電磁波聯盟

有證據顯示人類在四萬年前就有觀星記錄,不過要等到伽利略以望遠鏡進行系統性觀測,才使得人類觀察宇宙的視野更加寬廣深入。直到二次大戰後,人類開始運用電磁波的其他波段觀測宇宙,隨著無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽瑪射線等等波段的加入,宇宙各個角落呈現出不同的色彩,這樣的「電磁波聯盟」讓人類得以從全新的思維認識宇宙。

講師:曾耀寰|中研院天文及天文物理研究所研究副技師

傳統的光學天文學觀測,除了以仰角標示星星的高度以外,更需要標示其精確方位。古人為解決這個問題,發明了各種觀星器具,克卜勒之所以能夠發現行星運動三大定律,很大一部分要歸功於第谷所設計精確的觀星工具。反射式光學望遠鏡的口徑愈做愈大,解析度愈做愈好,因而也陸續產生了發現海王星以及變星等等重大觀測結果,哈柏在 1920 年代更是使用當時最大的光學望遠鏡,徹底改變了人類的宇宙觀。

隨著電磁學的發展,物理學家了解到可見光實則是一種電磁波,在可見光外還有很多波長的電磁波可供觀測。格羅特·雷伯 (Grote Reber) 於 1937 年,在自家後院建造了世界第一台電波望遠鏡,以碟型天線針對電波源,進行無線電波觀測的電波天文學於焉誕生;然而大部份波長比可見光來得短的電磁波,都會被地球大氣吸收,因此設計用來偵測這些短波的電波望遠鏡,大多是置放在太空中進行觀測。

至於波長比可見光來得更長的無線電波,雖然能夠穿透地球大氣,可以在地球表面進行觀測,但也因為波長愈長,望遠鏡的角分析率就會變得愈差,所以無線電波望遠鏡的口徑也必須做得愈大愈好,以提升角分析率。無線電波望遠鏡的口徑不單是指單一碟型天線本身的口徑,還可以經由陣列串連,形成更大的等效口徑; 2019 年 4 月 10 日「拍攝」到史上第一張黑洞照片的事件視界望遠鏡 (EHT) ,就是一個結合世界各地的電波望遠鏡,其等效口徑相當於地球直徑虛擬望遠鏡。

電波望遠鏡可以藉由觀測各種元素所發出的特定波長,判定星體表面含有哪些物質;以這種方式測得的光譜,就相當於各個星體的指紋、條碼、甚至是 DNA 。天文學家亦藉由電波的都卜勒效應,去尋找在可見光範圍內極難尋找的系外行星,以及體積極小的脈衝星等等星體。如今除了紅外線、紫外線、X射線、伽瑪射線等等短波長的電磁波以外,電波望遠鏡還可以觀測宇宙微波背景輻射 (CMB) 、重力波、微中子等等現象,揭露宇宙神秘莫測的樣貌。宇宙在各種波段的觀測結果紛呈之下,顯得更為精彩迷人。

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