在火山上穿梭星空隧道──探訪台灣望遠鏡AMiBA

我國在夏威夷大島火山上開發建置的兩座國際級望遠鏡──SMA和AMiBA，是這些天文學家打響台灣名號的關鍵。其中SMA是世界第一座研究「次毫米波天文」的望遠鏡陣列，由中研院天文所和美國史密松天文台合作建造，可針對恆星形成、末期演化等領域研究；去年10月，中研院天文所與台灣大學的研究團隊，更在大島的另一座火山毛納洛峰，建置啟用全球首座活動平台式的毫米波陣列望遠鏡AMiBA，預計在今年底就有重要研究成果發表。

克服近四千公尺高山上強風、低溫、資源缺乏等嚴苛考驗，SMA和AMiBA的成功，彰顯出台灣的望遠鏡設計、開發技術，以及科學觀測、分析的獨創性與細膩度，都已逐漸趨於成熟。台灣的天文研究團隊，也因此躋身世界一流的行列。

陽光、沙灘、衝浪戲水的人潮，還有美麗又婀娜多姿的草裙舞女郎，這是一般人對夏威夷的第一印象。不過這個美國最南方也最年輕的州，可不僅僅是知名的渡假勝地而已，對科學界來說，這裡的特殊之處，更在於它是北半球最重要的天文研究重鎮。

台大電機系研究團隊在中研院天文所工程師陪同下，爬上平台觀察AMiBA的精密設備。

天文研究的樂園

夏威夷群島介於亞洲和北美洲之間，位處北回歸線以南的北太平洋中央地帶；由西北向東南延伸，總計有137座由火山熔岩形成的大小島嶼，其中又以歐胡島、夏威夷島、可愛島，以及茂伊島等4個主要島嶼，最為人所熟知。

歐胡島檀香山的威基基海灘，是全世界旅客人次最為密集的渡假勝地之一，尤其深受日本及美國觀光客歡迎。漫步在威基基細白的沙灘上，舉目所見除了戲水及日光浴的人潮，就是琳瑯滿目的精品名牌店，以及住一晚就可能要花費上萬元台幣、櫛比鱗次的觀光渡假飯店。

俗稱「大島」(Big Island)的夏威夷島，是夏威夷群島面積最大的島嶼，此處雖不若歐胡島廣為人知，但因擁有兩座海拔超過4,000公尺的火山，山頂高度夠高，可避開雲層和水氣干擾，加上一年超過300天的晴朗天氣，成為天文學家觀測星空的最佳據點。目前全世界計有13個國家在這裡設置天文望遠鏡及觀測站，我國也是其中一員。

AMiBA屬於「陣列」型望遠鏡，平台上的7個碟型天線，可任選2個為一組同時運作，觀測組合總計達21種。左圖為AMiBA觀測木星獲得的原始訊號其中9種；中圖為分析21組原始訊號後的木星影像，這也是AMiBA首度取得的天體影像；右圖則是利用一般光學望遠鏡拍攝的木星影像。

探訪AMiBA

6月10日清晨8點半，記者跟著台灣大學電機系的研究團隊，從歐胡島檀香山飛往夏威夷大島的東部大城希洛。雖然飛行時間僅短短30分鐘，但因時差加上連日會議的疲累，這群電機系研究人員全都睡成一團，而在為期僅一周的緊湊行程中，他們仍堅持撥冗前往大島火山上的AMiBA望遠鏡一遊。

「因為這是很難得的經驗，而且AMiBA上還有我們製作的電路，」台大電信所博士班學生林晉申掩不住興奮地說。

林晉申口中的AMiBA，即為中央研究院天文所籌備處與台大物理系及電機系合作建置的「宇宙微波背景輻射陣列望遠鏡」(Array for Microwave Background Anisotropy，簡稱AMiBA)。這座望遠鏡甫於2006年10月啟用，是目前世界首座活動平台式的毫米波望遠鏡，可藉由觀測宇宙微波背景輻射，及背景輻射間和星系團間的訊號差異，進一步探索宇宙起源、形成及演化過程。

「AMiBA望遠鏡，從計劃構想、設計、開發到製作，全是由台灣主導完成，」曾在美國哈佛大學任教的AMiBA計劃主持人、中研院天文所所長賀曾樸，以略帶廣東腔、不甚流利的中文驕傲地說：「這是頂好的設計、其他國家沒有的，極具國際競爭力的望遠鏡。」

