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獨樹一幟—遠征極頂探尋微中子

科學月刊_96
・2012/12/12 ・4406字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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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。

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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)。

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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。

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「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。

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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。

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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。

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▲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。

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科學月刊 第四十三卷第五期

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和外星人的第五類接觸!《三體》中的微中子通訊是真的?
PanSci_96
・2024/04/08 ・6799字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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不要回答!不要回答!不要回答!

Netflix 版「三體」終於上線了,你覺得與外星人接觸是安全的,還是冒險的?

其實啊,人類早就多次嘗試與外星文明接觸,三體中的「那個」技術,甚至也已經驗證成功了?到底誰能先與外星人取得聯繫?是中國還是美國?

接下來的討論可能會暴雷原版小說的設定,但應該不會暴雷 Netflix 版的劇情。

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如果你也有一點想跟外星人接觸,那就來看看人類到底已經跟外星人搭訕到什麼程度了吧!

我們與外星文明接觸過了嗎?

對於是否要與外星文明接觸,每個人都有不同想法。三體小說作者劉慈欣在小說中提出一種觀點,那就是人類太弱小,最好避免與外星文明接觸,以免招致不必要的風險。

但是回到現實世界,如果我們真的身處在三體的世界的話,那人類可真的是不停作死啊。早在 1974 年,科學家就利用阿雷西博天文台,向武仙座的 M13 球狀星團發射了一條著名的訊息,也就是「阿雷西博訊息」。這個目標距離地球不算遠,星星又多,被認為是潛在的外星文明所在。阿雷西博訊息中,則包含人類的 DNA 結構、太陽與九大行星、人類的姿態等資訊。每次想到總覺得是新開的炸雞排在發傳單攬客。

航海家金唱片。圖/wikimedia

除了無實體的電波訊息,人類還向太空中發送了實體的「信件」。1977 年,航海家探測器載著「航海家金唱片」進入太空。唱片中收錄了包含台語在內,55 種語言的問候語、大自然與鳥獸的聲音、115 張圖像、還用 14 顆銀河系內已知的脈衝星來標示出太陽系的位置。是一封向宇宙表達人類文明與友好意圖的信件。恩,如果接收到這個訊息的外星人不是很友善的話,那麼……。

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好吧,就算現在說應該要謹慎考慮接觸外星文明的風險,或許已經來不及了。對方是善還是惡,怎麼定義善或惡,會不會突然對我們發動攻擊,我們也只能聽天由命了。

反過來說,過了這麼久,我們收到外星文明的來信了嗎?

要確定有沒有外星文明,接收訊號當然跟發送訊號同等重要甚至更重要。1960 年,天文學家法蘭克.德雷克,就曾通過奧茲瑪計畫,使用直徑 26 公尺的電波望遠鏡,觀察可能有外星文明的天苑四和天倉五兩個恆星系統,標誌著「尋找外星智慧計畫」(the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)的誕生。可惜,累積了超過 150 小時的訊息,都沒有搜尋到可辨識的訊號。

比較近的則是 1995 年的鳳凰計畫,要研究來自太陽附近一千個恆星所發出的一千兩百到三千百萬赫的無線電波。由於有經費支持,SETI 每年可以花五百萬美元,掃描一千多個恆星,但是目前還沒有任何發現。

中間有一個小插曲是,1967 年 10 月,英國劍橋大學的研究生喬絲琳.貝爾發現無線電望遠鏡收到了一個非常規律的脈衝訊號,訊號周期約為 1.34 秒,每次脈衝持續時間 0.04 秒。因為有可能是來自外星文明的訊號,因此訊號被開玩笑地取為 Little Green Man 1(LGM-1 號)。但後來他們又發現了多個類似的脈衝信號,最後證實這些脈衝是來自高速自轉的中子星,而非某個文明正在傳遞訊息。

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貴州天眼望遠鏡。圖/FAST

在中國也有探索外星生命的計畫,大家最關注的貴州天眼望遠鏡,直徑達五百公尺,是地球上最大的單一口徑電波望遠鏡。天眼望遠鏡在探索外星生命這件事,並不只是傳聞而已。2016 年 9 月天眼正式啟用後,也宣布加入 SETI 計畫。現在貴州天眼的六大任務之一,就包含探測星際通訊,希望能捕捉到來自其他星際文明的訊號。

而背負著地球最大單一口徑望遠鏡的名號,自然也引起不少關注。從 2016 年啟用到現在,就陸續出現不少檢測到可疑訊號的新聞。然而,這些訊號還需要經過檢驗,確定不是其他來自地面或地球附近的干擾源,或是我們過去難以發現的輻射源。可以確定的是,目前官方還未正式聲明找到外星文明訊號。

會不會是我們的通訊方法都選擇錯誤了?

