黑洞向來是天文學家亟欲觀測的目標之一,然而若要看到黑洞事件視界的陰影、進一步檢驗愛因斯坦的廣義相對論,必須要有足夠高的角分辨率才能達成。為了追求這項目標,一座望遠鏡將於今年秋天在格陵蘭正式啟動,就是關鍵的一著棋:這架由ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列)北美團隊興建、閒置數年的12米電波望遠鏡原型機,在美國國家科學基金會(National Science Foundation,NSF)2010年公告開放認領後,經各路人馬的爭取,最後由中央研究院天文及天文物理研究所(ASIAA)與哈佛-史密松天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的合作提案脫穎而出,成功把它「娶」回家。

2012_vlbi_l_20121218085309
由中研院天文所主導的團隊與中科院工程技師團協同合作,天線(即望遠鏡)拆解後將運往格陵蘭,於該地再重新組裝,以特長基線干涉的方法做次毫米波段的天文研究觀測。在那之前,需將這座天線調整到能適應北極地區的嚴峻氣候,並能在酷寒霜雪中運作。

這項「格陵蘭望遠鏡計畫」(GLT,Greenland Telescope)是把這座電波望遠鏡原型機置於海拔3,200公尺高的格陵蘭峰頂站基地(Summit Station),與位於夏威夷的次毫米波陣列(SMA,Submillimeter Array),以及智利的ALMA,連成一個超級大三角──次毫米波特長基線干涉儀(Submillimeter VLBI)系統。

未來預定觀測M87的sub-mm VLBI成員。其中用紅色圓圈表示的格陵蘭望遠鏡(GLT),阿塔卡瑪大 型毫米波及次毫米波陣列(ALMA),和次毫米波陣列望遠鏡(SMA)將形成主要的基線。
未來預定觀測M87的sub-mm VLBI成員:格陵蘭望遠鏡(GLT)、阿塔卡瑪大 型毫米波及次毫米波陣列(ALMA)和次毫米波陣列望遠鏡(SMA)將形成主要的基線。

中研院天文所院士賀曾樸表示,會相中格陵蘭,除了極端乾燥的氣候、大氣透明度極佳外,還能與現有兩處次毫米波望遠鏡(即ALMA與SMA)之間形成三角形,使基線延長至9千公里,構成一相當於地球大小的虛擬望遠鏡。三角陣列完成後,可提供20微角秒的解析度,相當於可以從地球看到月球上一個小籠包的解析度,也是目前天文望遠鏡中,次毫米波段能取得的最高解析度;這是僅使用由SMA及ALMA組成之單一基線所辦不到的。

直擊黑洞陰影

目前宇宙中已知最大質量黑洞約為數百億太陽質量,有太陽系那麼大。已知有兩個超大質量黑洞,尺寸大到足以使用次毫米波段VLBI進行解析,一個位在南天球,為銀河系中心的SgrA*,另一個位在北天球,為M87星系核心。受限於地理位置的關係,在地球南半球的天文台比較適合看位在南天球的天體;反之,位在北半球的比較適合看位在北天球的天體。由於銀河系中心位於南天球,除了南極望遠鏡,還有許多國際天文台設在智利以便觀測;相較南邊的「人多勢眾」,GLT則是第一個落腳在北極的主要望遠鏡設施。而GLT的目標,就是取得M87核中心超大質量黑洞陰影的影像,對黑洞的存在取得直接證據,並能提供十億赫茲(Tera-hertz)頻段的單碟望遠鏡功能。

這個次毫米波段特長基線,計畫將觀測350GHz波段。特長基線有9千公里長,幾乎和地球一樣大,將取得20微角秒高解析力,足以解析比M87星系中心黑洞略大數倍的空間區域。在M87星系中心,有個超大質量黑洞,那是格陵蘭望遠鏡計畫的重要觀測目標之一。

「如果想要觀察更多地球上無法看到的物理現象,黑洞邊緣就會是最好的實驗室。」賀曾樸解釋,物質被強大的重力吸引到黑洞時,因為角動量的作用,這些物質會在黑洞外圍形成吸積盤,吸積盤內的物質汽化後會摩擦生熱、放出X光,從而襯托出黑洞本體的陰影。藉由黑洞陰影的圖像,可得知黑洞的質量與自旋等參數;此外,還能觀測到黑洞附近區域的強重力場如何作用,藉此驗證愛因斯坦的廣義相對論。

迢迢長路

這座望遠鏡原位於新墨西哥州的沙漠氣候區,先行過大半個美國,抵達維吉尼亞州的諾福克(Norfolk)美國海軍基地附近,然後趁著夏季走海路順利進到格陵蘭的圖勒(Thule)空軍基地旁的港口(港口冬天結冰無法行駛船隻,錯過只能再等一年),確認設備調整、升級至能適應極地氣候的狀態。今年春天主鏡面將安裝上底座,目標是秋季開始實際運作。


施工的”大動作”經縮時攝影為13秒影片

由於這座望遠鏡為原型機,製作之初不夠完善,不少結構部份做工粗糙,需把不同元件拆下改建或更新。「例如次鏡支架,我們接收望遠鏡時被告知這個部分曾經摔壞,雖然對方說有修理過,但也不清楚是不是真的有修好,為了安全起見只好整個重新換過。或其他碳纖維製成的部分發現有孔洞得補起來,不然有水跑進去,萬一結冰會導致碳纖維裂開。」

賀曾樸表示,九成以上的設備調整安裝工夫都出自於臺灣團隊之手。因為有了先前參與ALMA和SMA的經驗,因此在技術操作上並不陌生。然而在極圈觀測站的生活並不好過,就如同一小撮人長期在太空船中共事、起居的相處問題,每兩個月便得替換一批人;其次是低溫酷寒環境下的電熱能源供應,有賴綠能產業支持,而非靠柴油或燃煤解決;而地偏人稀之處,當然也需要設備齊全與完善的後勤補給。幸好格陵蘭島站臺上已有NSF為極地研究而建的基礎設施,而不是空空如也,「如果沒有NSF的基礎建設和團隊在先,我們可能沒辦法過去。」賀曾樸說。

dsc_9090_cp1_sm
天線底座部分的組裝,直接在戶外進行:地面先鋪一層瀝青、瀝青上製作木頭底座、木座上再放置鋼製底座(白色),鋼座上堆疊錐形底座(灰色,裡面是空心的,外面包覆的是鋁板,裡面的東西有纜線、旋轉軸軸心等)、水平承軸、接收機室及垂直旋轉臂(看起來像U型的叉子,從左右兩端固夾著一個有門可以進去的機房,即接收機室)。

臺灣主導

GLT計畫的幕後功臣便是甫獲得德國宏博研究獎(Humboldt Research Award)殊榮的賀曾樸。曾經擔任中研院天文所籌備處主任及首任所長的他,強調臺灣也有能力提出重要的天文計畫案,與國際團隊競爭,不僅限於參與角色:「我希望可以推一部份是臺灣可以去領導、發動的,無須都跟著人家的腳步。」

除了GLT,中研院天文所進行中的計畫還包括掩星計畫(TAOS/TAOS II)、李遠哲宇宙背景輻射陣列(AMiBA)等。特別重視研發尖端天文觀測儀器的賀曾樸,發想有朝一日能把人造衛星安置在地球公轉軌道外圍或月球附近,延長基線以觀測重力波跟黑洞現象。

 

撰文:吳靖雯

影像:中央研究院天文及天文物理研究所