為什麼建造格陵蘭望遠鏡?

中研院天文及天文物理研究所主導的「格陵蘭望遠鏡」(GLT),在 2017 年底開光,並在 2018 年成功與夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、智利的阿塔卡瑪毫米波與次毫米波陣列 (ALMA) 連線觀測。利用特長基線干涉技術,三組大型望遠鏡形成接近地球那麼大的大三角形,相當於一個超大望遠鏡,有望拍攝到人類史上第一張黑洞的照片。

在格陵蘭建造望遠鏡,除了靠天吃飯,也需要有經驗的天文工程團隊。圖片來源│格陵蘭望遠鏡網站

在格陵蘭建造望遠鏡,除了靠天吃飯,也需要有經驗的天文工程團隊。 圖片來源│格陵蘭望遠鏡網站

天文學家的極地生活

在格陵蘭的生活是怎麼樣呢?格陵蘭望遠鏡計畫執行負責人、中研院研究員陳明堂說,冬天很麻煩,要穿厚重的衣服,一回到住處就不會想再出門了。格陵蘭的夏天是永晝、冬天是永夜,永夜的時候「會覺得怎麼睡都睡不飽」。

一般人想不到的是,格陵蘭的夏天有個很擾人的東西,那就是極地的大蚊子。穿著牛仔褲都會被蚊子叮咬,夏天工作必須戴網狀的帽子防蚊。使用臺灣帶去的電蚊拍,聞起來還會有 BBQ 的味道。

格陵蘭望遠鏡所在的圖勒空軍基地,設備還不錯,有福利社、餐廳、交誼中心、健身房。不過生活單調,每天閒暇就是與當地軍人、科學家串門子;因紐特人並不住在圖勒基地附近,平時不會遇見。

每年有三天的時間,圖勒基地會舉辦雪橇比賽,在結冰的海面上,比賽狗拉雪橇。這時因紐特人就會來到基地,順道帶一些土產來販賣。資料來源│「穹頂天眼—從格陵蘭看黑洞」紀錄片

每年有三天的時間,圖勒基地會舉辦雪橇比賽,在結冰的海面上,比賽狗拉雪橇。這時因紐特人就會來到基地,順道帶一些土產來販賣。 資料來源│「穹頂天眼—從格陵蘭看黑洞」紀錄片

 

人類即將看見黑洞

「黑洞影像,我覺得遲早會被拍到,事件視界遲早會被證實。」陳明堂說,格陵蘭望遠鏡的主要觀測目標,是 M87 星系中央的超大質量黑洞。黑洞本身是「黑」的,事實上看不到,但是我們可以看到它的陰影。陰影的亮光,來自於黑洞周圍的吸積盤

從地球看過去,黑洞實在太小,解析度必須達到幾十個「微角秒」,所有光學望遠鏡都無法達到,只能仰賴特長基線干涉儀

以現在的技術而言,有機會看到的黑洞只有兩個:銀河系中央和 M87。銀河系中央黑洞位在南方,而格陵蘭望遠鏡是在北方,觀測目標自然就是 M87 了。

陳明堂解釋,M87 黑洞與銀河系中央黑洞,特質其實不太一樣。銀河系中央黑洞離我們比較近,較容易看到,但是 M87 黑洞其實是銀河系黑洞的 1000 倍重。

左圖為電腦模擬 M87 黑洞陰影,右圖是次毫米波特長基線干涉儀在格陵蘭望遠鏡加入後,在較高頻段 (230GHz) 可望取得的 M87 黑洞陰影。影像解析度為 40 微角秒。資料來源│中研院天文所 VLBI / GLT 團隊

左圖為電腦模擬 M87 黑洞陰影,右圖是次毫米波特長基線干涉儀在格陵蘭望遠鏡加入後,在較高頻段 (230GHz) 可望取得的 M87 黑洞陰影。影像解析度為 40 微角秒。 資料來源│中研院天文所 VLBI / GLT 團隊

 

為什麼科學家想看見黑洞?

晚上一個人在荒野,你會想要點火、拿手電筒去照,看有什麼東西。好奇和不安全感,有時候是一體兩面。

陳明堂說明,看星星固然浪漫,但是科學家更關心的是「地球和太陽系的關係」、「地球是怎麼來的」這些問題。求知的過程中,得到了答案,會讓人感到安心。好比說我們知道月球、火星不會突然爆炸,而令人安心。最終,是想了解人和自然界的關係。

「黑洞、外星人、人類起源跟未來,都是大科學。」陳明堂說,看見黑洞是驗證人類的理性推理。空間裡面為什麼可以出現一個大洞,是不是有異度空間,很難理解。知道黑洞存在,可證明我們用的方法是對的,可用同樣的理論探究其他事情。

人類要真正能利用黑洞,技術上還很遙遠。陳明堂表示,未來如果人類開始製造宇宙船艦,太陽能恐怕不夠,需要更巨大的能源,恐怕就要利用黑洞。黑洞是很有效率的發電機,假如有個小黑洞繞著地球走,只要丟一兩顆石頭進去,就可以產生大量的能源,不必再燒石油、用太陽能。

先不管這些科幻的想法是否能實現,一群勇於挑戰的天文學家,已經腳踏實地,踏入了酷寒的格陵蘭,建置望遠鏡探究神祕的黑洞。

把望遠鏡搬去格陵蘭?太瘋狂了!

故事要回到大約十年前(2009 年),美國國科會將不再使用的 ALMA 原型機釋出,公開徵求科學家的提案。中研院和哈佛合作「觀測黑洞」的提案獲得接受,順利取得了這台望遠鏡。

陳明堂說明,想要用望遠鏡看到黑洞,需要極佳的解析度,因此技術門檻很高。第一,必須要有將近地球那麼大的望遠鏡。第二,望遠鏡接收的頻率,必須是頻率很高的電波。而高頻率的毫米波、次毫米波天文儀器,直到過去十幾年,技術才成熟。

問題來了,由於望遠鏡要接收的電波頻率很高,必須擺在非常乾燥的高山上。就像我們觀星要去合歡山、大雪山,因為山上大氣透明度比較好,才能看得到流星雨。

天文科學的設備,很講求大氣透明度。

新的望遠鏡地點,必須距離夏威夷和智利原有的兩組望遠鏡夠遠,且在乾燥的高山,又要考慮交通、基礎設施,於是地點的選擇相當困難。陳明堂說,他們曾經考慮過紐西蘭,但是紐西蘭沒有符合條件的高山;他們曾經考慮過阿拉斯加,然而阿拉斯加沒有可用的基礎設施。

終於,找到一個瘋狂的地點──格陵蘭。陳明堂說,他們原來根本不知道格陵蘭島上有什麼,同事去 Google 一查,才發現格陵蘭有個大氣觀測站,且是美國國家科學基金會在運作。他們試著向對方聯繫,結果順利談成合作。現在全球重要的毫米波、次毫米波天文望遠鏡,地點分佈如下圖所示:

 

要看更完整的精采文章,請至研之有物官網:

http://research.sinica.edu.tw/greenland-telescope-asiaa-chen-ming-tang/

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