從台灣看宇宙──台灣天文起飛

文‧張靜茹

2001 9月

若問：在古中國發展最早，卻在現代台灣一度嚴重斷層的科學是什麼？說是天文研究並不為過。若問：在台灣發展不過十年，卻已名列全球最佳研究團隊的學科又是什麼？天文研究亦當之無愧。擺脫了「天人感應」任務的現代天文學者，正為台灣天空打造什麼樣的藍圖？

蒼穹下，圓頂天文台，覆蓋著砲臺般的高倍望遠鏡，當圓頂轉動，觀測門打開，一場星空的饗宴就此開始……。就是這個圓頂，被認為代替教堂，打開了現代科學殿堂。哥白尼否定地心說、伽利略使用望遠鏡……，現代科學的啟蒙，與天文息息相關。

現代天文科學的圓頂，也在台灣天空一一開啟。除了推廣觀星活動的天文台林立，一座座台灣研發與參與製造的電波望遠鏡、光學望遠鏡，不僅佔據台灣制高點，研究單位為了得到更完整的觀測結果，也將最先進的望遠鏡送往西班牙、智利、夏威夷、甚至大陸北京懷柔天文台，矗立在全球視野最好的瞭望點，望向遙不可知的宇宙，試圖透視黑暗天幕，解答人類有史以來的天問。

天文十年

相較於國際上的天文研究，台灣天文腳步出發很遲，進展卻可以用「光速」奔馳形容。民國三十八年，國府兵荒馬亂中來到台灣，沒有在大學院校與研究單位設任何天文系所，稱得上與天文相關的研究，只能在物理領域覓得蛛絲馬跡。一直到七○年代後，台灣物理與工程發展水準逐漸提昇，包括天文學在內的地球科學始漸受重視。

一九九○年，美國天文學會副會長徐遐生當選中研院院士，而國內中研院地球科學研究所天文博士李太楓也不斷推動成立天文所，在國內、外學者力量合流下，中研院開始籌備成立天文所，同時，中央大學也設立了台灣第一個校園天文所。

「在那之前學天文的人很有限，回國的則幾乎沒有，」一九八九年回到台灣的台大物理系教授闕志鴻參與了中研院天文所的規劃。天文所成立後，一方面在國外徵兵選將，同時尋找國際合作計畫，希望藉由參與尖端計畫累積經驗，一方面也開始訓練大型天文計畫需要的工程師。

台灣天文學一起步就扣緊國際天文脈動，加上從美國知名研究機構延攬回台的天文學者袁旂、魯國鏞等人共同規劃，訂出台灣天文發展的方向與十年計畫，「無線電波天文」，正是第一個天文十年的聚焦點。

當時美國哈佛大學天文物理中心與電波天文相關的「次毫米波陣列計畫」，已展開紙上作業，透過李遠哲、徐遐生等人的爭取，原本計畫裝設六台次毫米波儀器的藍圖，多增了兩台，由台灣依美國設計圖製造，台灣將享有百分之十五的觀測時間。

隨著計畫展開，天文團隊進入備戰狀態。除了次毫米波陣列，中美掩星計畫、宇宙背景輻射等天文相關研究也在這十年陸續啟動。在研發衛星的太空計畫室資助下，校園中少數天文與物理系所師生，也展開探測太陽的「日震研究」、與「全自動天文望遠鏡連線」等計畫。

穿梭宇宙時空

什麼是無線電波天文？次毫米波陣列計畫又要研究什麼？

某一角度看來，天文學家就像個考古學者，宇宙如何起源、演化？過程中發生過哪些事件？天文學者從觀測到的片段證據裡，試圖重建宇宙與星系的演化歷史。而在浩瀚的星際中，地球、太陽系、本銀河系的位置何在？周圍有哪些鄰居？離我們多遠？宇宙有無邊際？此時，天文學家又努力透過科學方法模擬繪製出宇宙地圖。

過去，研究人員利用天體發出的可見光，與接近可見光的紫外線、紅外線，推論天體的距離、成份、大小等性質。一九三○年代，美國貝爾實驗室偵測到銀河系發出的無線電波，得知宇宙中有許多肉眼不見的能量訊號，這些電磁波可以穿透擋住可見光的塵埃雲，揭開更多未知的天文世界。二次戰後，研發雷達的技術人員想法接收從宇宙各方傳來的電波，電波天文也成為重要的天文觀測法。

