專業 物理

望向天際的大眼睛 — 格陵蘭計畫初始

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撰文者:陳明堂
發文日期:2019-09-25
點閱次數:255
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    2008 年,由美國學者 Shep Doeleman 主導的團隊,利用三台分別位於夏威夷州、加州及亞利桑那州的電波望遠鏡,首次實現在「次毫米」波段的「極長基線干涉技術」(VLBI:Very Long Baseline Interometry)。這次觀測的結果在2008 年 9月美國著名的《自然》科學雜誌出版了。這篇文章主要的亮點在於精確的量測到人馬座 A* 星體的結構,並推論:人馬座A* 的電波訊號主要不是源自於星體的中心,而是周圍的吸積盤。換句話說,人馬座 A* 的光源是一個類似環狀的發光體,它的中心是暗的,這個推論支持了人馬座 A* 具有「黑洞陰影」的理論。由於參與這次觀測的望遠鏡數量和相對之間的基線距離無法提供足夠的影像解析能力來直接分辨出黑洞的影像,所以它的結果還是無法斷定黑洞的存在。但是這次實驗成功,驗證了「次毫米波」VLBI 觀測方法的可行性,也讓世界上許多長年研究緻密天體的學者們都極感興奮地想摩拳擦掌,放手一搏。為什麼呢?原因是非常明顯。首先,從事這方面研究的人都知道這次參與觀測的望遠鏡只是世界上少部分的「次毫米波」望遠鏡,其它的「次毫米波」望遠鏡還有我們的「次毫米波陣列」(SMA:Submillimeter Array)、位於南極的「南極望遠鏡」(SPT:South Pole Telescope)、智利高原的「APEX」(Atacama Pathfinder Experiment)、和位於西班牙境內的「IRAM」(Institute de Radioastronomie Millimetrique, 位於 Pico Veleta);這些望遠鏡只要再經過局部的改裝,搭配上一座精準的原子鐘,即可參與同樣的 VLBI 觀測。另外,在接下來的幾年內,還有幾個大型的「次毫米」電波望遠鏡即將完成,分別是:位於法國阿爾卑斯山的 IRAM NOEMA 陣列,墨西哥的 LMT (The Large Millimeter Telescope) 和智利的 ALMA (Atacama Large Millimeter Array)。更多的望遠鏡一起參與 VLBI的觀測將會大大地提高訊號的靈敏度,而且只要能夠把這些位在地球不同角落的望遠鏡全部連線成為 VLBI 陣列,將會形成一座具有地球一般大小的「合成孔徑望遠鏡」,其所提供的影像解析力足以「看清楚」黑洞是否存在。當下,我們已相信擷取「黑洞影像」的成果是指日可待;這將會是一個百年來突破性的科學成果。這篇文章發表後,使得天文學家們不再問「如何」才能擷取黑洞影像,或是「何時」才會證實黑洞的存在。每個人想的是誰有「能力」運作掌控足夠的望遠鏡資源,成為第一個擷取到黑洞影像的人。這即將是一個既合作又競爭的研究工作;這場世界性的科學競賽就當下響起競賽槍聲 ——


    什麼是『次毫米』?

    次毫米波波長略小於毫米,是介於 1 ~ 0.3 毫米的電磁波。電磁波譜上,次毫米波段介於紅外線與微波之間,頻率為 300 ~ 900 GHz。

     
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    Image credits: ALMA/ ASIAA, illustration by Frannerd. Chinese characters were handwritten by Anchi Shen, edited by Lauren



    「極長基線干涉技術」(VLBI:Very Long Baseline Interometry)

    「干涉技術法」的原理是,要是能把散佈於一塊廣大面積上的訊號加以組合相連,多個天線將能變成像一座干涉儀一樣,在一起工作,是一座模擬而成的巨無霸望遠鏡,也叫做「陣列式望遠鏡」。陣列式望遠鏡會將訊號用數位形式透過光纖集中至中央位置,透過一台叫做「相關器」(具有專門用途的超級電腦) 處理這些訊號。

