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突然畢業了,阿雷西博天文台將永久關閉QQ

科學大抖宅
・2020/11/24 ・4209字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

2020 年 11 月 19 日,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)宣布,史上最知名的望遠鏡之一——位於波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)即將永久關閉,震驚學界。

阿雷西博天文台乃隸屬於美國國家天文學和電離層中心(National Astronomy and Ionosphere Center, NAIC)的無線電望遠鏡,其最顯著的特徵包括直徑 305 公尺的球面反射器盤(spherical reflector dish),以及懸吊在盤面上方 137 公尺、重約 900 噸、由三座鋼筋混凝土高塔連結 18 條鋼纜所撐起的儀器平台。

俯瞰阿雷西博天文台。圖/Wikipedia

從 1963 年建成以來,阿雷西博天文台一直保持著世界最大單孔徑望遠鏡的紀錄,直到 2016 年為止。它是波多黎各主要的科學教育中心,也培育出許多天文學家和工程師,甚至出現在流行文化裡,如電影《接觸未來》(Contact)和 007 電影《黃金眼》(GoldenEye)。

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007 電影《黃金眼》中出現阿雷西博天文台的片段

然而,就在 2020 年 8 月和 11 月,阿雷西博天文台的兩條鋼纜先後斷裂;考量到維修的困難與高風險,這座產出許多科學研究的標誌性天文望遠鏡,面臨被拆解的命運……在這感傷之際,讓我們一起追憶阿雷西博天文台的一生。

冷戰的雷達需求促成天文台誕生

1945 年,因應二戰後的局勢,美國成立了空軍劍橋研究實驗室(Air Force Cambridge Research Laboratories)[1]。在冷戰背景下,其於 1949 年發明了利用電話數據機傳輸數位資料的技術(即早期網際網路傳輸所使用的方式)。1951 年,空軍劍橋研究實驗室的工程師首度發表文章,討論利用球面接收器接收電磁訊號的可能性;同時,美國國防部也因為遠程雷達和通訊的需求,對建造世界最大的天線來研究電離層很有興趣——這促成 1959 年空軍劍橋研究實驗室和康乃爾大學(Cornell University)簽署了成立阿雷西博天文台的合約。

天文台位於波多黎各北海岸的自治市阿雷西博;其設計和建造,由時任康乃爾大學教授的戈登(William Edwin Gordon,1918 – 2010)負責籌劃,於 1963 年落成。

望遠鏡的反射器盤建基於天然形成的滲穴之中,1974 年升級後由 38778 片穿孔鋁板製成;從遠處不同方位過來的電磁波會被盤面反射,分別聚焦於不同位置,懸吊於上空的接收器便會依據觀察目標移動到適當的接收點。

從不同方位過來的電磁波(綠色和紅色平行線條)會被反射器盤反射並聚焦於不同焦點,所以可以藉由接收器的移動來接收天空中不同方向來源的電磁波。圖/Physics today, Volume 66, Issue 11

一如當初的計畫,阿雷西博天文台的主要功用在研究地球的電離層、接收來自遙遠宇宙的無線電波訊號,以及使用雷達技術探索太陽系土星軌道之內的天體。幾十年來,阿雷西博天文台經歷數次升級,一直是天文學和大氣科學的研究重鎮:它擁有世界最大的電磁波接收區(也就是反射器盤);當其他無線電望遠鏡花費數小時才能收集到足夠的電磁波訊號,阿雷西博天文台只需要幾分鐘。

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發現脈衝雙星,間接證實重力波

阿雷西博天文台開始運作之後,做出的科學貢獻多不勝數。例如,1964 年天文學家彼騰吉爾(Gordon H. Pettengill, 1926 –)的團隊藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年,洛夫萊斯(Richard V.E. Lovelace)利用阿雷西博天文台,提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSR B0531+21,自轉週期 33 毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。

1974 年,赫爾斯(Russell Alan Hulse, 1950 –)和泰勒(Joseph Hooton Taylor Jr., 1941 –)發現第一對脈衝雙星(脈衝星和中子星)系統;之後,其被用來作為廣義相對論的高精度測試——這一項發現成為廣義相對論中,重力波存在的間接證據,也是他們獲得 1993 年諾貝爾物理學獎的重要原因。

1990年,波蘭天文學家沃爾茲森(Aleksander Wolszczan, 1946–)從阿雷西博天文台發現了脈衝星PSR B1257+12,並於兩年後,發現有兩個行星(之後又找到第三個)繞行PSR B1257+12,這也是人類史上第一次發現太陽系外的行星。

除此之外,阿雷西博天文台也能拿來研究天體的地貌:1989 年 8 月,趁著小行星 4769 Castalia 經過,離地球的最近距離僅 4,029,840 公里(約地球到月球距離的 11 倍),科學家利用天文台雷達描繪出小行星 4769 Castalia 的 3D 樣貌;至今,阿雷西博天文台已經研究過數百個近地小行星(near-Earth asteroids, NEAs),除了可以分析它們撞擊地球的可能性,也能幫助我們理解太陽系的起源和演化。1994 年,阿雷西博天文台則被用來研究水星南北極隕石坑內可能存在的冰層。