「由於宇宙中還有太多不曾被觀測的電波波段，容易有新的科學發現；而電波與通訊、電子等產業技術相關，對台灣科技產業研發的提昇也將有所幫助，」闕志鴻指出電波天文的重要性。

「光學望遠鏡要求高解析度，」中研院天文所副研究員陳明堂進一步解釋電波望遠鏡與傳統光學望遠鏡的不同，「電波天文講究接觸到的波段面越廣越好，而裝設越多架儀器形成陣列，成像速度也越快越清晰。」電波觀測因此都採取多架儀器集體接收的陣列模式，「望遠鏡」也不同以往，造型正如裝了碟形天線的月球登陸小艇。

一粒微塵識見天堂

次毫米波正是電磁波中的一個波段，陳明堂解釋，由於宇宙裡的恆星是由一堆堆塵埃慢慢凝結而成，塵埃是冰冷低溫物質，無法產生可見光，光學望遠鏡派不上用場，但宇宙塵埃卻具有落在次毫米波與毫米波波段的電波，塵埃雲保存了早期恆星形成的原型，以電波儀器加以探測，可以瞭解恆星的形成，也可以掌握太陽系的演化。

次毫米陣列觀測的是個全新波段，儀器由美國設計，但要自行製造兩架絕對溫度四度的超導偵測器，對台灣仍是創舉。將近三億台幣計畫下打造的次毫米波接收器，除了訊號接收機與天線兩個核心技術由中研院「接收機實驗室」主導，機身則由中船承製，台大電機系師生負責設計積體電路，清大材料科學中心、中科院航測所也都加入製造儀器的陣容。

為落實提昇國內產業，能找到本土廠商合作製造的原件，比如複合材料、量測儀器，也進行技術合作。已完工的接收機當中，碟形天線的支撐架就由中部廠商生產的高爾夫球、腳踏車複合材料技術轉化而成。

台灣天文推手之一的李太楓表示，雖然次毫米波計畫並非台灣主導，但台灣可以從專注部分儀器的製造開始，進一步學習大型計畫的管理與推動。闕志鴻則認為合作案還有個優點，就是在對方壓力與競爭下，可以激勵士氣，不容大家懈怠。原本被認為將最後完工的台灣次毫米波儀器，就超越美國兩架接收機，分別在年初與九月陸續進駐夏威夷，加入連線測試。

回到「盤古開天」

天文研究的突破，必須先具備設計與製造觀測儀器的能力。一九九五年之前，台灣根本不知如何蓋一個大型天文儀器，藉由次毫米波陣列計畫的know-how引進，天文團隊掌握了電波技術，也為指標性的計畫「宇宙背景輻射陣列計畫」打下基礎。

前年，在教育部的卓越計畫中，出現了中研院院士魯國鏞、台大物理系教授闕志鴻等幾位重量級天文學者提出的「宇宙背景輻射計畫」，由設計到所有細節都將由國人主導。

相較於次毫米波對星系的探討，宇宙背景輻射計畫將進一步解答：宇宙的結構如何形成？如何演化？目前理論認為，宇宙形成於大爆炸，背景不斷膨脹，接著降溫，而後因重力慢慢凝縮成星系團。宇宙間有多少巨型星系團存在？宇宙初期爆炸時的密度均勻，現今星球密度卻很高，外太空又是真空狀態，這樣大的起伏是如何演化而成？宇宙背景輻射試圖要回答的問題不少。

理論上，從宇宙大爆炸至今一百三十億年，目前保存早期宇宙爆炸、冷卻痕跡的物質有限，但宇宙誕生時放射出的熱輻射，也就是宇宙光，卻帶著遙遠的爆炸記憶，「這些古老的光線在到達我們之前，已穿越過百分之九十九以上的歷史，並保有宇宙演化的諸多秘密，」闕志鴻說，計畫將建立十九個毫米波儀器組成的陣列，去截取、解讀這些全宇宙最高齡的背景訊號。

天與地較勁

了解宇宙結構是天文學家長久以來的夢想，過去對宇宙結構的認識多由理論推測，一九九○年之前，天文理論進展飛快，但在公式上推來推去，雖產生不少理論大師，卻難以驗證。隨著儀器進展與衛星伸入太空，各種天文理論被證實或修正，靠著觀測實驗，更可以釐清理論模糊之處，各國實驗室因此一邊互相合作，一面也暗自較勁。

