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夏威夷最冷、最難的工作

臺北天文館_96
・2011/07/19 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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想像觀看求職欄,結果發現一則如下內容:「徵男性,工作危險,薪資微薄,得對抗酷寒與長達數個月的黑暗,不確定是否可安返,但完成後會倍覺榮耀。」 這可不是在唬爛,而是一則真實的徵人啟事,不過不是在現在的夏威夷,而是一世紀前南極探險家薛克頓(Ernest Shackleton)在英國刊登的一則徵人啟事,而且還真的由此找到他的探險同伴哩!

另外一則:「徵工作伙伴,工作危險,得待在孤立且酷寒之處,空氣稀薄,可能改變血液化學性,讓腦袋和肺無法維持平衡,如果夠幸運的話,只會暫時改變你 的個性。工作成就由其他人刊出的科學論文篇數而定。」這則可不是真的廣告,不過這倒是真實地描述了在海拔4200公尺的冒納基亞山頂(Mt. Mauna Kea),努力維持13座天文台正常運作的工作者狀況。這些工作者日夜輪班、開車到氧氣含量僅及海平面60%的山上去工作。不過稀薄的空氣只是這個工作的 挑戰之一,有時這些工作者還假裝這是個福利。

凱克天文台(Keck Observatory)望遠鏡維護技師Joe Gargiulo表示:「我覺得心情好像變得比較愉快,幽默感變得比較好耶!」這個效應在每天換班的時候最明顯:「我們要下山時迸出的玩笑話,比上山的時 候還多得多呢!」不過,Gargiulo又說:「當一天工作結束回到低海拔處時,就得付出代價,身體會覺得特別疲累,尤其是剛下山的頭半個小時,完全不想 有人靠近我。」

目前凱克天文台共有約120位雇員,其中35位每天得前往山頂維護望遠鏡和周邊儀器。在晚上,當天文學家從夏威夷Waimea凱克總部或世上其他地 方,利用遠距遙控方式進行他們的研究時,天文台內還是有一位技師(skeleton crew)協助處理兩台望遠鏡的技術事宜。

因海拔高度所引起的短暫效應讓Gargiulo得承受一個特別挑戰:每當他放工回到家時,他的女兒總想給他一個大大的擁抱。之後,Gargiulo得趕緊獨處,因為脾氣暴躁的狀態會持續約一小時左右。

資深凱克天文台觀測助理Joel Aycock同意地說:「我覺得這種狀況蠻常見的。」觀測助理通常是排班制,需要一連工作好幾晚,生理時鐘得日夜顛倒,所以有另一種壓力。Aycock在 到凱克天文台工作前,已經在海拔3050公尺的毛伊島Haleakala山頂上工作8年之久,並住在海拔1200公尺的地方,因此很習慣高海拔的環境了。 他表示:「我不覺得冒納基亞山有啥不同,可是當我上山去工作,居然還是會有這種高山效應。」每當輪值了13~16小時的班之後,得花遠超過1小時的時間來 恢復正常;事實上,他等待恢復的時間長達36~48小時左右。所以他通常會一連輪60小時的工作週,之後要整整休息一星期。

Gargiulo還提到:高山效應還有其他令人驚訝的反應,其中最讓他意外的是視力。有時他輪到夜班工作時,他的同事鼓勵他在補充氧氣時,順便抬頭仰 望冒納基亞絢爛的星空;結果卻發現當他在吸氧氣時所看到的星點數目居然倍增!因某些特殊原因得待在山頂天文台的科學家或工程師們也會不定時補充氧氣,不然 他們會發現自己變得行動遲緩,或是本來在山下可輕易搞定的事,在山上卻怎麼也解決不了。

至於社交活動,Aycock表示:「嚴重受限,我覺得我就是個被自然界造就的隱士。」僅限的社交活動只有夜晚見到的其他觀測助理和當天申請觀測的天文 學家,而且那些天文學家還是透過視訊來聯絡呢!更別說沒開飲機可以在休息時間倚著聊天了,這些觀測助理們連喘口氣的時間都沒有,因為得分分秒秒和時間競 賽,在太陽升起之前,捕捉每一分毫來自宇宙深處的星光。

一般人對這些高山上的望遠鏡最大的誤解是什麼?Aycock說:「很多人誤以為我們晚上工作時,就是透過望遠鏡目鏡觀察星空,這只是個浪漫的幻想罷 了。」事實上,所有星空影像都是經由特殊的電子相機傳遞到電腦螢幕,而且原始影像都是黑白的。這對一般人來說一點都不刺激,對天文學家來說可就不同了。 「我曾看過天文學家只為了5分鐘狀況非常好的影像而笑開懷哩!因為這來自冒納基亞大望遠鏡所取得的5分鐘璀璨星空,已足以造就一位天文學家的職業生涯。」

不過,縱使有著種種挑戰,Gargiulo等人還是覺得這兒是個很棒的工作地點。Gargiulo說:「我會來凱克是因為我喜歡這項任務,甚至很高興成為凱克的一部分。每當我結束一天的工作時,都覺得完成了一項很有價值的工作呢!」

資料來源:Cosmic Matters Blog: Hawaii’s Coldest, Steepest Job [Jul 11, 2011]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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

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  • 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
  2. 黑洞甜甜圈之後:宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡!——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
  3. 黑洞攝影怎麼拍?七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  4. 仰望宇宙的好據點,大國爭相來插旗:「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
  5. 太陽升起前,把握最後的永夜!與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  6. 人類史上首張黑洞近照:這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的? – PanSci 泛科學

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

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  • 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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