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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

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

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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。

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。

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。

  • 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。

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。

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。

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。

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

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)

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。

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。

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。

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

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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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我們的目標是地心世界!帶動極地探險的「地球空心說」是怎麼來的?
Rock Sun
・2021/06/01 ・5563字 ・閱讀時間約 11 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

A 編按:最近的《哥吉拉大戰金剛》用了「地球空心說」,將地心作為泰坦巨獸的故鄉,可你知道嗎?「地球空心說」可是由著名天文學家艾德蒙.哈雷提出的!這個猜想不只有其道理,也帶動人類探索地心的秘密。

《一切都是泛科學的陰謀》專題與你一同挖掘各種陰謀論的脈絡!「地球空心說」並不是陰謀論,但其衍生出的各種說法,卻比陰謀論還要精采,而美國也真的派出過探險隊,試圖找到極地的地心入口。

有科學腦的人,應該很討厭陰謀論吧?有些有趣又無厘頭,有些很認真的讓你皺眉頭並且開始懷疑自己。你可能會問「這些想法為什麼會存在?」但是不管在哪個時代,陰謀論都會存在來挑戰充滿證據的事實,而我們能作的除了不斷的完整事實和理論的樣貌,還能從這些陰謀論反問自己「這背後有什麼道理嗎?」

地球內部的真實樣貌。圖/sciencephoto

如果把「地球空心說」放到現代,絕對會被大家嘲笑吧!但是在330年前,就連最偉大的天文學家也對此深信不疑。

過去,人類對於地球的內部構造並沒有定論,各種說法存在於神話、信仰之中。而第一位有憑有據猜測地球內部構造的人,是十七世紀末,大名鼎鼎的英國天文學家艾德蒙.哈雷,大膽提出了「地球其實是空心」的理論。

計算出哈雷衛星週期的天文學家-艾德蒙·哈雷。圖/Wikipedia

哈雷的浪漫猜測

哈雷發現地球的磁場其實並沒有想像中的「穩定」,在接近極區的地方,指南針並沒有辦法準確的指向,為了解釋這個現象,他大膽地假設地球的中心是中空的……更詳細一點的描述,其實地球內部是一個大空腔,裡面裝著有 3 個不互相接觸的同心球,由外到內大小分別參考金星、火星、水星,像俄羅斯娃娃一樣套在地球中,哈雷還參考土星環的原理,推斷這些球殼靠著離心力和重力懸空且不會相撞,而就是這些浮空的內部球殼造成地球磁場的變化。

哈雷的地球空心說概念圖 。圖/wikipedia

面對這多層的地球,只有最外層有住生物嗎?哈雷大膽地說:「這些內部球殼上還有生命存在,整個地球結構就像上帝創造的多層建築一樣,不同樓層有不一樣的生命。」(事實上怪物宇宙系列電影也是以此為設定,這些地方就是泰坦巨獸的家鄉)

為了完善「地球空心說」,哈雷又提出球殼內部含有「鹽水」,靠著類似玻璃的粒子阻擋來讓地面的海洋不流到底下,又在 1716 年提出影響現代地球空心說的假設,極光就是從兩極地區的大洞下噴出的發光蒸氣

神奇的地球空心說就此誕生,甚至連哈雷本人都有點難以置信,他在 1692 年的紀錄中寫到:「講出這麼誇張又浪漫的假設,讀者可能會立刻譴責,直到我找到足夠的證據支持這個假說。」

哈雷當時剛剛好和好朋友艾薩克·牛頓撰寫科學名著「自然哲學的數學原理」(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),和「自然哲學的數學原理」這本近代科學研究的基石寶典相比,哈雷在沒有足夠實驗方法下提出的地球空心說,某種程度上也算是近代科學史上第一個預測性質的假說,這稱不上是「陰謀論」,畢竟裡面沒有什麼違反當時認知事實的陰謀,只是一個科學家的大腦洞。

博物學家的瞎掰

但老實說,地球空心說並不是哈雷獨有的想法,例如同一時期在日耳曼地區,一位名叫阿塔納奇歐斯·基爾學(Athansius Kircher)的全才博物學家也出版過一本書叫作Mundus Subterraneus (姑且翻譯為: 世界之下),內容提到地球中間其實有個大窟窿,可能就像鐘乳石洞般,裡面除了地下湖泊外,還有岩漿和火焰,而北極有一個漩渦將海水吸入地球內部,加熱後從南極噴出。

