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^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。

2006年，台湾科学家梁茂昌参与的国际天文研究团队，首次成功观测到距离地球约63光年远的狐狸座外太阳系行星（HD189733b）大气中存在着生命之源――水。

赫比格-哈罗天体（HH object）是年轻原恒星在两极方向产生喷流的一系列的块状云气。2009年，台湾中研院天文所李景辉等人使用次毫米波阵列望远镜，观测到源自于一颗邻近年轻0级原恒星的HH211赫比格-哈罗天体，拥有一对高度准直的喷流，不仅显示出喷流内的内震波，而且在原恒星的两侧都可以看到喷流至少1次的摆动，相对于原恒星呈现反射对称，完全符合喷流的理论模型。

次毫米星系出现在宇宙大爆炸之后20到60亿年间，地球上所看到的其实是早期遥远的宇宙所传来的图像。中研院天文所王为豪2010年运用最新升级改良过的次毫米波阵列望远镜，观察到新的次毫米星系，并推测此类星系的数量可能超过之前天文学界的估算。

暗物质是宇宙中的一个谜，由于无法被可见光所探测，所谓暗物质粒子的存在迄今无法证实。中研院天文所人员参与一组国际研究团队，利用日本斯巴鲁望远镜观察25个大质量星系团，藉由引力透镜来详细测量这些星系团的暗物质空间分布，在2010年首度证实天文学界目前对暗物质的主流预测模型。

该研究人员还利用日本的朱雀号X射线观测卫星，对位于Abell 1689星系团最的高温气体进行温度测量，结果发现高温气体存在一个各向异性的温度分布，显示星系团会藉由加热而成长，而触发加热机制的是气体掉入星系团内所产生的能量，至于这些气体的来源，则是位于星系团外被称为“宇宙网”的细丝状大尺度结构，说明镶嵌着这个星系团的大尺度结构会影响星系团的成长。

自1998年发现宇宙正在加速膨胀的现象以来，天文学家一直就测量大尺度宇宙结构的方法，致力寻找更完美的技术。2010年，台湾中研院天文所张慈锦与彭威礼等人利用美国国家射电天文台的绿堤望远镜进行观测，成功研发出通过测绘太空中极遥远的氢气体所发出的射电波，测量不同星系内的氢气体分布，最终绘制出“宇宙网”图像的新技术。与先前使用可见光观测所绘制的结构图详加比对，吻合度相当高，验证该方法的正确性。藉此，科学家将能更深入地探索宇宙中的暗能量及其本质和特性。

行星如何形成是天文学最热门的研究领域之一，台湾天文学家高见道弘、金孝宣、周美吟等人2011年利用日本斯巴鲁望远镜，成功地在距离地球460光年的银河系外金牛座RY恒星附近搜さ奖怀莆“原行星盘”的尘埃气体云。研究人员成功地在波长为1.65微米的近红外波段取得一张金牛座RY星图像，与其他许多在较长波段观测的原行星盘图像相比，这里盘面辐射的光偏离恒星中心位置，原因是些近红外波段的辐射是从盘的表面层发出的散射光，为金牛座RY星原行星盘在垂直方向结构提供重要特征线索，对行星形成过程的相关研究有重要意义。

一些活跃星系核喷出的强力等离子体喷流范围可长达千万光年，远比星系本身还大，并且速度高达光速的99%以上。自上世纪70年代以来，科学家一直无法解开这些喷流如何被加速到接近光速之谜。2012年，台湾科学家利用欧洲VLBI网，首度发现在室女座星系团中的巨型椭圆星系M87中心超大质量黑洞附近所产生喷流的自行速度变化的失落环节。原来在黑洞附近喷流刚开始产生时速度并不快，但在距离黑洞约1万到数十万黑洞大小的空间区域内，由于磁流体力学的作用，喷流不但发生形状上的变化（趋向束状），还历经了由低速（光速的1%）加速到高速（光速的99%）的过程。

观测到最遥远（因而也是最古老的）的星系一直是所有天文学家的梦想，可以因此了解早期宇宙是什么样的。但绝大多数遥远星系的身影都被离地球更近的天体所挡住了，要找到它们很不容易。2013年，台湾中研院天文所黄活生和苏游u等人藉由哈伯太空望远镜，发现一个遥远的“透镜星系”（因质量巨大产生而形成引力透镜效应），来自它的光线费时96亿年才抵达地球，改写了天文观测史上最遥远“透镜星系”的纪录。通过观测发现，位于该透镜星系背后更远处有一个小星系，距地球107亿光年。通过极遥远的“透镜星系”能协助我们更深入认识早期宇宙中，年轻星系经历了什么过程后才形成今天高质量、成分以暗物质为主的巨大星系。

以往科学界关于恒星形成的研究多聚焦于质量近似太阳的单恒星如何形成，但事实上有超过半数的类太阳恒星都是结伴诞生。2014年，台湾中研院天文所研究人员利用阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列（ALMA），发现环绕于金牛座的一对年轻原恒星（L1551 NE）周围的微尘与气体分子云里的旋臂状结构，并观察到周围气体流向原恒星。为求能更进一步了解这些新发现的特征及其物理意义，研究团队为L1551NE双星系统形成机制构建了理论模型加以数值模拟，首次确认旋臂上的气体转速较快，而位于旋臂内侧的气体转速则较慢，并呈现了朝中央恒星方向塌缩的迹象，此项研究成果首度揭晓了宇宙中双恒星诞生的生成机制。