即使電磁波用光速傳遞訊息,太陽系的直徑約 2 光年、銀河系直徑約 10 萬光年。或許我們的訊息還需要花很多時間才回得來,更別提那些被拋入太空的實體信件。航海家 1 號曾是世界上移動速度最快的人造物,現在仍以大約時速 6 萬公里的速度遠離地球,大約只有光速的一萬八千分之一倍。就算朝著最近的恆星——比鄰星飛去,最少也需要大約 7 萬 6 千年的時間才會到。

如果用電磁波傳遞訊息,又容易因為穿越星塵、行星、恆星等天體而被阻擋或吸收。不論是人類還是外星文明,都必須找到一個既快速,又不容易衰退的訊號,最好就是能以光速穿越任何障礙物的方式。

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在三體小說中,就給出了一個關鍵方法:微中子通訊。

微中子通訊是什麼?

微中子(Neutrino),中國通常翻譯為中微子,是一種基本粒子。也就是說它是物質的最基本組成單位,無法被進一步分割。這種粒子引起了廣泛關注,因為它與其他物質的交互作用極弱,並且以極高的速度運動。微中子能夠輕易穿過大部分物質,通過時幾乎不受阻礙,因此難以檢測。

在宇宙中,微中子的數量僅次於光子,是宇宙中第二多的粒子。有多多呢?地球上面向太陽的方向,每平方公分的面積,大約是你的手指指尖,每秒鐘都會被大約 650 億個來自太陽的微中子穿過,就是這麼多。但是因為微中子與物質的反應真的是太弱了,例如在純水中,它們平均需要向前走 250 光年,才會與水產生一次交互作用,以至於我們幾乎不會發現它們的存在。

藉由微中子撞擊氣泡室中氫原子裡的質子,進行微中子觀測,照片右方三條軌跡的匯集之處便是帶電粒子撞擊發生處。圖/wikimedia

但是對物理學家來說,更特別的是微中子展示出三種不同的「味」(flavor),也就是三種樣貌,電子微中子,渺子微中子和濤微中子,分別對應到不同的物理特性。 在粒子物理學裏,有個「標準模型」來描述強力、弱力及電磁力這三種基本力,以及所有基本粒子。在這個標準模型中,微中子是不具備質量的。 然而,當科學家發現微中子竟然有三種味,而且能透過微中子振盪,在三種「味」之間相互轉換,證明了微中子必須具有質量,推翻了標準模型中預測微中子是無質量的假設,表示標準模型還不完備。

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微中子在物理界是個非常有研究價值的對象,值得我們花上一整集來好好介紹,這邊就先點到為止。如果你對微中子或其他基本粒子很感興趣,歡迎在留言催促我們。

我們現在只要知道,微中子不僅推翻了標準模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有質量這件事情,更可能更新我們對宇宙的理解,以及增加對暗物質的了解。

但回到我們的問題,如果微中子幾乎不與其他粒子交互作用,我們要怎麼接收來自外星文明的微中子通訊呢?

要如何接收微中子?

Netflix 版《三體》預告片中,這個一閃而過,充滿金色圓球,帶有點宗教與科幻風格的大水缸,就是其中的關鍵。

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這個小說中沒有特別提到,但相信觀眾中也有人一眼就看出來。這就是位在日本岐阜縣飛驒市,地表 1,000 公尺之下,由廢棄礦坑改建而成的大型微中子探測器「神岡探測器」。

由廢棄砷礦坑改建而成,深達千米的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande Construction

探測器的主要結構是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的巨大圓柱形的容器。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管,用於捕捉微小的訊號。水缸中則需灌滿 5 萬噸的超純水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿過整座探測器時,微中子和水中的氫原子和氧原子發生交互作用,產生淡藍色的光芒。這與我們在核電系列中提到,核燃料池中會發出淡藍色光芒的原理一樣,是當粒子在水中超越介質光速時,產生類似音爆的「契忍可夫輻射」。

填水的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande

也就是說,科學家準備一個超大的水缸來與微中子產生反應,並且用超過一萬個光電倍增管,來捕捉微小的契忍可夫輻射訊號。

但這樣的設計十分值得,前面提到的微中子可以在三種「味」中互相轉換,就是在這個水槽中被證實的。

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這座「神岡探測器」在建成後 40 幾年來,讓日本孕育出了 5 位的諾貝爾物理獎得主。

三體影集選在這邊拍攝,真的要說,選得好啊。

話說回來,有了微中子的捕捉方法之後,現實中還真的有人研究起了微中子通訊!