    特長基線干涉 (有時簡稱"VLBI") 顧名思義即知是「基線特別長」的干涉技術,這種技術,使用世界各地相隔可能數百、甚或數千公里的多個望遠鏡同時偵測太空裡的同一訊號源,實際做法上,各地的望遠鏡資料可先個別在每座望遠鏡上記錄好,並以望遠鏡站台現場設備予以儲存,然後將全部儲存設備用船或飛機運送到同一個地方,於該處將所有資料一起透過電腦「重播」,做資料合成。換言之,望遠鏡不需要實際相連,只需讓每個望遠鏡所記錄的信號隨後在相關器中可「重播」,就可以計算並結合世界各地望遠鏡的解析力和資料,創建出一個虛擬化、極巨大的電波望遠鏡。在地表上,最大口徑可以等於地球直徑;如果把其中的望遠鏡,擺在太空中,那虛擬的口徑就比地球還大。

    從起跑點來看,當時就職於 MIT Haystack 天文台的 Doeleman,在這個題目上不管是個人畢生的努力和研究,或是 Haystack天文台五十年的 VLBI 相關的技術與經驗,再加上美國所能主導的天文台數量等因素,使他所主導的美國團隊是最具優勢的。另外,在歐洲也有一群在黑洞理論與觀測上長久耕耘的天文學家,他們的研究功力與美國團隊不遑多讓。 而在亞洲部份,90’年代的「VSOP」是日本嘗試成為第一個獲取黑洞影像的國家,可惜功虧一潰。隨後的「第二代VSOP」在經費繼乏之下胎死腹中,讓許多參與發展的科學家跟工程師們扼腕不已。

    亞洲在儀器方面,除了日本的「VSOP」外,南韓發展 VLBI 天文觀測也有一段時間了。他們有一組由三個天線站組成的「韓國 VLBI 網絡」(Korean VLBI Network) 並成立專門機構,名為:「東亞 VLBI 研究中心」負責統合觀測與運轉。中國大陸方面,雖在電波望遠鏡的發展相對有限,然而由於中國「登月計畫」的需求,使他們在 VLBI 的技術方面有相當的成果。「東亞 VLBI 網絡」(EAVN:East Asia VLBI Network) 即是一組由 11個台站跨越中、日、韓所組成的 VLBI 陣列。可惜這些陣列的觀測頻率較低,陣列分佈區域不夠廣大,因此合成的解析能力還無法挑戰黑洞目標,無法參與擷取黑洞影像的競爭。由此可見,在東亞地區裡在這個科學議題上的是人才輩出。可是,受限於資源和可掌握的儀器使得亞洲區域的黑洞天文學家,似乎只能跟著歐美大國合縱連橫了。

    台灣在「次毫米波」儀器發展僅次於日本,但比中、韓來得早些。夏威夷的 SMA 已經成為台灣天文研究者的主力工具;另一方面,我們跟日本都是參與建造 ALMA 陣列的國家之一。台灣在ALMA 的董事會裡,將會佔有一席之位,且SMA 和 ALMA都將成為獲得「黑洞影像」的重要觀測站。因此,我們自1995來的投資與工作,讓台灣的研究人員可以經由SMA 跟 ALMA 加入美國團隊,跟隨他們一起挑戰擷取「黑洞影像」。換句話說,我們己經擁有參加本世紀「黑洞影像」競賽的「參與權」。

    經由1960年代對「類星體」能量產生機制的研究,科學家認為:這些遙遠的星系中心隱藏著超巨大質量大黑洞。以此類推,天文學家在1970 就提出:「我們的銀河系中心可能也存在一個大黑洞」。當時並沒有任何已知的證據支持這個說法,所以這只能算一個使科學家著迷的「假設」。這個假設一提出之後,馬上有好幾個觀測實驗學者嘗試測驗這個假說;其中的一個實驗是:由一位剛從麻州理工學院畢業的魯國鏞。他嘗試利用正在開發的新技術 —— VLBI技術,來觀測人馬座 A*。他是第一個嘗試利用 VLBI 技術來偵測人馬座 A*的學者。可惜,當時的 VLBI 技術還在萌芽階段,不管在觀測儀器上、還是資料分析方法,都還不成熟,所以觀測的結果對超大黑洞存在的假設,並無定論。

