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      瞄准宇宙黎明

      在智利阿塔卡玛沙漠的高原,夕阳余晖洒落在组成「阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列」(ALMA)的一部分天线上。 PHOTOGRAPH BY DAVE YODER

      在智利阿塔卡玛沙漠的高原,夕阳余晖洒落在组成「阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列」(ALMA)的一部分天线上。 PHOTOGRAPH BY DAVE YODER

      这一对距离地球7000万光年的触须星系彼此碰撞的画面,结合了哈伯太空望远镜捕捉到的可见光(蓝色),以及ALMA望远镜的一张测试影像中所拍摄到、前所未见的星际气体

      这一对距离地球7000万光年的触须星系彼此碰撞的画面,结合了哈伯太空望远镜捕捉到的可见光(蓝色),以及ALMA望远镜的一张测试影像中所拍摄到、前所未见的星际气体涡漩。 COLORIZED COMPOSITE IMAGE: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) AND NASA/ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE. SOURCE:ESO

      这组由25座天线组成的最后一座天线正运达置放点,全世界最大、造价最高,达13亿美元的陆基式天文望远镜也即将准备就绪。这项美国、欧洲及日本联合执行的计画将以前所未

      这组由25座天线组成的最后一座天线正运达置放点,全世界最大、造价最高,达13亿美元的陆基式天文望远镜也即将准备就绪。这项美国、欧洲及日本联合执行的计画将以前所未有的清晰度观测过去我们从未看见过的宇宙区域。 PHOTOGRAPH BY DAVE YODER

      (神秘的地球报道)据美国国家地理:在一个5月早晨,两辆小货车穿过智利阿塔卡玛沙漠中的宁静小镇圣佩德罗,顺着一条泥土路开上山坡。当时是1994年,两辆货车上的五名男子肩负特殊任务:找到地球上最高、最干燥、最平坦的地方。

      过去一周半以来他们一直在阿塔卡玛沙漠中探勘其他地点,其中一处位于阿根廷境内。此时他们正依照成员之一,智利天文学家艾尔南‧昆塔纳从智利军队那儿取得的地图,寻找登上查南托高原的路线;海拔5000公尺的这座高原,几乎和圣母峰服务登山客的两座基地营一样高。

      由于安地斯山脉形成屏障,阻挡了在东边亚马逊雨林上空聚集的云层进入,而来自西边太平洋的海风吹过寒冷的秘鲁海流(原先称为洪保德海流)上方后,带来的水气也很少,因此阿塔卡玛沙漠是地球上最干燥的地方之一,平均年雨量不到15毫米。这片沙漠地处偏远,空气稀薄干燥不宜人居,却是观察夜空的理想地点,也已经吸引数个大型跨国天文望远镜计画进驻。这些望远镜的目的大多是要观察在可见光波长(光谱中人类肉眼可见的范围)下能看到的宇宙片断。昆塔纳和他的同伴则是为了一种不一样的天文望远镜寻找设置地点,这种望远镜可以看穿遮蔽星系、环绕在恒星周围,并且遍布在广阔星际空间里的尘埃与气体。设计与建造这部望远镜大约需要20年,并且将斥资超过10亿美元。

      不过,首先他们必须找到理想的地点。

      宇宙中的星体根据它们的温度高低,散发出的能量波长也各不相同。举例来说,爆炸超新星的温度极高;除了会发出亮度相当于数十亿颗太阳的可见光外,也会释出波长短、能量高的X光与伽马射线,必须透过特殊的天文望远镜才能观测到,例如美国航太总署在太空中的钱卓X射线观测卫星。彗星与小行星则位于能谱中较冷的那一端,释出的红外线波长比人类肉眼及光学望远镜所能看到的还要长。

      宇宙中许多区域的温度比彗星与小行星更低。形成恒星的尘埃及气体云,温度都只略高于绝对零度,也就是原子静止不动时的温度。行星也在类似的环境中诞生,由尘埃与气体碎屑在绕行于新生恒星周围的云雾中凝聚而成。

      1960年代,尝试观测这个「冷宇宙」的天文学家很快就了解到以陆基天线来侦测比红外线波长更长的毫米波及次毫米波有多么困难。他们面临的第一个问题是如何解决大量的大气干扰。可见光穿透地球大气时不太会受到干扰,但毫米波与次毫米波则不同;它们会被水气吸收和扭曲,而水气散发的辐射波长落在能谱中与毫米波及次毫米波相同的波段,导致来自太空的电磁波中混入了地球的杂讯。毫米波与次毫米波所携带的能量也远低于可见光,即使是收讯面积广大的电波碟形天线也只能接收到微弱的讯号。

      科学家想出的解决办法是在一个空气极干燥的地点将数座天线排成阵列,把它们的讯号合并起来,让这些天线成为一部天文望远镜。到了1980年代,已有数个小阵列分别在日本、法国,以及美国的夏威夷和加州运作。不久后,科技的进步让研发一座比它们还要大得多的无线电阵列变得可行;这个巨大镜头的解析度会比先前高出许多,前提是必须先找到够高、够平坦的地方,让天线的间距可以扩大到以公里计。而且如果那些碟形天线可以移动,它们的间距就能加以调整,借此改变望远镜的敏锐度以显示精确的细节。天线相隔距离远,就能聚焦在小目标上,像是恒星周围的尘埃盘。天线聚集在一起,就会产生镜头拉远的效果,能够用来产生星系等大型天体的影像。

      为了替这样一部望远镜寻找理想的设置地点,来自欧洲、日本及美国的研究团队都来到阿塔卡玛沙漠。

      艾尔南‧昆塔纳在1994年春天出发考察前,先花了好几个星期仔细研究军方提供的沙漠地图,他猜想,阿塔卡玛沙漠中只有圣佩德罗上方的高地才能满足所有条件。但想抵达那里并不容易。