阿塔納奇歐斯·基爾學在Mundus Subterraneus中繪出地球內部的樣子。圖/ARCHIVE.ORG

和哈雷相比,基爾學連支撐他故事的理論都沒有。儘管現在知道哈雷錯得離譜,但是當時的科學認知和技術已經知道轉動的金屬會產生的磁場,所以如果地球磁場會有不同,可能表示地球中間不是堅硬的石頭,而是有會旋轉的岩石、金屬體吧?而且,因為磁力與引力相比影響更大,所以內部的球殼一定要處於一個絕妙的平衡來保持球殼不會崩壞。

當然在哈雷的版本中,還是有許多無法解決的問題,例如生命都需要的陽光怎麼達到內部?哈雷試著自圓其說,表示地底可能有許多凹面鏡,反射兩極製造出跟太陽一樣耀眼的光芒。

不過哈雷的地球空心說並沒有讓大家為之瘋狂,大部分人的回應是「恩,我知道了,這樣喔」,而哈雷也沒有再針對這個說法提出解釋或補強。但這也不代表他完全放棄了,事實上,他還執筆親手畫出了 3 個地殼的假設圖,成為地球空心說最標誌的圖像之一。

雖然不被廣泛討論或承認,但在缺乏任何證據的情況下,與哈雷類似的地球空心說在 18、19 世紀偶爾會再重新出現一下,並帶著新的推論和假說。

數學大師也瘋狂

在 18 世紀,地球空心說被兩個數學家研究過,他們是大名鼎鼎的李昂哈德·尤拉(Leonhard Euler)和約翰·萊斯利(John Leslie)。

在微積分、幾何學有莫大貢獻的數學大師尤拉,曾假設空心的地球內有一個直徑將近 10000 公里的溫暖球殼,然後上面住著高科技的種族;萊斯利則是相信地底下有兩個同心球殼,內部還有兩顆恆星提供光線,他將這兩顆莫名其妙出現在地球內的恆星取名為 Pluto 和 Proserpine,也就是羅馬神話的冥王和冥后。

推廣地球空心說的辣個男人——希姆斯

19世紀地球空心說最大的推崇者是美國人約翰·克里夫·西姆斯(John Cleves Symmes),在美國紐澤西誕生的他熱愛研讀自然歷史相關書籍,在 1818 年他出版自己的地球空心說:

「我主張地球是空心的,內部有無數同心球殼而且適宜居住,地球在南北極還有成12~16度的開口已獲得陽光。我發誓要證明這件事,也準備好前往地球內部探險,希望世界能夠支持我。」

John Cleves Symmes Jr. - Wikipedia
西姆斯筆下的地球空心說。圖/Wikipedia

作為一名多產的作家和演講者,西姆斯非常勤奮地到處宣傳他的假說,包括根據整個理論提出著作 “Symzonia: Voyage of Discovery” (姑且能譯為《西姆斯:發現之旅》),還四處募款,試圖前往兩極探險。他的主張「兩極有空洞,為地心帶來光明」的假說基礎是最廣為人知的空心說版本,也是在極地探險成真之前,眾多對兩極的幻想之一。

一波三折的南極探險計畫

西姆斯的努力吸引了幾位關鍵人物的注意,一位名為詹姆斯.麥可布萊德(James McBride)的俄亥俄州有錢人,他不只寫文章支援這個假說,還遊說肯塔基的議員理查.M.強森(Richard M. Johnson)支持前往南極的探險,沒想到理查還真的說服了當時的美國總統約翰.昆西.亞當斯(John Quincy Adams),但草案卻被國會駁回,直到下一任總統安德魯.傑克森(Andrew Jackson)上任之後,一個截然不同的南極探險計畫在 1836 年才被重新提出,但西姆斯已於 1829 年去世,無緣參與這場南極遠征。

1838~1842 美國探勘船隊。圖/Wikipedia

西姆斯死後,地球空心說的代言人由俄亥俄州的一位新聞記者——傑瑞曼亞.雷諾茲(Jeremiah Reynolds)繼承。為了前往南極一探究竟,1829 年雷諾茲加入狩獵船隊,爭取前往南極的機會,但旅途一波三折,不只遭遇叛變,還被同伴流放,經歷了九死一生的冒險才回到美國。隨後 1836 年雷諾茲在國會中演講,大力推崇當時尚未定案的美國南極探險隊,他強調這將會為國家帶來光榮並加強國際事務,但是在籌劃階段他因為不滿進度和內容,所以從計畫中被開除了。

