拿著天線收看宇宙劇場

第二次世界大戰,除了孕育出第一顆原子彈的曼哈頓計劃之外,從英國輾轉到美國發展的雷達技術,也是在戰爭壓力下呱呱墜地的。

雷達的關鍵技術促使電波天文學依賴無線電工程迅速發展,物理學家John D. Kraus從核子物理研究到電波天文學,寫過天線理論與電波天文學的聖經級教科書,同時是W8JK天線的發明者。

撰文:高英哲
 
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。
 
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。

 
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日期: 2017.11.14(二) 主題: 宇宙的故事 講題: 拿著天線收看宇宙劇場 地點: 臺灣大學思亮館國際會議廳