新新聞》從國防跨界天文,中科院參與黑洞觀測,險淪北極熊大餐

2019年04月25日 12:00 風傳媒
位於智利Atacama5000米高山上的ALMA陣列天線。(翻攝自ALMA網站)

位於智利Atacama5000米高山上的ALMA陣列天線。(翻攝自ALMA網站)

史上第一張黑洞照片於四月十日呈現在世人眼前,在中研院所舉行的記者會中,中科院跨國計畫主持人韓國璋受邀出席現場。他和全球觀眾一樣,看到照片時發出驚嘆聲:「哇!原來黑洞長這樣子。」

六國參與、八座望遠鏡同步觀察

「事件視界望遠鏡」(EHT)是由台灣與美國、日本、中國、智利、比利時等六國合作,以八座天文望遠鏡組成與地球直徑一樣大的望遠鏡,透過原子鐘校正,同步觀察這個距離地球五五○○萬光年,位於室女座星系團中最大星系「M87」的黑洞。

其中有三座天文望遠鏡由中研院委託中科院參與基座與系統整合測試等工程。團隊成員歷經凍傷、被電到,甚至差點淪為北極熊大餐等嚴苛考驗,成功一圓天文夢想。

中科院集結航空所、電子所、系發中心、材料所等團隊投入,開啟天文望遠鏡跨國合作。時隔多日談及此事,韓國璋仍難掩心中激動。

主辦單位事前並未透露,大家心中都在猜「應該是這件事」,所公布的圖片與過去電腦模擬差不多。但看到愈久以前的光,就愈接近宇宙起源,讓他不禁感嘆:「人類真的很渺小。」

在夏威夷海島、智利高山設置天線

首項計畫是中研院於一九九六年與美國史密松天文台(SAO)合作,打造世界首座「次毫米波陣列望遠鏡」(SMA),因為時任中研院院長為李遠哲,因此這座天線又被稱為「李遠哲陣列」,也是EHT核心計畫。

經六國科學家的努力,史上第一張黑洞照片終於呈現在世人眼前。(中研院提供)
經六國科學家的努力,史上第一張黑洞照片終於呈現在世人眼前。(中研院提供)

SMA位於美國夏威夷毛納基山天文台,支撐架基座必須適應海島氣候,如有鏽蝕會影響結構穩定度,中研院因此找上中科院。

當時中科院透過航空所、材料所,以應用在新式戰機的碳纖維複合材料進行設計,不但可以「減重」,還能承受上百噸重的望遠鏡和附屬設備,結果一炮而紅,並且打開後續合作計畫大門。

接下來是二○○六年在智利的「Atacama計畫」。在這處海拔五千公尺的高山上,氣候乾燥有如火星,天文觀察不易受到濕氣與光害影響,設置由六十六座陣列天線(ALMA)所組成的十二公尺超大天線盤。

最核心的裝備為「射頻前端接收器」(Front-end,註:接收訊號組件),是由中科院負責整合測試作業,為此成立了全球第三座整合測試中心。接收器通過測試再送往天文台,技術與先進國家併肩。

測試的高難度,第一步就是規格問題。韓國璋解釋,因為商用甚至軍用觀測光譜,僅在三十到五十GHZ(十的九次方)赫茲,但是主持團隊所開出的規格要到三十到九○○GHZ,超出過去所能測量範圍非常多,最後透過工程師合作,才能實現這項科學家的十足創意。

中科院不但準時完成這項不可能任務,還伸出援手,協助另外兩座落後的天文台趕進度。完成測試後,如何運送射頻前端接受器到天文台又是一大考驗。中科院經過設計,由磁震公司打造出兩套「前級維護特種車」(FESV),分別命名為「藍鵲號」、「梅花號」。

運送全程必須放入液態氮,保持四度低溫,先送到智利海拔三五○○公尺的基地站,再走數十公里顛簸路程,運到五千公尺,有如在火星荒原的天線布置區(AOS)。

工作人員用車廂將五百公斤重的射頻前端接受器升高到距離地面六.二公尺高基座上,由於車廂與基座間有縫隙,接著又在下方加了蓋板。

因為溫度必須嚴格控制,這些動作必須在十五鐘內完成,每一步驟毫秒必爭,高山含氧量只有平地的二分之一,更添難度。

凍傷無數次,不知北極熊尾隨

第三個參與計畫是中研院在一一年獲得美國科學基金會(NSF)授權,領導多所國際著名天文台合作執行「格陵蘭天文望遠鏡」(GLT)計畫。當地年均溫攝氏零下十度,最低溫零下六十六度。