AMiBA宇宙微波背景輻射陣列望遠鏡，是目前世界首座活動平台式的毫米波陣列望遠鏡。該座望遠鏡從計劃構想、設計、開發、製作，全由台灣的科學家主導完成。

張著7隻大眼睛的六腳章魚

AMiBA設置地點是在標高4,169公尺的大島第二高山毛納洛峰山腰上，海拔高度約3,426公尺。這座火山位於希洛城西南部，上山車程雖然不長，沿途卻滿是蜿蜒崎嶇。

「叩、叩、叩」，從機場租來的福特汽車，車體底盤屢屢傳出和火山岩擦撞的聲音，聽了叫人心驚。舉目望去，沿途均是廣漠無邊的灰黑色火山岩。「好像來到了外太空！」這群電機系研究人員驚呼，眼前所見，就如同許多影片所描繪的火星影像，似真似幻，難以言喻。

巔簸了兩個小時，一行人才抵達基地。AMiBA外型跟一般人印象中、有著巨大鏡頭的光學望遠鏡大異其趣。它的主體由6隻機架支撐著被研究人員戲稱為「大白」的六角形平台，平台中央則安裝著7個直徑60公分的碟型天線，看起來就像在科幻片才會出現的裝置。

中研院天文所派駐夏威夷的工程師韓之強介紹，AMiBA主要由機架、平台、碟型天線、接收機、相關器、混波訊號處理器、中頻訊號處理器及電腦控制等9大系統組成，「六軸平台的每一隻機架都可以任意伸縮，可導引碟型天線指向天空中的任何地點，整個設計就像一隻活動靈活的六腳章魚。」

記者坐上昇降機，騰升至離地5公尺的高度，居高而下俯瞰望遠鏡的構造。由於AMiBA屬於「陣列」型望遠鏡，平台上的7個碟型天線，可任選2個為一組同時運作，觀測組合總計達21種；為了讓隱藏在浩瀚星空中的各種資訊無所遁形，這睜著7隻大眼睛的六腳章魚身手矯健，平台不但可隨意翻轉，還可自轉正負30度，最低則能調整到與地面夾角僅30度的角度觀測。

毛納洛峰基地高掛著AMiBA望遠鏡的解說，該座望遠鏡是由中研院天文所及台大合作建造，因計劃是中研院前院長李遠哲促成，所以又稱「李遠哲陣列望遠鏡」。

跨界整合奏功

AMiBA的另一項特色在於可以有效率地搜索天空。AMiBA計劃統籌者、中研院天文所長期派駐夏威夷的研究員陳明堂指出，這座望遠鏡的解析度最高可達2角分，約為月球視直徑的1/15，每次可觀測的範圍很大，因此能夠有效率地觀測、搜索科學家需要的訊號。

「年底前我們會把目前這7個直徑60公分碟型天線，擴充成13個、直徑120公分的新天線，未來希望最多可擴充為19個，」陳明堂解釋，AMiBA初研發時，先從較易成功的小型天線作起，「新天線將大幅提升望遠鏡的靈敏度。」

看完AMiBA的裝置及實際運作，林晉申笑說，以前電機系所製作的混波器、放大器等電路晶片，多半是放在傳統電機設備、無線網路收發系統等，「沒有想到也可以和天文望遠鏡形成完美結合。」

甫拿到博士學位不久的台大電信所博士後研究員蔡作敏則說，AMiBA和夏威夷火山上其他國家製作設計的天文望遠鏡相較毫不遜色，「從沒想到自己做的電路可以看星星，真是太帥了！以後如果有機會，我也想跨足天文研究領域。」

AMiBA宇宙微波背景輻射陣列望遠鏡，是目前世界首座活動平台式的毫米波陣列望遠鏡。該座望遠鏡從計劃構想、設計、開發、製作，全由台灣的科學家主導完成。

古老光傳奇

在廣闊無垠的星空中，我們所在的地球究竟從何而來？所謂的「宇宙」起源又是什麼？它到底經過怎麼樣的演化過程？以後又會往哪裡去？這些人類亙古以來不斷自問的疑問，答案也就在浩瀚的天空中。

穿梭在看不到起點、也沒有終點的星空隧道，尋找宇宙的起源，這正是目前天文研究領域中最熱門的領域之一──宇宙學研究；而AMiBA這座台灣新建的宇宙微波背景輻射陣列望遠鏡，正是試圖解答這些疑問。

AMiBA科學家、台大物理系副教授吳俊輝指出，人類現在所處的宇宙，曾在距今近140億年前發生大爆炸，當時所遺留的古老光，約在大爆炸後40萬年被釋放，自由地四散穿梭在宇宙的各個角落，即使在140億年後的今天，科學家仍可觀測到它們，這種古老光就是「宇宙微波背景輻射」。

