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無線電波望遠鏡──捕捉看不見的訊號

2009/12/02 楊嘉慧
審稿/王祥宇(中央研究院天文所副研究員)
光學望遠鏡是偵測發光或反光的天體,但若要了解漆黑的宇宙中隱藏了哪些物質,得依靠無線電波望遠鏡解開黑暗星雲的組成分子、找到超新星遺跡,甚至發現遙遠的外星生命。

 望遠鏡是天文學家研究天文相當重要的工具,尤其 20 世紀發展出無線電波望遠鏡後,更大大拓展人們對宇宙的認識。星際物質的聚散、融合、星體的形成、衰亡……,都會輻射電磁波。電磁波穿越地球大氣層時,大部份的波段會被水、氧、臭氧等吸收,只有可見光與無線電波容易穿透大氣至地面。因此,要在地球上探索宇宙,除了利用光學望遠鏡收集可見光,還要借助無線電波望遠鏡偵測無線電波,才能得到詳細的訊息。


無線電波望遠鏡──捕捉看不見的訊號


 無線電波望遠鏡主要是在偵測特定星際分子發出的譜線、低溫的熱輻射……等,當原子間相互影響,產生震盪,或分子從某個能階躍遷到另一個能階時,都會吸收或發射固定頻率的無線電波。不同分子有不同譜線,收集某處的無線電波資訊,即可分析分子的種類、空間分佈及運動情形等,例如研究不發光、緻密黑暗星雲的濃度、彗星的組成分子,或尋找胺基酸探索外星生命。此外,大霹靂初期留下來的極微弱輻射,也能被無線電波望遠鏡接收,有助於重建 137 億年前宇宙誕生的概況。

 中央研究院天文所副研究員王祥宇表示,無線電波望遠鏡的優點在於比較不受天候、日夜影響,可隨時接收訊號。常見的無線電波望遠鏡運作原理是先用碟形天線將天體投射進來的無線電波匯聚到反射次鏡,再傳送訊號到接收機做訊號放大處理,最後由終端記錄設備解讀,並將偵測資訊以圖、表等方式顯示出來。碟形天線口徑越大,收集訊號能力越強,解析度越高。目前最大的碟形天線是座落在波多黎各的阿雷希沃無線電波望遠鏡,直徑為 305 公尺;2008 年中國於貴州山村喀斯特洼地開工建製的無線電波望遠鏡,直徑更長達 500 公尺。


無線電波望遠鏡比較不受日夜、天候影響,天線可隨時接收訊號至接收機,再由終端記錄設備解讀信號。(電腦繪圖:姚裕評)


兩兩干涉,增大解析度


 一般光學望遠鏡的口徑約只能做到 10 公尺左右,然而無線電波望遠鏡所接收的電磁波波長是可見光的 100 萬倍,拋物面鏡不需做得那麼精準(鏡面誤差的容忍範圍約是波長的 1/10),製程較簡單,因此口徑可以做到數百公尺,一般小口徑的天線也有數十公尺。不過,無線電波望遠鏡的口徑做得再大,成像品質仍不如光學望遠鏡,因為解析度與入射光的波長成反比,要達到和光學望遠鏡一樣好的成像品質,口徑必須比光學望遠鏡大 100 萬倍。所以目前許多無線電波望遠鏡為了提高解析度,都設計成「干涉陣列」形式,讓不同天線接收的訊號兩兩相互干涉,再計算電波來源的分佈情形。

 王祥宇表示,將兩座相距一公里的天線所接收的訊號互相干涉,並比對彼此的訊號值,得到的解析度等同於使用直徑一公里的大型天線;兩天線間的空白訊號,可透過地球自轉,慢慢移動而收集到大範圍的資料。若只用一個小天線,缺乏相互比對的參考值,就無法提高解析度。


星體發出的無線電波傳至天線 1 與 2 時,兩者會有一段等效距離差 AB,因此兩天線不一定收到同相位的電波,將兩相位迭加起來,即得到一干涉訊號。由於地球自轉,天線會移動,可填補兩天線之間原本沒有收集到的訊號。天線位移,無線電波傳進天線的方向會跟著改變,使得等效距離差及收到的干涉訊號也會隨著改變,比對彼此間的干涉訊號值,即可推算電波來源的分佈情形。(電腦繪圖:姚裕評)


 不過,兩天線收集到的訊號是呈帶狀,要得到一區域的資料,需更多天線在不同位置兩兩干涉,例如位於美國新墨西哥州的極大陣列電波觀測站(VLA),即是以 27 座直徑 25 公尺的天線排列成 Y 字形,解析度最高可到 0.04 角秒(角秒為量測角度的單位,1°=3600 角秒),相當於可看見150公里外的一顆乒乓球;而日本、美國、澳洲、歐洲等科學家共同合作的超長基線太空天文台計畫(VSOP,the VLBI space observatory program),利用 HALCA 衛星攜帶的無線電波望遠鏡,與地面電波望遠鏡組成干涉陣列,更把有效直徑拉大至地球直徑的 2.5 倍(約 3 萬公里),解析度至少可達 37 微角秒,相當於從地球看見月球上的一顆棒球。

 現在,我們可以從地球一步步解開宇宙的神秘面紗,正是科學家不斷提升無線電波望遠鏡解析度、長時間追蹤天體訊號的結果。它讓我們不只看到某一小部份的天體,還能分析遙遠星系結構、解讀天體活動、探討宇宙演化……,對於宇宙學的發展有相當程度的貢獻。




攔截各種波段的天文望遠鏡


  天文望遠鏡除了地面常見的光學望遠鏡及無線電波望遠鏡,太空中也有各種偵測不同波段的望遠鏡,如紅外光望遠鏡、X 射線望遠鏡等,以將各種波段的天體輻射全都攔截下來。下表為常見的天文望遠鏡及其主要觀測的星體。


註:

1. 脈衝星: 快速自旋的中子星,直徑小於 20 公里。

2. 超新星殘骸:超新星爆炸時拋出的外圍物質。

3. 紅移星系:加速遠離我們而去的星系,所發出的光譜會向長波端位移。

4. 類星體:在極為遙遠的距離處觀測到的稀有天體。科學家認為類星體發出的無線電波可能是高速運動的氣體旋進黑洞時所產生。






延伸閱讀

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《觀念物理V 電磁學.核物理》,休伊特著,天下文化出版

《光學》,周趙遠鳳編著,儒林出版

高二課本《地球與環境》上冊


# 關鍵字:科學EasyLearn天文太空
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