微中子通訊是怎麼做到的?

來自羅徹斯特大學與北卡羅來納州立大學的團隊,在 2012 年發表了一篇文章,說明它們已成功使用微中子,以接近光速的速度將訊息穿過 1 公里的距離,其中有 240 公尺是堅硬的岩石。訊息的內容是「Neutrino」,也就是微中子。

這套設備準備起來也不簡單,用來發射微中子的,是一部強大的粒子加速器 NuMI。質子在加速繞行一個周長 3.3 公里的軌道之後,與一個碳標靶相撞,發出高強度的微中子射束。

用磁場將微中子聚集成束的 NuMI。圖/Fermilab

用來接收微中子的則是邊長約 1.7 公尺,長 5 公尺的六角柱探測器 MINERvA,一樣身處於地底 100 公尺的洞穴中。

當然,這兩套設備的重點都是拿來研究微中子特性,而不是為了通訊設計的。團隊只是趁著主要任務之間的空檔,花了兩小時驗證通訊的可能性。

但微中子那麼難測量,要怎麼拿來通訊呢?團隊換了一個思維,目標只要能傳出0跟1就好,而這裡的0就是沒有發射微中子,而1則是發出微中子,而且是一大堆微中子。多到即使每百億個微中子只有一個會被 MINERvA 偵測到,只要靠著數量暴力,探測器就一定能接收到微中子。最後的實驗結果,平均一秒可以傳 0.1 個位元的訊息,錯誤率 1%。

MINERvA 實驗中的中微子偵測器示意圖。圖/wikimedia

看起來效率並不實用,卻是一個好的開始。

因為微中子「幾乎能穿透所有物體」的特性,即便我們還沒有其他外星文明可以通訊,或許還是有其他作用。例如潛水艇的通訊、或是與礦坑深處的通訊。進一步說,他幾乎可以在地球上的任一兩點建立點對點的直線通訊,完全不用擔心中間的阻礙。而對於現在最夯的太空競賽來說,月球背面的通訊問題,微中子也可以完美解決。

那麼,在微中子的研究上,各國的進度如何了呢?

除了前面提到的超級神岡,世界上還有幾個有趣的微中子探測器,例如位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站(SNO),它有特殊的球體設計並且改為填充重水,專門用來觀測來自太陽的微中子。

薩德伯里中微子探測器。圖/wikimedia

而位於南極的冰立方微中子觀測站,則是將探測器直接埋在南極 1450 到 2450 公尺的冰層底下,將上方的冰層直接作為捕捉微中子的水。非常聰明的設計,這也讓冰立方成為地球上最大的微中子探測器。

除了已經在使用的這幾個探測器之外,美、中、日也即將打造更先進、更強大的探測器。

預計在美國打造的國際計畫——地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment),預計成為世界上最大的低溫粒子偵測器。接收器位於南達科他州的地底一公里深處,用作研究的微中子訊號源則來自 1300 公里外的費米實驗室,百萬瓦等級的質子加速器,將產生有史以來最強的微中子束。這台地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment)的縮寫非常有趣,就是 DUNE,沙丘。

中國呢,則預計在廣東的江門市,用 2 萬支 51 公分光電倍增管和 2 萬 5000 支 7.6 公分光電倍增管,在地底 700 公尺深處,打造巨大球形的微中子探測器-江門中微子實驗室,內部可以填充兩萬噸的純水。最新的消息是預計 2024 年就能啟用。

最後,經典的超級神岡探測器也不會就此原地踏步,日本預計打造更大的超巨型神岡探測器。容積將提升 5.2 倍、光電管從 11200 個變成 4 萬個,進一步研究微中子與反微中子之間的震盪。

超巨型神岡探測器設計圖。圖/Hyper-Kamiokande

結論

這些微中子探測器的研究目標必然是微中子本身的特性。但既然微中子通訊是有可能的,在任務之餘研究一下這個可能性,也不是說不行吧。

雖然我們現在還沒連繫上我們的好鄰居,但很難說明天就有哪個外星文明終於接收到我們對外宣傳的訊息,發出微中子通訊問候,甚至按圖索驥跑來地球。

至於那時我們應該怎麼辦呢?我們的網站上有幾篇文章,包括介紹黑暗森林法則,以及從《異星入境》看我們要如何與語言不通的外星文明溝通。有興趣的朋友,可以點擊資訊欄的連結觀看。在外星人降臨之前,也不妨參考我們的科學小物哦。

最後問問大家,你覺得我們應該主動聯繫外星文明嗎?

