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2019-11-15手機就能拍到銀河，天文學家為什麼還要蓋超大望遠鏡？ 455 期

Author 作者趙軒翎／本刊副總編輯。因碩士論文開啟了中研院天文所研究計畫追蹤之旅，嘗試以「臺灣也看得見星光」系列連載與讀者分享臺灣的天文學發展。

人手一支的智慧型手機在相機解析度上也逐漸提升，讓大家能夠隨時隨地記錄日常生活。甚至只要用一般手機搭配腳架，就能拍出以往只有專業相機才能捕捉的畫面，好比說那天上的銀河和月球表面的陰影。然而，天文學家卻仍不斷建造大型天文望遠鏡，或想辦法讓世界各地的望遠鏡連線，來追尋宇宙中的光點與訊號。科技的進步，難道沒有幫助到天文學家嗎？

如同預期，一到南港就開始感受到綿綿雨絲灑落，只好撐起傘快步走進中央研究院。有別於（2019年）10月26日中研院開放日人山人海熱鬧喧囂的模樣，3天後的今天，雨夜中的中研院冷清許多。10月份科普講座邀請到天文及天文物理研究所副所長王祥宇，將在這分享他多年投入尖端天文儀器開發的經歷與心得。收起傘走入離中研院大門相當近的生醫所大樓，講堂在地下室，此時距離演講開始還有15分鐘，講堂的前半部早已有許多人入座等待。在這下雨的平日夜裡，這些求知的身影更讓人欽佩。

買不到，只能埋頭自製

舞台上的螢幕不像以往顯示講座海報，或是講者投影片的標題頁，而是一個黑白畫面顯示著講堂內觀眾的影像。仔細觀察，這個畫面角度並非來自於直播攝影機，而是來自於講桌上一個方形的儀器。王祥宇一站上講台，便指了指這個方形的黑盒子，「大家的影像來自這小小的儀器，這就是我們自己開發的儀器。」這是王祥宇幫中山科學研究院開發小型星象儀，可以架設在人造衛星上，藉此快速追蹤衛星的姿態用來導航。

「這大概是我們做過最小的東西，才能很容易帶到這裡」，這只是王祥宇工作中的一個小任務，他的主要任務是帶領團隊研發可見光及紅外線天文儀器的開發，無論是計畫規模和實際上的儀器，體積都遠大過眼前這台小黑盒子。即便現在一般商用相機發展迅速，小小的機身就具備了許多強大的功能，然而對天文學家來說這些還不夠用。王祥宇說，每一台望遠鏡會根據希望觀測的科學目標來規劃焦距、像差等規格，無法直接買一般相機來用。「就像是每個人的眼睛一樣，當你近視的時候，你不能把別人的眼鏡拿來戴，」王祥宇解釋，每個望遠鏡都有自己的特性，要達到最佳效能，只能量身訂做。雖然拿錢給廠商幫忙訂做，省時省力，然而現實是「科學家通常蠻窮的，只能自行開發。」語氣中可以感受到王祥宇的無奈。

「觀測天文學的進步和天文儀器的進展有絕對的關係」，王祥宇說，「具備天文儀器的技術就能掌握觀測天文學的先機。」天文儀器的開發是中研院天文所成所之初設定的發展重點，為了躋身天文研究前沿，掌握天文儀器技術成為至關重要的一環。

為了微弱訊號踏遍極端環境

天文儀器與一般儀器的差異，主要是天文學家的觀測得透過接收相當微弱的訊號，來了解遙遠的天體，因此要求就不同。為了降低大氣的吸收與擾動，天文儀器本身會放置在相對乾燥的環境；以天文所參與的計畫來說，望遠鏡的擺放位置通常在高山、沙漠和極區等環境。

然而，這樣的特殊環境，也容易造成儀器失靈。王祥宇舉例，早年的硬碟常無法在高山使用，原因出在硬碟讀取資料時，是透過馬達帶動硬碟快速旋轉，讓磁頭能浮起來並移到所要存取的磁區，然而低壓環境卻會讓磁頭沒有足夠的氣壓浮起，造成讀取失敗。另一方面，天文儀器本身運作的溫度，至少得降到零下100°C，才能減少干擾。

