台湾天文学及天体物理学研究现状(下)

台湾天文学及天体物理学研究现状（下）

台湾天文学及天体物理学研究现状（下）

参与国际观测项目

位于智利阿塔卡玛沙漠中的阿塔卡玛大型毫米波及次毫米波阵

列（ALMA），是目前世界上最大的地面射电天文望远镜兴建计划，由

66座小型望远镜组成一个毫米波及次毫米波段的干涉仪，可视为次

毫米波阵列的扩大版，是研究早期宇宙遗留辐射、恒星形成与演化、

行星系统、星系甚至生命起源的利器。

该计划的三个主要合作伙伴分别为北美、欧洲及东亚地区团队。

凭借以往研制射电望远镜仪器设备的经验，台湾中研院天文所于2005

年和2008年先后受邀加入其中的日本计划（ALMA-J）与ALMA北美

计划（ALMA-NA），负责组装来自美国、加拿大、日本、法国、荷兰

及英国所提供的接收机模组，使成为完整的接受机前段次系统为其提

供及组装测试信号接收机前段次系统。该所科技人员与中山科学研究

院航空研究所在台中合作成立东亚接收机前段整合测试中心，不但成

功提前完成原本负责的所有东亚团队17套信号接收机前段次系统，

并协助北美与及欧洲团队另外完成9套前段次系统的组装和交付，保

证了这座望远镜在2013年3月正式完工并运行。

到目前为止，ALMA机构已两次向全球天文研究学者公开征求观

测计划书，分别称为Cycle 0与Cycle 1。在总共征得2000余份观测计

划书中，只有300余份通过严格的审查。观测计划通过审核与否，主

要是由审查委员会按送审计划的科学价值加以评量。台湾在此激烈的

竞争下，总共通过了20余份计划书，取得了亮眼的成绩。

天文学上最终极的观测挑战之一是以相当于事件视界的角解析

度来直接观测到黑洞及其周围情况，这对于研究广义相对论强场本文

由收集整理效应、黑洞边缘吸积盘及外向流过程以及黑洞的自旋等都

开启了新的窗口。

台湾中研院天文所同时拥有SMA与ALMA的使用权，这两个阵

列若联合成为一个甚长基线干涉测量系统（VLBI），可望达到数微角

秒的角解析力。目前已知有两个超大质量黑洞，即位于银河系中心的

SgrA*和M87的核心，其尺寸大得足以使用次毫米波段甚长基线干涉

测量系统进行解析。因此该所提议，再增加一座射电望远镜，与SMA

及ALMA相结合，组成一个纵跨地球南北表面的超大射电天文望远镜，

可望达到几十万分之一角秒的解析力，将能做到对黑洞“剪影

”的成像。这是仅使用由SMA及ALMA组成的单一基线所不能

做到的。

美国国家科学基金会（NSF）于2011年同意，将ALMA-北美团队

建于新墨西哥州的12米口径Vertex原型望远镜提供给台湾中研院天

文所的研究团队。台湾科学家建议，将这座望远镜移至北极圈内格陵

兰海拔3200米高的峰顶上（该望远镜也被更名为“格陵兰望远

镜”），与位于夏威夷的美国史密森天文台、位于西弗吉尼亚州

的美国国家射电天文台及座落于马萨诸塞州波士顿的海斯塔克天文

台等共同组成面向北天球的超大“北天次毫米波VLBI”，

在次毫米波段用极高的角解析力来观测M87星系巨大黑洞和喷流发

源区。该计划的准备工作目前正在进行中。

参与制作天文观测仪器

除了上述种种雄心勃勃的计划外，台湾科学家目前与日本、韩国

及欧洲航天局共同商议，参与由日本主导的下一代“宇宙学与

天文物理太空红外望远镜计划”（SPICA）。该望远镜口径3.5米，

整座望远镜温度由冷却系统降温至5K，其工作波长范围在5～210微

米。SPICA的口径与之前的赫歇耳红外天文望远镜相似，但凭借较低

的工作温度，可以降低背景辐射而大幅提高系统灵敏度。预计SPICA

将在2020年以后发射升空，比美国的新一代詹姆斯·韦伯

（James Webb）太空望远镜要晚。虽然两者在短波长范围至25微米