    一直到 1974 年,兩位美國的天文學家使用「Green Bank 干涉陣列」,擷取到銀河系中心的電波影像。雖然他們獲得的影像比理論上黑洞的大小還大上一萬倍,無法呈現黑洞影像的實際證據,但其結果成功地證實:銀河系中心的電波源來至於一個極小的空間區域,而且該電波源是銀河系中心唯一不會移動星體;換言之,他們的數據明顯地證實:一個具有巨大質量與超高密度的物體存在銀河系中心。小空間、巨大質量和強大的能量源,這些觀測結果與超巨大質量黑洞的理論描述皆相吻合。這次的結果雖然沒有證實黑洞的存在,卻是支持銀河系中心的電波源,也就是人馬座A*,是一個超巨大質量黑洞的假設。從此,人馬座A*到底是不是個黑洞?一直是天文學家急切想得知的大問題,而人們必須要再等至少三十 年的時光才能夠知道正確答案。

    時間快轉到 1997 年,一同跟魯國鏞一起回到中研院天文所工作的還有一位年輕的華人天文學家沈志強。他之前從中國上海到美國哈佛-史密松天文中心做博士後研究生。魯國鏞邀請他一起到台灣看看,並合作使用 VLBI 的技術探討人馬座A* 的相關的物理研究,主要的目標還是針對「證實人馬座A*是否是黑洞」這個議題上。回到台灣,這兩人研究小組增加了幾個成員,包括賀曾樸梁茂昌趙軍輝梁茂昌是當時魯國鏞回台灣後,收的學生。趙軍輝也是一位在天文所工作的中國學者。沈志強在台灣只停留了兩年,之後回到上海天文台繼續該項研究工作,並於2001 年申請到使用美國的 「Very Long Baseline Array」(VLBA) 聯合 「Green Bank 望遠鏡」(GBT) 的觀測時間,其觀測目標就是人馬座A*。VLBA 和 GBT 是兩座不同構造的電波望遠鏡,二者都是由美國國家電波天文台所管理;前者是一具由十座 25米的電波天線組成的陣列望遠鏡,這十座天線散佈在美國領土不同位置上,從東邊的美屬維京群島橫跨美國本土,一直延伸到夏威夷的毛納基峰,專門做 VLBI觀測的電波陣列望遠鏡。GBT 是由美國國家電波天文台剛剛建造完成的單一碟面的電波望遠鏡,最大的特點是擁有百米直徑的鏡面,龐然巨物是世界上最大的、可移動式電波望遠鏡。這一次的觀測,除了加入 GBT 的助力外,還有一項特點:VLBA 和 GBT 即將使用比以前更高的觀測頻率 (更短的波長),這將會增強訊號的靈敏度跟影像的解析度,其結果應是勝於之前所得,實是令人期待!可是,好事多磨,大概是因為氣候的原因,原本預定 5個小時的觀測過程,一直等了 18 個月才完成。觀測結果是非常成功,從獲得的影像分析結果當中,雖然還是無法解析黑洞陰影,但是對於證實:「人馬座A*是一個超大質量黑洞」的事實,已是一個非常強而有力的證據。成果也發表在 2005年 11月《自然》雜誌上, 作者為沈自強魯國鏞梁茂昌賀曾樸以及趙軍輝

