臺灣天文學(xué)及天體物理學(xué)研究現(xiàn)狀(下)

臺灣天文學(xué)及天體物理學(xué)研究現(xiàn)狀（下）

臺灣天文學(xué)及天體物理學(xué)研究現(xiàn)狀（下）

參與國際觀測項目

位于智利阿塔卡瑪沙漠中的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣

列（ALMA），是目前世界上最大的地面射電天文望遠(yuǎn)鏡興建計劃，由

66座小型望遠(yuǎn)鏡組成一個毫米波及次毫米波段的干涉儀，可視為次

毫米波陣列的擴大版，是研究早期宇宙遺留輻射、恒星形成與演化、

行星系統(tǒng)、星系甚至生命起源的利器。

該計劃的三個主要合作伙伴分別為北美、歐洲及東亞地區(qū)團隊。

憑借以往研制射電望遠(yuǎn)鏡儀器設(shè)備的經(jīng)驗，臺灣中研院天文所于2005

年和2008年先后受邀加入其中的日本計劃（ALMA-J）與ALMA北美

計劃（ALMA-NA），負(fù)責(zé)組裝來自美國、加拿大、日本、法國、荷蘭

及英國所提供的接收機模組，使成為完整的接受機前段次系統(tǒng)為其提

供及組裝測試信號接收機前段次系統(tǒng)。該所科技人員與中山科學(xué)研究

院航空研究所在臺中合作成立東亞接收機前段整合測試中心，不但成

功提前完成原本負(fù)責(zé)的所有東亞團隊17套信號接收機前段次系統(tǒng)，

并協(xié)助北美與及歐洲團隊另外完成9套前段次系統(tǒng)的組裝和交付，保

證了這座望遠(yuǎn)鏡在2013年3月正式完工并運行。

到目前為止，ALMA機構(gòu)已兩次向全球天文研究學(xué)者公開征求觀

測計劃書，分別稱為Cycle 0與Cycle 1。在總共征得2000余份觀測計

劃書中，只有300余份通過嚴(yán)格的審查。觀測計劃通過審核與否，主

要是由審查委員會按送審計劃的科學(xué)價值加以評量。臺灣在此激烈的

競爭下，總共通過了20余份計劃書，取得了亮眼的成績。

天文學(xué)上最終極的觀測挑戰(zhàn)之一是以相當(dāng)于事件視界的角解析

度來直接觀測到黑洞及其周圍情況，這對于研究廣義相對論強場本文

由收集整理效應(yīng)、黑洞邊緣吸積盤及外向流過程以及黑洞的自旋等都

開啟了新的窗口。

臺灣中研院天文所同時擁有SMA與ALMA的使用權(quán)，這兩個陣

列若聯(lián)合成為一個甚長基線干涉測量系統(tǒng)（VLBI），可望達(dá)到數(shù)微角

秒的角解析力。目前已知有兩個超大質(zhì)量黑洞，即位于銀河系中心的

SgrA*和M87的核心，其尺寸大得足以使用次毫米波段甚長基線干涉

測量系統(tǒng)進(jìn)行解析。因此該所提議，再增加一座射電望遠(yuǎn)鏡，與SMA

及ALMA相結(jié)合，組成一個縱跨地球南北表面的超大射電天文望遠(yuǎn)鏡，

可望達(dá)到幾十萬分之一角秒的解析力，將能做到對黑洞“剪影

”的成像。這是僅使用由SMA及ALMA組成的單一基線所不能

做到的。

美國國家科學(xué)基金會（NSF）于2011年同意，將ALMA-北美團隊

建于新墨西哥州的12米口徑Vertex原型望遠(yuǎn)鏡提供給臺灣中研院天

文所的研究團隊。臺灣科學(xué)家建議，將這座望遠(yuǎn)鏡移至北極圈內(nèi)格陵

蘭海拔3200米高的峰頂上（該望遠(yuǎn)鏡也被更名為“格陵蘭望遠(yuǎn)

鏡”），與位于夏威夷的美國史密森天文臺、位于西弗吉尼亞州

的美國國家射電天文臺及座落于馬薩諸塞州波士頓的海斯塔克天文

臺等共同組成面向北天球的超大“北天次毫米波VLBI”，

在次毫米波段用極高的角解析力來觀測M87星系巨大黑洞和噴流發(fā)

