光學望遠鏡陣列的新視野

知識新知 06/01/2010


光學天文學家利用干涉測量技術,大大增強了地面光學天文望遠鏡的觀星能力,也給光學天文觀測帶來一個的全新局面。

在威爾森山頂的松林間,有六個圓頂建築居高臨下俯望著洛杉磯。這六個半球形建築內,各有一架直徑一公尺的望遠鏡,這些望遠鏡的規模,遠不及地面其他的大型望遠鏡以及太空望遠鏡,不過當六架望遠鏡結合為一時,它產生的解析度,令其他望遠鏡瞠乎其後。

於山頂上呈Y形排列的六具望遠鏡,是「高角解析度天文中心」(Center for High Angular Resolution Astronomy, CHARA)的一部分。望遠鏡收集的光線穿越真空管,最後以干涉測量法整合在中央貯光設施。將相距遙遠的光束結合為一,賦予CHARA相當於架設一具有三百三十公尺鏡面望遠鏡的高度解析能力,換句話說,它的解析度是哈伯太空望遠的五十倍有餘,CHARA因此可將星體的表面觀測的一清二楚,而其他望遠鏡,看到這些星體只有如模糊的光點。

無線電天文學家利用干涉測量法,已經有半個多世紀,然而光學天文學家卻落於其後。如今,光學干涉測量法正迎頭趕上,數個天文台更是成績斐然。去年底,CHARA的團隊,發現差不多和太陽系一樣寬的一個星塵盤,緩慢移至一個巨大的舊恆星前方,遮蔽住它的光芒。這讓天文學家喜出望外,他們捕捉到的,是一個食雙星系(eclipsing binary system)的直接影像,而它的形成百餘年來一直是個謎。報告的共同作者,科羅拉多州丹佛大學天文學家史坦塞爾(Robert Stencel)興奮指出,光學天文學總算邁入無線電天文學已有數十年基礎的領域。

從一開始,比起光學天文觀測者,無線天文學家即享有數項優勢。地球的大氣不會造成無線電波模糊,對波長較短的光束卻會。從分散碟形天線收集的無線電訊號,可以數位化後,透過電子傳輸,重新整合成干涉模式,這是高解析影像的基礎。由於操作容易,無線天文學家可輕鬆將全球的碟形天線資料整合使用,以廣如地球的基線,創造虛擬的望遠鏡陣列。

光學干涉法卻無法如此,天文學家必須以奈米的精準度,引導微弱的光束穿越地道,並且即時地完成光束的整合。他們還必須利用名為調適光學(adaptive optics)的複雜技術,抵消大氣的模糊效應。由於多數的光學陣列使用的是較小的望遠鏡,光是收集足夠的光線已是難事,而光線不足也導致研究對象受限,僅能選擇附近的明亮恆星。

技術優勢

儘管障礙重重,光學干涉測量法還是讓天文學家對星體有了新的視野,包括雙星系如何彼此交換質量,恆星旋轉時如何產生膨脹等。現在,科學家正在研究兩個以上望遠鏡光束的結合技術。多光束不僅可提高資料收集效率,捕捉更多的光子加以使用,還可對資料進行交叉查對,讓以干涉模式建立影像的工作簡單化。CHARA已在二○○七年首度公開整合四光束的技術,明年計畫同時記錄六道光束的成果。

光學天文學的進步讓一度窒礙難行的實驗變成例行作業,也讓本身並非干涉測量法專家的天文學家有了全新體驗。智利歐洲南天天文台的超大望遠鏡干涉陣列(VLTI)干涉法小組負責人戴普蘭克(Françoise Delplancke)形容,此刻的天文學家已是光學干涉法的「常用者」。光學干涉法的科學論文也開始暴增,一九九九年僅有九份,去年增至五十六份,半數來自歐洲全力贊助的VLTI。

相較之下,美國設施獲得的贊助較無組織與零碎。CHARA是國家科學基金會提供金援,由大學主持的研究。CHARA的潛在對手,新墨西哥州馬達林納嶺天文台因為經費無著而進度落後。在夏威夷的兩具直徑十公尺凱克望遠鏡,是以美國太空總署的資金運作。這兩具凱克望遠鏡,若是另外四到六具小的「外圍」望遠鏡支援,能力可望大增,甚至可與VLTI一較長短。可惜,這項附屬計畫胎死腹中。文化與環境的疑慮,導致在毛納基峰興建新望遠鏡的計畫於二○○六年喊停。
不過,不是人人都對毛納基峰的計畫死心,該峰擁有全球密度最高的天文台群。巴黎天文台以及夏威夷奈米弧度天文學光學陣列(OHANA)的主要研究員培林(Guy Perrin),正在整合毛納基峰上的七大望遠鏡,讓它成為具有八百公尺基線的陣列。為證明它可行,培林已以不顯眼的光纖,將兩個凱克望遠鏡的光束整合為一,科學家若能使用光纖,即不須地道連結望遠鏡。

在毛納基峰上接受訪問時,培林正忙於第二階段工作,以光纖將雙子北座望遠鏡(Gemini North)與位於夏威夷大島的加拿大、法國與夏威夷望遠鏡相銜接。培林也協助智利的VLTI,發展整合光學,將光束有效地在極小的矽晶片上進行整合,不再仰賴龐大且複雜的設施完成這項工作。

雖然科技仍是OHANA計畫的一大障礙,培林指出,更困難的,是說服毛納基山的所有天文台同時提供他們寶貴的天文台時間。培林說,要說服這些望遠鏡背後的組織,須先證明干涉測量法是當今的顯學。
【知識通訊評論月刊九十二期】2010.6.01

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