    沈自強的實驗結果則是受限於儀器的觀測頻率。VLBA 和 GBT 的聯合陣列最高的訊號接收頻率是 86GHz,換算波長是 3.5 毫米,但這些望遠鏡又受限於它們所在的地理位置跟儀器設備,執行 3.5 毫米波的觀測已經是儀器的極限。從另一個角度來看,這次的結果,無否置疑是給予正在準備「次毫米波」VLBI 觀測的團隊極大的鼓勵!只要把 VLBI 觀測頻率提高,以更短的電波波長成像,人馬座A*黑洞的影像就能被「呼之欲出」。果不其然,就在這篇論文發布後第三年,Doeleman 的團隊 在2008 年的論文非常清楚地展示「次毫米波」VLBI 觀測的強大能力。超大質量黑洞的影像,這個最終證據是「指日可待」。

    從這段科學歷史的發展,我們看到華人天文學家在這件「天大的事」一直扮演者極重要的角色!尋求黑洞存在的最終證據一直是魯國鏞賀曾樸的長久耕耘的科學目標。在中研院天文所成立的過程中,在有意與無意間結合了一群對銀河系黑洞這個議題長久耕耘的華人天文學家,觸發了接下來 二十年針對這個宇宙謎題而所產生的巨大發展;「發現黑洞」這顆種子,早已在台灣的天文新生地等待萌芽。




    萌芽的契機,發生在 2011 年

    美國國家科學委員會 (National Science Foundation, NSF)  發佈了一個消息:在他們審慎評估了所有關於如何使用 ALMA 的原型測試天線 的「研究意向表述」 (Expression of Insterest) 後,他們決定將一台「北美 ALMA」團隊的原型天線交予台灣使用。這件事宣佈後在美國天文界引發了一陣不小的漣漪。在二月份的《自然》雜誌裡頭立刻出現了一篇報導,標題直接質疑:

    「NSF在做此決定時是否有程序上的瑕疵?」

    報導一開始,即已輕佻的口吻說著:

    「一座不用錢的 12-米 天線!最適合從事高解析度、次毫米波天文研究。自己來搬,但是沒有保固喔。估計價值:一千到一千五百萬美元。」

    ALMA 計畫原本計劃要製作 80 座天線,組合成陣列式望遠鏡。這是個前所未有的科學工程。所以計畫一開始會先製作幾台測試用的原型機,用來測試原訂的儀器規格。製作完成後可以用來評估可能的運作能力和製作成本。每一座天線的預估價值接近一千萬美元 (2005 年)。這是一筆龐大的工程經費。當時 ALMA 計畫一開始,三個主要的參與夥伴,北美、歐洲、日本,都有強烈企圖心希望讓他們代表的區域承接天線的建造工程。經過一番團隊內部的角力後,大家決定:公平競爭。所以北美、歐洲,日本成立各自的工程團隊,一共製作三台不同設計但是符合工程規範的原型天線。說好到時一起評估三台原型機的的設計、成本、功能、與未來的後勤補給等等。由最符合條件者承接所有 ALMA 天線的製作工作,因此在 ALMA 計畫的初期開發階段中,一共有三組工程人員分別在各自的原型機上努力奮鬥,希望能夠是自己的產品成為地表上最強大的望遠鏡。然而,就在他們的工作完成,也分別對原型機做了評估,並完成各自改進原型機的計畫後,ALMA的計畫決策核心決定讓三個天線工程團隊一起製作所需要的天線。進行的方法是讓各個工程團隊依照個別的設計,製造部份數目的 陣列天線。北美ALMA跟歐洲各負責主陣列一半的天線數;日本負責所有副陣列的所有天線。