源區(qū)。該計劃的準(zhǔn)備工作目前正在進(jìn)行中。

參與制作天文觀測儀器

除了上述種種雄心勃勃的計劃外，臺灣科學(xué)家目前與日本、韓國

及歐洲航天局共同商議，參與由日本主導(dǎo)的下一代“宇宙學(xué)與

天文物理太空紅外望遠(yuǎn)鏡計劃”（SPICA）。該望遠(yuǎn)鏡口徑3.5米，

整座望遠(yuǎn)鏡溫度由冷卻系統(tǒng)降溫至5K，其工作波長范圍在5～210微

米。SPICA的口徑與之前的赫歇耳紅外天文望遠(yuǎn)鏡相似，但憑借較低

的工作溫度，可以降低背景輻射而大幅提高系統(tǒng)靈敏度。預(yù)計SPICA

將在2020年以后發(fā)射升空，比美國的新一代詹姆斯·韋伯

（James Webb）太空望遠(yuǎn)鏡要晚。雖然兩者在短波長范圍至25微米

都有觀測能力，但是SPICA在波長大于20微米的區(qū)域有較佳的探測

能力，并且是唯一能觀測至210微米范圍的太空望遠(yuǎn)鏡。此外，SPICA

具有較大的視野、圖像能力也較佳。

SPICA的科學(xué)目標(biāo)主要有三項：研究行星系統(tǒng)的形成與演化，包

括原行星盤中的氣體（包含水）與塵埃與行星演化的關(guān)系、巖屑盤的

礦物學(xué)、外太陽系氣體行星的大氣以及柯伊伯帶天體的組成；星際塵

埃中的生命循環(huán)，包括在銀河系與鄰近星系的氣體與塵埃的物理與化

學(xué)、塵埃的礦物學(xué)、超新星殘骸中的塵埃演化以及在早期星系中星際

塵埃的來源；星系的形成與演化，包括活躍星系核與大量恒星形成在

不同宇宙時間與環(huán)境的關(guān)聯(lián)性、恒星形成與超大質(zhì)量黑洞的同時演化、

恒星形成及星系質(zhì)量蓄積的歷史與大尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)系、宇宙紅外線背

景的物理。

SPICA規(guī)劃搭載4個觀測儀器。臺灣中研院天文所將參與日本宇

宙科學(xué)研究所負(fù)責(zé)研發(fā)的中紅外相機與光譜儀（MCS），包括一個中

解析度光譜儀和一個高解析度長波長光譜儀，能夠在12～18微米提

供解析度在20000～30000的光譜，以及一個能夠在5～40微米提供

16個不同波段圖像的廣角相機，其濾鏡組包含一個光柵棱鏡，以在

全波段提供低解析度的光譜（R=50～200），包含不在光譜儀范圍內(nèi)的

5～12微米范圍。

其他重要科研成果

除臺灣中研院天文所外，島內(nèi)一些高校如臺灣大學(xué)、新竹清華大

學(xué)、中央大學(xué)、新竹交通大學(xué)、成功大學(xué)等也在開展有關(guān)天文及天體

物理學(xué)方面的研究，近年的成果包括：發(fā)展張弛程序，研究星系中央

氣體盤在棒形旋轉(zhuǎn)體驅(qū)使下的演化過程；發(fā)展一個小波程序，分析哈

伯太空望遠(yuǎn)鏡中的第二代廣角行星相機（WFPC2）和紅外線照相機

（NIC-MOS）所觀測到的資料；研究磁氣流，發(fā)現(xiàn)小波轉(zhuǎn)換和重建技

術(shù)可應(yīng)用在觀測旋渦狀星系的構(gòu)造上；發(fā)現(xiàn)在洛斯比（Rossby）數(shù)值

小于1的情況下，熱對流在徑向方向的波長會縮短，熱對流的效應(yīng)會

受到在徑向方向磁亂流，和熱輻射的雙重破壞而削弱；發(fā)現(xiàn)環(huán)繞在白

矮星的吸積盤內(nèi)，熱對流效應(yīng)完全被破壞而消失，造成熱傳導(dǎo)幾乎由

磁亂流所傳遞；探討X風(fēng)流體的熱結(jié)構(gòu)問題，計算出電子游離比、溫

度及化學(xué)成分在X風(fēng)發(fā)源地8000AU（日地距離）區(qū)域內(nèi)的分布；根

據(jù)估算類似木星的外太陽系行星，如果離母恒星在0.04AU以內(nèi)，軌

道離心率在0.2以上，這個巨大行星半徑最后會超過潮汐半徑，氣體

會通過L1點離開這個行星，同時會漸漸地遠(yuǎn)離母恒星；分析彗星微

塵，研發(fā)一套能夠用來分析萬億分之一克（10-12g）大小的微塵極靈

敏質(zhì)譜儀；發(fā)現(xiàn)在內(nèi)在切變力對星系自旋的影響存在條件下，相對較

易測量的星系自旋場可用來重建潮汐切變力與質(zhì)量密度的初始值；提

出一個自由參數(shù)a的二次方程序，發(fā)現(xiàn)a值為0.17（4σsignal）；

發(fā)展復(fù)雜而健全的非球形動力模型，顯示由此模型得出的數(shù)值與比用

球形動力學(xué)算出的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量函數(shù)，更符合N個天體模擬所得結(jié)果；發(fā)

展以切變力測量為基礎(chǔ)，包括質(zhì)量重建與發(fā)現(xiàn)星團演算法的弱透視分

析計算程序；以松弛法及高階戈多諾夫法（Godunov）編成的高效能

氣體動力程序，模擬星系盤面上促使棒狀結(jié)構(gòu)形成的密度波，并將此

程序應(yīng)用在3kpc旋臂問題及NGC5248的模擬上；藉由極大陣列望遠(yuǎn)

鏡（VLA）、超長基線波干涉儀望遠(yuǎn)鏡（VSOP），觀測星系中心大質(zhì)量

黑洞SgrA*的電波源的結(jié)構(gòu)，了解活躍星系核的超光速運動、吸積盤

的運轉(zhuǎn)情形，及中心大質(zhì)量黑洞SgrA*與銀河中心氣體可能發(fā)生的交

互作用；利用觀測類星體在可見光波段與氫原子氣體的分布情形不同，

了解鄰近星系之間的交互作用；研究受到潮汐作用而膨脹的巨大外太

陽系行星所發(fā)展的模型，可解釋為什么截至目前為止，在天文學(xué)家已

發(fā)現(xiàn)的70多個巨大外太陽系行星之中，尚未有任何軌道半徑小于

0.07AU的行星。