阿雷西博天文台亦針對星系進行無線電波頻率的大範圍掃描,並於 2008 年發現星系阿普 220(Arp 220)中存在有機化合物分子。另外,在大氣物理學領域,它增進了我們對高層大氣,特別是電離層的認知與理解。

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向宇宙發送訊息,等待外星文明回應

阿雷西博天文台的 305 公尺孔徑紀錄,雖然在 2016 年被中國的五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST, 簡稱天眼)超越,但阿雷西博天文台的地位卻無法被取代——其中一個很大的原因是,天眼只有接收訊號的功能,沒有發射訊號的設計;而阿雷西博天文台不僅可以接收,也能發射訊號(所以具有雷達的功能)。

最有名的例子,是 1974 年,天文學家德雷克(Frank Drake, 1930–)和其他研究者——包括天文學家兼科普作家薩根(Carl Sagan, 1934 – 1996),設計了知名的阿雷西博訊息(Arecibo Message),內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。

反過來說,阿雷西博天文台接收到的無線電波,也能拿來分析是否包含外星智慧文明發出的電磁訊號。於是,在早期美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的搜尋地外智慧計畫、或者民間著名的 SETI@home 計畫[2],分析所用的數據,部分便來自阿雷西博天文台。

阿雷西博訊息。顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。圖/Wikipedia

結構不穩,無可奈何的退役決定

儘管功績卓著,且有著不可替代性,阿雷西博天文台仍然面臨拆除的命運。雖然有在定期維護,但經費的短缺加上歲月的流逝和地震、颶風的侵襲,都增加了望遠鏡結構的不確定性。

首先是 2020 年 8 月 10 日,一根連結到儀器平台、安裝於 90 年代的輔助鋼纜從托座鬆開,破壞了反射器盤面邊緣的鋁板;工程師在檢查損壞狀況時,發現儀器平台的 12 根主要支撐鋼纜中,有一根鋼纜的組成鋼線存在少許損壞,但評估後認為對安全性不造成影響。怎知到了 11 月 7 日,該主要支撐鋼纜從中間斷裂,在靠近反射器盤面中心的區域撕開了大裂口——既然原本認為安全的鋼纜斷了,剩下的鋼纜是否真的安全無虞?又能支撐多久?沒有人知道。

現在,任何時刻都可能有更多鋼纜斷裂或鬆脫,一旦最壞的狀況發生,整個儀器平台將掉落到望遠鏡盤面上,或者損害附近的建物;甚至,任何想要穩定或測試鋼纜的努力都可能加速剩下鋼纜的損壞。為此,美國國家科學基金會正在研擬計畫,在可控的狀況下拆除儀器平台——這是個艱難的決定,但一切以安全為優先。

事實上,出於經濟考量,美國國家科學基金會前些年都在為阿雷西博天文台的經費苦惱:在 2017 年,美國國家科學基金會和國家航空暨太空總署一年分別提供高達 800 萬和 360 萬美元的營運費用,所費不貲;到了 2018 年,才由中佛羅里達大學(University of Central Florida, UCF)承擔阿雷西博天文台的營運,並補足美國國家科學基金會逐年縮減的天文台經費。沒想到人算不如天算,阿雷西博天文台被迫永久關閉,這無疑是科學界的一大損失。

現在阿雷西博天文台的反射器盤面破了一個大洞。圖/University of Central Florida/Arecibo Observatory

研究暫停,無可取代的電波望遠鏡

阿雷西博天文台自 1963 年啟用以來,對天文學、大氣科學和行星科學貢獻良多;它是第一個發現系外行星的望遠鏡,也是搜尋地外文明的重要工具。它在科學教育面向深受好評,每年有十萬人到阿雷西博天文台參觀,包括許多學生;那兒不僅有天文學、高層大氣物理學的展覽,還有可以俯瞰巨大反射器盤面的觀景平台。

儘管年紀大了,但阿雷西博天文台持續升級,原本也預定在接下來數年安裝新儀器,像是將大幅提高望遠鏡靈敏度、價值 580 萬美元的天線――這一切都成為泡影。阿雷西博天文台退休後,許多研究都必須暫停,只有部分計畫得以找到替代設施,或是能夠留在天文台原址繼續進行。往後,我們只能在記錄中,緬懷這座極具歷史意義的無線電望遠鏡,令人唏噓。

註解

[1] 空軍劍橋研究實驗室於 2011 年被整併,最終演化成現今美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)的一部份。空軍研究實驗室致力於領導航太作戰科技的發明、發展和整合,計畫空軍的科學、科技方案並執行,以及為美國空中、外太空和網際空間的部隊提供作戰能力。

[2] SETI@home,是一個通過網際網路利用個人電腦處理天文數據的分布式計算項目;其試圖通過分析無線電望遠鏡收集到的無線電信號,搜尋地外智慧生物存在的跡象。

