天文太空

以ALMA揭開宇宙的秘密

具有極佳靈敏度與角解析度的「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」,是觀測宇宙低溫物質的天文利器,將引領我們探尋宇宙的起源。

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

以ALMA揭開宇宙的秘密

具有極佳靈敏度與角解析度的「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」,是觀測宇宙低溫物質的天文利器,將引領我們探尋宇宙的起源。

撰文/李名揚
審稿/蘇裕農(中央研究院天文所計畫技術人員)

  全世界20國投入超過10億美元合作建造「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」(ALMA)(見〈天文研究新利器──ALMA〉),目的是觀測宇宙深處會發出毫米波及次毫米波的低溫塵埃和雲氣。觀測這些物質有什麼用?


  使用可見光望遠鏡觀測宇宙深處時,主要觀測目標是明亮的恆星、星系、星團、星雲。不過太空中還有一些黑暗無亮光的區域,那些區域可能並非空無一物,而是有比較冷的濃密雲氣遮住了來自後方的光線,看起來才會黑暗一片。


選擇不同頻段觀測到不同的銀河系樣貌。(影像來源:www.nasa.gov)


  這些濃密的雲氣包括了塵埃和氣體,通常稱為星際介質。由於其中的物質分佈不均勻,較密集處的重力較強,會導致塵埃、氣體之間彼此吸引而接近、聚集,最後形成恆星,因此這些黑暗的區域正是新恆星形成的溫床。


  雲氣會遮蔽背景星雲、星團發出的可見光,雖然近紅外光可以穿透雲氣,但能提供的訊息有限;而雲氣本身卻會發出毫米波和次毫米波,若能觀測這個波段的電磁波,將有助於了解新恆星溫床中的塵埃和氣體分佈情形。因此ALMA的重要任務之一,就是追尋恆星的起源。恆星是宇宙最基本的單位,研究恆星的形成是相當重要的課題。


濃厚的星際介質擋住了星雲與星團發出的可見光,用可見光望遠鏡看起來只是漆黑一片(箭頭所指處),若能藉由ALMA觀測這些新恆星溫床發出的毫米波和次毫米波,就可追尋恆星的起源,這是ALMA的重要任務之一。(影像來源:中央研究院天文所助研究員王為豪)


  另一個重要的課題是觀測行星的起源。由於ALMA具有非常強大的集光力及很高的解析度,因此可以看到遙遠的系外行星的細微結構。根據電腦模擬,若在距離我們150光年遠處有一個質量為太陽一半的恆星,以及一個類似木星大小的行星,距離該恆星5天文單位(即木星到太陽的距離),則ALMA可以相當清楚觀測到;即使距離拉長一倍到300光年處,ALMA仍可看到有點模糊的影像。


左圖是電腦模擬以ALMA觀測距離地球150光年的恆星(質量為太陽的一半)與行星(質量接近木星)系統的影像,兩者相距5天文單位(即太陽到木星的距離);右圖是距離300光年的影像。(影像來源:http://www.almaobservatory.org,cSebastian Wolf & Gennaro D'Angelo)


  另外ALMA也可研究生命起源。不同分子在受激發躍遷時,會發出不同的電磁波(稱為分子譜線),其中很多會落在次毫米波頻段;由於ALMA具有極高的靈敏度,且可觀測頻率範圍相當寬廣的次毫米波波段,因此可以捕捉到相當完整的分子譜線,而能從化學角度深入分析宇宙中的分子,探討生命起源的問題。


  另外,許多跟太陽系大約同時在46億年前形成的彗星,其彗核是由原始的冰和塵埃組成。由於多數彗星在大部份的時間裡都在遠離太陽的區域運行,較少受到太陽風和熱輻射影響;而且彗核不大,不會像行星或較大的小行星有自己的地質作用而改變物質成份,因此彗核中會保留太陽系起源時的成份,而ALMA可以分辨出這些成份,幫助我們了解太陽系的起源。


  ALMA還可研究大尺度的科學問題:星系和宇宙的起源。當星系與星系互相撞擊時,除了星球與星球之間的交互作用外,塵埃與氣體的分佈及移動也會受到非常劇烈的影響,而新的恆星會在塵埃與氣體密集分佈區形成。這些現象無法以可見光望遠鏡觀測,必須依靠ALMA觀測毫米波與次毫米波頻段來了解這種星系演化的情形。另外由於ALMA的強集光力及高解析力,可以看到用其他望遠鏡無法看到、非常遙遠甚至接近宇宙邊緣的星體,因而成為研究宇宙起源的工具。


