【天文新知】小資打造南非大望遠鏡

■今年八月三十日,好望角的景致就如同它原先的名字一樣,是如假包換的「風暴角」(Cape of Storms)。一艘貨船冒著滔天巨浪跟刺骨強風,好不容易才躲進港口,等到隔天風暴平息下來之後,再安全地把貨物卸下:一部大小跟汽車差不多的高解析度光譜儀 (HRS)。

 編譯|高英哲

SALT-1      這台高解析度光譜儀最後成就了350公里外的「南非大望遠鏡」(SALT),這座設施本身造就了不少話題風暴。南非大望遠鏡早在2005年就已正式落成,如今卻僅是它第二年進行常態科學研究業務。南非大望遠鏡跟無線電望遠鏡「平方公里陣列」(SKA),是南非想要建立科學聲望,藉以激勵新一代非洲科學家的兩大計畫,然而各方對其設計理念、興建方式以及研究成果,均有所疑慮。

為南非大望遠鏡辯護的人士表示,要以小本經營全世界首屈一指的大型望遠鏡,就免不了要碰上一些麻煩。望遠鏡的第一代感應器組,甚至要等到高解析度光譜儀來了之後才算完工,而光譜儀在明年初正式上線,供日常作業使用前,還需要進行測試跟校正。不過負責管理南非大望遠鏡的南非天文台 (SAAO)主任泰德.威廉斯 (Ted Williams) ,知道這些都不是藉口,他說:「我們接下來的挑戰,是要做出夠好的科學研究成果,說服人們相信這台大望遠鏡能夠發揮其潛力。」

 東扣西減來造鏡

打從 1998 年還在計畫階段時,南非大望遠鏡所擁有的資源,就一直無法跟那些天文台相提並論。營運團隊手上可供設計、建造與添購設備的資金,只有區區三千萬美元。跟位於智利的歐洲南方天文台極大望遠鏡 (VLT),以及夏威夷的凱克望遠鏡 (Keck Telescopes)等動輒上億美元的預算相比,簡直是小巫見大巫。「如果說極大望遠鏡是台法拉利的話,南非大望遠鏡就是台家用汽車。」南非天文台儀器主任達拉斯.奧多諾惠 (Darragh O'Donoghue) 說。

除此之外,南非大望遠鏡的所在地也有技術上的劣勢。南非大望遠鏡坐落在北角省蘇瑟蘭鎮(Sutherland)一處荒蕪的山頂上,選上這裡是因為已經有路有電,環境又相當黑暗。然而這處位址海拔僅達1,798公尺,以天文觀測標準來說相當低,望遠鏡上方總是籠罩著一層以觀測來說相當厚重的大氣,影響到射入的星光。南非大望遠鏡的影像雖然還可以接受,卻怎麼樣也比不上在海拔4,200公尺的夏威夷毛納基山天文台(Mauna Kea Observatories)之類的世界級觀測地點,所拍攝到的照片那般清晰。

儘管位置不甚理想,南非大望遠鏡仍然可以填補南天觀測的一大缺口。既有的南半球天文台大多位在澳洲或智利,任何落在這些天文台地平線下方的天體,仍然會高掛在南非的天空上,對於天文學家來說可說是一大助益。透過觀測恆星的「過境現象」(當行星行經恆星前方時,造成其亮度產生微小的短暫變化),研究系外行星的哈佛大學天文學家迪米塔.薩塞洛夫 (Dimitar Sasselov)認為南非大望遠鏡補上了其他大型望遠鏡無法涵蓋的一塊觀測領域:「我們經常會碰上分秒必爭的行星過境事件,可是要在南半球安排觀測很不方便。」

SALT      南非大望遠鏡的設計團隊知道建造地點有其先天限制,因此決定把這座望遠鏡打造成世界級的光譜儀。光譜儀可以提供天體組成成分與運動的大量資訊,卻不需要清晰無比的影像,只要把它當成一塊能夠收集一堆光線的大鏡子來做就成了。

問題在於要怎麼用這麼有限的預算,打造出這樣一塊鏡子。南非天文台採用非常省錢的霍比—艾伯利望遠鏡(HET)設計,用許多六角形玻璃組件拼出望遠鏡主鏡,每一塊玻璃都可以個別製造,送到望遠鏡所在地再進行組裝。這比起打磨、運送一塊巨大的鏡子,要來得便宜多了。這套技法最早是在1980年代,夏威夷凱克天文台研發出來的,並且在1996年用來建造位於美國德州戴維斯堡附近的麥當勞天文台(McDonald Observatory)。

設計團隊另一項省錢之舉,是把碟狀鏡子設計成具有球狀曲面。要使入射星光產生銳利焦點,需要把鏡子做成拋物面,但是如此一來每一塊玻璃都要根據其位置做出不同曲度,既複雜又花錢。球狀鏡面就不同了,南非大望遠鏡所用到的 91塊六角形玻璃,每塊都長得一個樣,量產之下就便宜多了;雖然球狀鏡面無法使星光產生銳利焦點,但是可以透過一套叫做「球面像差糾正器」(SAC)的光學系統加以修正,再把光線送到感應器。