建造一個大型天文儀器所需要的經費龐大，又要能夠擺放在合適的環境，才能讓使用的效能最大化。然而，這同時也代表著，不可能每個研究者都有一台自己的儀器，除了得透過跨國合作建造，儀器還得共用共享，因此這些儀器通常都是預約滿檔，每一分每一秒的觀測時間都是非常珍貴。這也使得天文儀器的穩定度成為天文學家要求的重點，希望這台儀器不僅能夠全年無休運作，也盡可能維持良好狀態。

一閃一閃亮晶晶的困擾

王祥宇談到在可見光與紅外線天文觀測儀器當中，最重要的系統非光學系統莫屬。光學系統可以決定影像品質、視野大小和影像解析度，以解析度為例，光學系統的鏡片越大解析度越高，而觀測的波長越短也同樣能提高解析度。

然而，波長越短受到大氣擾動就越大，因為靠近地表大氣溫度不均勻，光線偏折。兒歌中提到的星星「一閃一閃亮晶晶」，就是光線經過大氣擾動所造成，對於觀測可見光波段的天文學家來說，影響很大，限制了影像的解析度。雖然現在已有技術來修正大氣擾動對於觀測訊號的影響，不過王祥宇也提到，因為大氣擾動會受環境影響，以臺北都會區來說光波受到同樣擾動程度的距離可能是幾十公分，而到少干擾的高山上也只能到幾公尺，有效的修正視野通常只有幾個角秒，對於天文學家來說，無疑是限制了觀測的視野範圍。同時，因為擾動會有變動，使得修正速度要非常快，「一秒要修正500次以上」，王祥宇說。

中研院天文及天文物理研究所副所長王祥宇，長年關注於可見光及紅外線天文觀測儀器的研發與製作。在 2019 年10月中研院科普講座中分享自己多年的經驗與心得。（趙軒翎攝影）

在地表進行可見光觀測的種種困難，讓美國航空暨太空總署（NASA）決定發射太空望遠鏡，例如大家熟知的可見光望遠鏡「哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope, HST）」，或是未來將發射的紅外線望遠鏡「詹姆斯.韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）」。即便這些太空望遠鏡的口徑不如一些地面的光學望遠鏡大，但它們能避開大氣擾動的限制，反而能夠偵測到更暗的天體，提供天文學家另一個觀測渠道。

越龐大，越難製作

一台相機的視野大小，受到焦距所影響，當我們把相機的鏡頭拉長，可以鎖定在小範圍中看到比較多細節，而縮短鏡頭就能看到比較大範圍的畫面，就是這個道理。天文儀器的鏡頭設計自然也會希望能看到大的視野範圍，但這同時會出現一個問題，就是光進入鏡頭中的角度也會隨之變大，光線匯聚的焦平面會是個曲率大的曲面，增加製作上的困難。

光學偵測器的像素大小決定儀器的解析度，因此在設計上通常以2~3個像素涵蓋一個光點，這樣就可以用最少的像素達到最好的解析度，也可以達到最大的視野。王祥宇以一個九億像素的天文相機為例，這個偵測器大小約是成人兩手環抱的範圍。「商用相機總希望（偵測器）越小越好，但天文剛好相反，希望越大越好，這樣才能有好的視野和解析度。」

天文儀器開發沒有天時地利人和

一台天文望遠鏡要能達到天文學家嚴格的標準，每個關卡都經過一次次的確認。然而王祥宇在演講最後也苦笑坦言，現在做天文儀器既沒有天時、沒有地利，更沒有人和，非常困難。一來天文儀器越來越巨大，需要的開發時間也逐漸拉長。「10年在天文儀器工作上是很正常的，」王祥宇說，通常計畫從開始規劃到建造完成就要10年，天文學家這時才能真正開始作觀測，更別提後續分析研究的時間。

大型的天文計畫跨國合作已是常態，互相配合之下，常常得在夜間進行電話會議。又因為要考量觀測的品質，望遠鏡通常架設在偏遠或極端的環境下。王祥宇舉例，自己曾在夏威夷的高山上工作，在氧氣稀薄的狀態，要穿著全身的防護裝備爬上爬下，非常辛苦。

另一方面，專業的儀器設計需要訓練精良的工程師來協助解決各種疑難雜症，但實際狀況是學術環境的薪資與業界差距大，較難吸引有經驗的工程師來加入。然而，王祥宇相信在天文儀器開發的過程中，就是在建立臺灣相關技術的knowhow，也藉此吸引未來更多國際合作。

未來，期待能夠有更多不同的人才，投入天文儀器的開發。