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文/曾耀寰(中研院天文所研究助技師)
次毫米波陣列 望穿天際
2003.12.28 中國時報

1996年6月,
中研院與美國史密松機構簽署合約書,
同意由台灣建造兩座次毫米波望遠鏡(SMART),
將史密松天文台設計的SMA由原本的六座擴充到八座。
SMA是全世界第一座在次毫米波段中進行觀測的陣列望遠鏡,
今年11月下旬正式啟用,
這是台灣天文研究與國際接軌的重要成果,
也是國內大學與業界技術合作與整合的典範!

從望遠鏡、到SMA

人類研究宇宙的歷史非常久遠。長久以來,天文學家或星象學家都是在夜晚靠著肉眼直接察看天體。但肉眼觀測是有限的,一般肉眼只能看到6.5等星(雙筒望遠鏡可看到10等星),而天體的大小不超過一分弧(arcminute,角度一度的六十分之一),直到荷蘭米德爾堡的眼鏡製造商漢斯意外發明了望遠鏡,才正式打開了人類觀察宇宙的天眼。
當時漢斯是將一片凸透鏡和一片凹透鏡固定在一個圓筒上,放在自家工作室的窗口當作神奇玩具展示,伽利略知道這個消息後,察覺到這項發明對觀測天象有極大的幫助。於是他在兩周內就自行組裝一台三倍放大率的望遠鏡,接著更成功地研製出20倍放大率的望遠鏡,並於1609年秋天夜晚,仔細地觀測月球表面。自此,人類對宇宙的認識正式脫離肉眼的限制,開創了天象觀測的新紀元。

天文學家除了少數鄰近天體(如月球、火星)可以直接探測,對遙遠的天體大多是收集它們所發出的電磁波。簡單地說,電磁波是電場和磁場在空間中的強弱變化,變化情形就像水波一樣,水面有高低起伏,水波的最高點之間的距離稱為波長,例如海邊衝浪時出現的大浪,是長波長的水波,而池塘裡的漣漪則是短波長的水波。電磁波的波長可以從數百公尺的無線電波到0.001奈米以下(一奈米為十億分之一公尺)的伽瑪射線,人類肉眼可看到的電磁波波長大約從400奈米到700奈米,也就是可見光。天文學家則以來自星球的可見光觀測,運用基本的物理原理,推測遙遠星球所發生的事情,甚至從許許多多星球的觀測,推測星球演化的整個歷史。但來自宇宙的光除了可見光外,還有各種不同波長的光,必須使用不同的望遠鏡。

望遠鏡的解析程度(或者稱繞射極限)是和望遠鏡的口徑以及觀測電磁波的波長有關。通常解析程度是和口徑成正比,和電磁波波長成反比,也就是說望遠鏡的口徑越大,解析程度越佳;觀測的電磁波波長越長,解析度越低。無線電波的波長比可見光長,若要有相同的解析度,電波望遠鏡的口徑是要遠大於可見光望遠鏡。假使兩顆星體相互的距離看起來只有0.013秒弧(arcsecond,一分弧的六十分之一),凱克(Keck)十米可見光望遠鏡就可以分辨出來,至於最大的電波望遠鏡(位於波多黎哥)直徑有305米,針對波長一公分的無線電波而言,必須超過8秒弧才能分辨出來。

建造更大的單一碟型天線是非常困難的,而干涉儀可以解決這類問題。干涉儀是由許多口徑較小的望遠鏡所組成,這些小望遠鏡可以同時觀測某一天體,透過複雜的數據處理,得到單一大口徑望遠鏡的效果。當然事情並沒有那麼簡單,光靠兩架望遠鏡同時觀測天體所得到的資料是不夠的,如果有四架望遠鏡同時觀測,在兩兩成對觀測的情形下,可以獲得六筆資料,一旦增加到八架望遠鏡,資料數就變成二十八。仔細比較一下,從四架望遠鏡到八架望遠鏡,數量增加成二倍,但資料數將近變成五倍,這對干涉儀的投資報酬率來說,是非常划算的投資。

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