光學觀測的新視野

■ 陳曉文

光學天文學家利用干涉測量技術，大大增強了地面光學天文望遠鏡的觀星能力，也給光學天文觀測帶來一個全新的局面。

在威爾森山頂的松林間，有6個圓頂建筑居高臨下俯視著洛杉磯。這6個半球形建筑內，各有1架直徑1米的望遠鏡，這些望遠鏡的規模，遠不及地面其他的大型望遠鏡以及太空望遠鏡，不過當6架望遠鏡結合為一時，它產生的分辨率令其他望遠鏡都難以望其項背。

這6架呈Y形排列的望遠鏡是“高角分辨率天文中心”的一部分。望遠鏡收集的光線穿越真空管，最后以干涉測量法整合在中央貯光設備。將相距遙遠的光束結合為一，賦予它相當于架設一具有330米鏡面望遠鏡的高度解析能力，換句話說，它的分辨率是哈勃太空望遠鏡的50倍有余，因此可將星體的表面觀測得一清二楚。

無線電天文學家利用干涉測量法已經有半個多世紀，然而光學天文學家卻落于其后。如今，光學干涉測量法正迎頭趕上，數個天文臺更是成績斐然。2009年年底，“高角分辨率天文中心”的團隊發現差不多和太陽系一樣寬的一個星塵盤，緩慢移至一個巨大的舊恒星前方，遮蔽住它的光芒。這讓天文學家喜出望外，他們捕捉到的是一個食雙星系的直接影像，而它的形成百余年來一直是個謎。

比起光學天文觀測者，無線電天文學家從一開始即享有數項優勢。地球的大氣不會造成無線電波模糊，對波長較短的光束卻會。從分散碟形天線收集的無線電訊號，可以數字化后通過電子傳輸重新整合成干涉模式，這是高解析影像的基礎。由于操作容易，無線電天文學家可輕松將全球的碟形天線數據整合使用，以廣如地球的基線創造虛擬的望遠鏡數組。

光學干涉法卻無法如此，天文學家必須以納米的精準度引導微弱的光束穿越地道，并且實時地完成光束的整合。他們還必須利用名為調適光學的復雜技術抵消大氣的模糊效應。由于多數的光學數組使用的是較小的望遠鏡，光是收集足夠的光線已是難事，而光線不足也導致研究對象受限，僅能選擇附近的明亮恒星。

盡管障礙重重，光學干涉測量法還是讓天文學家對星體有了新的視野，包括雙星系如何彼此交換質量，恒星旋轉時如何產生膨脹等。現在，科學家正在研究幾個望遠鏡光束的結合技術。多光束不僅可提高數據收集效率，捕捉更多的光子加以使用，還可對數據進行交叉查對，讓以干涉模式建立影像的工作簡單化。“高角分辨率天文中心”已在2007年首度公開整合四光束的技術，2011年計劃同時記錄六道光束的成果。

光學天文學的進步讓一度窒礙難行的實驗變成例行作業，也讓本身并非干涉測量法專家的天文學家有了全新體驗。智利歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡干涉數組干涉法小組負責人戴普蘭克形容，此刻的天文學家已是光學干涉法的“常用者”。

相較之下，美國設施獲得的贊助較無組織與零碎。“高角分辨率天文中心”是美國國家科學基金會提供金援，由大學主持的研究。“高角分辨率天文中心”的潛在對手、新墨西哥州馬達林納嶺天文臺因為經費無著而進度落后；文化與環境的疑慮，導致在毛納基峰興建新望遠鏡的計劃于2006年喊停。

不過，不是人人都對毛納基峰的計劃死心，該峰擁有全球密度最高的天文臺群。巴黎天文臺以及夏威夷納米弧度天文學光學數組的主要研究員培林，正在整合毛納基峰上的七大望遠鏡，讓它成為具有800米基線的數組。為證明它可行，培林已以不顯眼的光纖將二個凱克望遠鏡的光束整合為一。

在毛納基峰上接受訪問時，培林正忙于第二階段工作，以光纖將雙子北座望遠鏡與位于夏威夷大島的加拿大、法國與夏威夷望遠鏡相銜接。

雖然科技仍是夏威夷納米弧度天文學光學數組計劃的一大障礙，培林指出，更困難的是說服毛納基山的所有天文臺同時提供他們寶貴的時間。培林說，要說服這些望遠鏡背后的組織，必須先證明干涉測量法是大勢所趨。