參考資料

  1. Alexandra Witze, Legendary Arecibo telescope will close forever — scientists are reeling, Nature, Nov. 19 (2020).  
  2. Alexandra Witze, Arecibo telescope wins reprieve from US government, Nature, Nov. 16 (2017) 
  3. Daniel Clery, Famed Arecibo telescope, on the brink of collapse, will be dismantled, Science, Nov. 19 (2020).
  4. Daniel Clery, Adrian Cho, Iconic Arecibo radio telescope saved by university consortium, Science, Feb. 22 (2018).
  5. Daniel Altschuler, Chris Salter, The Arecibo Observatory: Fifty astronomical years, Physics Today 66, 11, 43 (2013).
  6. Paul H. Carr, Early history of Arecibo Observatory, Physics Today 67, 6, 11 (2014).
  7. Telescope Description about Arecibo Observatory
  8. Air Force Research Laboratory – Wikipedia
  9. Arecibo Observatory – Wikipedia
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地表最強星空!世界第一觀星地點在哪裡?
活躍星系核
・2020/10/18 ・2596字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

說到動人的美麗星空,各位會想到哪裡呢?如果你的答案是陽明山就有點遜掉啦!又或者各位都是經驗老道的行家,想到的是最近新成立的「合歡山國際暗空公園」呢?但不論大家的答案是什麼,可能都會被這個研究認證的「地表最高品質星空」給比下去,究竟這麼棒的星空在什麼地方呢?

答案是:南極大陸中央

啊?那我想欣賞世界上最美星空還要跑到南極中央去啊…… Well yes, but actually no, 因為這個研究所指的最佳星空,是針對設置研究用天文台所考量,而對於一般人觀星或是攝影而言,其實在其他沒什麼光害的地方看星星,品質其實都不會輸給南極啦! 

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什麼樣的星空適合進行天文觀測呢

話說回來,對於專業天文觀測而言,要怎麼判定觀測條件的好壞,南極的星空又究竟有什麼特殊之處呢?

有個天文界的玩笑是這麼說的:「天文學家最討厭三樣東西,這三樣東西分別是陽光、水和空氣」。

陽光對於天文研究絕對算得上是巨大的「光害」,當然啦,對研究對象就是太陽本身的人除外,而這句話中的陽光其實也泛指一切的光害。而水,撇除雲霧和下雨這些天文觀測會遇到的討厭鬼,就算是晴朗的天氣,大氣層中的水氣也會吸收掉很多不同波長的電磁波,對於天文觀測也是一種干擾。最後是空氣,如同水氣一樣,大氣中其他不同的分子也會吸收許多波段的電磁波,就算是能穿透大氣的光線,卻也躲不過大氣擾動的魔掌。

對於研究用大型天文台的選址來說,避開光害和經常性的爛天氣可說是最基本的條件,而最後「決勝負」的關鍵,就落在大氣的條件了。

而好的大氣條件,就是大氣擾動越小越好。

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大氣擾動或許不是對每個人都很熟悉,但相信大家一定都看過,兒歌中的小星星「一閃一閃亮晶晶」這樣閃爍的現象就是大氣擾動的傑作。再舉個極端一點的例子,當我們注視游泳池裡面時,會發現水面的波動和泳池中的水流都會讓池底的物體看起來不斷扭動,而且難以看清楚,這個現象套用在空氣中就是大氣擾動,事實上當使用高倍率望遠鏡觀測天體時,如果大氣擾動很嚴重,效果也真的很像是天體泡在水中一樣,想必這樣得到的影像和資料品質絕對會大打折扣。

使用高倍率望遠鏡觀測天體時,若大氣擾動嚴重,就會像注視水池內的物體。圖/Pexels

而大氣擾動的嚴重程度其實是可以量化成數值的,這個數值天文學家將它叫做「視寧度」(Astronomical Seeing*)。

  • *註: Astronomical Seeing 中文亦可翻作「視相」或「大氣寧靜度」

一般表示視寧度的單位是「角秒」,一個角秒是三千六百分之一度,給個比例尺:月亮在天上的大小大約是半度,也就是一角秒在天空中大約是一千八百分之一個月亮。而當視寧度是一角秒,代表在這樣的大氣條件下,不論望遠鏡的口徑再大,解析能力再好,能解析的極限就是一角秒,因此如果天空中有兩顆分布在一角秒以內的星星,在這樣的大氣條件下不論怎麼努力觀測都無法分辨出那是兩顆星而不是一顆。

以現在的望遠鏡技術來說,限制地面上的大型天文台的極限解析度的因素,可說是已經是取決於大氣的擾動,而不是望遠鏡與訊號接收器的解析力了,可見要建置天文台,選擇一個視寧度好的觀測地點絕對是非常重要的。

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在南極找到「極品星空」

就在去年,經過了半年「夜以繼夜」(別忘了南極的夜晚長達半年)的測量後,研究團隊發現在南極大陸地最高點:「冰穹 A (Dome A) 」是世界上大氣視寧度最佳的地點之一。除此之外,這次的觀測也發現在此處還有一個得天獨厚之處:這邊的「大氣邊界層」特別薄。