      「这趟路程走得既缓慢又痛苦,因为轮胎一直陷进沙子里,」美国康乃尔大学的里卡多‧吉欧瓦内利回忆;与昆塔纳同行的除了他之外,还有欧洲南天天文台(ESO)的安赫尔‧欧塔罗拉以及美国国家电波天文台(NARO)的保罗‧范登‧鲍特与罗伯特‧布朗。从圣佩德罗出发上山后,范登‧鲍特和欧塔罗拉的货车在中途抛锚。其他人则成功抵达了哈马隘口的顶部。

      「天空很美,没有比那更深的蓝色了,」吉欧瓦内利说。其中一位天文学家带了测量水气的仪器。空气中的水气含量比这个团队曾去过的任何地方都低。 「所有人心里都毫无疑问,理想的地点就在这附近,」吉欧瓦内利说。不久后,布朗在第二次考察时找到了确切地点,那是一片宽阔的高原,位于邻近的查南托峰山脚下。

      三个国际团队很快就明白,只要联合起来,他们便能共同打造出一座强大的阵列,效能将远胜过任何一个团队独力建造的阵列。 1999年,美国国家科学基金会与ESO签署了合作协议,约定双方各建造32座天线,每座天线的直径为12公尺。日本也同意提供16座天线做为辅助阵列。

      为时近20年的努力就此展开,要将世上最荒凉的地点之一改造成一座繁忙的现代化天文台。几十年前智利军队为了吓阻玻利维亚入侵北部而埋下的地雷,必须一一找到并移除。还需要与一家计画在此铺设输油管的石油公司进行漫长的协商,说服他们改变输油管路线。天线的原型机在美国新墨西哥州测试后重新设计。成本增加。争端爆发又解决。 NARO及ESO无法就天线设计达成共识,部分原因在于双方都想要支持自己国内的制造商;最后他们为各自的天线选定了两种设计和两家供应商,并将双方提供的天线数量减为各25座。还有一个问题在于圣佩德罗,这个小镇只有两条电话线和一座加油站。 「我们只好在这个荒凉到不行的地方,在山腰上硬盖出一座小城市,」参与计画的北美科学家团队领袖、来自NARO的艾尔‧伍顿说。

      2007年4月,重量接近100公吨的第一座天线从美国运抵智利的安多法加斯塔港。在警方车队的护送下,一辆卡车将巨大的碟形天线载运上山,途中偶尔遇到牧人赶著成群的骆马穿越马路,还得停下车来。

      接下来的五年间,碟形天线接连送达。要让这些天线共同以单一望远镜的方式运作,需要极为精准的设置。它们必须能按照指令一齐转动,在接收到讯号后1.5秒内对准空中的同一个目标。为了统合这些天线的讯号,现场必须安装一台巨大的超级电脑,这台电脑要能毫发不差地调整讯号从天线经缆线传送到运算中心的距离,同时还要考量到缆线因温度变化而出现的热胀冷缩现象。

      某个晴朗的4月早晨,古老与现代在一览无遗的高原上形成强烈对比。辽阔的褐色大地上,白色的碟形天线星罗棋布,在无际蓝天的背景衬托下显得渺小。走近一看,每一座直径12公尺的天线都巍然耸立,天线碟的表面在阳光下闪闪发亮。天线是从基地营远端摇控的,只要按一下按钮,它们就会优雅地一致转动,令人看不出它们其实有多重。两辆分别昵称为奥图和罗尔的特制28轮运输大卡车随时待命,以因应需要将天线运送至高原上的新地点。

      「阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列」(ALMA)在2013年3月正式启用前便已不负期待,开始提供资料。早在前一年,只有16座天线运转的情况下,以美国加州理工学院的华昆‧维埃拉为首的研究人员就已经透过ALMA观测26个具有恒星诞生爆炸现象的遥远星系了。他们惊讶地发现,那些星系距离地球平均有117亿光年之远,表示宇宙诞生才20亿年,那些星系中的恒星就已经开始生成。科学家先前认为如此激烈的恒星诞生现象开始发生的时间,比这还要晚了至少10亿年。

      从ALMA启用至今,不断有其他发现。 2013年7月,天文学家指出这部望远镜的观测结果有助于解开一个存在已久的谜团:为何宇宙中的大型星系如此稀少。 ALMA所拍摄的邻近星系玉夫座的高解析影像显示,星系盘的中心有寒冷、浓密的气体向外翻腾。天文学家推断,那些气体是被新生恒星产生的风吹出来,导致恒星的组成物质大量流失,可能会阻碍这个星系未来的成长。如果能证实其他星系也有同样的现象,就能解开谜团。

      一如预期,ALMA也在帮助研究人员了解行星的诞生过程。去年他们在报告中指出ALMA拍摄到一个尘埃盘绕着一颗年轻恒星运行的影像;这种尘埃盘就是孕育行星的场所。影像显示尘埃盘内似乎有一个「集尘处」:在这个被遮蔽的区域,细小的尘埃颗粒能够一颗颗彼此黏附,逐渐聚积到大得足以形成行星。这是人类史上第一次观察到行星诞生过程的初始。

      这些观测结果还只是开始。等到所有天线在今年稍晚都开始运转后,ALMA会带来更清晰的星系与恒星系统影像。在这片不毛高原上,就在牧人曾露天而眠之地的不远处,人类将大开眼界,看到前所未见的宇宙。


      撰文:宇德西吉特‧巴塔查尔吉Yudhijit Bhattacharjee
      摄影:戴夫‧尤德 Dave Yoder





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