宇宙學是極具競爭性的基礎科學，答案往往只有一個，誰最先找到答案，誰就集榮耀於一身，只有第一，沒有第二。闕志鴻說，「目前只有第一流大學才做宇宙學研究，大家都不希望失掉先機，我們打的是場硬仗。」

「要做就做最尖端的，」在次毫米波陣列之後接著投入背景輻射計畫的陳明堂，去年一整年都花在設計、思考新計畫，今年初確定方向後，如今已有兩台宇宙背景輻射原型機初步測試。台灣的效率也吸引了澳洲國立無線電天文台與美國卡內基美隆大學，決定加入台灣「發現宇宙」的計畫。

對訊號微弱，距離遙遠的宇宙背景輻射，從太空上進行觀測其實更佔優勢。美國在今年六月發射的衛星MAP，與歐洲預計在二○○八年發射的PLANCK，也都是用來觀測宇宙大爆炸之後的餘光。

天文研究經費高昂，往往成為科技國力的展現，尤其衛星探測，比地面觀測網的建立要貴上十到百倍。考慮台灣的資源與人力，「我們沒有足夠籌碼與人競爭，只能選擇從地面進行，」但闕志鴻不認為這是退而求其次的作法，因為相同的研究需要不同研究小組作對照，互相驗證；地面也可以選擇和衛星觀測互補的研究題目；地面探測更有衛星不及之處，談成果還有得拚。

物美價廉高科技

台灣第一個拿出科學成果的天文研究，正是幾個重要天文計畫中花費最少的「日震研究」。

以觀測太陽震波瞭解日、地關係的日震計畫（請參閱「陽光男人」一文），十年來在全球裝設了四座光學望遠鏡。一九九七年，計畫主持人、清大物理系教授周定一首先發明「聲波成像法」，用來解析太陽震波，讓人類第一次「看穿」太陽，為現代台灣天文科學寫下第一個世界第一。

「中美掩星計畫」則是另一個被英國「自然」雜誌形容為「投資少，回收大」的研究。結合了中研院、中央大學與美國利物摩國家實驗室、賓州大學等研究單位的掩星計畫，也是「前不見古人」的先驅性探索，將針對未曾被仔細搜尋過、位於太陽系外圈的小型天體進行系統性清點。

掩星計畫的基地設在台灣。由於這些小天體多集中在黃道面（地球繞太陽公轉的軌道面），而黃道面與地球成傾斜，最好的觀測點在赤道兩側。台灣托地理位置之福，加上山頭林立的好「風水」，正可以提供四座連測望遠鏡設置在不同山頭的需求。離玉山國家公園不遠的鹿林山天文台址，就成了掩星計畫的最佳選擇。

彗星撞地球？

負責統籌中央大學「掩星計畫」工作的天文所長陳文屏進一步說明，掩星計畫捕捉的對象，是觀星人的最愛──彗星。太陽系從一團雲氣收縮而成，中央高溫部分成為恆星，在旋轉的環星盤裡，塵埃凝結成行星。製造太陽及行星剩餘下來的小星體，環繞在太陽系最外圍，是形成短週期（小於兩百年）彗星的來源。

藉著地面觀測及太空任務，研究人員對太陽系中質量較大的行星、衛星等成員已有一定瞭解，但位在太陽系外圍的小星體，由於直徑小、亮度低，不易偵測，只有在繞行到太陽附近，成為彗星，才能研究它們。在海王星之外，目前天文學者利用大型望遠鏡已找到近四百個這樣的潛在彗星，但對於亮度微弱、數量可能更多的「小東西」，仍無法以望遠鏡偵測，掩星計畫則頗具野心的準備要對這些小星體做個總清查。「掩星」則代表搜尋方法。

陳文屏解釋，研究人員雖無法直接偵測這些小星體，但當它們恰巧遮掩到來自遙遠星星發出的光線，便可藉此估計出彗星數量。陳文屏打比方，就像黑夜中看不到飛蛾、蚊蟲，卻可以利用路燈被遮住的程度，判斷出小蟲數量。

為什麼人類要花這麼多力氣「數彗星」？陳文屏說，大型天體具有萬有引力，地心是熱的，不斷變動，就像持續演化的生命體。彗星等小星體無法因自身萬有引力壓縮、產生足夠熱量發生改變，因此保存了早期太陽系形成時的狀態，探測彗星物質的科學目的，正是想瞭解太陽系的起源與演化。