由於大爆炸後，宇宙一直在膨脹擴張，目前已將背景輻射的平均波長延伸至數個毫米，約較一般星星發出的可見光波長長了數千倍。吳俊輝指出：「宇宙微波背景輻射是『宇宙曾經發生大爆炸』的重要證據，可供科學家觀測早期宇宙的樣貌；由於這些古老光在宇宙中穿梭了140億年，等於見證了這段漫長時間宇宙所發生的各種事件，也紀錄了宇宙演化的重要資訊。」

AMiBA屬於「陣列」型望遠鏡，平台上的7個碟型天線，可任選2個為一組同時運作，觀測組合總計達21種。左圖為AMiBA觀測木星獲得的原始訊號其中9種；中圖為分析21組原始訊號後的木星影像，這也是AMiBA首度取得的天體影像；右圖則是利用一般光學望遠鏡拍攝的木星影像。

照亮在黑暗房間中飛行的蒼蠅

宇宙微波背景輻射也可用來當作觀測星系團的「背景光」。宇宙論學者相信，背景輻射剛被釋放出來時，溫度約為攝氏3,000度，但經過近140億年的膨脹冷卻，目前溫度已約降至攝氏零下270度。在這些背景輻射的照射下，若有星系團存在，利用像AMiBA這類的電波望遠鏡進行科學量測，就會發現訊號及溫度差異，因此觀測背景輻射也是探索已知或未知星系團的最佳方式之一。

吳俊輝形容，這些距離地球非常遙遠的星系團，就如同在黑暗房間飛行的蒼蠅，很難被發現；但如果蒼蠅後面的牆會發光，它的身影就會被背景光所投射出來而無所遁形，「宇宙背景輻射就是照亮這些星系團的『背景光』。」

雖然AMiBA啟用不到一年，但已有初步研究成果出爐。在今年4月18日，AMiBA成功觀測到宇宙背景輻射和星系團A2142(Abell 2142)交互作用產生的「SZ效應」(Sunyaev-Zel?dovich Effect)，這也是台灣首度自力取得的宇宙學觀測成果，預計將在年底前發表。

吳俊輝解釋，當宇宙背景輻射和星系團同時存在時，背景輻射的光子，會被星系團核心的游離電子加熱，以致光子在高頻訊號將增強、溫度也會較高，但低頻時訊號強度反將減弱，這就是當今宇宙學研究中相當知名的「SZ效應」。

「宇宙微波背景輻射在30-400GHZ頻段的訊號較強，而AMiBA設定的觀測頻段約為90GHz、觀測波長約3毫米，是目前全世界唯一鎖定此段頻率、且已獲得成果的望遠鏡，」吳俊輝相當有自信地說。

AMiBA屬於「陣列」型望遠鏡，平台上的7個碟型天線，可任選2個為一組同時運作，觀測組合總計達21種。左圖為AMiBA觀測木星獲得的原始訊號其中9種；中圖為分析21組原始訊號後的木星影像，這也是AMiBA首度取得的天體影像；右圖則是利用一般光學望遠鏡拍攝的木星影像。

先行者──SMA

其實早在2003年，中研院天文所就和美國知名的史密松天文台合作，在標高4,205公尺的夏威夷大島第一高山毛納基峰，建造全世界首座「次毫米波陣列望遠鏡」，針對恆星形成、恆星末期演化、星系團演化等領域進行研究。這幾年利用SMA觀測、並在國際期刊發表的科學論文已達80篇，其中54篇是出自台灣的研究者。

SMA現有8座直徑6米的碟型天線望遠鏡，其中兩座為台灣製作；所有碟型天線若全部串連，可在次毫米波段模擬一個直徑長達500公尺的望遠鏡，觀測解析度非常高。

「當初雖然我們也花了相當多的人力、經費投入建置SMA，不過望遠鏡最重要的製作技術，仍需由美國轉移過來。」中研院夏威夷辦公室的統籌者陳明堂笑說：「更簡單一點說，SMA是我們拷貝人家的技術，但AMiBA雖也有獲澳洲天文台、美國國家電波天文台等單位的技術支援，但整個計劃是由台灣主導完成，難度也高出甚多。」

在SMA所在的毛納基峰山腰的天文研究室，一進門，就可看見我國國旗和其他12個國家的國旗高掛在一起，這面旗子正代表國際學界對台灣天文研究的肯定。

篳路藍縷的建置過程

AMiBA計劃始於1999年，並陸續獲得教育部卓越計劃及國科會等單位約新台幣3億元的經費補助，研究團隊成員約有二十餘人。這座望遠鏡原本預定在2004年啟用，但因許多精密的電路及機械裝置是首度嘗試，製作難度實在太高，在台灣研究人員經驗不足的情況下，啟用時間被迫延宕了2年。

