天文太空

天文研究新利器──ALMA

宇宙中的物質所發出的電磁波中,毫米波及次毫米波很容易被大氣中的水氣吸收以致於較難在地表進行觀測,科學家為了追尋其中所含的宇宙奧秘,在智利的沙漠高原上興建「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」,肩負這項艱鉅的觀測任務。

撰文/李名揚
審稿/蘇裕農(中央研究院天文所計畫技術人員)

天文太空

天文研究新利器──ALMA

宇宙中的物質所發出的電磁波中,毫米波及次毫米波很容易被大氣中的水氣吸收以致於較難在地表進行觀測,科學家為了追尋其中所含的宇宙奧秘,在智利的沙漠高原上興建「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」,肩負這項艱鉅的觀測任務。

撰文/李名揚
審稿/蘇裕農(中央研究院天文所計畫技術人員)

  夜間仰望星空,可看到藍白色、黃色、紅色等不同顏色的恆星,這是因為其溫度不同,絕對溫度1萬度以上的是藍白色,像太陽一樣6000度的是黃色,而低溫只有3000度的則是紅色。那麼更低溫、例如只有絕對溫度10度或100度的塵埃或氣體呢?這些物質會發出毫米波或次毫米波輻射,必須用專門的電波望遠鏡才能觀測。


  進行光學觀測的兩個必要條件是不能有雲、大氣要穩定,但進行毫米波或次毫米波的觀測時,最重要的限制因素則是水氣。水氣會吸收毫米波和次毫米波,所以這種電波望遠鏡必須蓋在海拔很高、水氣很少的地方。目前全世界最大的「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA),就是蓋在智利北部亞他加馬沙漠中海拔5000公尺的高原上。


  ALMA分為主陣列及密集陣列兩部份,主陣列由50座口徑12公尺的天線組成(電波望遠鏡也可稱為天線),由北美團隊(包括台灣)及歐洲團隊負責興建;密集陣列則由4座12公尺及12座7公尺的天線組成,由東亞團隊(也包括台灣)負責興建。



ALMA的主陣列由50座口徑12公尺的天線所組成,由北美及歐洲團隊負責興建,台灣也參與其中,預計2013年完工。(影像來源:http://www.almaobservatory.org,cALMA (ESO/NAOJ/NRAO))


每個國家建造的天線外型不盡相同,而其中北美與東亞較為相像。(影像來源:蘇裕農)


  參與ALMA計畫的中央研究院天文及天文物理研究所蘇裕農博士指出,之所以要將多座望遠鏡組合成陣列,是為了提高望遠鏡的解析力。解析力越強,可以分辨的張角越小,也就可以看到星體越細微的結構。望遠鏡能分辨的張角大小與波長成正比而與口徑成反比,毫米波的波長是可見光的1000倍以上,因此口徑也必須是可見光望遠鏡的1000倍以上,才能達到相同的解析力。目前的大型可見光望遠鏡口徑可到10公尺,電波望遠鏡的口徑必須達到10公里才能相比,這很難做到,替代的做法是建造很多座電波望遠鏡,分散在相當大面積的範圍內,如此一來這些電波望遠鏡就好像組成一個超大口徑的望遠鏡(只是其中很多部份被遮掉)。以ALMA而言,相距最遠的兩座望遠鏡之間的距離是15公里(稱為「基線」),就好像形成一座口徑15公里的超大望遠鏡,其最高解析力可達0.005角秒(1角秒為1/3600度)。所謂0.005角秒,大約是從400公里之外看一個一元銅板的張角。


  除了解析力之外,望遠鏡的集光力也很重要。集光力與口徑的平方成正比,口徑若是10倍,集光力就是100倍,觀測時間就可縮短為1/100。這就是ALMA為什麼要建造那麼多座天線的原因,如此加起來的集光面積才夠大,是目前其他同波段望遠鏡的6倍以上。


  而將ALMA分成兩個陣列,則是考慮到ALMA的主陣列雖有良好的集光力與角解析力,但也因為天線較大、基線較長,對於大尺度的結構力有未逮(陣列所能描繪的最大尺度結構決定於最短的基線長度),此時口徑較小、基線較短的密集陣列就能發揮功用,描繪星體大尺度的結構。


  事實上, ALMA的陣列會有不同組態,從大到小都有,不會一年到頭都維持15公里長的基線。就像由27座口徑25公尺的天線構成一Y字型陣列、非常有名的極大陣列電波觀測站(VLA),分成A、B、C、D四種大小不等的組態,每隔四個月就換一種組態,讓天文學者可以針對不同目的進行觀測。ALMA由於天線數量相當多,難以在短時間內搬運眾多天線來一次更換天線組態,取而代之的方法是漸進式改變組態,即每次只搬動一兩座天線,如此也不會影響正常科學觀測的進行。


  不過ALMA每座天線的搬動都是大工程。蘇裕農表示,ALMA的12公尺口徑天線重100公噸,天線運輸車的寬度幾乎跟天線的直徑一樣,有28個輪子。平常他們工作時,從海拔2900公尺的後勤補給基地開車到28公里外、海拔5000公尺的陣列運轉中心,大約40~50分鐘內可抵達;但運輸車卻要以很慢的速度開好幾個小時,從清晨走到午後,抵達後卸下及安裝天線又要好幾個小時,通常要到傍晚才能全部安置妥當。


  ALMA預計2013年全部完工,到時人類的天文觀測能力將邁入一個新紀元,揭開更多宇宙的秘密。



歐洲團隊承製的天線運輸車十分龐大,寬度幾近ALMA天線的直徑12公尺,配備28個巨大輪子以載運重達100公噸的ALMA天線。(影像來源:http://www.almaobservatory.org,cALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Stanghellini (ESO))





  除了參與ALMA計畫,台灣的天文團隊還參與了另一個國際合作計畫:次毫米波陣列望遠鏡(SubMillimeter Array, SMA),這是由8座口徑6公尺的天線組成(其中2座由台灣建造),於2003年建於海拔4080公尺的夏威夷茂納開亞火山,也是觀測毫米波和次毫米波。建造者為美國的史密森尼天文物理觀測站(Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO)與台灣的中央研究院天文及天文物理研究所。


  SMA的解析力為0.15角秒,主要有三個觀測頻段,1.3毫米、0.8毫米及0.4毫米,其中波長最短的0.4毫米波段對天氣的要求最嚴格,即使是觀測條件極佳的夏威夷山頂,平均每年也只有5~10%的時間可以觀測。這也是為什麼更先進的ALMA必須蓋在更高、更乾燥的5000公尺沙漠的原因。


  SMA的主要研究目標跟ALMA一樣,都是觀測會發出毫米波和次毫米波的低溫星際物質,可分析緊臨年輕或老年恆星的低溫雲氣、形成恆星或行星的吸積盤,以及外星系中的恆星劇增區。值得一提的是,中研院天文所的研究團隊可在台北遠端遙控SMA執行觀測任務。





延伸閱讀

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Atacama Large Millimeter-submillimeter Array, ALMA

Atacama Large Millimeter-submillimeter Array, ALMA - Taiwan

〈以ALMA揭開宇宙的秘密〉,李名揚撰文,科學EasyLearn網路版

〈未來的巨無霸望遠鏡〉,吉爾莫基(Roberto Gilmozzi)撰文,《科學人》2006年6月號

〈地面望遠鏡之最〉,郭雅欣撰文,《科學人》2010年12月號

〈無線電波新世界〉,沃爾維頓 ( Mark Wolverton )撰文,《科學人》2008年10月號

〈宇宙的中年危機〉,巴格(Amy J. Barger)撰文,《科學人》2005年2月號