冰穹A在南極大陸的位置。

大氣邊界層簡單而言是指「受到地面摩擦力干擾的底層大氣」,也就是我們平時所生活在其中的這層大氣。而位於大氣邊界層上方,沒有直接受到地面干擾的大氣則被稱為「自由大氣」。邊界層受到地面影響勢必會有很多亂流與擾動,想當然其中的視寧度一定也會比起自由大氣中來的差。

南極的冰穹 A 海拔高度是四千公尺左右,但有別於其他大陸上的高山通常有著崎嶇的地形起伏,冰穹 A 基本上是一望無際的平坦冰原,這樣特殊的地形條件讓地面對大氣的干擾極小,使這裡的大氣邊界層變得非常薄,薄到甚至只要把天文台基座「稍微蓋高一點」就幾乎能享有自由大氣的超棒視寧度!這也是為什麼這裡是個極具潛力的觀測地點的最大原因之一。

冰穹 A為南極東部最高處。圖 / antarctica.gov.au

天文觀測新天地?

世界上有很多大型天文台都會聚集在一起,例如著名的夏威夷毛納基山 (Mauna Kea) 和智利的高山上,都有矗立著許多知名的大型天文台,這些地點通常也都有著良好的大氣視寧度。

夏威夷毛納基山 (Mauna Kea)上的天文台。圖 / pikrepo

如今科學家又找到了另一個擁有絕佳觀測條件的新天地,未來會不會有一天能看到南極像夏威夷一樣天文台林立呢?

考量到南極中央畢竟還是相對難以到達,氣候也非常嚴峻,建造和維護大型天文台的難度都會大大提升,或許南極不會這麼容易進行大型天文台設置;但這樣的高品質星空,還是有很多潛在的天文觀測價值。

像是廣域巡天類型觀測這樣建置難度較低,但對星空品質要求又很高的觀測,就很適合在這裡進行。未來會不會有更多天文觀測計畫進駐南極大陸,就讓我們拭目以待吧!

參考資料:

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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不只是嶄新的天文儀器,更讓觀測不再受人眼所限:一張畫認識第谷與他的天文台
活躍星系核
・2020/09/04 ・3325字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/仰望天空的智人│目前為高三自學生,在升上高三的那個暑假,毅然決然走上自學的道路。希望在有限的青春,不要只是僅追求紙上的對錯,而是時時刻刻的詢問世界,「為什麼?」。

上物理課教到克卜勒(Johannes Kepler)的三大定律時,老師特別也介紹了對克卜勒的定律有很大貢獻的 第谷.布拉赫(Tycho Brahe)。

第谷是一位丹麥的貴族,鼻子因為決鬥而失去了一部分,擁有當時資料最多、最精準的天文台。他的助手約翰尼斯.克卜勒(Johannes Kepler)之後會靠著這些資料,成功地發現橢圓行星軌道。可惜第谷去世的早,無緣見證到克卜勒的曠世巨著《新天文學》的出版。

課堂投影片上,老師放了一張畫作,其中第谷用右手指著牆上的小洞。我心中很快地列出了某些想像,認為第谷是一位腦袋內建「量角器」、每天有閒情逸致仰望天空的貴族。

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圖/wikimedia

等到我有了機會研究更多有關第谷的資料時,才赫然發現,當初看到的畫作,就已經揭露了第谷在烏蘭尼堡(Uraniborg)的多種精密觀星儀器。

一幅畫帶你認識第谷如何觀星

介紹第谷時,無法忽視這張雕刻畫,裡面有著他一生的研究心血。它出自於第谷在西元 1598 年出版《Astronomiae Instauratae Mechanica》(中譯:新天文學儀器)中的雕刻畫,畫裡清楚地繪畫出第谷的儀器,並隱含了他的觀星技術。

回到稍早的西元 1597 年,第谷因為和新繼位的丹麥國王克里斯蒂安四世(Christian IV)長期的爭執無法解決,最終被迫離開了哥本哈根。第谷帶著儀器,暫時借住到貴族朋友海因里希.蘭卓(Heinrich Rantzau) 的城堡。

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在流亡的這一年中,他完成了此書,希望藉此讓國王了解他的貢獻以及放棄他的損失。但丹麥國王並不領情,最後第谷將此書獻給了神聖羅馬帝國魯道夫二世(Rudolf II),並很快地獲得了賞識,第谷因此得以設立新的天文台,進而邀請克卜勒加入。後來沿用多個世紀、精準的「魯道夫星表」(Tabulae Rudolphinae)也是由此為開端建立的。

第谷如何獲得魯道夫二世的青睞?他的書中又提到了哪些觀星的技術呢?我們可以從雕刻畫裡的內容談起。

畫中透露了第谷擁有三種主要的觀星儀器分別為:四分儀(Quadrant)、六分儀(Sextant)、渾天儀(Armillary)。每一種儀器都有各自特殊的用處。

四分儀:建立天體的絕對座標

四分儀,顧名思義,儀器角度為全圓周的四分之一,即 90 度。90度是地平線到天頂的範圍,方便直接從地平線開始量測是所有天體量測的基準。第谷以四分儀建立精準的天體座標。