  1. 當然要,我相信探索一定是好的,我覺得引力波通訊更有機會!
  2. 先不要,我已經可以想像被外星文明奴役的未來了!
  3. 為了維繫美中之間的平衡,由台灣來率先接觸外星人,當仁不讓啊!

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延伸閱讀

參考資料

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

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到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

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看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

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  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

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不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

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相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

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於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

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宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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《比宇宙更遠的地方》及其背後的科學——你不可不知的科幻動畫(一)
科學大抖宅_96
・2021/07/31 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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我們距離宇宙有多遠?如果你開車往正上方的天空行駛,以高速公路的行車速度,一個小時就能抵達外太空。

大氣層與外太空的分界線,目前並沒有全球統一的認定標準。國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)將其定為海平面上方 100 公里處;美國空軍、以及美國國家航空暨太空總署(NASA)則以海拔 80 公里為交界——這麼近的距離,根本簡簡單單開車就到了呀!(不要瞎掰好嗎)

相較於宇宙的近,南極雖然在地球上,但是對絕大多數人來說,距離卻相當遙遠。2007 年,日本前太空人毛利衛被招待至南極的昭和基地後,講了句感想:「只要數分鐘就能抵達宇宙,到昭和基地卻要花數天;簡直比宇宙還要遠呢。」《比宇宙更遠的地方》(宇宙よりも遠い場所)這部動畫作品,描述的就是一群高中女學生努力突破現實困難,來到比宇宙更遠的地方——南極的故事。

《比宇宙更遠的地方》宣傳照。

(以下微科學劇情雷)

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日本的南極觀測任務

《比宇宙更遠的地方》並不是刻板印象中的科幻片,劇情中沒有機器人、沒有太空船,也沒有外星人或宇宙基地;但它確實是有著紮實科學背景設定的幻想故事。主角們搭乘的破冰船企鵝饅頭號,設定上為退役的日本碎冰艦第二代「白瀨」(しらせ)改造而成;實際上,這艘日文名字發音跟主角之一相同的船,現今仍在服役,支援著日本的南極觀測任務。

現實世界的第二代白瀨。圖/wikipedia

至於動畫中,位於南極的昭和基地,也是完全參考自現實世界的昭和基地;其於 1957 年開設,目前仍為日本在南極的主要觀測基地。與劇情類似,南極地域觀測隊會不時跟日本當地,如博物館和各級學校等單位,進行衛星連線科普活動。以年為單位,每個梯次的觀測隊員約在百名以下,包括公家機關成員,以及民間專業人員;其中又區分成在南極待上一整年、每年二月交接的越冬隊,和只駐紮夏天期間的夏隊,以及少數的同行者(如記者、外國科學家、大學生等)。

可惜的是,到目前為止,南極地域觀測隊從來沒有女高中生參與;最年輕的成員為大學生。過去,女性觀測隊員鳳毛麟角,近年才有逐漸增加的趨勢,最多可達十幾人;而且,一直要到 2018 年,才首度有女性擔任隊長職務。在《比宇宙更遠的地方》裡,重要幹部/角色幾乎都是女性,一方面或許是為了跟主角們的性別身份呼應;另一方面,可能也是一種期許吧?

現實中的昭和基地看板。圖/wikipedia

南極的天文台

在動畫劇情中,觀測隊的重要目標,乃在南極內陸建立天文台;而現實世界裡,日本目前並沒有這樣的計畫,但確實有透過國際合作架設天文台的未來展望。

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現在於南極洲運作的天文望遠鏡,最有名的當屬美國阿蒙森–斯科特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT);它位於地理南極、海拔 2800 公尺的高原上,口徑 10 公尺,可觀測的電磁波段包括了微波、毫米/次毫米波,也是事件視界望遠鏡的參與機構之一。事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫,協調世界各地電波望遠鏡獨立觀測特定目標,再將數據整合,形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。2019 年事件視界望遠鏡所發布,轟動全球的超大質量黑洞 M87 觀測照片,即有來自南極望遠鏡的貢獻。

南極望遠鏡。圖/wikipedia

為什麼選擇在南極內陸進行天文觀測?