散光加上色盲

如此撙節開支做出來的南非大望遠鏡,在2005年完工後就出了一些問題。最大條的問題是影像品質並不好,儘管在設計上已經加以改良,然而影像仍然經常顯得髒污扭曲,偶爾卻又沒來由地完美得很。為了解開這個謎團,計畫團隊費了好幾年的功夫。他們首先懷疑是不是鏡片元件排列有問題,導致送到球面像差糾正器的光線不夠精確,花了九個月的時間進行測試,才排除掉鏡子出問題的可能性。他們接著檢查球面像差糾正器,裡頭有些直徑達半公尺的輔助鏡,精確度要到微米的程度,測試這些鏡子又花掉了一年多。

結果問題出在球面相差糾正器跟望遠鏡連接的方式:支撐結構是用金屬做的,會隨著溫度變化熱脹冷縮,影響到球面像差糾正器的排列精確度,這就是為什麼每天的觀測都會產生變異的原因。此外,望遠鏡的儀器重量在設計階段有所增加,設計團隊不得不控制球面像差糾正器的重量,導致支撐結構太過薄弱,無法使球面像差糾正器保持在正確的位置。

當時擔任南非天文台主任,現於英國南安普敦大學服務的菲爾.查爾斯(Phil Charles)表示,這些問題在理想狀況下都應該要先預想到,然而在時間與金錢的現實壓力下,設計團隊只能假設德州麥當勞天文台那群人,把設計上的問題都搞定了:「現在我們知道我們所碰到的問題,他們一個也沒少,只不過他們的基本影像品質實在是太差了,差到你完全瞧不出那底下的機械設計還有問題。」直到 2010年八月,裝上新的支撐結構之後,這場影像品質的噩夢才宣告結束。

南非大望遠鏡的歷史如此多災多難,不難想像計畫團隊對於組裝這台高解析度光譜儀,神經繃得有多緊。他們很快就發現光譜儀負責捕捉藍色光,並進行分析的「藍攝影機」有毛病:簡單來說,這台光譜儀有一隻眼是瞎的。經過檢查,發現支撐感應器晶片的三顆金屬球,有兩顆在運送過程中鬆動了,使得感應器晶片產生傾斜。

要處理這個問題,最安全的方法是把攝影機送到開普敦的無塵室裡,再從建造高解析度光譜儀的英國杜倫大學請來一位技師,進行精密的維修作業,把鬆動的金屬球固定回去。然而這種做法曠日費時又花錢,所以計畫團隊決定自己來:就地把攝影機打開,把金屬球黏上螺絲,移到定位,鬆開螺絲,清除黏膠,最後再把攝影機蓋上。這個做法相當冒險,在過程任何跑進攝影機裡的灰塵,都有可能成為永遠附著在感應器上的污點。他們讓人捏一把冷汗地連搞了好幾天,總算在部落格上宣布手術順利成功:「太陽升起,天暖花開,我們的攝影機又是活龍一條了,人生真是美好呀!」

南非大望遠鏡原本是否能夠避免發生這些問題?具有監督興建大型望遠鏡經驗的天文學家麥特.蒙頓 (Matt Mountain)認為,建造世界最大型的望遠鏡,過程中本來就會出現很多技術問題,關鍵在於怎麼處理這些問題。蒙頓說以前天文學家用直徑一公尺左右的望遠鏡工作時,出了問題修就對了,非常單純;但是時至今日碰上這些巨大的望遠鏡,就需要計畫負責人跟業界專家來處理。要從天文學家主導的老式系統,轉換到計畫經理說了算的模式,這過程並不容易;不過蒙頓認為南非倘若要斥資近二十億美元,在非洲與澳洲各地建造數以百計的「平方公里陣列」無線電望遠鏡,就必須要學會這套管理辦法。

儘管南非大望遠鏡在這些技術問題上出過包,支持者仍然信心滿滿。奧多諾惠認為要不是有南非大望遠鏡的先例,平方公里陣列是絕不會選上南非來設點的;蘇瑟蘭鎮當地的觀光業因此蓬勃發展,南非各大學的天文系也在成長茁壯。威廉斯還試著把一些先前已經移到蘇瑟蘭鎮,比較老式的小型望遠鏡掛上網路,讓外國的天文學家不用跑到南非來,也能透過網路進行觀測,藉此拉抬南非大望遠鏡的科學地位。雖然目前南非大望遠鏡的學術論文產出量,還比不上其他觀測技術比較成熟的大型望遠鏡,不過這可嚇不倒擅長以低廉成本,做出更好結果的南非團隊。威廉斯說:「非洲的冬天通常不會拖很久,而悲觀的人是不會來做望遠鏡的。」

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 研究出處:Astronomy: Southern star

責任編輯:Kerina Huang

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