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展示在大英博物館中的四分儀。The Canterbury Astrolabe Quadrant. British Museum, London.圖/wiki commons

在畫作中,佔據最大版面的壁畫四分儀(Mural Quadrant),就是第谷在烏蘭尼堡的主力觀察儀器,長期固定面對著子午線,進行天體座標的測量與修正,半徑 1.94 公尺的龐大身軀上刻滿了細緻的刻度。需要三個人協作,一人看緯度,一人看時間,一人指揮,才能夠完成觀測。此儀器精度可達 10 角秒,遠遠超越人類的裸眼極限。

除了定點觀測外,第谷也設計了另一個室外四分儀,用來觀察太陽相對繞行的位置。此儀器擁有和壁畫四分儀一樣半徑(1.94公尺)的方形設計,它能旋轉到任意方位。特別的是第谷選用鐵材來製作方形四分儀,堪稱所有儀器中的傑作,堅固、輕巧、可移動、同時又兼具驚人的 10 角秒精準度。

六分儀:量測天體間的角度差

常使用於測繪與航海的六分儀。圖/Max Pixel

六分儀,儀器角度為全圓周的六分之一,即 60 度。特別的是它並不是測量物體水平或垂直角度,而是測量物體在天空中的角度差。可以再透過幾何運算與其他測量資訊,來獲得相對天體座標

第谷設計六分儀時,利用 60 度結構與等腰三角形的特性,簡化了許多繁複的幾何運算,並透過經年累月的重複量測,讓這身長 1.55 公尺的龐大儀器精度仍可達 24 角秒。

渾天儀:協助進行座標轉換

渾天儀的模型展示。圖/Balaji CC BY-SA 3.0  File:Armillary sphere.JPG

渾天儀,為一個大型的活動圓形儀器,內部由多個圓環組成天球外框,能夠同時決定黃道面、天球赤道面、子午線以及天極。主要會有兩個環一個代表黃道,一個代表天球赤道,也象徵著自轉和公轉,再加上其他輔助環代表行星、垂直面等等。

在當時因為沒有電腦,因此有兩者的微調需要經過複雜的幾何運算,為了簡化問題,才有了這類型的儀器。渾天儀較為類似輔助儀器,方便占星學家做座標轉換,不像是四分儀或六分儀為直接觀測儀器。

第谷在此儀器上的創新在於,當時的天文學家都是以黃道面當作他們的天體基準面;但第谷認為,從天極得到的緯度要轉換到天球赤道坐標系相當不便,於是他將基準面設定為天球赤道面。如此可以透過模擬地球自轉來簡化觀測儀器的操作,直接同時量測出天體的赤經與赤緯,也因為這樣的設計,讓後人認為第谷是發明望遠鏡赤道儀的天文學家。

渾天儀全部圓環皆以鐵材製作,龐大沉重的結構能夠在天極軸上精準又平衡地旋轉,在當時的製作工藝是相當大的挑戰,第谷設計了獨一無二的軸承,解決了天極軸旋轉的問題。因此,此觀星巨獸直徑達 1.55 公尺,但觀測精度卻可達 1 角分。

天文儀器的改良:刻度小還要再更小

第谷嘗試了多種特殊創新的刻度劃分,包括設計了游標卡尺的前身「Nonius」,但他最終選擇了「橫向刻度」(Transversal Scale)作為每個儀器的標準刻度劃分。

除了圓周刻度劃分外,第谷在圓周兩側的刻度間交錯畫上斜線,並刻上橫向刻度,他巧妙的運用截線定理,讓刻度劃分並不再侷限於圓周上,更能夠藉由儀器的圓周寬度來增加刻度劃分。

舉例來說,第谷的壁畫四分儀,半徑 194 公分,一度的圓周長約有 3.4 公分,劃分成六格,每格長約 0.5 公分,代表 10 角分。0.5 公分的圓周已經無法再劃分到更小,橫向刻度就能夠派上用場了,第谷將四分儀的圓周寬度設計約 13 公分,因此兩側 10 分角刻度間隔的對角線約為 13 公分,再細分 10 格,使得刻度來到 1 角分。

此時每角分間隔 1.3 公分,此間隔足夠讓第谷再劃分 6 格,使得刻度來到 10 角秒,每 10 秒角間隔 0.2 公分,裸眼可以輕鬆識別此間隔,達到裸眼 10 角秒的觀測精度。

排除觀測者造成的誤差

從累積多年觀測經驗中,第谷體悟到:如果觀察者無法精準的觀測星體,再精準的儀器也是徒勞。

當時人們靠著「針孔」來對準目標物,他很快地發現,觀察者無法每次都用單眼將目標物的中心對準在孔洞裡,因此造成了 8 角分的誤差,這對於擁有精度 1 角分儀器的第谷來說,實在是太過荒謬了。

