人類最複雜的地面天文觀測台,Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA,阿塔卡馬大型毫米/次毫米陣列)正式開放給天文學家了。第一張釋出的影像,來自一具仍在建構當中的望遠鏡,揭露宇宙的一瞥,那在可見光與紅外線望遠鏡下無法窺見全貌。來自全世界各地的數千位科學家爭相成為第一批能利用這種新天文學工具探索宇宙某些最暗、最冷、最遠以及最隱密秘密的少數幾位研究者。
目前,在 ALMA 最終 66 具無線電天線裡,約有三分之一在智利北方海拔 5000 公尺的 Chajnantor 高原構成了成長中的陣列。這些無線電天線間隔只有 125 公尺而非最大的 16 公里。雖然仍在建構中,不過 ALMA 已成為同款望遠鏡中最棒的 — 一如大批天文學家申請時間,利用 ALMA 進行觀測所反映出來的盛況。
“即使在這個非常早期的階段,ALMA 已優於所有其他次毫米陣列。達到這個里程碑,是對 ALMA 夥伴中,來自世界各地的許多科學家與工程師令人印象深刻的表現的一種禮讚,他們使它成為可能,” Tim de Zeeuw 表示,ESO(ALMA 在歐洲的夥伴)總負責人。
ALMA 以毫米與次毫米波長的光觀測宇宙,那比可見光波長長約一千倍。利用這些較長的波長,使天文學家能研究太空中的超冷天體 — 諸如稠密的宇宙塵埃雲氣以及來自恆星與行星形成的氣體 — 以及早期宇宙中距離非常遙遠的天體。
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ALMA 與可見光以及紅外線望遠鏡極度不同。那是一種連結天線的陣列,作用如同單一個巨大的望遠鏡,而且它能偵測的波長比可見光長許多。因此,其影像與一般所熟悉的宇宙圖像十分不同。
ALMA 團隊為了準備第一輪科學性觀測,稱為 Early Science,過去幾個月以來都在忙著測試觀測台的系統。其測試結果之一是第一張發表自 ALMA 的影像,儘管那仍是一個成長中的望遠鏡。絕大部分用來建立這張觸鬚星系(Antennae Galaxies,因長的像蟑螂觸鬚而得名)影像的觀測,僅用到 12 座一同運作的天線 — 遠少於即將用在第一次科學觀測的數量 — 而且天線也靠十分接近。這些因素都使得這張新影像不過是對即將到來的一種體驗。當觀測台成長,有更多天線加入且陣列變得更大時,其觀測銳利度、效率以及品質都將大幅增加。
根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。
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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。
NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。
他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。
這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。