把望远镜搬到格陵兰?观测黑洞的疯狂天文学家

为什么建造格陵兰望远镜
中研院天文及天文物理研究所主导的「格陵兰望远镜」(GLT),在2017年底开光,并在2018年成功与夏威夷的次毫米波阵列(SMA)、智利的阿塔卡玛毫米波与次毫米波阵列(ALMA)连线观测。利用特长基线干涉技术,三组大型望远镜形成接近地球那么大的大三角形,相当于一个超大望远镜,有望拍摄到人类史上第一张黑洞的照片。
在格陵兰建造望远镜,除了靠天吃饭,也需要有经验的天文工程团队。 图片来源│格陵兰望远镜网站
在格陵兰建造望远镜,除了靠天吃饭,也需要有经验的天文工程团队。

在格陵兰的生活是怎么样呢?格陵兰望远镜计画执行负责人、中研院研究员陈明堂说,冬天很麻烦,要穿厚重的衣服,一回到住处就不会想再出门了。格陵兰的夏天是永昼、冬天是永夜,永夜的时候「会觉得怎么睡都睡不饱」。

一般人想不到的是,格陵兰的夏天有个很扰人的东西,那就是极地的大蚊子。穿着牛仔裤都会被蚊子叮咬,夏天工作必须戴网状的帽子防蚊。使用台湾带去的电蚊拍,闻起来还会有BBQ 的味道。

格陵兰望远镜所在的图勒空军基地,设备还不错,有福利社、餐厅、交谊中心、健身房。不过生活单调,每天闲暇就是与当地军人、科学家串门子;因纽特人并不住在图勒基地附近,平时不会遇见。

人类即将看见黑洞
「黑洞影像,我觉得迟早会被拍到,事件视界迟早会被证实。」陈明堂说,格陵兰望远镜的主要观测目标,是M87星系中央的超大质量黑洞。黑洞本身是「黑」的,事实上看不到,但是我们可以看到它的阴影。阴影的亮光,来自于黑洞周围的吸积盘。

 

从地球看过去,黑洞实在太小,解析度必须达到几十个「微角秒」,所有光学望远镜都无法达到,只能仰赖特长基线干涉仪。

以现在的技术而言,有机会看到的黑洞只有两个:银河系中央和M87。银河系中央黑洞位在南方,而格陵兰望远镜是在北方,观测目标自然就是M87了。

陈明堂解释,M87 黑洞与银河系中央黑洞,特质其实不太一样。银河系中央黑洞离我们比较近,较容易看到,但是M87 黑洞其实是银河系黑洞的1000 倍重。

为什么科学家想看见黑洞?
晚上一个人在荒野,你会想要点火、拿手电筒去照,看有什么东西。好奇和不安全感,有时候是一体两面。

陈明堂说明,看星星固然浪漫,但是科学家更关心的是「地球和太阳系的关系」、「地球是怎么来的」这些问题。求知的过程中,得到了答案,会让人感到安心。好比说我们知道月球、火星不会突然爆炸,而令人安心。最终,是想了解人和自然界的关系。

「黑洞、外星人、人类起源跟未来,都是大科学。」陈明堂说,看见黑洞是验证人类的理性推理。空间里面为什么可以出现一个大洞,是不是有异度空间,很难理解。知道黑洞存在,可证明我们用的方法是对的,可用同样的理论探究其他事情。

人类要真正能利用黑洞,技术上还很遥远。陈明堂表示,未来如果人类开始制造宇宙船舰,太阳能恐怕不够,需要更巨大的能源,恐怕就要利用黑洞。黑洞是很有效率的发电机,假如有个小黑洞绕着地球走,只要丢一两颗石头进去,就可以产生大量的能源,不必再烧石油、用太阳能。

先不管这些科幻的想法是否能实现,一群勇于挑战的天文学家,已经脚踏实地,踏入了酷寒的格陵兰,建置望远镜探究神秘的黑洞。

故事要回到大约十年前(2009年),美国国科会将不再使用的ALMA原型机释出,公开征求科学家的提案。中研院和哈佛合作「观测黑洞」的提案获得接受,顺利取得了这台望远镜。

陈明堂说明,想要用望远镜看到黑洞,需要极佳的解析度,因此技术门槛很高。第一,必须要有将近地球那么大的望远镜。第二,望远镜接收的频率,必须是频率很高的电波。而高频率的毫米波、次毫米波天文仪器,直到过去十几年,技术才成熟。