因此他發明了「無視差瞄準器」(Parallax-free Sight),讓觀察者用雙眼通過兩側隙縫,觀察目標物通過前方的圓柱孔,當物體都在左右眼的隙縫裡,這就是完美對準。

無視差瞄準器

不只是嶄新的天文儀器,讓觀測不再受人眼所限

普遍人類裸眼最多只能看到 1 角分,第谷當時最好的四分儀就已經能夠看到 10 角秒的精度了,持續領先當時眾多天文學家 100 年,直到 1660 年代開始發展天文望遠鏡。

第谷是一位相信客觀中立的科學家,嘗試用他超精密的觀星儀器,來探索困擾當時天文學家的誤差。他深信著精準資料給予的結果,而建立了介於地心與日心之間的「第谷模型」,讓克卜勒在這基礎上,更進一步建立了完整的行星軌跡模型。他並且推論,如果地球繞行太陽的話,應該能夠觀察到星星的視差,殊不知星星與地球的距離超乎了當時人類的想像,視差小於 1 角秒,這超過人類肉眼的極限。

但一切都無妨,在第谷之後的 200 年,人類首次測量到天鵝座 61, 313.6 毫角秒的視差。距離地球 10 光年,星星不再是天空中遙不可及的光點,人類會繼續一步一步的了解天空的每個角落。

圖/wikimedia

參考資料

  1. Chapman,A.,1989,Tycho Brahe – Instrument designer, observer and mechanician,J. Br. Astron. Assoc,99(2),70-77
  2. Tycho Brahe,1598, Astronomiae Instauratae Mechanica
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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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銀河系至少存在36個智慧文明,真的嗎?
科學大抖宅
・2020/08/31 ・4554字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

不久前(2020 年 6 月),國內外各大媒體紛紛報導,英國諾丁漢大學(University of Nottingham)的科學家研究發現,銀河系至少應有 36 個智慧文明,吸引了許多人的眼球。無獨有偶,在 2018 年便有報導指出,英國牛津大學人類未來研究所(Future of Humanity Institute)的學者公布,人類是銀河系中唯一高等智慧物種的可能性高達 53% 至 99.6%。明明是類似的問題,相隔兩年的研究卻得出完全不同的結論,讓人看得一頭霧水。

滿天的星星裡還有其他文明存在嗎?這是個人類討論了很久的議題。圖/ by FelixMittermeier@Pixabay

究竟,這些關於外星文明的數量估計,是怎麼做出來的?又是否可信?我們短期內有多大機率證實外星生命的存在?寶傑你怎麼看?

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費米悖論:外星人在哪兒?

科學史上關於外星文明的討論,最知名的例子,莫過於物理學家恩里科‧費米(Enrico Fermi,1901–1954)和另外三位同事──包括氫彈之父愛德華‧泰勒(Edward Teller,1908–2003)──之間的對話。

那是在 1950 年夏天的洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)。四人於中午前往用餐時,在路上聊到當時的目擊幽浮報導,以及紐約客雜誌刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫,以解釋市區垃圾桶莫名消失的謎團。雖然一行人並不認為報導裡的幽浮來自外星球,但仍討論起星際旅行的可能性。

費米問泰勒:「在接下來十年內,我們有多大可能,會看到超光速物體的明確證據?」當泰勒回答百萬分之一後,費米說:「這太低了,較可能是百分之十。」當話題結束,大家圍繞餐桌坐定、開始用餐之後,費米突然又冒出一句:「所有(外星)人都到哪兒去了?」

這就是知名的費米悖論(Fermi paradox):宇宙是這麼地遼闊,充滿數不清的恆星,總會有生命於地球之外的地方誕生;而在宇宙悠久的 138 億年歲月中,應有足夠長的時間,讓這些外星生命發展出高度智慧文明;甚至,只需要一定的太空技術,在相對宇宙壽命極短的時間內,約千萬年之譜,就能殖民整個星系。那麼,為什麼地球人完全看不到任何跡象,顯示他們存在?

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紐約客雜誌於1950年刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫,同時解釋了當時的幽浮目擊事件,與垃圾桶消失迷團。Alan Dunn (May 20, 1950),The New Yorker。(圖片來源

主動搜尋外星訊號

儘管沒有人知道費米悖論的真確答案,卻有不少人試圖提出可能的解釋,如外星人早就來過、外星人故意不跟我們接觸、我們探索的方式不對、外星生命來不及演化出文明就滅絕了、智慧文明無法避免地會自我毀滅(值得地球人警惕!)、外星人跟我們想的不一樣、地球真的是特別的存在……等等。

然而,不用等理論解釋為什麼,實際搜尋外星人的計畫早就開始進行。

十九世紀末,古列爾莫‧馬可尼(Guglielmo Marconi,1874–1937)發明無線電報系統,利用無線電波發送和接收電碼,電報也從此不再需要靠電線傳送──鐵達尼號失事的時候,也多虧無線電報,才有許多人獲得拯救。到了二十世紀初,利用無線電波傳遞聲音的技術被發明,廣播節目開始出現在我們的生活中;此後,地球人就陸續嘗試搜尋外星人發出的電磁波訊號。