「間接的目的，還可以解決實際需求，」致力於推廣科普的陳文屏說，目前我們只知道少數彗星的週期，比如哈雷彗星七十六年轉一圈，但大部分彗星週期仍無法掌握，前幾年的百武彗星、海爾波普彗星，都在繞經地球的前幾個月才被發現。「太空中有許多大、小天體，彗星撞地球是可能發生的，若知道天空飛來飛去的彗星有多少，可以估計撞擊地球的機率多大，」陳文屏可不是嚇唬人，正如前一陣子好萊塢大片《彗星撞地球》所示，美國太空總署就曾提出「彗星撞地球」的對策，方法之一是在空中引爆彗星，但彗星的結構是什麼？是冰體？或帶著硬核？要用哪一種方式引爆？也只有對彗星詳加研究後才可能採取有效措施。

放寬科學的視野

「掩星技術概念簡單，但落實困難，」陳文屏表示，由於儀器觀測的視野寬達三平方度，同時記錄約三千顆星星，四台廣角望遠鏡必須連線，即時處理觀測資料，加以分析後互相比對，第一架望遠鏡在去年春天送上山裝設，其他望遠鏡將於今年底陸續安裝，完成連測工作。

陳文屏形容掩星計畫是「勞力密集」工作，除中、美彗星理論專家外，中研院投入六、七個研究人員，加上中大三個人手，有二、三十位博士埋首其中。

第一個天文十年，「儲備人才、訓練學生本來就是最重要的工作，」李太楓表示，不論哪一個計畫，目的都希望累積經驗，包括處理大量資訊的經驗、製作硬體的經驗，執行大計劃的經驗，此外，更希望能改善大學理工教育出身的學生「動腦不動手」的問題。

幾個天文計畫的重要工程師陳明堂深有同感，「我們是撒種子的人，自己當學生時，對天文非常缺乏『親切感』，現在學生能參與最先進的研究計畫，視野提昇，有機會發揮想像與創造力，就是最大的收穫。」

在第一線與廠商、研究單位接觸的陳明堂認為，天文儀器零件精密度高，台灣廠商尚無法跟上腳步，尤其缺乏系統整合能力；過度專注於半導體產業的結果，也造成研發技術的多樣性不足。「幾個天文計畫規模都不算大，要求標準卻很高，除非對研發有興趣，否則廠商加入的意願不強，也因此我們更要努力加強與業者的技術轉移，」陳明堂毫不氣餒。

穹宇浩瀚無垠，天文人的特色便是有耐心，闕志鴻就認為未來天文計畫自然會慢慢浮現出更多「附加價值」。他舉中研院物理所參與華裔諾貝爾獎得主丁肇中的研究計畫為例，由於計畫試圖撞出宇宙中的反物質宇宙線，必須在太空站上進行實驗，台灣負責製造部分電路系統。但太空環境無法散熱，導電產生的熱氣累積在電路板上，將燒掉儀器，缺乏「太空經驗」的中山科學院就很有興趣一探「真空中如何傳熱？」的究竟，卻一直苦無機會，藉由反物質宇宙線的計畫，美國太空總署開出了產品「規格單」，由台灣生產部分零件，一項新技術就此轉移。

星語

在李太楓看來，就天文研究本身，「九○年初期訂定的十年計畫，有百分之六、七十已然落實，」李太楓將之歸功於天文人的合作與互信。天文研究起步晚，人數少，機構單純，容易口徑一致。九月，大家就將坐下來規劃下一個天文十年的發展方向。

陳文屏更期待，未來天文學的研究也能結合地球科學與大氣科學，將天地人合而為一，「外面的天空那麼大，大氣科學中應該有人研究其他星球的大氣；研究地質的人，也應該有人兼顧其他星體的地質。」

靠著天文人努力，星光與日光將台灣天空照映得輝煌，相信「人人都能接受天文洗禮」不只是夢。

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現代天文學者利用無線電波探測宇宙天幕，為台灣天文研究開啟新頁。下圖為台灣製造的電波望遠鏡，已在今年初送往夏威夷加入探測塵埃雲的工作。（陳明堂提供）

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「中美掩星計畫」主要探測太陽系的彗星數量，藉此得知太陽系的形成，也進一步認識地球來源。（陳文屏提供）

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成軍十年的台灣天文團隊士氣高昂。中研院院士李太楓是倡議成立天文所的第一人。（林格立攝）

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天文所副研究員陳明堂是次毫米波陣列等大型計畫的首席工程師。（林格立攝）