陽光男人──周定一與日震研究

談到台灣十年來的天文研究成果，首推清大物理系教授周定一的「日震研究」。一九九七年，在權威科學刊物「自然」雜誌上，介紹了周定一設計的「聲波成像法」，解析從太陽收集來的震波資料，讓人們透過類似超音波的影像，看見太陽黑子慢慢在太陽體內消失，此法也開創了研究太陽的新領域。

太陽是一團以氫氣為主的「火球」，能量來自氫的核融合反應，肉眼可見的光球層，有六千度高溫，核心熱度更突破一千五百萬度，令人無法逼視。清大的日震研究首次透視太陽，因而留名天文史，近來英國出版的天文百科全書，兩次提到清大的日震研究。更難得的是，這個計畫由構想到落實，都由國內實驗室一手包辦，堪稱最本土的天文研究。

寂天寞地，我自馳騁

或許受以往美蘇星際爭霸戰的影響，天文實驗室始終給人設備尖端先進、具有超現實的誇張感；周定一的幾個研究室，卻都簡樸而侷促。儲存太陽影像磁帶的除濕房內，座落著幾個簡單的玻璃櫃；電腦室裡，層層相疊的電腦之間只容一人側身，後方還以櫃子隔出工作室，擺著學生自製的克難長桌，堆滿裝著各式零件的盒子，與兩架被拆卸的天文望遠鏡。就在這方斗室，從構思、畫圖、打造儀器模型、計算各種公式，周定一努力揭開太陽真面目。

何謂日震研究？顧名思義，是由地震學引申而來。地震學是利用地震或其他原因造成的震波來了解地球內部構造。日震學則利用太陽表面觀測所得的震波來了解太陽溫度、密度、運動、磁場等結構。

人類文明可說是從有計畫觀測太陽的第一刻開始。為掌握季節、提高農收，古老民族伴隨著神秘的太陽崇拜與傳說，各有觀測太陽的妙法。中國的圭表、埃及金字塔、英國的巨型環石，都與測日有關。

人類測日的工作歷久不衰，科學儀器的進展更讓人們進一步認知太陽系的主宰──太陽──並非亙古常新。從伽利略觀測太陽黑子約三十天移動一周，推論出太陽會自轉，進而現代天文學家發現太陽表面活動，按著十一年週期強弱交替。每逢太陽活躍期，表面黑子增多，噴出大量氫氣，形成壯麗如岩漿噴濺的日珥，寬度可以超過地球。

太陽風

伴隨劇烈的表面活動，太陽以等於三十三萬個地球質量與能量的巨大總和，影響著周遭星體。無數失控般的高能量質子噴射，形成超級太陽風，吹向太空，抵達地球時，威力不減，對地球磁場和電離層產生擾動，造成磁爆，進而影響遠距通訊。

一九八九年，上一回太陽活躍期的尖峰時刻，磁爆摧毀了北美輸配電系統，造成幾百萬戶停電，損失上百億美元。當時的美國總統前往日本訪問，座機空軍一號受磁爆影響，與地面通訊一度中斷。

太陽風也危及衛星等宇宙飛行器的傳感器與控制設備，並對在高緯地區飛行的旅客構成輻射威脅。有人統計，劇烈的太陽風與地震、火山爆發有關，許多科學家也試圖將不正常的旱澇災害、溫室效應和太陽風拉上關係。甚至人類心臟和神經系統疾病的發生與交通事故，也被歸咎給這股來自外太空的超級巨風。

驕陽威不可擋，在實際需求的推動下，一九七九年國際上成立了「日、地預報會議」，每隔四年舉行一次，並設立預報中心，仿效氣象局預報颱風動向。如今全球已有十幾個警報中心負責通報「太陽風」的威力。

人類體會到太空環境對地球的殺傷力，使得「日、地關係」成為新學門，探索太陽也成為重要課題。由於太陽溫度、內部運動會影響震波週期，八零年代中期之後，利用震波探索太陽結構的日震學就此蓬勃發展。天文學家可以據此準確了解太陽聲速、磁場、對流等內部運動。