    關於ALMA天線製造方式的決策,當然是充滿著大國之間政治運作的色彩。每個區域的負責人充分了解這件事情的衝擊性。他們原本就希望將經費留在自己的地區;假若能夠爭取到製造所有 ALMA天線的工程合約,那是為自己跟團隊立下大功勞。相反的,他們所不願意見到的是把手中相當於數億美元的研究經費,雙手奉上,交給其它地區的廠商,改善他國的 GDP值。在如此心態下,最後讓每個區域都可以參與製造的決定是可以了解的。 但是,這個決策倒也不是沒有考量到整個大局,終其究,我們還是一群接受嚴格理性邏輯訓練的科學工作者。首先,從原型機的測試發展過程中,顯示了三個工程團隊都具有滿足嚴格工程規範的製作能力;第二、以當時 ALMA計畫進展的狀況,執行團隊己經意識到可能面臨經費不足與時程延長的問題。科學計畫經常由於不是市場導向,而且參與決策者往往是樂觀天真、不食人間煙火的科學家;這些特性往往降低他們對計畫執行所需時程跟經費運用的敏銳度;低估了想要達成目標跟實際上可做到的目標之間的差異。科學計畫在執行的後期,也是經常出現因為經費不足而延宕數年的例子。久而久之也就習以為常。可是像 ALMA 這種大計畫,如果無法準時完成,其時程延遲的衝擊將會是非常巨大的。計畫時程的拉長將馬上增加人員的工作成本,致使經費不足的窘狀雪上加霜,最終將進入追加大把預算又看不到如期完工的惡性循環。當時,ALMA計畫己是歷經了一次規模上的從新評估,將原本計劃佈局的八十座天線降低到六十六座。這六十六座天線當然可以經單一廠商製造供應,可是,若是讓三家工程廠商同時製造,完成所須要的時間將會大大的縮短,這是關於天線製造決策採用各自進行一個明顯的理由。

    緊接著ALMA 的決定,北美、歐洲、日本的天線廠商即著手生產新的 ALMA天線。那這三台原型機作何處理呢?日本人的珍惜物資的傳統讓他們決定把原型機改裝後加入 ALMA陣列。北美跟歐洲 ALMA 的團隊 在考量改裝與運送的成本等因素,決定不再使用他們的原型機,而接下來所產生的天線就以新的規格為主。這兩台北美和歐洲原型機因此被「閒置」在新墨西哥州的天文台站裡。就在去年 (2010),美國國家電波天文台接到 NSF 的指示,向所有參加北美 ALMA 計畫的合作夥伴們徵求新的構想。構想的主題是要如何「再次使用」這台 ALMA 原型機,並把構想寫成一份「研究意向表述」。北美方面 ALMA 計畫的合作夥伴,除了美國本身,還有加拿大跟台灣。 

    說到這裡,得提一下,台灣天文界加入 ALMA 計畫的方式是非常特殊的,甚至讓大部份的人都感到困惑。我們的部份有一半是透過東亞地區參與的,另外一半是經由北美的管道。這是一個很有趣的策略,因為它造成幾個非常重要的結果。首先,是讓台灣的研究人員可以透過日本向美國申請 ALMA 的觀測時間再者、台灣的研究人員也可以申請日本的所有天文設備,也可以使用與美國所運轉天文台,其三、台灣可以爭取使用北美 ALMA 原型機的使用權;也就是現在的格陵蘭望遠鏡的前身。

    一得到這個徵求「研究意向」的消息,天文所的所長賀曾樸跟剛加入天文所的井上允,馬上號召天文所的同仁,並邀請了幾位史密松天文台的合作夥伴,一同著手擬寫「研究意向」申請書。其主要內容是:我們希望能夠將北美ALMA 的原型機改裝,並搬移到一個適合「次毫米波」觀測的地點。這主要科學目標是:讓改裝後的天線可以跟 ALMA 做 VLBI觀測,研究黑洞目標,擷取黑洞影像。還有第二個科學目標是:建立一個可以從事比「次毫米波」段更高頻率的望遠鏡。

    同時間想 NSF 提出申請的機構還有兩個;其中之一 是亞利桑那大學 (以下簡稱「亞大」) 的天文台。亞大是美國的天文研究重鎮,它擁有數個光學跟電波望遠鏡,學校有個專門做大型天文反射鏡的工廠,非常厲害。根據《自然》雜誌的報導,該天文台希望把原型機搬回靠近亞大的山頭上並且從事「次毫米波」的天文觀測研究。

