台灣科學家在「活火山山腰」設觀測站,終能讓人類拍到史上第一張黑洞照片

首圖來源:pixababy

【我們為什麼挑選這本書】去年 4 月,全球首張黑洞照片曝光,這張令全世界屏息的神秘影像,是由 8 座電波望遠鏡連線,持續 1 年半觀測解析而成,其中,台灣就負責 3 座的營運和建造。《黑洞捕手:台灣參與史上第一張黑洞照片的故事》一書中,揭露這個成就之前,台灣團隊所做的種種努力。(責任編輯:戴慈慧)

次毫米波陣列的七號跟八號機自台灣本土打造、組裝,並且在台中中山科學院的園區中進行原地測試。一切測試沒有問題之後,再拆成幾個大組件,個別分裝,一路從台中,出高雄港,運送到夏威夷檀香山,再轉運到大島的港口,經由卡車拉到毛納基亞火山頂。

起點從「地球和宇宙的連接點」開始

毛納基亞是希洛西北方的大山,在夏威夷話裡,「毛納」意謂「山」,「基亞」意謂「白色」。這是一座海拔 4,207 公尺的休火山。雖然位於熱帶的島嶼上,每年冬天還是會積一些雪,點綴了聖誕氣氛,所以夏威夷人就直呼它為「白山」。

毛納基亞火山頂是天文學界公認的「地球和宇宙的連接點」,全世界最主要的天文研究大國無不在這插旗。而天文學家的據點希洛,則是位於夏威夷大島東方的海邊小鎮,坐落在毛納基亞和毛納羅瓦兩座火山的山腳下。交錯的山勢形成一個巨大的屏障,攔下了豐富的太平洋水氣,加上火山沃土,讓萬物滋長的特別自由自在。

對仰望宇宙的人來說,毛納基亞山頂是個十分良好的天文觀測地點,它有三個得天獨厚的條件:首先,它的海拔夠高,山頂的空氣稀薄,夜晚的星空看得特別清楚。第二,夏威夷接近赤道,能同時觀測南、北天半球的星相。第三就是「信風逆溫層」。

「逆溫」成就絕佳觀測聖地

在一般的天氣情況下,海拔愈高,溫度愈低。但夏威夷的毛納基亞和毛納羅亞形成了一道屏障,使得來自東北的信風受阻下沉,產生氣溫隨高度增加的逆溫層,這個逆溫層大概介於 2,000 至 2,500 公尺之間。

正因為這個小小的溫度轉折,使得水氣被壓制在 3,000 公尺以下,硬生生的把山頂上的氣候隔離出來,讓夏威夷的高山比其他同高度的地點更為乾燥,環境類似沙漠,能避免水氣的干擾。

基於這些優點,世界上的天文觀測機構都想在毛納基亞蓋望遠鏡,中央研究院天文所從 1995 年參與次毫米波陣列開始,也致力在毛納基亞建立天文研究設施,想提升蒐集第一手科學資料的能力,並貼近世界天文研究的脈動。

但是數年來,一些關心毛納基亞環境和文化的夏威夷原住民,持續運用各種手段和法律程序,來質疑州政府的開發計畫和管理政策,使得天文研究工作在行政和運轉上多了幾道關卡。若想在山上建造新的望遠鏡據點,要經過一段非常冗長的行政流程,當我們要在夏威夷蓋另外一座望遠鏡的時候,腦筋就動到了毛納基亞隔壁的毛納羅瓦。

觀測星象前,先向火山山神拜個碼頭

毛納羅瓦是一座活火山,夏威夷話「巨大的山」,從海平面算起,高度有 4,169 公尺,比毛納基亞略矮,但若從海床量起,就比聖母峰和富士山疊加起來還高。毛納羅瓦最近一次發生岩漿噴發的火山活動事件是在 1984 年,岩漿從山腰的裂縫不斷的流出來,一路蜿蜒流竄的往小鎮接近,彷彿末日景象。正當許多居民準備逃難,岩流就在離小鎮十、十一公里外處停下來,火山活動戛然休止,大家無不額手稱慶。

我們開玩笑說:如果夏威夷的山神不喜歡我們蓋的望遠鏡,祂會用岩漿把我們趕走的。

中研院天文所就在這座活火山的山腰,海拔 3,400 公尺處建了另一個望遠鏡,便是「李遠哲宇宙背景輻射陣列」。由於當時的中研院院長李遠哲非常支持天文研究,還說了:「天文研究是個好題材,它讓人們朝共同一個方向看。」也因此這座望遠鏡以他命名。它的英文縮寫為 AMiBA,所以我們更常稱它「阿米巴陣列」。

這座望遠鏡,是在「五年五百億」時,屬於教育部補助的「宇宙學與粒子天文物理學」下的一個子計畫,由台大物理系黃偉彥教授擔任計畫總主持人,中研院天文所所長魯國鏞為共同總主持人。它是全亞洲第一個研究宇宙論的望遠鏡,主要目的是觀測宇宙大爆炸所留下的熱輻射。

在二十和二十一世紀之交,隨著科技的發展以及偵測技術的突破,宇宙學理論從理論推演,進入到精確量測。那幾年,宇宙學相關的量測或是望遠鏡發展計畫成為熱門題目。美國加州理工學院有一組研究人員在智利的高山上,蓋了一座「宇宙背景成像器」(CBI),專門量測宇宙背景溫度的極微小變異;另外,美國太空總署的「威爾金森微波異向性探測器」、歐洲太空總署的「普朗克衛星」,都是為了研究宇宙的生成過程,而設立的儀器計畫。

從打地基、鋪水泥開始,觀測站從無到有

而阿米巴陣列就是中研院天文所主導的計畫,我們邀請澳洲國家天文台幾位專家協助設計,由中研院和台灣大學天文研究所共同建造,從構思到開始科學運轉,耗時七年。當時幾個參與建造的年輕人都是新手,但是他們由打地基、鋪水泥等工作從零開始,從中獲得非常寶貴的建造、運營經驗。雖然阿米巴陣列與本次黑洞觀測無直接關聯,但這個計畫培養出的團隊,大部分都參與了我們後來架設的格陵蘭望遠鏡,默默為黑洞影像的工作出力。

2006 年,我們在夏威夷舉辦阿米巴陣列啟動典禮,由中研院院長李遠哲和台大校長李嗣涔共同主持,在夏威夷各個天文台代表的目睹下,開始望遠鏡的科學運作,算是正式第一次在國際天文界的舞台上呈現台灣的儀器發展能力。袁旂特別為這件事,做了一首詩,並將他親手的筆墨送給我。

他的詩寫著:

巡天高僕 宇宙神通

西碧陣列 精細靡窮

上窺造化 學林翕從

米巴不出 誰與爭鋒

其中「西碧」指的就是我們想像中的對手——宇宙背景成像器。從中可以想見,我們的雄心壯志。

(本文書摘內容出自《黑洞捕手:台灣參與史上第一張黑洞照片的故事》,由 天下文化 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題。首圖來源:pixababy)

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