以ALMA揭開宇宙的秘密

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撰文／李名揚
審稿／蘇裕農（中央研究院天文所計畫技術人員）

 

　　全世界20國投入超過10億美元合作建造「亞他加馬大型毫米及次毫米波陣列」（ALMA）（見〈天文研究新利器──ALMA〉），目的是觀測宇宙深處會發出毫米波及次毫米波的低溫塵埃和雲氣。觀測這些物質有什麼用？

使用可見光望遠鏡觀測宇宙深處時，主要觀測目標是明亮的恆星、星系、星團、星雲。不過太空中還有一些黑暗無亮光的區域，那些區域可能並非空無一物，而是有比較冷的濃密雲氣遮住了來自後方的光線，看起來才會黑暗一片。

 

 

▲選擇不同頻段觀測到不同的銀河系樣貌。（影像來源：www.nasa.gov）

 

　　這些濃密的雲氣包括了塵埃和氣體，通常稱為星際介質。由於其中的物質分佈不均勻，較密集處的重力較強，會導致塵埃、氣體之間彼此吸引而接近、聚集，最後形成恆星，因此這些黑暗的區域正是新恆星形成的溫床。

　　雲氣會遮蔽背景星雲、星團發出的可見光，雖然近紅外光可以穿透雲氣，但能提供的訊息有限；而雲氣本身卻會發出毫米波和次毫米波，若能觀測這個波段的電磁波，將有助於了解新恆星溫床中的塵埃和氣體分佈情形。因此ALMA的重要任務之一，就是追尋恆星的起源。恆星是宇宙最基本的單位，研究恆星的形成是相當重要的課題。 

 

 

▲濃厚的星際介質擋住了星雲與星團發出的可見光，用可見光望遠鏡看起來只是漆黑一片（箭頭所指處），若能藉由ALMA觀測這些新恆星溫床發出的毫米波和次毫米波，就可追尋恆星的起源，這是ALMA的重要任務之一。（影像來源：中央研究院天文所助研究員王為豪）

 

 

　　另一個重要的課題是觀測行星的起源。由於ALMA具有非常強大的集光力及很高的解析度，因此可以看到遙遠的系外行星的細微結構。根據電腦模擬，若在距離我們150光年遠處有一個質量為太陽一半的恆星，以及一個類似木星大小的行星，距離該恆星5天文單位（即木星到太陽的距離），則ALMA可以相當清楚觀測到；即使距離拉長一倍到300光年處，ALMA仍可看到有點模糊的影像。 

 

 

▲左圖是電腦模擬以ALMA觀測距離地球150光年的恆星（質量為太陽的一半）與行星（質量接近木星）系統的影像，兩者相距5天文單位（即太陽到木星的距離）；右圖是距離300光年的影像。（影像來源：http://www.almaobservatory.org，cSebastian Wolf & Gennaro D'Angelo）

 

 

　　另外ALMA也可研究生命起源。不同分子在受激發躍遷時，會發出不同的電磁波（稱為分子譜線），其中很多會落在次毫米波頻段；由於ALMA具有極高的靈敏度，且可觀測頻率範圍相當寬廣的次毫米波波段，因此可以捕捉到相當完整的分子譜線，而能從化學角度深入分析宇宙中的分子，探討生命起源的問題。 

　　另外，許多跟太陽系大約同時在46億年前形成的彗星，其彗核是由原始的冰和塵埃組成。由於多數彗星在大部份的時間裡都在遠離太陽的區域運行，較少受到太陽風和熱輻射影響；而且彗核不大，不會像行星或較大的小行星有自己的地質作用而改變物質成份，因此彗核中會保留太陽系起源時的成份，而ALMA可以分辨出這些成份，幫助我們了解太陽系的起源。 

　　ALMA還可研究大尺度的科學問題：星系和宇宙的起源。當星系與星系互相撞擊時，除了星球與星球之間的交互作用外，塵埃與氣體的分佈及移動也會受到非常劇烈的影響，而新的恆星會在塵埃與氣體密集分佈區形成。這些現象無法以可見光望遠鏡觀測，必須依靠ALMA觀測毫米波與次毫米波頻段來了解這種星系演化的情形。另外由於ALMA的強集光力及高解析力，可以看到用其他望遠鏡無法看到、非常遙遠甚至接近宇宙邊緣的星體，因而成為研究宇宙起源的工具。

 

 

▲圖為著名的觸鬚星系，是兩個星系碰撞後所產生，藍色是哈伯望遠鏡看到的恆星，而紅橘色處則是ALMA觀測到的塵埃和雲氣，可據此研究星系的交互作用。（影像來源：http://www.almaobservatory.org，cALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Visible light image: NASA/ESA, Hubble Space Telescope）

 

【本文轉載自科學人科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】