    最終,NSF 將 ALMA 原型機交予台灣的研究團隊。根據《自然》雜誌的報導,這個決定明顯地讓亞大團隊非常不悅。他們團隊負責人公開的質疑指控這個決策過程是黑箱作業、有曖昧的厲害關係存在其中。他們的抗議,甚至讓美國國會的科學、太空、技術委員會們出面關心。亞大的抱怨主要針對美國國家電波天文台的台長魯國鏞,指控他是做成這個決定的幕後黑手。魯國鏞是在 2002年 被 美國 NSF 從台灣網羅並任命他為美國國家電波天文台台長,在這事件期間,他同時也是中研院天文所諮詢委員會的召集人,跟賀曾樸是多年朋友。

    當魯國鏞接受《自然》雜誌記者的訪談時,他坦承中研院天文所的公務關係和賀曾樸的私人友誼。他也說明了在 NSF 發出「研究意向表述」徵求公吿之後,他就已向內部表明不再參與接下來相關的評審、決定的工作。這主要原因就是要讓他自己跟所代表的美國國家電波天文台能夠避開以防可能產生的曖昧關係,避免任何可能造成的決定偏差。換句話說,這個「交予台灣」的決定完全是由他的上層單位 NSF 所作的。

    亞大另一個抱怨是:為何「意願」徵求的對象要包括加拿大跟台灣?並且暗示,這是魯國鏞幫助台灣的主要動作。

    魯國鏞對此種抹黑說法做了說明:「研究意向表述」公告的對象包括「所有北美 ALMA的成員」的決定是 NSF 和 NRAO 內部討論後的結果。其中的考量是北美 ALMA計畫下所有的產品,都是所有夥伴共同出資建造的。因此,徵求研究意向的對象當然要包括加拿大跟台灣,這本就是合情合理的。

    值得一提的是《自然》雜誌報導最後引用一位 NSF 官員說:ALMA 原型機是交予美國史密松天文台負責管理。所以它還是完全屬於美國的財產,並非給了外國。報導又說:「在「研究意向」裡有清楚說明了:中研院天文所將會負責利用原型機結合 VLBI 的觀測技術來探索 M87是否有的超大質量黑洞」。它並且指出未來望遠鏡的基地可能是 NSF 轄下的地點:格陵蘭峰頂基地

    經過這段報導之後,《自然》雜誌跟其它的科學雜誌並沒有再追蹤報導。北美ALMA的原型機順利地給了 我們的合作團隊。整件事情的爭議,一件攸關十年後台灣在「黑洞成像」工作的關鍵事件,一場在美國科學界的政治角力,到此似乎回歸平靜。在台灣的科學界,除了我們計畫中的幾個人員以外,其他人對於這件事完全沒有激起任何漣漪。

    成功的取得 ALMA 原型機是一件令人振奮的事,為什麼呢?如果美國國科會 (NSF) 不認同我們提出來的科學方向以及願景,他們是不會頂著美國國內天文界的壓力,將原型機交給我們!再者,美國方面對我們的工程技術的有信心,認為我們的能力足夠將原型機做進一步的改裝,並增進機器的性能。這也是表示了他們肯定我們過去在天文儀器上的努力,而我們的優秀成績是世界天文界有目共睹的事實。

    這個事件還有另外層面的意涵:「獲贈」 ALMA原型機代表了中研院天文所向世界科學界宣告「我們的計畫將會拓展 ALMA 的 VLBI 的能力」;我們將會負責這一部分的任務。這是一種榮譽,也是參與國際合作計畫的一種承諾。

    我們的「格陵蘭望遠鏡」黑洞觀測計畫正式揭開序幕。



     

    相關影音:
    「從北極看黑洞-格陵蘭觀測黑洞計劃」https://www.youtube.com/watch?v=vNK3C24GdjE&feature=youtu.be


    延伸閱讀:
    望向天際的大眼睛—格陵蘭望遠鏡裡的天線與接收機系統
    眼見為憑:黑洞確實存在
    凝視時空的深淵:黑洞剪影的故事
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