日震學在天文研究上具有更重要的意義。由於其他星球會發出與太陽相似的震波，天文學者將距離人類「最近」的恆星──太陽，當成研究的出發點，未來日震學可以應用在其他恆星身上。一九九○年，日震學就被國際視為十個最重要的天文研究議題之一。

全球觀測網

台灣的日震研究從八九年開始醞釀，九一年十月正式運作後，日震計畫進度一日千里。周定一表示，為取得長時間觀測太陽的震波連續數據，以提高頻率解析度，必須在全球適當的經度上放置多個望遠鏡，以隨時觀測「不落的太陽」，因此計畫的第一步是在全球各地裝設五架天文望遠鏡。

九二年清大設計的原型望遠鏡開始測試，九三年六月運往西班牙裝機，正式觀測；半年後第二座望遠鏡送抵北京懷柔天文台；又過半年，第三套望遠鏡也順利安裝在加州大熊湖天文台。一年內三座望遠鏡開工，國際其他團隊對天文界的初生之犢也不免刮目相看。九六年夏天，第四套望遠鏡裝在中亞烏茲別克運轉，之前日震實驗室已陸續在天文季刊上發表相關論文。

除了周定一，清大物理系教授張祥光與長庚大學機械系教授孫明宗也加入日震團隊，使得望遠鏡的設計、製造、組合與測試，能獨立在國內完成，再運到各地觀測站。在國外，則由研究團隊訓練的當地人員負責操作與維修，並將每分鐘拍到的太陽震盪亮度與觀測數據錄影帶，定期寄回台灣。台灣實驗室從記錄到的震波變化與影像，以軟體和數學模式加以分析。

觀測日震的另一個方式是在太空進行，可以不受大氣影響。一九九六年底，歐美合作製造的衛星SOHO發射，主要任務就是研究太陽內部構造、外層大氣、太陽風，但衛星觀測經費龐大、壽命短、風險大，SOHO就曾多次故障。去年正逢太陽活躍期，美國在觀測太陽黑子的關鍵時刻，SOHO搞怪般的忽然斷訊，研究因此停擺多日。

地面觀測網穩定性高，比較具有「安全感」，日震研究仍大力倚重地面觀測。目前全世界還有英、法與美國三個地面觀測網，相較之下，台灣日震觀測網毫不遜色。尤其九七年春天，周定一團隊研發出的「聲波成像法」首次獲得太陽內部影像，更將清大日震研究推上高峰。

聲波成像

周定一表示，每個研究團隊都在收集日震數據，只有找到更好的方法加以分析解讀，得到比別人更多的訊息，才能超越對手。

聲波成像法的構想來自海洋學中的新探測技術「背景雜訊成像術」。一九九六年，周定一閱讀到一篇關於海洋探測的文章，文章作者從生活經驗中突發奇想，指出人們在門窗緊閉的室內，雖沒有直接光源，但太陽光散射游移在房間，碰到物體反射到眼睛成像，因此室內人們仍可以看見彼此，這是許多人有過的經驗。應用到海洋探測上，海洋學者將海洋中因為風、水流造成的自然聲波當作背景，正如密閉的房間；當有某目標物擾動聲波背景傳出雜訊，就像屋內的散射光，雖不是特定波源，仍可用來反射物體。再以放置於海面下的弧形聲波反射鏡，收集受到擾動的雜訊，並利用聲波陣列接收器接收訊號，即可顯現出目標物影像。

周定一從中得到靈感，「我們把太陽內部的震波當成背景雜訊，也就是屋內的散射光，利用它來『照亮』太陽內部的目標物（不均勻介質，如磁場區）。」事實上，這一套方法用在太陽與海洋仍有很大區別。由於太陽內部震波軌跡並非直線，不同模式的波抵達太陽表面的距離與時間也不同，更不可能在太陽內部放置反射鏡或透鏡來收集震波。為了讓適當的波可以正確反射太陽內部影像，周定一設計了一個數據來處理聲波，並進一步轉化光學透鏡的聚焦原理，得出太陽內部某一目標點至太陽表面的時距關係，重建位於太陽內部一點的震波訊號，並將記錄到的震幅組合成內部影像，「從九六年十月開始構思，十二月突破障礙，九七年在英國開會時就公開發表了，」數、理俱佳的周定一絲毫不浪費分秒。