中研院同樣找上中科院參與執行支撐底架、改裝設計組裝與電力配線。這次開出的設備規格,要能承受零下七十度的極低溫度,光是找材料,就已經上窮碧落下黃泉。

原設立在新墨西哥州的大型次毫米波陣列天線,經翻修後,再以軍艦運送到格陵蘭北極海邊的美國圖勒(Thule)基地,進行全系統測試,再經一千多公里,送到海拔三五○○公尺的天文站。

在天文站組裝配線,聽起來感覺難度不高,但是沒有實體模型,中科院工程師僅憑藉著手中文件,耗費心力釐清長短、連結點不同等各式線路,有些銅線很粗因此有彎曲限制,還得搞定管道布線與電力供應,另在天線盤後方加設兩座室內研究室車廂,讓參與人員大嘆「真的不簡單」。

格陵蘭天文望遠鏡(GLT)計畫,整個過程需禁得起極地超低溫考驗。(中科院提供)
格陵蘭天文望遠鏡(GLT)計畫,整個過程需禁得起極地超低溫考驗。(中科院提供)

在極地惡劣天候,無論纜線製作、布置、線槽、軟硬管安裝配置,或是鑽孔、挖洞、裁切等技術性作業,都得由科學家動手完成。甚至在戶外頂著風雪,坐上大幅搖晃的吊掛車,拿著溫度不足的烙鐵,進行布線作業,手指頭凍傷與被電到次數多到數不清。

還有一次類似「冰原歷險記」的驚悚過程。中科院工程師先是聽到基地警報聲大作,但不知道是什麼狀況,心想北極又不會有空襲,仍開車前往餐廳。只是平常各國科學家都會一起去,那天路上卻一個人都沒有。

當從外頭走進去,工作人員見狀大吃一驚,告訴他們那是「北極熊警報」,怎麼還跑出來?一回頭才發現,居然有隻北極熊尾隨在後,僅離他們約一百公尺距離,差點淪為北極熊大餐,回想時仍餘悸猶存。

頂尖技術專業,軍事運用前景無限

歷經千辛萬苦的天文合作計畫,對於中科院提升研究能量極為關鍵,因為不同波段觀測,對於軍事運用有著各種可能性,等於打開一扇無限想像的窗戶。

例如將射頻前端接收器加上發射雷達,理論上就成了偵照雷達。雖然隱形飛機截面積小,能吸收部分雷達波,讓雷達上的光點看起來非常小,但如果能克服高波段光譜易被干擾的限制,隱形飛機也許就難再隱形,可以被看得很清楚。

而以往在天候不佳時,軍(民)機防撞雷達難以穿透雲霧,這時或許可運用高波段光譜,進行短距離穿透,以提升安全性。

此外,部隊指揮、管制、情報、通信、電腦、電子監聽(C4ISR)系統因為可運用的頻譜更寬,轉輸量也可望更大、更快。

打開上述三座天文台最先進的精密儀器,裡面都有中科院製造的電子設備或機械元件。院長杲中興驕傲地稱,在各個惡劣環境完成設置工程,是和全世界頂尖大廠競爭的成果,只有最頂尖的技術才能經得起考驗。

原本專注國防武器研發的中科院,憑藉扎實的跨領域工程專業與達人精神,意外踏入探索宇宙起源及天文觀測的領域,與中研院團隊合力打造天文界的「台灣之光」。

➤更多內容請看新新聞

加入新新聞Line好友

【我要發風】

風傳媒歡迎各界分享發聲,來稿請寄至 opinion@stormmediagroup.com,並請附上姓名、聯絡方式、自我簡介,謝謝!

投入新聞工作逾25年,每日歸零學習,在新聞界「少林寺廚藝學院」學功夫,希望每篇作品,都是值得細細品味的手路菜。

我想再看到這個主題

追蹤優質文章,給個讚!



不再顯示