這場探險成功在傑克森總統卸任後 2 年出發,稱為 1838~1842 美國探勘船隊,由查爾斯.威爾克斯(Charles Wilkes)領導,這其實是一次非常正式的探險船隊,目的包括建立海圖、建立航線、收集科學及物種資訊……等,船隊從美國東岸出發繞過南美洲後前進太平洋,並在去程的倒數第二站造訪了南極,但是在希姆斯猜測有大洞的位置什麼都沒找到。

1838~1842 美國探勘船隊的去程路線,第 10 點即為南極洲。圖/Wikipedia

對地球空心說的狂熱並未停止

到此為止地球空心說可以說是正式破解了,但一直以來只要有機會,這個理論就會被丟出來解釋科學發現。例如 1846 年在西伯利亞冰原發現了猛瑪象遺骨,當下就有人懷疑它是不是從北極的大洞內部遊蕩出來、因為找食物而被困在西伯利亞,因為在猛瑪象的肚子內找到未消化的毬果,而死亡又這麼突然。

在 1864 年,還有一位大人物也出手了,也就是現代科幻小說之父凡爾納,他的作品之一《地心歷險記》就是描述一群人從冰島火山進入地心的世界探險,地心中還有大海和古生物。

1869 年一位美國煉金術士賽勒斯.提德(Cyrus Reed Teed)可以說是地球空心說的狂人,而且非常特別,在他的著作 “The Cellular Cosmogony, or The Earth, A Concave Sphere” 中,大膽的假設我們所居住的世界其實是地球的內凹面,我們頭上的天空其實是地球中心,而在我們地殼對面住著一支文明,但是因為濃霧的關係無法發現它們存在,而我們看到的月亮其實是另一個地球內部球殼。

提德所提出,我們世界其實是處於地球的內凹面參考圖。圖/ Wikipedia

提德還改了姓名、創立了名為 Koreshanity 的宗教,並發行雜誌來吸引信徒,為了證明我們所居住的地球面是向內凹,還使用儀器丈量地表!最後,他在佛羅里達還擁有一塊 300 英畝的土地,他和將近 250 名信徒一同活在那裡直到 1940 年。

1873 年,一位神祕學家愛德華.鮑沃爾—利頓(Edward Bulwer-Lytton)完成了 “The Coming Race”,內容有關一群住在地球內部的文明,因為發現神秘的能量來源而科技發達。

1906年,作家威廉.里德(William Reed)出版了一書 “The Phantom of the Poles”表示其實可以搭船從地球外面到達地球內部,因為重力的作用讓他們在經過反轉時完全無感,而且很多水手其實去過了只是沒有發現。

就算是在 1913 年,此時人類已經成功到達並記錄了北極點,一位叫作馬歇爾·佳德爾(Marshall Gardner)的作家還是出版的一本叫作 “A Journey to the Earth’s Interior, or Have the Poles Really Been Discovered?” 的書質疑這件事,書中表示許多已經滅絕的生物其實都住在地球內部,因為地球誕生時,離心力形成了最外層的地殼,但是內部還有一個較重的殼,並持續接收地心的熱度。

A Journey to the Earth's Interior Index
馬歇爾·佳德爾的地球空心說構圖。圖/sacred-texts.com

但是隨著我們對地球越來越瞭解,我們知道這些假說真的都是空穴來風,而在事實確認之下,已經是陰謀論的等級了。

終結地球空心說的女科學家——英厄.萊曼

20 世紀中期,第一位飛行橫跨南北極的人:理查德.伯德(Richard E. Byrd)在他的飛行紀錄回報中完全沒有提到任何大洞;1959 年一艘美國潛水艇從北極圈冰山下鑽過然後在北極地區重新出現,表示沒有大洞;儘管到今天我們在兩極都有觀測站了,還是沒有大洞存在。

1929 年,丹麥的地科學家英厄.雷曼(Inge Lehmann)藉由測量地震產生各種不同的波,推斷地球內有較靠近外部的液態構造和最裡面的固體核心,而這些液態物質的攪動、流動造成了磁場和變化,之後經過無數的實驗和驗證我們總算可以斷定……地球內部不是空的,但是某種程度上哈雷講的也沒有錯,因為我們的地球內部的結構的確有很多不同的層,包括地殼、地函、地心……等。

藉由科學測量得知地科學家英厄·雷曼。圖/Wikipedia

儘管錯得離譜,哈雷的地球空心說讓大家發現了一個可能從來沒問過的問題,激起了後來科學家們研究這件事的興趣,作為啟蒙時代的起步者,這可以說是一個有益於後代進步的有趣陰謀論,科學有趣的地方在於它的反覆驗證、質疑並且修正的特性,我們可以從錯誤的主張,逐漸導出正確的路。

參考資料:

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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者