太陽的十一年之癢

在聲波成像法出現之前，利用表面震波瞭解太陽內部結構仍有不少侷限，比如科學家雖已摸清太陽黑子活躍週期的底細，知道週期的產生與太陽南北磁場每十一年互換位置有關，但磁場位在哪裡？有些什麼物理現象？二十年前就有理論指出，磁場在太陽表面下○．七個半徑處（假設太陽厚度是一），但磁場訊號微弱，不易偵測，藉著聲波成像法，周定一因此能提出更強有力的證據來論證二十年前的理論。

而每十一年太陽磁場發飆時，會出現溫度降為四千度的區域，相較之下顏色黯淡，從地球遙望，就是人們眼中的太陽黑子，許多黑子實際上都大過地球表面積。利用聲波成像法分析，可以獲得黑子區在太陽內部不同深度的聲波強度圖，明顯可見黑子現象隨著深度而減弱。如此對進一步瞭解黑子在太陽內部的變化大有幫助，也可以更深入研究太陽磁場作用。

雖然聲波成像法讓台灣日震研究聲名大噪，卻並非日震研究室唯一的科學成果。十年來，日震實驗室已完成二十篇期刊文章，三十幾篇會議論文。在周定一想法中，日震研究最具意義的是培養訓練了學生，過程中，一向多動腦的數理高手們必須實際組裝、操作精密的望遠鏡，與學習如何選擇原件。整個計畫並訓練了電子機械、光學等各種人才，其中影像分析、軟體設計、儀器製作，在工業界也都能派上用場。

十年來，國科會為日震計畫投入二百多萬美金，研究成果回收豐碩，相較國外SOHO衛星的十億美金，可以說既經濟又實惠，算得上天文研究中的奇葩。周定一卻認為這一點都不稀奇，「從七○年代日震研究開步走後，八五至九五是儀器發展時期，全球觀測網陸續運轉，數據充分累積，接著進入數據分析高潮，研究人員可以從容的解讀太陽週期，很自然就會出現收成期，」周定一將成果歸功於大環境使然。

日光男人

對於聲波成像法，周定一則強調「仍在發展初期」，有待更進一步的研究，「比如聲波成像法的垂直與水平解析度、收集黑子區域與解析度的關係等等，」謙沖的周定一表示，雖然利用聲波成像法可以得到太陽內部不同深度的聲波強度圖與相位圖，但如何闡釋這些三維圖，以了解太陽內部結構，仍需研究人員努力。「我們還希望利用聲波成像法來研究更多問題，如震波波源的位置、太陽背面的黑子，與其他物理狀態。」

問周定一研究天文的秘訣是什麼？「找到適當題目，」不善自我推銷的周定一說的簡單，「科學研究成敗的關鍵，不能好高騖遠。」

鎮日守著天上陽光的周定一，雙腳則穩穩地踏在實實的地上，像女媧補天，一斧一鑿的努力將台灣天空雕琢得更有內涵與厚度。

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太陽系的真命天子──太陽，掌握著九大行星的命運。探索太陽表面活動已成地球人的重要課題。（台北市天文科學教育館提供）

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清大物理系教授周定一帶領的日震研究計畫，因為「聲波成像法」在全球太陽研究團隊中聲名大噪。（林格立攝）

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一九九三年開始，清大自製的觀測儀器陸續裝設在西班牙、北京、與加州等地，二十四小時全方位的觀測太陽。（周定一提供）

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西班牙小島Tenerife地方人士與有榮焉，以清大觀測儀器拍攝的太陽黑子圖片設計海報，招徠遊客。（周定一提供）