都有观测能力，但是SPICA在波长大于20微米的区域有較佳的探测

能力，并且是唯一能观测至210微米范围的太空望远镜。此外，SPICA

具有较大的视野、图像能力也较佳。

SPICA的科学目标主要有三项：研究行星系统的形成与演化，包

括原行星盘中的气体（包含水）与尘埃与行星演化的关系、岩屑盘的

矿物学、外太阳系气体行星的大气以及柯伊伯带天体的组成；星际尘

埃中的生命循环，包括在银河系与邻近星系的气体与尘埃的物理与化

学、尘埃的矿物学、超新星残骸中的尘埃演化以及在早期星系中星际

尘埃的来源；星系的形成与演化，包括活跃星系核与大量恒星形成在

不同宇宙时间与环境的关联性、恒星形成与超大质量黑洞的同时演化、

恒星形成及星系质量蓄积的历史与大尺度结构的关系、宇宙红外线背

景的物理。

SPICA规划搭载4个观测仪器。台湾中研院天文所将参与日本宇

宙科学研究所负责研发的中红外相机与光谱仪（MCS），包括一个中

解析度光谱仪和一个高解析度长波长光谱仪，能够在12～18微米提

供解析度在20000～30000的光谱，以及一个能够在5～40微米提供

16个不同波段图像的广角相机，其滤镜组包含一个光栅棱镜，以在

全波段提供低解析度的光谱（R=50～200），包含不在光谱仪范围内的

5～12微米范围。

其他重要科研成果

除台湾中研院天文所外，岛内一些高校如台湾大学、新竹清华大

学、中央大学、新竹交通大学、成功大学等也在开展有关天文及天体

物理学方面的研究，近年的成果包括：发展张弛程序，研究星系中央

气体盘在棒形旋转体驱使下的演化过程；发展一个小波程序，分析哈

伯太空望远镜中的第二代广角行星相机（WFPC2）和红外线照相机

（NIC-MOS）所观测到的资料；研究磁气流，发现小波转换和重建技

术可应用在观测旋涡状星系的构造上；发现在洛斯比（Rossby）数值

小于1的情况下，热对流在径向方向的波长会缩短，热对流的效应会

受到在径向方向磁乱流，和热辐射的双重破坏而削弱；发现环绕在白

矮星的吸积盘内，热对流效应完全被破坏而消失，造成热传导几乎由

磁乱流所传递；探讨X风流体的热结构问题，计算出电子游离比、温

度及化学成分在X风发源地8000AU（日地距离）区域内的分布；根

据估算类似木星的外太阳系行星，如果离母恒星在0.04AU以内，轨

道离心率在0.2以上，这个巨大行星半径最后会超过潮汐半径，气体

会通过L1点离开这个行星，同时会渐渐地远离母恒星；分析彗星微

尘，研发一套能够用来分析万亿分之一克（10-12g）大小的微尘极灵

敏质谱仪；发现在内在切变力对星系自旋的影响存在条件下，相对较

易测量的星系自旋场可用来重建潮汐切变力与质量密度的初始值；提

出一个自由参数a的二次方程序，发现a值为0.17（4σsignal）；

发展复杂而健全的非球形动力模型，显示由此模型得出的数值与比用

球形动力学算出的标准质量函数，更符合N个天体模拟所得结果；发

展以切变力测量为基础，包括质量重建与发现星团演算法的弱透视分

析计算程序；以松弛法及高阶戈多诺夫法（Godunov）编成的高效能

气体动力程序，模拟星系盘面上促使棒状结构形成的密度波，并将此

程序应用在3kpc旋臂问题及NGC5248的模拟上；藉由极大阵列望远

镜（VLA）、超长基线波干涉仪望远镜（VSOP），观测星系中心大质量

黑洞SgrA*的电波源的结构，了解活跃星系核的超光速运动、吸积盘

的运转情形，及中心大质量黑洞SgrA*与银河中心气体可能发生的交

互作用；利用观测类星体在可见光波段与氢原子气体的分布情形不同，

了解邻近星系之间的交互作用；研究受到潮汐作用而膨胀的巨大外太

阳系行星所发展的模型，可解释为什么截至目前为止，在天文学家已

发现的70多个巨大外太阳系行星之中，尚未有任何轨道半径小于

0.07AU的行星。