圖為著名的觸鬚星系,是兩個星系碰撞後所產生,藍色是哈伯望遠鏡看到的恆星,而紅橘色處則是ALMA觀測到的塵埃和雲氣,可據此研究星系的交互作用。(影像來源:http://www.almaobservatory.org,cALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Visible light image: NASA/ESA, Hubble Space Telescope)


  此外,儘管科學家對於小質量恆星的形成已經有相當清楚的概念,但對於大質量恆星如何形成,仍有爭議。大質量恆星是指太陽質量10倍左右的恆星,很少單獨形成,通常是一團大質量恆星伴隨一群小質量恆星同時形成。


  由於大質量恆星形成區域都在距離地球非常遙遠的地方,發出的電磁波訊號非常微弱,因此若要研究大質量恆星的形成,望遠鏡的解析度非常重要,才能分辨所看到的現象究竟是從哪一顆年輕的恆星所展現出來。另一個問題是大質量恆星形成區域的塵埃及氣體比小質量恆星形成區域更濃密,連近紅外光都無法穿透,天文學上稱為「紅外暗星雲」,唯一能依靠的只有毫米波和次毫米波,而且要有非常強大的集光力及解析度,現有的觀測儀器能力都不夠強大,必須等ALMA興建完成後,才可能對這個領域有所突破。


台灣的參與


  ALMA共包含66座電波望遠鏡,預計2013年全部完工,到2012年5月為止已經建好33座。這項計畫共有20國參與,台灣也是其中重要的一份子,參與團隊包括中央研究院、台灣大學、清華大學、成功大學、中央大學、台灣師範大學、淡江大學及中山科學研究院。


  中央研究院天文及天文物理研究所蘇裕農博士表示,ALMA可以觀測九個頻段的毫米波和次毫米波,亦即每座天線的前段系統有九個電磁波訊號接收機,台灣的工作之一是「前段次系統整合」,負責把各國做好的接收機組裝在一起並進行整合、測試。


  台灣的另一項任務是建造兩輛「前段維護特種車」,分別命名為「梅花」及「藍鵲」,功用是維護天線的前段次系統。在過去,已經安置在陣列運轉中心(即天線陣列落腳運作的區域,海拔5000公尺)的天線,若其前段次系統出現問題,必須大費周章將天線拆卸、載運回到28公里之外的後勤補給基地(即相關人員的工作區域,海拔2900公尺)才能處理,現在則可以直接在現場維修。


  雖然ALMA尚未全部完工,但在一年多前已有1/4~1/3的天線可以運作,已比世界上其他相同波段的電波望遠鏡更先進,因此當ALMA在2011年開始接受各界申請先期觀測計畫時,全世界所有以電波望遠鏡為研究工具的天文學家爭相申請,共提出了900多個研究計畫,而ALMA只能接受112個計畫,比當年哈伯太空望遠鏡第一次接受申請時競爭更激烈。在這其中,台灣的天文團隊爭取到了8個計畫,未來的觀測結果值得期待。


台灣與各國團隊在ALMA計畫中齊力合作,打造先進的ALMA天線陣列。(影像來源:蘇裕農)


工作中的前段維護特種車。這輛車名為梅花,為台灣所建造。(影像來源:http://www.almaobservatory.org,cALMA(ESO/NAOJ/NRAO), Carlos Padilla(NRAO/AUI/NSF))







延伸閱讀

................................................................................................................

〈天文研究新利器──ALMA〉,李名揚撰文,科學EasyLearn網路版

〈恆星,很久很久以後......〉,葛史密(Donald Goldsmith)撰文,《科學人》2012年4月號

〈恆星形成大不易〉,譚英元(Erick T. Young)撰文,《科學人》2010年3月號

〈宇宙的起源〉,特納(Michael S. Turner)撰文,《科學人》2009年10月號

〈宇宙天體普查〉,哈辛格(Gunther Hasinger)、吉立(Roberto Gilli)撰文,《科學人》2002年5月號

〈夜空有多暗〉,陳林文撰文,《科學人》2002年5月號