為什麼在南極建立天文台這麼重要呢?要做,在自己國家做不就好了嗎?《比宇宙更遠的地方》又為何要設定成,去南極內陸建天文台,而非建在靠海的昭和基地?事實上,位處南極洲中央的南極高原,擁有其他地方無可比擬的天文觀測優勢

因為空氣中的水分子會吸收電磁波(程度依波段而異),所以觀測某些特定電磁波段的望遠鏡,必須建在特別乾燥的地方,避免觀測結果受到水氣影響。南極氣候嚴寒,空氣中的水份極少;加上內陸高原平均海拔 3000 公尺,空氣稀薄又乾淨――這些因素都讓南極內陸的天文觀測,可以最大程度地避免地球大氣層的干擾。

不僅如此,在地理南極附近,每年有六個月的永夜,星星亦不會東升西落――意味著,天文台可以不間斷地連續進行觀測、獲取數據,不會受到打擾。

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阿蒙森–斯科特南極站座落在地理南極(紅線圈起來處);右上方黑框處可見昭和基地(Syowa)。圖/Wikipedia

南極的科學研究

不只黑洞觀測,南極的許多科學研究計畫都得到豐碩成果。1982 年,日本在昭和基地的越冬隊發現,南極上空的臭氧隨時間快速減少,甚至一度懷疑儀器出了問題。兩年後,觀測隊成員在研討會中發表調查結果,成為史上第一份南極臭氧層破洞的報告;《蒙特婁議定書》也才因此誕生,要求禁用氟氯碳化物等破壞臭氧層的化學物質。

臭氧層破洞的發現,於劇中(右上畫面)也有交代。圖/twitter

除了大氣層臭氧濃度的變化之外,南極也對我們理解遙遠過去的地球氣候貢獻卓著。眾所周知,南極大陸地表覆蓋著深厚的冰層,最厚處甚至超過 4 公里;它們是在漫長的歲月之中,逐漸堆積形成。換言之,在冰層的越深處,年代越久遠。藉由挖掘深層的冰柱樣本(稱為冰核,Ice Core),科學家就能分析出隱藏在冰裡的昔日氣候資訊,如當時氣溫和大氣的二氧化碳濃度等。目前人類挖出的冰核,最深超過三公里,可回溯至接近八十萬年前。

挖掘冰核的過程,以及冰核照片。圖/Nasa Earth Observatory

作為人類最後才踏足的大陸,南極帶給我們許多科研調查上的驚喜。至 2016 年為止,美國在南極找到約 22000 顆隕石,日本也回收超過 17000 塊隕石,對地質學研究貢獻甚鉅。在生命科學,如生態系觀察、環境污染調查、南極湖底苔蘚植被的發現等等,皆不容小覷。在物理學,目前有微中子(質量極小又難以和其他物質作用的次原子粒子)的大型觀測計畫正在進行。除了上述議題之外,還有其他諸多研究領域或主題,也在南極展開。

至於台灣,雖然本身並沒有南極的研究站,但科研人員可藉由跨國合作前往南極進行研究;如中央大學太空科學與工程學系的林映岑老師,就曾前往南極長駐一年,是目前國內唯一擁有南極研究經驗的女性科學家。此外,台灣也有為南極的部分研究設施貢獻過心力,像是事件視界望遠鏡的調校、台大物理系暨天文物理所的陳丕燊老師推動的微中子天文台「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA)等。

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一起去南極吧!

植基於現實中的南極科學考察活動,《比宇宙更遠的地方》以四位女高中生為主角,展開她們青春的一頁。主角們在破冰船上、在南極的生活種種,都顯示出動畫製作公司花了相當大的心力,做足功課,才能有如此忠實的呈現。

動畫中,科學性的設定不單是用來搭配全劇的布景,甚至也可以說是讓故事更顯真實的重要點綴:包括研究計畫可能面臨的人力、物力短缺,和計畫執行前的準備和訓練等,劇情中都有一定篇幅的交代。雖然就自己身為科學研究人員的角度來說,會覺得科學內容的說明太少,不夠過癮,但這畢竟是給大眾看的動畫――就科學調查活動的呈現、角色的塑造、以及劇情的娛樂性等不同面向,個人認為比例拿捏得很不錯。

以南極為目標的主角們,透過一次次的努力,克服困難,想方設法來到南極,還要面對許許多多人際關係的衝突與學習;隨著旅程的開始和結束,她們得到的不只是一段獨特的旅行經驗,也是每個人的成長,和彼此之間的友誼。《比宇宙更遠的地方》曾榮獲紐約時報「2018 年最優秀電視節目獎」;它沒有深奧難懂的設定、沒有燒腦的情節;以溫馨勵志的內容溫暖人心之餘,其細緻的南極生活刻畫,也讓人心神嚮往,恨不得親自去一趟南極了呢!

動畫中的破冰船,第二代白瀨。圖/IMDb

參考文獻

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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/