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1924 年 8 月,火星軌道運行進入非常接近地球的位置,僅距離 55,777,566 公里,提供了偵測火星人的絕佳機會。天文學家大衛‧佩克‧托德(David Peck Todd)在美國軍方的幫助下,將無線電接收器設置在離地三公里的飛船上,從 8 月 21 日到 23 日共計三十六小時內,嘗試接收火星人的無線電訊號,並備有軍方的密碼學家幫忙解譯;同時,所有無線電台每逢整點都會停止發送五分鐘,避免造成干擾。只可惜,這次實驗沒有得到任何有意義的結果。

1924年當時,美國軍方的電報要求無線電站密切留意任何不尋常的訊號。(圖片來源

到了 1960 年,美國康乃爾大學(Cornell University)的年輕天文學家法蘭克‧德雷克(Frank Drake),利用位於西維吉尼亞州綠堤(Green Bank)的無線電望遠鏡[1],分別觀測了距地球 10.5 光年的天苑四(Epsilon Eridani)和 11.9 光年的天倉五(Tau Ceti),花了數個月搜尋可能的外星智慧文明訊號,卻沒有任何收穫。

似乎,真的沒有外星文明發送電磁波訊號到宇宙中。不過,有此能力的外星文明多嗎?

德雷克方程式:智慧文明有多少?

1961 年 10 月底,德雷克在綠堤舉辦研討會,邀請所有想得到、對搜尋地球外智慧生命有興趣的科學家與會。然而,作為會議唯一的主辦人,德雷克被庶務忙得焦頭爛額,根本來不及安排議程。另一方面,該年度的諾貝爾化學獎得主將在會議期間公布,而謠傳中的得主正好就是會議參加者――加州大學柏克萊分校的生物化學家卡爾文[2];德雷克還得煩惱張羅香檳,以備萬一。

因為缺乏完善的議程規劃,又為了討論更能聚焦,就在參加者報到的前一天,德雷克思考了銀河系內、有能力使用電磁波訊息交流的智慧文明數目(以字母 N 代表),並假設有七個因素決定了 N 的多寡,分別為:

  • R*:銀河系中恆星形成的平均速率[3]
  • fp:恆星擁有行星的比例
  • ne:行星系中,支持生命生存的行星╱星體數量[4]
  • fl:支持生命生存的行星╱星體上,誕生生命的機率
  • fi:存在生命的行星╱星體演化出智慧生命的機率
  • fc:智慧生命文明裡,有多少比例發展出可被偵測到訊號的科技
  • L:智慧文明持續向太空發送可偵測訊號的時間長度

只要把上述七個參數相乘,就能評估出銀河系中可交流智慧文明的數目――這就是知名的德雷克方程式:\( N=R^*\cdot f_p\cdot n_e\cdot f_l\cdot fi\cdot f_c\cdot L \)

1961 年 11 月 1 日,德雷克把公式寫在會議廳的黑板上,作為議程的討論主軸;當時的他並不知道,這個方程式日後常被認為是科學史上重要的方程式之一,甚至成為現今思考外星生命存在問題的架構――就連德雷克本人都表示非常驚訝(無誤)。

法蘭克‧德雷克攝於2012年的照片。By Raphael Perrino – Flickr: Dr. Frank Drake, CC BY 2.0

德雷克公式告訴我們什麼?

德雷克公式提及的七個參數,只要有任何數值上的變動,都會大大影響我們觀測到外星智慧生命的可能性;偏偏,裡面有許多參數都難以評估,無法給出準確的數值,誤差範圍極大。

在上個世紀 60 年代,科學界只對第一個參數R*(銀河系中恆星形成的平均速率)稍有概念,也完全不清楚剩下的參數數值為何。當時,尚未有任何太陽系外行星的觀測證據,更無從推測生命誕生於系外行星的可能性。

現代,隨著科技的進步,我們對德雷克方程式裡的參數已更有概念。根據目前的觀測結果,幾乎每個恆星都擁有自己的行星;換言之,方程式的第二個參數 fp(恆星擁有行星的比例)相當接近 1。此外,有 22% 的類太陽恆星,在適居帶擁有地球尺寸的行星──這無法完全決定第三個參數 ne(行星系中,支持生命生存的行星╱星體數量),但很有參考價值。

至於剩下四個參數,就算到了今天,我們若不是所知有限,就是一無所知──這一點也不奇怪,畢竟人類至今唯一能拿來參照的實例,也就只有地球而已。

在 1961 年的那場會議,德雷克和其他科學家們,針對不同參數分別給出了數值範圍的預估,最後得到 N(銀河系內可交流的智慧文明數目)約在 20 到 50,000,000 之間。