「AMiBA是由許多精密的電路模組和小零件組裝而成，稍有一個環節出錯就無法運作；加上高山上的環境嚴苛，不但有無孔不入的強風，日夜溫差更高達10度、甚至20度以上，要確保電路在惡劣天候也能運作無虞，是相當大的挑戰，」陳明堂解釋。

另一個讓研究人員頭痛的難題，則來自AMiBA所在的毛納洛峰。毛納洛峰在夏威夷原住民語意即「長山」，整座山體從太平洋海床延伸出來，是目前全球最大的火山，距今最近的大爆發則在1984年。

夏威夷大島的5座火山中，毛納洛峰及東南端的奇勞瓦峰，都是火山活動仍頻繁的活火山。圖為火山爆發後，一波波岩漿湧出、自然冷卻形成的地形。

毛納洛峰新秀

由於毛納洛峰是存在爆發危險的活火山，因此多數望遠鏡都集中在鄰近的毛納基峰；近幾年毛納基峰基地已趨飽和，夏威夷政府不願再開放，AMiBA只好轉戰毛納洛峰。

「AMiBA所在的毛納洛峰基地，當初是一片荒蕪，除了美國國家海洋暨大氣管理機構在當地有觀測站外，沒有其他大型望遠鏡，連上山道路都沒有鋪柏油，而是由火山岩漿自然冷卻凝聚成的巔簸表面。從整地、接水接電、搬運裝置、建造控制室和工作間，以及各種精密設備的安裝測試，全部都要自己來。」回想起望遠鏡建置時的艱辛，工程師韓之強仍記憶猶新。

經過6年努力，AMiBA已是毛納洛峰最具規模的望遠鏡，也成為許多國家天文學者指定參訪的景點。常帶領這些學者上山的韓之強笑說：「我都快變成職業導遊了！」

AMiBA望遠鏡在今年4月18日首度觀測到宇宙微波背景輻射和星系團A2142交互作用產生的「SZ效應」，該項研究成果預計將在年底發表。

獲邀參與ALMA計劃

有了SMA和AMiBA兩座望遠鏡的成功經驗，中研院天文所近年也獲邀加入國際上最大型的天文研究──ALMA毫米波次毫米波陣列望遠鏡建置計劃(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)，該計劃計有近20個國家參與，總經費達10億美元，將在智利的阿他卡馬高原上，建造直徑可模擬超過10公里的望遠鏡，預計在2012年啟用。

「天文研究的領域競爭激烈，如果我們做的不好，就不會有這麼多國家想和台灣合作，」中研院天文所所長賀曾樸指出，ALMA由美國、日本、歐洲各國3方投資；望遠鏡完成後，美、日、歐各分得30%的觀測時間。「台灣雖然僅投資2,500萬美元、約佔2%比例，但和美、日都有合作關係，未來這兩方的觀測時間都可申請使用。」

提升台灣的國際能見度

參與跨國天文研究，建造世界第一流的天文望遠鏡，也是台灣提升能見度、增加國際合作的最好契機。「像現在全球利用SMA望遠鏡觀測發表的科學論文已有數十篇，每篇論文最後都會註明SMA是由美國史密松天文台和台灣中研院天文所合作建造，」賀曾樸笑說：「這就是台灣的最佳宣傳！」

SMA所在地毛納基峰山腰上，有個由各國籌建的天文研究中心，一進門，迎面所見就是中華民國與其他12國的國旗同時飄揚。這面國旗，見證了這群科學家多年來在異地打拚的辛苦耕耘；在我國國際地位屢受中國打壓、外交處境日益艱難的情況下，在這樣的國際場合與國旗不期而遇，更讓人有種莫名的感動，也忍不住為這群打響台灣知名度的科學家喝采。

◎星光和古老光

宇宙中有兩種常見的「光」，其一是星星、星系經過「核融合」高溫燃燒而產生的光，具有各種不同的波長，從無線電波、紅外光、可見光、Ｘ射線、到伽瑪射線都有， 一般人類肉眼可見的星光，波長約在400-700奈米間，都是屬於這類的光，是宇宙中較年輕的光。

另一種則是距今近140億年前、宇宙大爆炸時期即已存在的古老光，稱為「宇宙微波背景輻射」。這種古老光的波長，隨著宇宙不斷地膨脹擴張而拉長，目前平均波長約為數個毫米，是人類肉眼無法看到的「微波」波段，所以只能透過特製的電波望遠鏡或衛星觀測。