零距離科學:把望遠鏡搬上太空,人類看得更清更遠了嗎?

零距離科學:把望遠鏡搬上太空,人類看得更清更遠了嗎?
哈勃太空望遠鏡|Photo credit: NASA
我們想讓你知道的是

今集《零距離科學》,將會帶大家走進各個大型望遠鏡的內部參觀,還會訪問參與計劃的天文學家,看看他們的觀星歷程。

唸給你聽
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文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

筆者寫這篇文的時候,正在市郊一個露天地方用裸眼觀星。雖然近來天氣潮濕多雲,但仍能在片片雲間看到好一些星星,拿著星圖還能認出是哪些星座。夜深人靜,看著星星緩慢地在天上移動,好像伸手就能抓到那些一閃一閃的星星,就像細細碎碎的水晶落在天鵝絨上。這個地方在雲不多的情況下能看到夜空中最光亮的二、三十顆恒星(行星要看時候),但曾經有一次,就是超強颱風山竹吹襲過後,在同一個地方,整個天空像清洗過一樣,一次過出現了四、五十顆恒星,筆者當下呆了。(當然,數天後又回復了原狀。)

望天打卦——在地上觀星的考驗

筆者寫了一堆風花雪月,說的相信也是不少人的經歷,特別是要用望遠鏡觀察和拍攝各種星體的人,包括天文學家和業餘愛好者,都長期在為光害和天氣變化等問題煩惱。人可以走動,雙筒望遠鏡輕便攜帶,小型望遠鏡可以用車載,但口徑以米計算的大型望遠鏡就不好移動,拆卸要很小心,重新砌好後又要做很多調節,所以基本上是建好了就不再搬動了。

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加拿大-法國-夏威夷望遠鏡(Canada-France-Hawaii Telescope, CFHT)是跨國合作興建的新一代地面大型望遠鏡。

相信大家很容易理解,用口徑越大的望遠鏡能看到越遠的東西,這是因為會發光的天體,例如恒星,所釋放的光子通過星際空間傳送,越走得遠能量越弱,最後來到地球上,走進我們的望遠鏡中時,只剩下很少很少部份,所以要把望遠鏡對著目標光源(即是你想看的天體)的面積加大,以在同時間收集更多光子,形成更光亮的影像。

可是,影像的清晰度又是另一回事,即使是大口徑望遠鏡,如果沒有準確計算和正確安裝鏡片,也會出現色差或像差(剛啟用時的哈勃太空望遠鏡就是個好例子),到頭來還是得發揮不到應有的功用。不過,縱使有最好的器材,最難預測的,還是大氣層的狀況。多雲會降底大氣透明度,大氣湍流又會降底視寧度,使影像看上去像在「煲水」,使用放大率越高的望遠鏡問題越嚴重(這個要親眼見過才明白,建議大家上網搜尋有關視寧度/seeing 的影片)。那麼,把望遠鏡搬上太空,放在大氣層上面,就沒問題了吧?

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把大型望遠鏡建在高海拔的地方,能避開大氣層的各種天氣影響,得到比低地更穩定的影像。
為天上的眼睛配眼鏡——哈勃太空望遠鏡的初始問題

當初美國太空總署設計哈勃太空望遠鏡,就是為了避開帶來各種不穩定性的大氣層,直接在太空接收光子,但在剛把望遠鏡送進太空就發生了問題,發現鏡面有瑕疵,出現球面像差,使光源影像產生擴散,特別影響觀測較暗天體的計劃。如果望遠鏡在地上還比較容易處理,乾脆重新製造一套新鏡片換上就好(當然是非常貴),但哈勃太空望遠鏡的情況是,太空人要在無重狀態下完成既大規模又精密的工作,而且還很難估計換完之後的結果,幸好科學家們想到可以保留原有鏡片的補救方法(就是幫哈勃太空望遠鏡「度身訂造」一副「眼鏡」),才得以解決問題。所以,在地上建造大口徑望遠鏡還是很可取的。其實,地球上還是有些好地方可以放大型望遠鏡的。

在荒漠中看點點繁星——新一代大口徑式和陣列式望遠鏡

近代興建的大型望遠鏡都是建在「鳥不生蛋」的地方,遠離人類居住地的光污染,還要在氣候乾燥的高山上,減少光子要穿過的大氣層厚度,以形成更穩定的影像。這些巨無霸中比較出名的包括歐洲南方天文台(European Southern Observatory, ESO) 、智利的阿馬索內斯山上(海拔3060米)興建的極大望遠鏡(Extremely Large Telescope, ELT)。ELT還在興建中,預計2025年啟用,是座口徑有39.3米的反射式望遠鏡。

如果要打磨一整塊直徑近40米的曲面鏡,不但很難做得精確,組裝好了也很難維護,所以科學家想出了其他方法。相比起一整塊鏡,科學家把近800塊小型六角形平面鏡拼起來做成主鏡,其中每一塊鏡也可以獨立控制,實行「化整為零」。ELT 配備了各種儀器,能夠分析可見光和近紅外線光譜,天文學家已計劃用來觀察地外行星的大氣成份,和遙遠星系結構的演化。

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在智利的阿馬索內斯山上,ELT的建築人員特地把一座山的山頂剷平,以建造望遠鏡拱形結構的地基。

另一類大型望遠鏡,稱為望遠鏡陣列(array)或「天線陣」,包括同樣位於智利,建在阿塔卡瑪沙漠上(海拔5000米)的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)。望遠鏡陣列由54座口徑12米,和12座口徑7米的電波望遠鏡組成,在2011年的測試中,天文學家得到了以可見光觀察不會得到、遙遠星系互相碰撞的極高分辨率照片,在後來的正式觀測中也拍攝到了各種遙遠的恆星和行星系統,有助尋找它們的起源。

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利用ALMA,天文學家能以可見光譜以外,紅外線和無線電波之間的波長觀測遙遠的星系,以獲得更多細節。
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ALMA興建在靠近安第斯山脈的阿馬索內斯上,位處海拔5000米,研究人員的辦公室是建在2000米以下的地方。
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ALMA是一項非常大型的天文項目,能24小時收集資料,以無線電波波長觀察宇宙。

天文學可算是人類最早發展的科學,反映人類對「天」的認識慢慢演化,由「望天打卦」,到興建各種「大眼睛」;由不真實的「伸手可及」,到觸及從前「看不見」的天空;乘著向天空睜開一顆顆眼睛,人類漸漸看到了星際的,也包括我們的,過去與未來。

今集《零距離科學》,將會帶大家走進各個大型望遠鏡的內部參觀,還會訪問參與計劃的天文學家,看看他們的觀星歷程。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於1月31日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Kayue