從 1961 年的估計,我們可以看見,因為德雷克方程式裡的參數不確定性太大,使其幾乎不具有預測能力。若以開頭所提到、今年六月的新聞來說,雖然宣稱銀河系中有 36 個智慧文明,但只要查看論文,就會發現其範圍實際上是 4 到 211(36-32 ~ 36+175 );而且,研究團隊在過程中還做了許多假設,才得出這樣的數字。換句話說,只要稍微更動假設,結論就很可能天差地遠──儘管如此,在目前有限的科學證據下,最多也只能做到這樣了。

永不放棄對外星生命的探問

儘管德雷克方程式能給予我們的資訊非常有限,但其貢獻仍不可抹滅:它提供了一種看待問題的架構,將「銀河系內可交流的智慧文明數目」拆開、化簡,成為數個單純因素的組合。

自從德雷克方程式面世之後,許多人套用類似的架構,提出不同的修改版本;如麻省理工學院(MIT)教授莎拉‧西格爾(Sara Seager)就參考德雷克方程式,將「大氣層可偵測到生命印記(Biosignature)的行星數目」分解為數個參數,以推估下一個十年、我們有多大可能性主動發現這些孕育生命的系外行星。最後她發現,以現有的地球科技所及,能找到且存在生命的系外行星,可能只有兩個──在不考慮誤差的狀況下,情況並不樂觀。

至於費米悖論,目前雖然尚無法得到解答,但依據近年的觀測證據,再加上對德雷克方程式、和其他修改版的估計,或許,我們無法太過理想性地認為,銀河系充滿了智慧生命等待交流──考量到宇宙漫長的歷史、與無窮盡的遼闊,縱使外星智慧文明真實(或曾經)存在,也不見得剛好能被地球人發現。

從無線電廣播發明至今,僅約莫百年;可以想像,如果有外星智慧生命要靠電磁波訊號偵測到地球人的存在,不但必須距離地球一百光年之內,而且科技程度還得恰恰好在這幾十年、至少發達到足以接收我們的訊號,且不能因為外在環境或自身緣故而毀滅──怎麼想都不是容易的事。

而德雷克在綠堤研討會提出他的方程式之後,除了持續天文學相關工作,甚至主導了傳送訊息給外星文明的活動:1974 年,在其他研究者──包括知名天文學家與科普作家卡爾‧薩根(Carl Sagan,1934–1996)──的幫助下,他們設計的訊息從波多黎各阿雷西博天文台(Arecibo Observatory),以強力的電磁波發送向距離地球 25,000 光年的球狀星團 M13,內容包括了人類的DNA 結構,和太陽系的介紹等等,史稱阿雷西博訊息(Arecibo Message)。儘管人類可能永遠無法收到回覆,在宇宙中傳播的阿雷西博訊息,卻已成為地球文明曾經存在的證據,等待很久很久以後,某個遙遠星系的外星文明觀測到它。

阿雷西博訊息。此處標示的顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。(圖片來源

就算目前對外星生命的探尋一無所獲,但宇宙總是充滿各式驚奇與可能;或許,在可見的未來,我們就會從系外行星的大氣層發現外星生命存在的印記,甚至接收到外星文明的訊號也不一定。願原力與你同在!生生不息,繁榮昌盛!(一秒同時惹怒Star Wars和Star Trek粉絲)

註釋

  • [1] 該望遠鏡在當時由美國國家電波天文台(National Radio Astronomy Observatory)營運,位於美國國立無線電寂靜地帶(National Radio Quiet Zone)。
  • [2] 梅爾文‧埃利斯‧卡爾文(Melvin Ellis Calvin,1911 – 1997),美國化學家,1961年諾貝爾化學獎得主。
  • [3] 恆星中質量最小、溫度最低的紅矮星原本不被包括在定義裡;現代的版本已將其納入。
  • [4] 原本的定義中,只考慮行星的數量,但德雷克之後將其擴充,以包括所有星體。行星系中支持生命生存的星體不必然是行星,衛星也是可能的選擇;例如木星的衛星「歐羅巴」(Europa)在表面的冰層之下,可能擁有液態水海洋,也被認為是外星生命可能存在的地方。

參考資料

  1. “Where is everybody?”: An account of Fermi’s question, Eric M. Jones, Los Alamos technical report, March 1985.
  2. How My Dad’s Equation Sparked the Search for Extraterrestrial IntelligenceNadia Drake, National Geographic, June 30, 2014
  3. An Equation to Estimate the Probability of Identifying an Inhabited World Within the Next Decade, Sara Seager, MIT, 2013
  4. 《悖論:破解科學史上最複雜的9大謎團》,吉姆‧艾爾─卡利里,三采文化(2013)
  5. Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars, Erik A. Petigura, Andrew W. Howard, and Geoffrey W. Marcy, PNAS 110 (48), November 26, 2013
  6. It’s the 25th anniversary of Earth’s first (and only) attempt to phone E.T., Bill Steele, Cornell Chronicle, November 12, 1999
  7. Wikipedia: Drake equation
  8. Wikipedia: Search for extraterrestrial intelligence
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」