揭開星空的奧祕系列

現代天文觀測的利器－各波段電磁波望遠鏡的新發現

文／陳輝樺‧圖／陳輝樺提供

一百多年前，電磁波理論的出現，真正改變了科學家們「眼見為憑」的感官思維，對於那「無法直接目視」的事物有了較多勇於面對的態度。換言之，「看得到或看不到」不再是「存在或不存在」的認定標準了，而「到底觀測到的是什麼事物？」成了科學家探究的重心。近數十年來，利用各式大型不同波段電磁波望遠鏡的觀測結果，再度大大地修改了人們對於宇宙星辰的靜態看法。隨著哈柏等太空望遠鏡的升空探索觀察，和電子裝置、資訊影像處理的科技日新月異，使得宇宙間眾星系、星球、星雲等動態演化奧秘一一揭露於世人眼前。

19 世紀，光譜天文學──星光的形成理論

　早期（約 1814 年）科學家由太陽光譜的觀察發現某些元素會吸收譜線，進而瞭解熱的物體（包括熱的固體、液體或高密度氣體）都會發出「連續光譜」、照射激發低密度氣體則會發出「放射光譜」、連續光經過低溫且低密度氣體會呈現「吸收光譜」的事實（圖 1）。而在星光觀測時（1823 年）也發現相同譜線，促使天文學家對於星球光源的組成成份和光傳遞到我們地球的過程，有了理論的依據和探究星球與星雲組成元素的方法。又從恆星和我們地球連線間的相對運動，所造成「都卜勒效應」在光譜上的「紅位移」（遠離我們而去）與「藍位移」（接近我們而來）現象，推斷出宇宙正在膨脹中。

難以計數肉眼看不到的觀測目標──電磁波理論上場了！

　宇宙有數十億個星系，每個星系包含了數以百萬計的星球。所謂的星系是由星球、氣體、塵埃經由重力相互吸引而成的星球族群，一般形容的星系大小可用大約包含有千億個星球的數量來比擬。又所謂的星球是針對恆星而言，恒星是熱及發光氣體的集合體，天文學家依其大小、表面亮度、顏色（溫度）及大氣之化學成分來分類。這些資訊對研究恆星的演化過程中內部的變遷極為重要。然而，我們該如何觀察它們呢 ?

　19 世紀中葉（1865 年）馬克斯威爾闡明了「電磁輻射」（或稱為電磁波）理論，說明可見光是電磁輻射的一種，此外還有其他許多種類的電磁輻射，從無線電波到伽瑪射線皆是。除了可見光以外，其餘的電磁輻射均無法以肉眼看到 （圖2）。這些以往我們肉眼看不見而不知道它們存在的東西，現今我們該如何去探索它們呢 ? 現代天文學藉著科技研發的各波段新型望遠鏡來觀看肉眼無法見到的事物，新型望遠鏡可偵測太空傳來各種不同的電磁輻射，並解讀其資訊，以揭開宇宙的奧秘。換言之，所有電磁輻射依照波長的長度排列，就可以得到電磁波譜，每個光譜區段各有不同的特性，也帶給我們有關宇宙中各種不同的資訊，今日的新科技依各波段特性製造出新型望遠鏡，使天文學家能探測太空中範圍極小之可見光波段以外的訊號，使我們的知識無限擴展。所以下文即由波長較長的無線電波、微波、紅外線輻射，依序介紹到波長較短的紫外線輻射、X光、伽瑪射線，詳述它們在天文觀測上的特徵和貢獻。

1932年，無線電波天文學──繪製宇宙天體圖

　無線電波是波段寬且波長最長的電磁輻射，波長可超過 10 公里，有極不易被其他物質遮擋的特性，所以無線電波可在空間中做長距離傳播，將宇宙最遙遠的訊息帶給我們。藉由對它們的觀測，我們可以開始推測宇宙的大小。也就是說，無線電波可穿越浩瀚的太空，且能不改變波長特性地耗費漫長光陰──它走得越遠，到達我們這裡的時間就越長。無線電波在 150 多億年前從已知的邊緣展開旅程，所以能帶給我們有關遙遠宇宙的訊息。換言之，無線電波告訴我們，宇宙形成於 150 多億年前，宇宙包含了千億以上的星系，而每個星系又包含了千億左右的星球。

　偵測無線電波的電波望遠鏡需要大型接收盤來接收無線電波──接收盤越大，解析度也就越高。隨著地球自轉，接收盤亦需要配備可改變方向以面對原訊號的功能。無線電波的接收原理，是金屬接收盤經由另一面較小的反射鏡將無線電波反射至裝有高靈敏度量測裝置的接收器中，這種接收量測裝置可測量比一般調頻電波更弱幾百萬倍的訊號。又為了得到更精細的影像，電腦將一長列望遠鏡接收到的訊號結合起來（簡稱為「陣列」望遠鏡），這樣產生的影像，如果用望遠鏡來觀測，其鏡面要像地球般的大小才辦得到。還好，無線電波能像可見光一樣完整地穿透大氣層 （圖2），所以我們在地面上即可進行良好的無線電波觀測（圖 3）。

圖3.位於美國新墨西哥州國立無線電波天文觀測台，     建有半徑達 20 公里，由 27 座 25 公尺高的碟     型天線組成的 Y 型巨大陣列（VLA），可模擬鏡     面直徑達 36 公里大的無線電波望遠鏡。

　1961 年，電波天文學家馬休茲 （Matthews）發現星空有種亮度會驟然劇烈變化，且會在短時間內釋放出星系輻射總能量大小的星體，那即是至今仍難以瞭解的「似星體」（Quasar）。1967 年，電波天文學家約塞琳‧貝爾 （Jocelyn Bell）又發現天空有奇怪的星體，它們不像其他已知的星球會持續發光，而是每隔數萬分之一秒至數秒間就會發射一串規律的無線電波脈衝。這些奇怪的星體即為今日所知的「脈衝星」，它們是旋轉相當快速的老化垂死星球（中子星），從它們南北兩極附近發射出的無線電波束，就像燈塔般發出的光束一樣橫掃太空（圖 4）。電波天文學在「重力透鏡」（請參閱本館簡訊 137 期第 6 版）現象的發現和研究上貢獻很大，例如 1979 年發現「重力幻影」（Gravitational mirages）（圖5）、1987年發現「愛因斯坦十字形」（Einstein’sCross）。至於其他波段電磁波的觀測精彩內容，留待下期再述。