未知的新東西,會有什麼反應呢?第一個反應大概就是「我好興奮呀!」而ORCs 的發現也不例外。「這真的是任何一個天文學家的夢想:在你的職涯中找到從來沒有人發現過的東西。」ORCs 發現團隊中一位天文學家在受訪時說道。

發現了暫時無法解釋的新東西,那是不是代表這群天文學家可以像阿基米德一樣大喊一聲「Eureka」,然後向大家宣布這就是一種全新天體了呢?等等,事情可沒這麼簡單呀!

網路上有「假訊息」,電波天文影像可能有「假訊號」?

要釐清 ORCs 可能是什麼,就像是面對選項超多的選擇題,當對於正確答案沒有頭緒時,至少可以先刪除比較不可能的選項,同樣的在「了解 ORCs 應該是什麼」之前,天文學家們也得先從「ORCs 應該不是什麼」下手。

首先第一個要檢視的是,這些在影像中的東西是「真的」嗎?

咦?啊不是都已經在影像中看到了,眼見為憑還可能是「假的」嗎?

沒有錯,其實要得到一張電波望遠鏡拍出的影像,並不是像我們平時拍照一樣按個快門就馬上可以看到照片的,電波望遠鏡在接收訊號後所得到的觀測資料並不是直接可用的影像資料,因此天文學家拿到一手的資料後,還必須透過電腦進行相當複雜的處理程序,而處理程序中天文學家也必須輸入適合的各項參數讓電腦進行運算,最後才能得到影像成果。

也由於望遠鏡接收到的訊號需要到電腦進行最後運算,這些過程中只要有什麼步驟出了問題,或是在軟體上出現的 Bug,都可能造成最後得到的影像不正確,也因此可能跑出「假訊號」。

為了避免假訊號的錯誤判讀,電波天文學家常常會利用「將同一筆資料給不同團隊處理」以及「用不同的電波望遠鏡,觀測同樣的天體」,交叉比對就可以大大降低誤判假訊號的可能性。例如家喻戶曉的 M87 黑洞影像,就是分別將觀測資料交由三支不同的團隊來處理喔!

而在這次 ORCs 的案例中,這支團隊也已經使用三個不同的電波望遠鏡陣列進行觀測,結果都觀測到了 ORCs 的存在,也因此能初步排除「假訊號」的可能性了。

著名的M87黑洞影像,為了避免資料處理過程的出錯造成最終影像的不正確,將原始資料交由三個不同的天文學家團隊處理。 圖/Wikipedia

抽絲剝繭調查ORCs的真面目,結果帶來的是更多的疑問

排除掉假訊號的可能後,下一個可以著手的就是確認 ORCs 有沒有可能是某種已知種類的天體。

ORCs 有幾項特徵,首先,它們的形狀是接近圓形或環形的,而且像是某種星雲。此外它目前只在電波觀測資料中被看見,也就是說像是哈伯太空望遠鏡這種以可見光或紅外線、紫外線等等波段的望遠鏡,目前是沒有觀測到 ORCs 的。在位置的分布上,ORCs 則主要分布在銀河盤面外(恆星數量較少)的位置。

而根據這些特徵天文學家就可以列出並檢視 ORCs 可能是什麼的候選者。例如超新星爆炸後的殘骸、恆星誕生速率超高的「星爆星系」(Starburst Galaxies)中,恆星集團產生的電波輻射,以及因前方大質量天體扭曲後方天體光線路徑產生的「愛因斯坦環」(Einstein rings),都是可能的選項,但這些選項目前也都已經根據 ORCs 的各項特徵被初步排除掉了。

因重力使光線彎曲所形成的「宇宙笑臉」,就是一種愛因斯坦環。圖/NASA

還有另外一個令天文學家難以判斷 ORCs 成因的因素,是目前我們還不知道這些 ORCs 的距離有多遠。而無法知道距離就無法知道 ORCs 實際在宇宙中倒底有多大。如果ORCs是銀河系內的東西,那它們可能數直徑數光年大的天體,但如果 ORCs 是存在於銀河系外其它星系的周邊,則 ORCs 就會是直徑數十萬光年大的天體,這大小可差了十萬倍呀!

總之,目前我們還是不知道 ORCs 到底是何方神聖,雖然天文學家們已經初步刪去了許多可能的選項,但對於 ORCs 的成因推測也還沒有收斂的明確方向。而 ORCs 究竟會是什麼?而它們的發現又有沒有可能在未來改變一些我們對宇宙的認識呢?就讓我們抱著好奇的心繼續看下去吧!

參考資料

  1. ‘’WTF?’: newly discovered ghostly circles in the sky can’t be explained by current theories, and astronomers are excited
  2. Norris, Ray P.; et al. (26 June 2020). “Unexpected Circular Radio Objects at High Galactic Latitude”
  3. First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole
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陳子翔_96
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現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者