【科學史沙龍】拿著天線收看宇宙劇場

■規模宏偉的電波望遠鏡，是電波天文學家觀測宇宙，不可或缺的利器。電波望遠鏡為什麼總是要做成龐然大物？為什麼有些是網狀結構，有些是扎扎實實的金屬表面？排成佔地寬廣的陣列，又是所為何來？本講次為聽眾解說電波望遠鏡的運作原理。

講師｜臺灣師範大學物理學系助理教授 陳育霖
整理撰文｜高英哲

電波天文學家跟印象派畫家，有什麼共通之處？答案是：他們都是很厲害的光學家。色料是愈加愈深，所有色料加在一起，最後會變成黑色；色光卻是愈加愈淺，所有色光加在一起，最後會變成白光。所以當你想要欣賞一幅印象派畫作時，最好的方法並不是靠近觀察，而是帶著一點距離，這麼一來眼睛因為看不到細節，把色料發出的色光混在一起，才能看出畫作想要傳達的景致風情。

電波天文學家追求的效果，跟印象派畫家剛好相反，他們希望能夠捕捉到愈多細節愈好。為了達到這個目的，電波望遠鏡的口徑就必須盡量做大，才能分辨出來自極遙遠處的電波細節。比方說波長 550 奈米的可見光，只需要用到口徑 10 公分的光學望遠鏡，就能觀測得到；但是波長 5.5 公分的無線電波，電波望遠鏡口徑就必須做到 10 公里以上，才能達到同樣的觀測效果。這就是為什麼電波望遠鏡的口徑動輒都要數十公尺，不把望遠鏡做到這麼大，就無法觀測到相對應波長的無線電波細節。不過以人類目前的工程水準，製造出能夠支撐口徑上百公尺電波望遠鏡的結構，已經趨近於極限，因此像是位於波多黎各，口徑達 350 公尺的阿雷西博 (Arecibo) 電波望遠鏡，或是位於中國貴州的 500 米口徑球面無線電望遠鏡 (FAST) ，就必須要直接就著地形製作。

為什麼有些電波望遠鏡的表面做得很精細，有些卻像是網狀的？做成網狀的當然是為了節省鋼材，在有限的結構強度下，盡可能把望遠鏡的口徑做大。只要電波望遠鏡想要接收的電波波長，比網狀結構的縫隙來得長，就可以把接收到的電波反射回去；微波爐的門上有一道鐵網，也是為了讓波長很短的可見光能夠穿透，同時把波長很長的微波反射回去，用的是同樣的原理。因此從一個電波望遠鏡的網狀結構疏密程度，我們就可以判定它想要接收的，是哪一段的電波波長。

我們經常看到「數大便是美」的干涉陣列，也是為了把望遠鏡口徑做大，電波天文學家想出來的折衷辦法。他們用數個到數十個較小口徑的望遠鏡，分散開來接收電波，再把訊號整合起來，就可以達到相當於涵蓋面積的大口徑望遠鏡觀測效果。最著名的當然是位於美國新墨西哥州，顧名思義的「甚大天線陣」 (Very Large Array, VLA) ，由 27 台口徑 25 公尺的天線構成，組成的最長基線可達 36 公里；位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA) ，更有多達 66 座天線同時運作。這些設置在人跡罕至，倍極荒涼之處的電波望遠鏡，便是我們一窺宇宙奧祕，甚至探索地外文明的最佳利器。