问题来了,由于望远镜要接收的电波频率很高,必须摆在非常干燥的高山上。就像我们观星要去合欢山、大雪山,因为山上大气透明度比较好,才能看得到流星雨。

天文科学的设备,很讲求大气透明度。

新的望远镜地点,必须距离夏威夷和智利原有的两组望远镜够远,且在干燥的高山,又要考虑交通、基础设施,于是地点的选择相当困难。陈明堂说,他们曾经考虑过纽西兰,但是纽西兰没有符合条件的高山;他们曾经考虑过阿拉斯加,然而阿拉斯加没有可用的基础设施。

终于,找到一个疯狂的地点──格陵兰。陈明堂说,他们原来根本不知道格陵兰岛上有什么,同事去Google一查,才发现格陵兰有个大气观测站,且是美国国家科学基金会在运作。他们试着向对方联系,结果顺利谈成合作。现在全球重要的毫米波、次毫米波天文望远镜,地点分布如下图所示:

中研院已在夏威夷有SMA 望远镜,又参与了智利ALMA 望远镜的建造,掌握世界上很少数的次毫米波望远镜。 在地球的另一角:格陵兰,盖一座新的望远镜,三台望远镜就形成一个大三角形,连线成将近地球那么大的望远镜。 如此一来,黑洞的观测,中研院就站在全世界的主导地位。 资料来源│格陵兰望远镜网站
中研院已在夏威夷有SMA望远镜,又参与了智利ALMA望远镜的建造,掌握世界上很少数的次毫米波望远镜。在地球的另一角:格陵兰,盖一座新的望远镜,三台望远镜就形成一个大三角形,连线成将近地球那么大的望远镜。如此一来,黑洞的观测,中研院就站在全世界的主导地位。

最初打算去格陵兰,十个人有九个回应:「你们太疯狂了!为什么要花这种钱?又不会成功。」他说,「一开始,我们完全不知道格陵兰长什么样子,不知道冷的时候是怎么样。一群在热带长大的人,到那么寒冷的地方,衣服都不知道怎么穿了。但是同样的,之前SMA 望远镜要搬去夏威夷的时候,我们也不知道那里是什么样子。」

格陵兰、夏威夷,这些位置给我们不安全感,但同时也有冒险患难的精神。

2011年,格陵兰望远镜的疯狂计画,终于展开了。研究团队来到格陵兰的峰顶站台基地 (Summit Camp),先摆放大气透明度的测量仪器,验证当地是很好的天文观测地点。

 

接着在2012年,中研院团队来到新墨西哥州的小镇。那里是个印地安人居住的沙漠地区,拥有知名的甚大望远镜 (VLA),也就是电影《接触未来》的场景。由于ALMA的原型机摆在那里,中研院派一群人待了三个月,来拆卸原型机。人员每天从住处开车到天文台,单程就长达70公里。这是格陵兰望远镜建造的第一步,就已拆得轰轰烈烈。

ALMA原型机拆卸完成后,运送到维吉尼亚州的军港。中研院的团队在这里待了半年,试组装望远镜。因为格陵兰的物资、人力都有很大的限制,甚至如果少了一颗特殊的螺丝,可能要等好几个礼拜才能取得。于是,在零件运往格陵兰之前,得在美国本土先试组装大型物件,确定没有差错。

2016 年夏天,望远镜搭乘一年只开一次的船班,运送到了格陵兰的图勒空军基地。来到格陵兰冰天雪地的现场,发现不少未曾被注意过的问题。例如,一般望远镜放置的山上,不会常年结冰,望远镜天线即使部分结冰,仍然会融掉。

但是格陵兰情况不同,望远镜只要结冰就很麻烦了,必须加装除冰系统。

陈明堂解释,除冰系统的原理,是不让外来水分黏着到天线的碟面上。并不需要将碟面温度维持在零度以上,只要让它比周围环境高一度左右,这样水分就不会附着而结冰。

另外,原来的望远镜结构是开放式的,许多仪器放在室外。然而在格陵兰,仪器不能随意放在室外。研究团队花了一些功夫,才找到合适的伙伴──包含中科院的航空研究所、中钢,重新设计望远镜基座,改装支撑架构,并增建两个机房。

 

2017 年底,格陵兰望远镜终于开光。2018 年1 月,格陵兰望远镜参加了全世界的特长基线观测预演。出乎众人的意料,格陵兰望远镜竟然与智利的ALMA 连上线了!

一般望远镜组装完成后,需要花费大量功夫调校,很难立刻成功观测,更不用说是仰赖高技术的特长基线观测。原先大家根本不相信,才刚组装好的格陵兰望远镜能够立刻与SMA、ALMA 连线,进行特长基线的观测。接着,在2018年4月份,格陵兰望远镜参加正式的观测,取得数据,并且一步步调适各种参数。